流化床外置式换热器的专利技术分析

郭晓明 杨小乐（等同于第一作者）

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州215000）

1 概述

当今社会发展的两大主题：能源与环境，随着社会发展环境污染问题不容乐观，因此发展高效、低污染的清洁燃烧技术成为当务之急。流化床以其自身的特点顺应了这一发展趋势，成为了国际上新一代高效、低污染的清洁燃烧技术。

最早将外置式换热器运用于流化床生产的是德国鲁奇公司，为了更好的控制流化床炉温，该公司在20 世纪末投运的50t/h 硫化床上装备了外置式换热器。而流化床作为燃煤锅炉实际投运后，便显示出来极强市场适应性，不仅在中小型锅炉竞争中得到了市场的认可，伴随着技术日趋成熟和环境保护的需要，迅速地向大型燃煤锅炉过渡。经过实际运行，研究人员发现，在循环流化床上设置外置式换热器除了能够更好的控制炉床温度还可以让炉内受热面布置更加的合理，降低炉膛高度，这为循环流化床向大型化提供了便捷。

2 流化床外置式换热器的专利发展趋势

图1 为流化床上装备外置式换热器技术的全球专利申请趋势，从该趋势图可以看出关于流化床锅炉外置换热器的专利申请，经历了不活跃和活跃两个截然不同的区间。

最早在流化床上装备有外置式换热器的专利是1982 年在美国专利局提请的US19820451974A，该发明专利要解决的主要技术问题是烟气脱硫，为了解决这个技术问题设置了外置的燃烧室进行补燃，众所周知，补燃过程会产生大量的热量，为了回收该热量设置换热器对流化床锅炉的助燃空气进行预热，该换热器布置在流化床外部。

图1 为流化床上装备外置式换热器技术的全球专利申请趋势

受限于当时的技术，研究人员对在流化床上设置外置式换热器也仅是为了更好的控制炉床温度。彼时，将外置换热器设置于流化床外，带来了结构复杂、造价高等问题不利于市场推广，且其对回料阀的设计提出了更高的要求，这些不能得到用户的认可。因此早期关于流化床外置式换热器的申请量并不多，从1982 年的美国专利申请至1991 年之间也仅有5 件专利申请的增加。此时关于流化床外置式换热器的专利申请为不活跃期。

至20 世纪90 年代中后期，芬兰奥斯龙公司提出了在流化床的炉膛上部设置辐射式受热面，对于当时主力机组还是以中小型燃煤流化床而言，其结构简单、造价低、性能可靠而被广大的客户欢迎。但正如前文提到的，随着锅炉的容量与参数提高到一定程度后，所需的蒸发受热面面积与锅炉容量的比例将逐渐下降，此时单纯在循环流化床锅炉炉膛上部布置更多换热器已经不能满足机组负荷要求，同时给系统布置带到了很大的困难；为了保证硫化床炉膛处于合理的温度水平采用外置式换热器再次成为研究人员的首选，关于流化床外置式换热器的专利申请进入活跃期。

近些年，随着国家对环境要求的日益提高，能源利用率、流化床大型化越来越受到国内的重视，国内外的科研院所纷纷开始在这项技术中投入大量的研发精力。

3 流化床外置式换热器重要节点专利

3.1 非流化状态的外置式换热器

最早在流化床上装备有外置式换热器的专利US19820451974A。该专利申请中，流化床出来的未燃烧的含硫颗粒燃料通过分离器分离，分离出的含硫燃料通过管道18 进入外置燃烧室19，利用管道22 和21 向外置燃烧室19 中补充空气和燃料，将含硫燃料燃烧，外置燃烧室19 燃烧后的高温气体通过管道30 进入到流化床，而被管道15 带出的颗粒通过换热器24、管道26 被空气带回流化床，此处的换热器24 为外置式换热器，在该专利文件中并未提出流化换热，仅仅是单纯作为一个换热器使用。

3.2 存在流化的外置式换热器

捷克专利申请CS8508144A1 中，申请人提到可以将外置式换热器“external heat exchanger”中的换热管道6 浸没“submerged surface” 在 颗 粒 7 内。 相 对 于 美 国 专 利US19820451974A 中的外置式换热器，本领域技术人员可以理解在该捷克专利申请中已经提到了在外置式换热器中利用流化换热的技术来对换热管束进行热交换，本申请的外置式换热器已经很接近当前市场上商用的循环流化床锅炉上装备的外置式换热器。

3.3 通过外置式换热器来控制流化床的炉温

日本专利申请JP32749687A 中，申请人提出利用外置式换热器来温控流化床的炉温。在该日本专利申请中，发明人指出当流化床炉膛内燃烧温度低于一定温度时，固体燃料燃烧排放的烟气中硫化物就会异常，申请人为了控制炉床温度来达到降低硫化物排放的目的，在锅炉外设置了外置式换热器。

通过研究，本领域技术人员知道没有外置式热交换器的流化床在降低负荷时，只能通过减少燃料量和进风量。但是，此时炉膛水冷壁的吸热量不可能按比例减少。相对较多的吸热量必然会使炉床温度下降，这直接导致燃烧反应和脱硫反应不完全，效率下降。而带有外置式热交换器的系统，在降低负荷时，在减少燃料量和进风量的同时，可以适当减少通过外置式热交换器的循环灰量，使回灰温度上升，从而补偿了炉膛水冷壁相对较多的吸热量，使床温相对提高，而提高的床温和燃烧工况对控制烟气中硫化物的排放是及其重要的。

在该申请中，固体燃料与石灰石在流化床1 内完成燃烧及脱硫反应，产生的烟气通过分离器7 进行气固两相分离进入外置式换热器10，将外置式换热器10 设置为两个腔室，分别通过回灰通道11a 和12a 与流化床1 连接，其中11a 连接的腔室内设置有换热器13，通过温度传感器20 检测流化床床温，并送入控制装置21，而控制装置21 通过阀16 和18 来控制回灰温度，例如当温度低于预设值时，提高通过管道12 的回灰量，当温度高于预设值时，提高通过换热器13 的回灰量，如此达到控制炉床温度的目的。

3.4 通过外置式换热器合理布置炉膛内受热面

在日本专利申请JP10586689A 中，申请人将过热器16A（或再热器）和蒸发器16B 设置到外置式热交换器6 中，如此受热面布置就容易得多，且外置式换热器本身为一个弱版的流化床，所以也不存在严重的磨损问题，同时可以合理的调整炉膛高度。