用于烟气温度控制的锅炉内部烟气旁通气流调节装置

摘要

一种用于蒸汽发生器的烟气通道结构，所述结构允许对一最后的热交换器管束表面的传热有效度进行调节，以控制流动穿过烟气通道、从其排出并输送到下游的、具有一最低工作温度的一NO

说明书

技术领域

本发明总地涉及用于工业生产或公用事业发电的矿物燃料锅炉和在蒸汽生产中所用的蒸汽发生器的领域。更具体地说，本发明涉及内部的烟气旁通气流调节装置(damper)，该内部烟气旁通气流调节装置可用来通过控制形成锅炉或蒸汽发生器的一部分的最后的热交换器管束表面的有效度(吸收热量的能力)，对供应到下游装置的烟气温度进行控制。

背景技术

氮的氧化物(NO_x)、与硫的氧化物(SO_x)及颗粒物质一起是在燃烧过程中所散发出的主要污染物质中的一种，且也是许多国家和国内管制政策的对象。有关这些环境方面的考虑以及用来控制这些污染物质的设备和方法，读者可以参见《蒸汽/其产生和利用》(STEAM/its generation and use)，第40版，Stultz和Kitto，Jr.，Eds.，版权所有，巴布考克及威尔考克斯公司(Babcock& Wilcox Company)，具体为第32至第36章。

如在《蒸汽》第40版的第34章第34-1页至第34-9页中所述(原文已结合于此，以供参考，正如完全在这里提出的一样)，一种控制由这样的锅炉或蒸汽发生器产生的NO_x放出物的方法包括使用选择性催化还原(SCR(selective catalytic reduction))技术的系统。SCR系统在一化学反应中使用氨气催化地还原烟气NO_x至N₂和H₂O。NO_x还原反应在已引入和混合了氨气的烟气通过一催化剂腔时发生。

要正确地进行这样的SCR系统的操作需要进入SCR系统的烟气的温度被控制在一特定的温度范围内，通常为450至840华氏度(232至449摄氏度)。通常，最佳的性能发生在675至840华氏度(357至449摄氏度)之间，并且想要将离开锅炉最末的热交换器和进入一SCR的烟气的温度保持在NO_x还原催化剂的最低工作温度或更高的温度。但是，由于锅炉或蒸汽发生器的负载(由蒸汽的产生量来定义和衡量)的变化，离开锅炉或蒸汽发生器的烟气的温度是不保持恒定的，从锅炉或蒸汽发生器排出的烟气的温度通常随着蒸汽产生量的减小而降低。虽然如此，即使锅炉的负载减少，进入催化剂的最低烟气温度也必须保持在NO_x还原催化剂的最低工作温度或更高。

目前的保持离开锅炉或蒸汽发生器的最末热交换器表面的烟气的温度在锅炉的负载减小的情况下仍处于或高于SCR NO_x还原催化剂最低工作温度的方法是安装一旁通的烟道系统。旁通烟道从锅炉或蒸汽发生器中最末的热交换器的上游的一位置(通常是节热器热交换表面的一管束)处将一部分的烟气转移和输送至一正好在SCR的上游的部位。流过旁通烟道的被转移的烟气由于没有通过节热器热交换器表面(并向之传递热量)，所以温度较高。这样，被转移的烟气使得进入SCR的烟气的总体温度上升，使其高于所需要的最低温度。

在某些用SCR系统对排出锅炉或蒸汽发生器进行改型情况下，没有足够安装这样的旁通烟道的空间，或者无法以成本节省的方式来安装这样的旁通烟道。一些情况可能需要修改主体的结构，重新定位主要的设备、和/或显著改变锅炉的压力部件。在这样的情况下，可能会不对进入SCR的烟气温度加以控制，或者安装旁通烟道的花费很大以致阻止进行修改。工业中很需要这样一种系统，它能在提供这样的烟气旁通烟道的是不实际的情况下允许对这样的SCR系统的安装进行改型，并同时仍能对进入SCR的烟气的温度加以控制。

发明内容

本发明可以用来基于接受锅炉或蒸汽发生器所产生的烟气的下游装置所需要的温度来控制这些烟气的温度。本发明的一个具体的应用包括一种设备，它用来控制进入用于减少从锅炉或蒸汽发生器放出的大气NO_x、且位于下游的选择性催化还原(SCR)系统的烟气的温度。

因此，本发明的一个方面是提供一种控制进入SCR的烟气的温度的装置，它无需较大的额外空间和修改，而通常当在现有的与锅炉或蒸汽发生器相连的烟道的外侧添加烟气旁通烟道时是需要这样的较大的额外空间和修改的。

本发明的另一个方面是提供一种装置，它用来在不同的锅炉负载条件下，将提供到SCR系统的烟气的温度保持为高于一最低的SCR工作温度。

在其最基本的形式中，本发明无需提供已知的烟气旁通烟道系统，而是对锅炉或蒸汽发生器的最后的热交换器管束表面(通常为节热器和主过热器表面)的传热有效度(吸收热量的能力)进行调节，以提供有效度可变化的热交换表面，从而控制进入SCR的烟气的温度。

因此，本发明的一个方面涉及一种用于蒸汽发生器的烟气通道结构，该结构允许对一最后的热交换器管束表面的传热有效度进行调节，以控制流动穿过烟气通道并输送到下游的、具有一最低工作温度的一NO_x还原装置的烟气的温度。节热器受热表面位于烟气通道内。一导流板延伸穿过烟气通道并产生穿过其的两个气道。节热器受热表面位于由烟气道形成的一第一和一第二区段中的至少一个中，每一烟气道中各一个区段。最后，设置气流调节装置，将其置于第二区段中并连接于导流板和烟气通道的壁之间。气流调节装置用来选择性地允许或者限制穿过第二区段的烟气流动。以这样的方式，节热器受热表面的传热有效度就可用气流调节装置来控制的，以将输送到下游的NO_x还原装置的烟气温度保持为等于或高于NO_x还原装置的最小工作温度。

可变位置的气流调节装置能够完全打开，以让烟气在两个区段的组合的热交换器表面上相等地通过，或者逐渐关闭，以减小有效的热交换器表面积。总的热交换器表面积和总的对流通道气流面积在两个区段之间的分配基于最大和最小锅炉负载及进入NO_x还原装置的烟气所需要的最小工作温度来确定。

或者，可以通过由一分隔件板分割来提供两分离的热交换器管束，且一热交换器管束在其下方具有一位置可变的气流调节装置。

还有，另一结构包括仅在一气道中设置节热器热交换器，且带有沿着热交换器管束的一侧产生的一敞开的气道。一位置可变的气流调节装置设置在敞开气道的一端处，用于可变地限制烟气流动穿过该气道。

为本发明特征的各种创新的特征在形成本所揭示内容一部分的所附权利要求书中特别地予以指出。为了更好地理解本发明、其操作、优点以及通过使用其而获得的特别的益处，可以参见附图和说明本发明较佳实施例的描述材料。

附图简述

在附图中：

图1是本发明一第一实施例的侧剖视图，其中，一导流板在一烟气通道中延伸，以产生穿过一公共的节热器管束表面的两个分离的气道，气流调节装置位于两气道中的一个中；

图2是本发明一第二实施例的侧剖视图，其中，一导流板在一烟气通道中延伸，以产生两个分离的气道，每一气道包括分离的节热器管束表面，气流调节装置位于两气道中的一个中；

图3是本发明一第三实施例的侧剖视图，其中，一导流板在一烟气通道中延伸，以产生两个分离的气道，一个气道包括一节热器管束表面，另一个包括气流调节装置；

图4是本发明一第四实施例的侧剖视图，其中，一导流板在一烟气通道中延伸以产生穿过一公共的过热器管束表面和一公共的节热器管束表面的两个分离的气道，气流调节装置位于两气道中的一个中；

图5是本发明一第五实施例的侧剖视图，其中，一导流板在一烟气通道中延伸，以产生穿过一公共的过热器管束表面的两个分离的气道，一个气道包括一节热器管束表面，另一个包括气流调节装置；

图6是本发明一第六实施例的侧剖视图，其中，一导流板在一烟气通道中延伸，以产生穿过一公共的过热器管束表面的两个分离的气道，每一气道包括分离的节热器管束表面，气流调节装置位于两气道中的一个中；

图7是本发明一第七实施例的侧剖视图，其中，一导流板在一烟气通道中延伸以产生穿过一公共的过热器管束表面的两个分离的气道，气流调节装置位于两气道中的一个中且在过热器表面的一上游管束和节热器管束表面之间；

图8是本发明一第八实施例的侧剖视图，其中，一导流板在一烟气通道中延伸以产生穿过一公共的过热器管束表面和一公共的节热器管束表面的两个分离的气道，气流调节装置位于两气道中的一个中的两公共管束之间；

图9是本发明一第九实施例的侧剖视图，其中，一导流板在一烟气通道中延伸，以产生穿过一公共的过热器管束表面的两个分离的气道，一气道包括一节热器管束表面，另一个包括与节热器管束表面直接相对的气流调节装置；

图10是本发明一第十实施例的侧剖视图，其中，一导流板在一烟气通道中延伸，以产生穿过一公共的过热器管束表面的两个分离的气道，每一气道包括分离的节热器管束表面，气流调节装置位于两气道中的一个中，且在公共的过热器管束和分离的节热器管束表面中的一个之间；

图11是一示意的侧剖视图，示出了根据本发明如何设置导流板以在烟气通道中实现所要求的气道深度D₁和D₂。

具体实施方式

在所附并形成本说明书一部分的附图中，全部的诸图都用相同的标号标示相同或功能相似的零件。图1示出了本发明的第一实施例。示出了一锅炉或蒸汽发生器的一烟气通道10，它如所示地由壁11限定。烟气通道10也称为对流通道10，这是因为在该位置处的主要的传热机制是通过热烟气12与热交换器表面之间的对流传热。有关这样的锅炉对流通道构造的一般描述，读者可以参见前述的《蒸汽》第40版参考书的第34-5页上的图7。

热交换表面包括位于其中的主过热器或一个或多个过热器管束14以及一个或多个节热器管束16、18、20、22。主过热器14位于上游(相对烟气12流过对流通道10的方向而言)，并在烟气12通过到下游的节热器表面之前容纳穿越流过那里的烟气12。节热器表面通常是烟气12在传送到空气加热器24之前所最末遇到的锅炉或蒸汽发生器的热交换器表面。如图1所示，根据本发明，节热器管束16可认为是位于由一分隔件或导流板30分开的两个区段26、28中，该分隔件或导流板30产生穿越节热器管束16的两个气道。

主过热器14和节热器16管束分别分离地载有蒸汽和水。主过热器14和节热器16各包括多个管道，诸管道在其端部处连接至一公共的位置，并具有一入口和一出口。管束14、16形成用于从在那里穿越的热烟气12向在管道中流动的传热介质(蒸汽或水，视情况而定)进行传热的热交换器表面。

导流板或分隔件30是穿过并在节热器16的公共管束的上方和下方(上游和下游)延伸的一垂直的导流板。它为烟气12穿过节热器16产生了两条流动路径，并基本防止烟气12在节热器16的第一和第二区段26、28之间流动。在图1所示的实施例中，分隔件板30具有若干开孔(未示出)，它们在节热器管束16中的诸管道周围配置，并允许管道在哪里通过，并同时基本防止烟气12从一个烟气道流入另一个。

气流调节装置、较佳的是设有放热窗的气流调节装置32位于第二节热器区段28的下方，并且连接在对流通道10的一壁34与导流板或分隔件板30之间。设有放热窗的气流调节装置32具有若干可旋转的放热窗，它们可移动到从完全打开到密封关闭的任何位置。放热窗的位置通过控制第二区段28上的烟气12的流动来控制节热器16的有效度(吸收热量的能力)。当可能接触烟气12的节热器16的有效表面区域减少时，从烟气12去除的热量也减少。设置在节热器16的一部分下方的设有放热窗的气流调节装置32就能够可变化地控制节热器16的有效表面区域，以使它可以在锅炉的完全负载和部分负载状态之间进行调节。较佳地是，通过关闭它、使烟气12仅转向越过节热器16的一部分、从而减少对其中流动的水的传热，使锅炉的负载减小时节热器16就降低有效度，以使从节热器16排出并进入SCR 36或另一NO_x还原装置的烟气12的温度保持大于最低的工作温度。

在图1中示意地示出了这样的控制功能，其中控制装置40沿着线路42接受一表示进入SCR 36的烟气温度的信号，并沿着线路44输出一控制信号以调节气流调节装置32的位置(打开或关闭)。控制装置40可以是在一操作人员的手动控制下，或者作为反馈或前馈控制方案的一部分来进行自动控制。

几乎所有的在现有的锅炉或蒸汽发生器上的改型SCR安装都会有周围建筑物和/或设备的干扰。可以在现有的锅炉中与一诸如SCR 36之类的NO_x还原装置一起替换或改型最后的热交换器表面，而不需要用于锅炉或蒸汽发生器的更大的平面区域。而从穿过第二区段28的烟气中转移出来的烟气12提供了保持SCR 36的工作温度所需的可变化控制能力，而不会占据额外的面积或需要对周围结构或设备更多的修改，在不使用本发明时，为了执行烟气旁通烟道的方案这些则都是需要的。

因为最后的热交换器表面(节热器16)位于对流通道10最冷的端部，所以通常工作温度将是足够低的，以使气流调节装置32可以用相对较为便宜的合金来构造，如碳素钢材料。气流调节装置32紧随节热器热交换器部分30并且实际上成为了热交换器30的一部分，从而这就基本消除了材料不均匀膨胀的问题、需要搅拌装置或在已知的烟气旁通系统中所需要的另外的气流调节装置的问题。

在烟气通道10内的分隔件板30的特定位置取决于安装有热交换器16的锅炉，基于所要求的传热和/或烟气道阻力方面的考虑。通常，第一区段的面积对第二区段的面积的比值在0.5至1.5之间。如这里所使用的，面积是指在横越各区段26、28入口的一水平平面中的烟气通道10的面积。由于锅炉或蒸汽发生器的对流通道10通常是恒宽度的，并且对流通道或烟气通道10的总深度为D₁，以使面积比可以等价地由导流板30所形成的个气道的深度D₁和D₂的比值来表示，如图11所示。

在其余的图中示出了本发明的若干可替代实施例。

在图2中，最后的热交换器由两分离的节热器管束18和20(分别为节热器管束A和B)来形成，两节热器管束由一分隔件或导流板30相互隔离开，而不是如图1中所示为公共的节热器管束16。导流板30也形成与图1所示很相像的两个区段，在本情况中，导流板30无需具有允许节热器管束A和B中的诸管道通过的开孔，这是因为管束A和B完全相互分离。设有放热窗的气流调节装置32还是位于节热器管束20的下方，并且以与图1实施例相同的方式进行工作。亦即，气流调节装置32在锅炉蒸汽负载减少时是关闭的，以将烟气12引向节热器管束A和离开节热器管束B。

图3的实施例采用了具有足以从锅炉或蒸汽发生器在全负载工作时所产生的烟气12中吸取所需要的热量的一有效面积的节热器管束22。分隔件或导流板30设置在节热器22的内侧，以形成两个烟气流动区段。但是，在第二区段中设有放热窗的气流调节装置32的上方或上游没有设置节热器管道。这里，设有放热窗的气流调节装置32基本与图1相同，但是它具有相反的功能。当锅炉全负载时，节热器22必须以更高的有效度工作，气流调节装置32可以关闭，以使所有的烟气12在节热器22上通过。当需要较低的有效度时，气流调节装置32可以打开以使一部分烟气12从节热器22旁通而不进行传热。

尽管已经示出了本发明的特定实施例，并加以详细描述以说明本发明原理的应用，但是应予理解的是，可以不超出这样的原理、以所附权利要求书所涵盖的本发明的形式进行变化。例如，本发明可以应用于包含SCR系统的新结构，或者应用于替换、修理或修改现有的、使用SCR系统的锅炉或蒸汽发生器。

在本发明的一些实施例中，本发明的某些特征有时与或不与其它特征一起相应的使用可能是有利的。例如，可以设计成导流板30可以进一步延伸到上游的烟气流动12中，包括延伸入过热器14，以进一步增加气流调节装置32所提供的有效度和控制能力。这些方面示于图4、5、6和8、9、10及11中。也可以这样设计，气流调节装置32可以设置在区段30的上端处，如图7、8及10所示，或者邻近节热器16，如图9所示。尽管在这些情况下，可能会使用更贵、更高级的合金材料来制造本装置，以使其能经受更高的烟气12的温度。类似地，尽管设有放热窗的气流调节装置32使用起来是较佳的，但是其它类型的气流调节装置结构或其它类型的流动限制装置也可以使用，只要能满足空间和性能的要求。因此，所有这样的修改和实施例都落入所附权利要求书的保护范围及其等效内。