泡帽組件的製作方法
2023-06-29 06:26:41 2
專利名稱：泡帽組件的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及用來發電和發生蒸汽的燃料燃燒的領域，具體來說，涉及一新穎和有效的用來將一流化介質供應到一流化床的泡帽組件。
背景技術：
循環流化床(CFB)技術是一種普遍地用作燃燒固體燃料來發生蒸汽和發電的吸引人的方式。這種普遍性見諸於國內外。在一燃燒裝置中，CFB技術提供帶有低排放的良好的燃燒效率，並提供燃料的靈活性，因為它特別適合於燃燒諸如煤、廢煤、無煙煤、褐煤、石油焦炭和農業廢料的大範圍的固體燃料。因此，它在公用事業和工業中的應用中已顯現為一環境可接受的技術。
在一循環流化床的加熱爐或鍋爐中，通常包括壓碎的燃料、石灰石和灰的床體材料懸置在空氣流中，約為化學計量燃燒所需要空氣總量的60-70％。床底被水冷卻的膜牆支承，膜牆帶有均勻分配空氣的空氣噴嘴。燃料和石灰石吸附劑(用於硫吸附)輸送到下部床。在流化空氣存在的情況下，燃料和石灰石在湍流的環境下迅速和均勻地混合，並表現為一流體。燃料中的碳顆粒暴露在燃燒空氣中。燃燒空氣的平衡作為二次空氣引入到下部密集床的頂部。該分級的燃燒限制氮的氧化物(NOX)的形成。
床的流化空氣速度大於床中大部分顆粒的熱速度，因此，流化空氣淘選向上的顆粒通過燃燒室到加熱爐出口處的U形梁分離器。由這些U形梁截住的固體包括任何未燃燒的碳和未利用的氧化鈣(CaO)，它們直接返回到燃燒室而不通過一外部的再循環。該內部的固體再循環對燃料和石灰石提供較長的駐留時間，導致有良好的燃燒和改進的硫的捕獲。
授予Swanson的美國專利No.4,648,969介紹一種流化床裝置，它提供一床板，用來控制通過流體腔室內的流化床的流體的流動。該流化床裝置包括一流體腔室，它具有一鄰近腔室底部的一入口和一鄰近腔室頂部的出口。一顆粒材料、即碳顆粒床用氰化物溶液流化並通過出口流出，而金和銀被碳床吸收。床板還設置有多個間隔的泡帽，它們包括一垂直的通道，其延伸通過床板並折流排出的流體。
授予Piekos的美國專利No.5,161,471介紹一用來再燃燒先前燃燒過的一次燃料的灰材的裝置，揭示一燃燒容器，它具有一入口和一出口，前者用來從諸如一鍋爐或加熱爐的一次燃燒單元接納灰材，後者用來從容器中排出燃燒產物。燃燒空氣引入到再燃燒容器內，以提供用於泡床的燃燒空氣的下燃燒源和上燃燒源，而向上移動的部件上升跑出泡床。
授予Geoffrey的美國專利No.5,141,047介紹一流化床熱交換器，它包括垂直延伸的間隔的用來容納內部流體的諸管，流體的流動與管壁保持熱傳遞的關係。一包封的外殼包圍諸管並容納移動通過管外部周圍的熱交換器腔室的流體的固體顆粒的流動。流體氣體通過一氣體送風腔室引導到固體顆粒中。一泡帽設置在各管的周圍，以防止固體顆粒通過進入到送風腔室內，而允許注入流化空氣，以流入到熱交換腔室內。
授予Kitto的美國專利Nos.5,455,011、5,543,117和5,632,858介紹一系統，其中，燃料和空氣在一注射器內燃燒，並與蒸汽混合以形成一燃燒產物和蒸汽混合物。混合物注入到材料床內。燃燒和混合通過限制在注射器內而與床材料分離。注射器是一具有至少一個孔的泡帽，或注射器由陶瓷多孔材料製成。
泡帽廣泛地用於流化床技術，用來將諸如流化空氣之類的流化介質供應到一流化床內。介質應均勻地分布在規定的床區域上，同時，在所有的時間內(包括流化介質供應關閉時的時間段在內)，防止床顆粒回篩到流化介質供應源內，例如，流化床加熱爐的風箱內。
圖1A示出一用於CFB的已知的分配器板結構100，CFB使用多個泡帽組件150。為了清晰起見，略去CFB加熱爐的部分或燃燒器壁；然而，示出一後加熱爐壁105和側加熱爐壁110，它們有利地用流體冷卻管制成。分配器板100還包括傳輸工作流體的流體冷卻管115，工作流體通常是水或水和蒸汽的混合物，它們從一入口集管120傳輸到加熱爐壁。形成分配器板100的水平管125彼此間隔，但通過鋼膜進行互連，多個孔設置通過該鋼膜。在管125下方的是一通氣區域130。泡帽組件150連接到分配器板100內的上述的諸孔，並將設置在通氣或風箱區域130內的加壓的氣體的流體供應到顆粒材料(未示出)床內，顆粒材料設置在分配板130的上部，以便流動顆粒材料並在流化床區域140內形成流化床。
一典型的泡帽組件150示於圖1B中。如圖所示，各個這些已知的泡帽組件150包括一嚴格意義上的泡帽155，以及一供應管160，通常稱之為杆160，它流體地互連風箱區域130和流化床區域140。流化空氣沿杆160向上傳輸到泡帽155內，它從泡帽155通過多個出口孔165分配到流化床。從出口孔165出來的流化空氣射流穿過床，在圍繞各泡帽155的區域內提供其流動。設置出口孔165來引導流動的氣體射出流向下朝向分配器板100。該特徵(連同出口孔結構，即，規定的最小的長度對直徑的比)確保在流化空氣供應關閉時沒有發生回篩，以及顆粒材料床坍陷在分配器板100上。
為了提供均勻的分布和流化空氣在床中的良好的混合，從出口孔165出來的空氣流速度可接近或甚至超過200ft/sec。聯繫床顆粒的通常的腐蝕特性，這可導致泡帽155的基本的磨損速率。對於一CFB加熱爐，泡帽155和杆160通常由不鏽鋼製成，以便在流化介質關閉和泡帽組件150溫度接近床材料的溫度時，能承受約1600°F的床溫度。定期地更換磨損的不鏽鋼泡帽，可對這樣的CFB單元帶來顯著的維護保養的費用。
一改進的、維護保養減少的泡帽組件將克服上述的和其它的諸多問題，因此，它將受到工業界的歡迎。
發明內容
陶瓷可承受典型的CFB加熱爐的溫度。此外，陶瓷遠比不鏽鋼耐磨損，然而，陶瓷泡帽的成本可與不鏽鋼的成本相比擬。因此，製造陶瓷的泡帽可降低其總體的成本(投資成本加維護成本)。然而，一陶瓷泡帽不能焊接在不鏽鋼杆上，而當兩個元件均由不鏽鋼製成時，焊接是較佳的選用方法。此外，陶瓷和鋼材具有不同的熱膨脹係數，不鏽鋼通常具有比陶瓷材料高的熱膨脹係數，對於組裝兩種類型的材料，不能使用螺紋連接的方法。
因此，本發明的一個方面是得出一改進的適用於CFB和沸騰流化床環境的泡帽組件，它由元件組合而成，其中，承受由流化床顆粒造成的高腐蝕性的元件能耐受腐蝕，而全部的組件能耐受流化床的高溫的環境。
本發明的另一方面是提供一泡帽組件，它是流體密封的，靈活地適應熱膨脹，且比全不鏽鋼泡帽組件成本上更有效。
因此，提供一陶瓷泡帽組件，它包括一連接到不鏽鋼杆上的陶瓷泡帽，它們兩者均耐受典型的加熱爐環境的高溫，其中，泡帽還耐受腐蝕。儘管陶瓷泡帽和不鏽鋼杆的組合引入不同的熱膨脹效應，但不鏽鋼杆與陶瓷泡帽的連接方法將帽和杆之間的氣體的流體洩漏減到最小，這樣，不致使該組合變得無效。一諸如一彈簧的耐熱銷或滾動銷插入到基本上垂直於杆的軸線的泡帽的孔內，它接合設置在杆上的槽或凹陷，並防止泡帽與杆脫開。
如果要求的話，通過在泡帽和杆之間提供一彈性的墊片，則泡帽和杆之間的空氣洩漏可進一步減小。
表徵本發明新穎性的各種特徵，特別地在形成為本說明書一部分的附後的權利要求書中予以指出。
為了更好地理解本發明、它的操作優點和通過其使用獲得的特定的好處，可參照諸附圖，以及示出本發明的一優選實施例的具體的描述。
附圖的簡要說明在諸附圖中圖1A是用於使用多個泡帽組件的流化床的已知分配器板結構的立體圖；圖1B是用於圖1A的分配器板結構的典型的現有技術的泡帽組件的放大的立體圖(局部剖切)；圖2A是根據本發明的泡帽組件的第一實施例的側視截面圖；圖2B是示於圖2A中的泡帽組件的平面的截面圖，沿圖2A的箭頭2B-2B的方向觀察；圖3是類似於圖2A的側視截面圖，示出根據本發明的泡帽組件的第二實施例，其中，泡帽組件具有一單一的插入孔；圖4是類似於圖2A的側視截面圖，示出根據本發明的泡帽組件的第三實施例，其中，泡帽組件具有多個插入孔(在此實例中，四個)；圖5A是類似於圖2A的側視截面圖，示出根據本發明的泡帽組件的第四實施例，其中，杆設置有一個或多個凹陷，而不是一圓形的槽；圖5B是示於圖5A中的泡帽組件的平面的截面圖，沿圖5A的箭頭5B-5B的方向觀察；圖6是類似於圖2A的側視截面圖，示出根據本發明的泡帽組件的第五實施例，其中，一彈性墊片設置在杆和泡帽之間；圖7是類似於圖2A的側視截面圖，示出根據本發明的泡帽組件的第六實施例，其中，示出設置在杆和泡帽之間的彈性墊片的一變化的放置方式；圖8A是類似於圖2A的側視截面圖，示出根據本發明的泡帽組件的第七實施例，其中，使用一彈簧或滾動銷來連接泡帽和杆；以及圖8B是示於圖8A中的泡帽組件的平面的截面圖，沿圖8A的箭頭8B-8B的方向觀察。
具體實施例方式
在包括本發明的若干個附圖中，在所有的附圖中相同的標號表示相同的或功能上類似的元件。一根據本發明的泡帽組件的優選的實施例20示於圖2A和2B中。泡帽組件20包括一陶瓷泡帽1，它包含若干個通過一中心的空氣通道3連接到不鏽鋼杆4的出口孔2。杆4的一端插入到泡帽1內，而另一端(未示出)連接到流化介質源，諸如空氣或其它的氣體的流體。插入到泡帽1內的杆4的一端在其外表面上設置有一圓形槽5。在此實施例中，泡帽1具有兩個插入孔6，它們的軸線基本上垂直於杆4的軸線，但該定向對於實踐本發明並不是關鍵的。各插入孔6具有一插入孔中的銷7。銷7可由任何耐高溫的材料製成，例如，不鏽鋼、陶瓷等。各銷7接合杆4上的圓形槽5的一部分，因此，在操作過程中防止泡帽1變得與杆4脫離。
杆4的插入端和泡帽1的匹配表面，以及插入孔和銷7的尺寸和公差，以這樣的方式選擇其允許各元件的熱膨脹不受阻礙，同時，最大程度地減小通過其間的一間隙8的空氣洩漏，納入到空氣流過泡帽組件20的一規定的百分比之內。通過允許間隙8的橫截面面積內的純流體流動面積不超過出口孔2的總的截面的流動面積的10％，則可實現後者的要求。
如圖3和4所示，在本發明的一變化的實施例中，插入孔6的數量，以及設置在泡帽1內的銷7的對應的數量，可必要地進行變化。例如，圖3和4分別示出帶有一個和四個孔6的結構。
如圖5A和5B所示，本發明的另一變化的實施例可利用在杆4的插入端的外表面上的凹陷9來代替一個或多個圓形的槽5。
接納杆4的泡帽1的內直徑部分根據接納在泡帽1內的杆4的外直徑(包括任何的製造公差)和熱膨脹進行選擇，在操作過程中，不鏽鋼杆4和陶瓷泡帽1將經歷所述的熱膨脹。
圖6和7揭示另一變化的實施例，它允許在杆4的插入端和接納杆4的泡帽1的匹配內表面上的公差鬆弛。這可通過提供一由適於高溫應用的彈性材料製成的墊片10來實現；一個這樣的材料是Kaowool，它可從喬治亞州的Augusta市的MorganThermal Ceramics Inc.的產品中購得。在圖6中，墊片10安裝在杆4和泡帽1之間，並如圖6所示，在這兩個元件之間提供一基本上流體密封的連接。因此，由於墊片10提供密封，所以，墊片的方法在杆4和使用的泡帽1之間允許有較大的間隙，由此，進一步減小可能造成泡帽1碎裂的杆4的熱膨脹的可能性。
在床材料尺寸分布和CFB單元的操作模式的一定的組合之下，圖6的結構可以不要求。例如，如果床材料包含細微顆粒，則這些細微顆粒可仍填充間隙8，至少在間隙8內，高達墊片10相遇的位置點。然後，當流化介質關閉且泡帽組件溫度接近周圍的床材料的溫度時，用固體填滿的間隙8將不容納杆4的熱膨脹，並可發生陶瓷泡帽1的碎裂。
因此，圖7示出另一變化的實施例，它提供一墊片的泡帽組件20，它克服上述與圖6的實施例相關的特定的問題。在此設計中，通過提供一環11，墊片10重新部署在杆4上的下部，環11有利地焊接在杆4上，當杆4插入到泡帽1中時，它位於泡帽1的下方。這將墊片10限制在泡帽1的凹進部分內，並在這樣一部位它完全地防止粒狀的床顆粒進入間隙8，同時，仍在泡帽1和杆4之間提供流體密封的連接。或者，杆4的外直徑可選擇或製造成提供一唇部或臺階，或在外直徑上類似的尖銳的變化，以便在此部位將墊片10限制在泡帽1和杆4之間的一區域內。最後，圖8A和8B揭示耐熱銷7的結構中的變化。在此例子中，耐熱銷7不是一普通的固體圓柱銷，但可包括一彈簧或滾動銷7，它插入到泡帽1的插入孔6內，並接合杆4的插入端的外表面上的圓形槽5或凹陷9。該結構再次防止泡帽1與杆4的脫離。
本發明不局限於使用陶瓷泡帽1的泡帽組件20。其它的耐高溫的以及耐磨損的材料也可用來製造泡帽1。除燃燒應用之外的流化床應用也可要求泡帽1用不同的材料製造，它們可更加耐受某些化學品等。同樣地，杆4可用不鏽鋼之外的材料製造，而製造墊片10的材料可不需是由耐高溫的材料製成。
儘管已經展示和詳細地描述了本發明的特定的實施例，以此來說明本發明的原理的應用，但本技術領域內的技術人員將會認識到，在不脫離這些原理的前提下，還可作出由下面的權利要求所涵蓋的本發明形式的許多變化。此外，儘管術語「泡帽組件」已經用於上述的描述中，但該術語的使用只是為了方便，並無任何限制的含義。本技術領域內的技術人員將會認識到，本發明在其最廣泛的形式中，是用於一將流化介質供應到一流化床的裝置；如此裝置用於工業界內的其它的項目包括「柔韌銅辮」或「糖甘蔗」。因此，本發明可適用於新的構造，包括起泡或循環流化床反應器或燃燒器，或適用於如此現存的反應器或燃燒器的更換、修理或改型，在裝置用於供應流化介質的應用中，則稱之為「泡帽」或其它的稱法。在本發明的某些實施例中，某些特徵使用的優點突出，不需對應地使用其它的特徵。更有甚者，儘管根據本發明的泡帽組件已經描述為傳輸作為流化介質的空氣通過其間，但應該認識到，泡帽組件可用來分配其它的氣體的流體，它們可以包括或不可包括空氣或含有氧氣的氣體。因此，所有這樣的變化和實施例適當地落入以下權利要求書的範圍內。
權利要求
1.一泡帽組件，其用來將一流化介質供應到顆粒材料的流化床，包括一具有兩端的杆，其中，一端插入到一泡帽中，插入端具有在其外表面上的一圓形槽和一凹陷中的至少一個，泡帽具有至少一個出口孔，用來將流化介質供應到顆粒材料床內，並具有至少一個插入孔，當泡帽接納杆的插入端時，該插入孔鄰近杆上的圓形槽和凹陷中的至少一個；以及至少一個銷插入到插入孔內，並接合杆上的圓形槽和凹陷中的至少一個，以將泡帽連接到杆上。
2.如權利要求1所述的泡帽組件，其特徵在於，泡帽由陶瓷材料製成。
3.如權利要求1所述的泡帽組件，其特徵在於，銷是一彈簧銷。
4.如權利要求1所述的泡帽組件，其特徵在於，杆是由不鏽鋼材料製成。
5.如權利要求1所述的泡帽組件，其特徵在於，泡帽和杆之間的間隙具有一純流體流動面積，它不超過出口孔的總的流動面積的一規定的百分比。
6.如權利要求5所述的泡帽組件，其特徵在於，泡帽和杆之間的間隙具有一純流體流動面積，它不超過出口孔的總的流動面積的百分之十。
7.如權利要求1所述的泡帽組件，其特徵在於，還包括一密封地接合在杆和泡帽之間的墊片。
8.如權利要求7所述的泡帽組件，其特徵在於，當杆插入到泡帽內時，墊片位於泡帽內。
9.如權利要求7所述的泡帽組件，其特徵在於，泡帽在泡帽接納杆的部位處設置有一凹陷部分，而當杆插入到泡帽內時，在凹陷部分處，墊片密封地接合在杆和泡帽之間。
10.如權利要求9所述的泡帽組件，其特徵在於，杆設置有用來當杆插入到泡帽內時將墊片限制在凹陷部分內的裝置。
11.如權利要求7所述的泡帽組件，其特徵在於，墊片由適合於高溫應用的彈性材料製成。
全文摘要
一用於流化床的鍋爐、加熱爐或反應器的泡帽組件具有一泡帽、一桿，以及至少一個銷。杆的一端插入到泡帽內。泡帽具有一出口孔，通常用來將流化介質供應到一顆粒材料床，但它防止顆粒材料回篩到泡帽中。泡帽還具有一銷可插入其中的至少一個插入孔。當銷插入到泡帽的插入孔內時，它也佔據杆上的一槽或凹陷，由此，防止泡帽和杆組合的分離或脫開。一彈性墊片可設置在泡帽和杆之間，以形成一流體密封的連接。
文檔編號F23C10/18GK1621741SQ200410047469
公開日2005年6月1日 申請日期2004年5月31日 優先權日2003年5月29日
發明者M·馬裡亞姆齊克, G·L·安德森, J·J·哈赫恩, E·L·克林斯三世, D·J·瓦爾克, J·J·布勒布魯齊 申請人:巴布考克及威爾考克斯公司, 布拉希精密制陶股份有限公司