流化床外置式換熱器的專利技術分析

郭曉明 楊小樂（等同于第一作者）

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州215000）

1 概述

當今社會發展的兩大主題：能源與環境，隨著社會發展環境污染問題不容樂觀，因此發展高效、低污染的清潔燃燒技術成為當務之急。流化床以其自身的特點順應了這一發展趨勢，成為了國際上新一代高效、低污染的清潔燃燒技術。

最早將外置式換熱器運用于流化床生產的是德國魯奇公司，為了更好的控制流化床爐溫，該公司在20 世紀末投運的50t/h 硫化床上裝備了外置式換熱器。而流化床作為燃煤鍋爐實際投運后，便顯示出來極強市場適應性，不僅在中小型鍋爐競爭中得到了市場的認可，伴隨著技術日趨成熟和環境保護的需要，迅速地向大型燃煤鍋爐過渡。經過實際運行，研究人員發現，在循環流化床上設置外置式換熱器除了能夠更好的控制爐床溫度還可以讓爐內受熱面布置更加的合理，降低爐膛高度，這為循環流化床向大型化提供了便捷。

2 流化床外置式換熱器的專利發展趨勢

圖1 為流化床上裝備外置式換熱器技術的全球專利申請趨勢，從該趨勢圖可以看出關于流化床鍋爐外置換熱器的專利申請，經歷了不活躍和活躍兩個截然不同的區間。

最早在流化床上裝備有外置式換熱器的專利是1982 年在美國專利局提請的US19820451974A，該發明專利要解決的主要技術問題是煙氣脫硫，為了解決這個技術問題設置了外置的燃燒室進行補燃，眾所周知，補燃過程會產生大量的熱量，為了回收該熱量設置換熱器對流化床鍋爐的助燃空氣進行預熱，該換熱器布置在流化床外部。

圖1 為流化床上裝備外置式換熱器技術的全球專利申請趨勢

受限于當時的技術，研究人員對在流化床上設置外置式換熱器也僅是為了更好的控制爐床溫度。彼時，將外置換熱器設置于流化床外，帶來了結構復雜、造價高等問題不利于市場推廣，且其對回料閥的設計提出了更高的要求，這些不能得到用戶的認可。因此早期關于流化床外置式換熱器的申請量并不多，從1982 年的美國專利申請至1991 年之間也僅有5 件專利申請的增加。此時關于流化床外置式換熱器的專利申請為不活躍期。

至20 世紀90 年代中后期，芬蘭奧斯龍公司提出了在流化床的爐膛上部設置輻射式受熱面，對于當時主力機組還是以中小型燃煤流化床而言，其結構簡單、造價低、性能可靠而被廣大的客戶歡迎。但正如前文提到的，隨著鍋爐的容量與參數提高到一定程度后，所需的蒸發受熱面面積與鍋爐容量的比例將逐漸下降，此時單純在循環流化床鍋爐爐膛上部布置更多換熱器已經不能滿足機組負荷要求，同時給系統布置帶到了很大的困難；為了保證硫化床爐膛處于合理的溫度水平采用外置式換熱器再次成為研究人員的首選，關于流化床外置式換熱器的專利申請進入活躍期。

近些年，隨著國家對環境要求的日益提高，能源利用率、流化床大型化越來越受到國內的重視，國內外的科研院所紛紛開始在這項技術中投入大量的研發精力。

3 流化床外置式換熱器重要節點專利

3.1 非流化狀態的外置式換熱器

最早在流化床上裝備有外置式換熱器的專利US19820451974A。該專利申請中，流化床出來的未燃燒的含硫顆粒燃料通過分離器分離，分離出的含硫燃料通過管道18 進入外置燃燒室19，利用管道22 和21 向外置燃燒室19 中補充空氣和燃料，將含硫燃料燃燒，外置燃燒室19 燃燒后的高溫氣體通過管道30 進入到流化床，而被管道15 帶出的顆粒通過換熱器24、管道26 被空氣帶回流化床，此處的換熱器24 為外置式換熱器，在該專利文件中并未提出流化換熱，僅僅是單純作為一個換熱器使用。

3.2 存在流化的外置式換熱器

捷克專利申請CS8508144A1 中，申請人提到可以將外置式換熱器“external heat exchanger”中的換熱管道6 浸沒“submerged surface” 在 顆 粒 7 內。 相 對 于 美 國 專 利US19820451974A 中的外置式換熱器，本領域技術人員可以理解在該捷克專利申請中已經提到了在外置式換熱器中利用流化換熱的技術來對換熱管束進行熱交換，本申請的外置式換熱器已經很接近當前市場上商用的循環流化床鍋爐上裝備的外置式換熱器。

3.3 通過外置式換熱器來控制流化床的爐溫

日本專利申請JP32749687A 中，申請人提出利用外置式換熱器來溫控流化床的爐溫。在該日本專利申請中，發明人指出當流化床爐膛內燃燒溫度低于一定溫度時，固體燃料燃燒排放的煙氣中硫化物就會異常，申請人為了控制爐床溫度來達到降低硫化物排放的目的，在鍋爐外設置了外置式換熱器。

通過研究，本領域技術人員知道沒有外置式熱交換器的流化床在降低負荷時，只能通過減少燃料量和進風量。但是，此時爐膛水冷壁的吸熱量不可能按比例減少。相對較多的吸熱量必然會使爐床溫度下降，這直接導致燃燒反應和脫硫反應不完全，效率下降。而帶有外置式熱交換器的系統，在降低負荷時，在減少燃料量和進風量的同時，可以適當減少通過外置式熱交換器的循環灰量，使回灰溫度上升，從而補償了爐膛水冷壁相對較多的吸熱量，使床溫相對提高，而提高的床溫和燃燒工況對控制煙氣中硫化物的排放是及其重要的。

在該申請中，固體燃料與石灰石在流化床1 內完成燃燒及脫硫反應，產生的煙氣通過分離器7 進行氣固兩相分離進入外置式換熱器10，將外置式換熱器10 設置為兩個腔室，分別通過回灰通道11a 和12a 與流化床1 連接，其中11a 連接的腔室內設置有換熱器13，通過溫度傳感器20 檢測流化床床溫，并送入控制裝置21，而控制裝置21 通過閥16 和18 來控制回灰溫度，例如當溫度低于預設值時，提高通過管道12 的回灰量，當溫度高于預設值時，提高通過換熱器13 的回灰量，如此達到控制爐床溫度的目的。

3.4 通過外置式換熱器合理布置爐膛內受熱面

在日本專利申請JP10586689A 中，申請人將過熱器16A（或再熱器）和蒸發器16B 設置到外置式熱交換器6 中，如此受熱面布置就容易得多，且外置式換熱器本身為一個弱版的流化床，所以也不存在嚴重的磨損問題，同時可以合理的調整爐膛高度。