TW201200806A - Economizer water recirculation system for boiler exit gas temperature control in supercritical pressure boilers - Google Patents

Description

201200806 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本揭示内容係對於一種可應用於現存超臨界壓力鋼爐藉 此使該加熱鋼爐水冷壁出口流體之一部分被循環回至一節 能器之一入口的系統之一總體描述。更特定而言，該揭示 内容係關於一種用於在一超臨界鍋爐之節能器之一出口處 以較低鍋爐負載維持較高出口氣體溫度之目的的流體循環 系統以及一種操作該節水循環系統的方法。 本申請案主張2009年12月29曰申請的美國臨時專利申請 案第61/290,7 5 2號之優先權，該申請案之全文以引用方式 併入此文中’並進一步主張2009年12月21日申請的共同待 審之美國臨時專利申請案第61，288,576號之優先權。 【先前技術】 一鍋爐一般為一種由許多互連之管集箱、管道及管界定 的封閉高壓系統並含有一可在受控條件下加熱的流體。隨 著該流體被加熱至某一溫度，該流體吸收能量。然後此流 體可被用於提供功’或者其可被用作一熱源。 用於加熱該鋼爐中之流體的燃料在該鍋爐之一燃燒爐部 中燃燒。在一種使用水作為其中所包含之流體的鍋爐中， 水冷壁圍繞該燃燒爐定位並含有該流體所流經的管子。一 般經除氣的流體首先被饋送至一節能器之管子，然後被饋 送至該等水冷壁中的管子。該節能器接收饋送水及補給 水，其替代源自所產生之蒸汽的損失。該節能器從由該燃 燒爐中之燃料之燃燒所產生的廢氣吸收熱並將該熱傳送至 152353.doc -4 - 201200806 該饋送水及補給水。 在一種超臨界鋼爐中，來自該節能器的流體在其通過該 等水冷壁中之管子時被轉換為蒸汽。該蒸汽可直接用於一 程序中（以產生功或作為一熱源）。如果未直接用於一程序 中’該蒸汽可被傳遞至一過熱器中，其中該蒸汽被進一步 加熱。被過熱的蒸汽提高其所被供應至的一汽輪機之效 率。 一般而言，離開該節能器的鍋爐廢氣之溫度在該鍋爐操 作於減少之蒸汽流時更低。在該鋼爐利用一位於該廢氣排 放處之選擇性催化劑還原（SCR)系統操作的情況下，該催 化劑之反應活性取決於進入該催化劑反應器中的廢氣之溫 度。因此，將廢氣溫度降低至低於一臨限值將導致該催化 劑的更低反應性。 【發明内容】 根據一描述於此之態樣，提供一種在一鋼爐中的流體循 環系統。該系統包括流量控制閥之一配置，其經定位以便 從該系統之一入口接收一流體流。該系統進一步包括一節 能器入口混合裝置’其經定位以便從該流量控制閥配置及 一饋送水串流接收該流體流。在一個實施例中，該饋送水 串流之溫度相對於來自該流量控制閥配置的流體之溫度更 低。一來自該節能器入口混合裝置的出口串流允許一進入 一節能器之流體流的溫度得以控制。此外，離開該節能器 之廢氣的溫度被升面並維持於一最佳值。 根據此處另一態樣，提供一種位於一鍋爐中之一節能器 152353.doc 201200806 之上游的節能器入口混合裝置。此裝置包括一喷灑器總 成’一流動至一過熱器的流體流之至少一部分通過該喷灑 器總成；一入口，一來自一饋送串流的流體流通過該入口 被接收；一用於該混合流體的出口濾器；以及一碎波器總 成，一來自該節能器入口混合裝置的出口串流通過該總成 而被導向。該出口串流包括通過該喷灑器總成之流體流以 及來自該饋送水串流之流體流的一組合。 根據又另一個態樣，一種升高一離開一鋼爐中之一節能 器的廢氣之溫度的方法包含接收一來自一從一燃燒爐至一 過熱器之流體串流的流體流之至少一部分、將經接收的流 體流之至少一部分與一饋送水串流組合、以及將經組合的 經接收的流體流及饋送水串流導向一節能器。至該節能器 的經組合的經接收的流體流及饋送水串流之溫度經控制以 便降低該節能器中的熱吸收’藉此升高離開該節能器的廢 氣之溫度並致使廢氣所流經的一選擇性催化劑反應器以一 最佳設計溫度操作。 【實施方式】 參考顯示示例性實施例之圖式’且其中相似元件係經類 似地標號。 參考圖1，一種鋼爐之一示例性實施例大致上由參考數 字ίο表示’在該鍋爐中使用一節水循環系統。在一個實施 例中亥鋼爐1 0為一超臨界壓力鋼爐。燃料在該銷爐1 〇中 燃燒，且其中之化學能量被轉換為熱能並用於加熱該鋼爐 内之一液體以便產生一可用於驅動一渴輪或類似物的水 152353.doc -6 - 201200806 π。该液體於下文中稱為水，且該水汽於下文中被稱作蒸 汽。 在該鍋爐ίο中，該燃料及氧化劑被導入一具有若干水冷 壁14的燃燒爐12中《在該燃料燃燒時，一廢氣“被產生並 通過一節能器22被導向一過熱器2〇並進入一選擇性催化劑 還原（SCR)系統24(於下文中稱r SCR24」）中。 為產生該蒸汽（其由參考數字28指示），饋送水經由一節 水循環系統30(於下文中稱「循環系統3〇」）被饋送至節能 器22。一來自該循環系統3〇的水串流“被導向該節能器 22。熱從該廢氣16轉移至通過該節能器傳遞的水串流。然 後-來自該節能器22的水串流36在作為—串流料向該過 熱器20之前流經該等水冷壁14。一循環流體流“被取自流 經該等水冷壁之後的串流37並被饋$回至該循環系統3〇。 如此，進入該節能器22的水之溫度以一種受控的方式升 高。這藉由降低該節能器中之廢氣及水之間的溫差而降低 該節能器之熱吸收。其結果係離開該節能器22的廢氣狀 溫度的升高。 參考圖2，該循環系統30接收兩個分開之串流，即該饋 送水串流40及該循環流體流38。在接收該饋送水串流4〇 時，該饋送水串流通過-啟動水串流饋送，其係從一在低 饋送水流之條件期間提供該饋送水的啟動閥之出口或從主 饋送水閥接收。離開該循環系統3〇的水串流34被導向該節 旎态22。如上述，該水串流36之後離開該節能器。 一來自一在止回閥46及該鍋爐混合室48之間之保溫管線 152353.doc 201200806 44的最小流體流使該管路保持均一溫度。 如圖示，該循環系統30包括該循環止回閥46，該循環流 體流38通過該止回閥而被接收、一接收該循環流體流^的 流量控制閥配置50、一接收通過該流量控制閥配置5〇之饋 送水流及循環流的節能器入口混合裝置54、以及一從該節 能器入口混合裝置54接收一出口流體串流的循環泵/閥配 置56。經組合的饋送水串流4〇及該啟動串流經由該節能器 入口混合裝置54接收進入至該循環系統3〇中。 在所顯示的實施例中，該流量控制閥配置5G包括一氣動 或馬達致動溫度控制閥6〇，其可利用位於其上游及下游的 閘閥62隔離。該氣動或馬達致動溫度控制閥6〇及鄰近定位 的閘閥62可經由一具有一旁路球閥65的旁路管線“而被繞 過0 通過該流量控制閥配置5〇的流體流被接收至該節能器入 口混合裝置54中。 來自該節能器人口混合裝置54的流體流被接收至該循環 泵/閥配置56中，其包括一個或多個循環泵70。該（等）泵70 的操作降低在該節能器入口混合裝置54中的流體之壓力。 然而，就此點而言，該循環系統3〇不限於此，因為在該節 能器入口混合裝置54中的壓力亦可藉由將額外泵串聯定位 於該節能器22之入口處而被額外地降低。在所顯示的該循 環泵/閥配置56中，閘閥71將流入該等泵的流體流隔離， 且止回閥73防止通過該等泵70的回流。該等泵70的出口串 流為該流體串流34。一旁路管線72可被用於將圍繞該循環 152353.doc 201200806 泵/閥配置56的流的所有或一部分導向。該旁路管線”包 含一旁路止回閥74。 在將該饋送水與來自該流量控制閥配置5〇的循環流體組 合時，進入該節能器22的流體混合物之溫度被控制（升 高）。這藉由降低該節能器22中的廢氣及水之間的溫差而 降低該節能器之熱吸收。其結果係該節能器出口氣體溫度 (廢氣16)的升高。該循環系統30藉此允許以降低的鍋爐蒸 汽流量維持一與先前技術鍋爐相比較高的節能器出口氣體 度（即該節能器出口處的溫度）。藉由控制循環流體流3 8 之數量，進入該SCR24的氣體溫度在低負載操作期間增 高。這使該SCR24能在較低的負載維持作用。此外，該循 環系統30可經修整用於現存的超臨界鍋爐，藉此允許與先 前技術的氣體旁路系統相比更加可預測的ScR入口氣體溫 度層化以及更少的SCR混合設備。 現參考圖3及4 ’該節能器入口混合裝置54包括一外殼 8〇，其中·*裝有一喷灑器總成82。該喷灑器總成82之上區 段通過一入口 86從該流量控制閥配置5〇接收該循環流體流 38 ^由於該循環流體流38係來自從該等水冷壁14及該等外 水冷壁至該過熱器20的串流37,在此串流中的流體在該鍋 爐11的操作期間處於極高溫。 當導入该喷灑器總成82中時，該循環流體被喷灑或分配 於該外殼80内以便與進入的饋送水混合。該喷灑器總成包 括一圓柱形部件90,該部件中具有複數個孔、切口或其他 開口 92。流經該入口 86的壓力頭（其實質上）通過該等開口 152353.doc 201200806 92將流體從該圓柱形部件90之内側喷灑至該圓柱形部件之 外並被該外殼80之内壁封閉的區域。 該饋送水串流40(與該啟動水串流結合）亦經由兩個或更 多饋送水入口 88接收至該外殼80中。 喷灑器總成82之下區段為一用於該混合流體的泵保護濾 器’其被排放至一出口 94中’該出口包括一降流管喷嘴， 一碎波器總成84被安裝於該喷嘴之下。該碎波器總成84包 括複數個縱向配置於一導管98中的隔板96。該等隔板96經 定大小並定位以破壞任何流體側傳播波並將來自該外殼8〇 的流指向於平行於該導管98所延伸之方向的流動管線中， 藉此消除起因於緊鄰之空泡的不穩定之震動的可能性。該 流體從該碎波器總成84導向該循環泵/閥配置56。 可從圖3中看到，支撐腳柱1〇〇被安裝於該外殼8〇之外殼 以便允許該節能器入口混合裝置54能被約束。雖然四個腳 柱被顯示支撐該外殼80，應理解任何數量的可適當約束該 外殼的腳柱亦可被使用。可從圖4看到，該等饋送水入口 88從一垂直延伸通過該外殼8〇的中軸z偏移並經配置使得 通過各者的流體串流彼此相交以最佳混合。 藉由使來自該流量控制閥配置5〇的饋送水及熱流體流經 該卽能器入口混合裝置54的喷灑器總成及該碎波器總成， 歸因於緊鄰崩塌之壓力囊的週期性震動以及較大的流體溫 差可被防止或至少最小化。 雖然本揭示内容已參考其詳細實施例而被顯示及描述， 此項技術熟練者將理解各種改變可被做出且等效物可替代 152353.doc 201200806 其元件而不脫離描述於此之範圍。此 可作出變型以便 使-特定狀況或材料適應本發明之教示而不脫離其基本範 圍。因此，本揭示内容不限於在上述中揭示的該等特定： 施例，而是本發明將包含所有在所附之技術方案之範圍内 的實施例。 【圖式簡單說明】 圖1為一種超臨界壓力鍋爐之一示意圖，一節水循環系 統可被使用於該鍋爐中； 圖2為該節水循環系統以及來自其及流向其的饋送串流 之一示意圖； 圖3為一用於該節水循環系統的節能器入口混合裝置之 一前視圖；及 圖4為圖3之節能器入口混合裝置之一俯視圖。 【主要元件符號說明】 10 超臨界壓力鋼爐 12 燃燒爐 14 水冷壁 16 廢氣 20 過熱器 22 節能器 24 SCR 28 蒸汽 30 節水循環系統 34 水串流 152353.doc 201200806 36 水串流 37 流體流 38 循環流體流 40 饋送水串流 44 保溫管線 46 止回閥 48 鍋爐混合室 50 流量控制閥配置 54 節能器入口混合裝置 56 循環泵/閥配置 60 溫度控制閥 62 閘閥 64 旁路管線 72 旁路管線 74 旁路止回閥 80 外殼 82 喷灑器總成 84 碎波器總成 86 入口 88 饋送水入口 90 圓柱形部件 92 開口 94 出口 96 隔板 152353.doc • 12· 201200806 98 100 z 導管 支撐腳柱 中軸 152353.doc •13

Claims (1)

1. 201200806 七、申請專利範圍： 1. 一種在一超臨界壓力锅爐中的流體循環系統，其包括： 一節能器； 一流量控制閥配置，其經定位以從該流體循環系統之 一入口接收一流體流； 一節能器入口混合裝置，其經定位以從該流量控制閥 配置以及一饋送水串流接收該流體流； 一來自該節能器混合裝置的出口串流，其允許一進入 該節能器的流體流之溫度被控制；及 一離開該節能器的廢氣之溫度被升高至一最佳值。 2. 如請求項1的流體循環系統，其進一步包括一循環閥配 置’該循環閥配置定位於來自該節能器上游的該節能器 混合裝置之該出口串流處。 3. 如請求項2的流體循環系統，其進一步包括一將圍繞該 循環閥配置之一流體流之至少一部分導向的旁路管線。 4. 如請求項1的流體循環系統，其進一步包括一位於該流 量控制閥配置上游的止回閥。 5. 如請求項1的流體循環系統，其中該流量控制閥配置包 括一氣動及一馬達致動的溫度控制閥之至少一者。 6·如請求項5的流體循環系統，其進一步包括一旁路管 線，該旁路管線經定位以便允許一水流圍繞該各別氣動 或馬達致動溫度控制閥。 7.如請求項1的流體循環系統，其中該節能器入口混合裝 置包括一噴灑器總成及一碎波器總成。 152353.doc 201200806 8·如明求項7的流體循環系統，其中該喷灑器總成包括一 圓柱形部件’其具有複數個位於其中的開口，來自該流 量控制閥配置的該流體流通過該等開口而被接收。 種位於一超臨界壓力鍋爐中之一節能器上游的節能器 入口混合裝置，該裝置包括： 一喷灑器總成，一來自一水冷壁出口的流體流之至少 一部分通過其而被接收； 一碎波器總成，一節能器入口混合裝置之一出口串流 通過其而被接收； 該出口串流包括通過該喷灑器總成的流體流以及來自 一饋送串流之流體流之一組合。 10. 如請求項9的節能器入口混合裝置，其進一步包括一外 殼，來自該饋送串流之流體流所通過的該喷灑器總成及 該入口定位於該外殼中。 11. 如請求項10的節能器入口混合裝置，其中該喷灑器總成 之一入口及自該饋送串流接收之流體流所通過的入口從 一垂直延伸通過該外殼的中軸偏移。 12. 如明求項9的節能器入口混合裝置，其中該喷灑器總成 包括一圓柱形部件，其具有複數個位於其中的開口使得 至其的流體流被接收進入至該圓柱形部件之一末端並被 導向通過該等開口且至該圓柱形部件之外。 13. 如請求項9的節能器入口混合裝置，其中該泵保護濾器 位於該混合裝置出口處。 14. 如請求項9的節能器入口混合裝置，其中該碎波器總成 152353.doc 201200806 位於一降流管喷嘴處。 15.如请求項9的節能器入口混合裝置，其中該碎波器總成 包括複數個縱向配置於一導管中的隔板。 • 16. 一種升高一離開一鍋爐中之一節能器的廢氣之溫度的方 法’其包括如下步驟： 接收來自一從一燃燒爐至一過熱器的流體串流的一流 體流之至少一部分； 將该經接收的流體流之至少一部分與一饋送水串流組 合；及 將該經組合的經接收的流體流及饋送水串流導向一節 能器； 控制至該節能器的該經組合的經接收的流體流及饋送 水串流之一溫度以降低該節能器中的熱吸收，藉此增加 離開該節能器之該廢氣的溫度並使該經接收之該廢氣所 經過的一選擇性催化劑反應器以比沒有一節能器流體循 環系統所可能之更低的鍋爐蒸汽流量在最低可允許之設 計溫度下維持作用。 17. 如β求項16的方法，其進一步包括將該經組合之經接收 的流體流及饋送水串流導引通過—在該節能器上游的循 J 環泵/閥配置。 18. 如明求項16的方法，其中將該經接收的流體流與該饋送 水串流組合的該步驟包括噴灑來自從該燃燒爐至該過熱 器之該流體串流的該經接收的流體流。 19. 如請求項18的方法，其中將該經組合之經接收的流體流 152353.doc 201200806 及饋送水串流導引至該節能器的該步驟包括通過一泵保 護濾器及一碎波器總成傳遞該經導向的流體。 152353.doc