包括先进面板设计及其覆层的高压加热装置的制作方法

1.本发明属于高压高效加热装置，特别是包括先进面板设计及其覆层的废物焚烧装置的领域。所述覆层涉及覆盖膜式面板的特别是至少部分弯曲表面的覆层，所述面板用于高温高压焚烧炉，例如废物焚烧炉。


背景技术：

2.本发明属于高压高效加热装置，特别是废物焚烧装置和向其施加覆层的方法的领域。
3.本发明涉及一种高压高温焚烧炉。现有技术的焚烧炉通常包括碳钢或低合金基管材料的蒸汽管，并通过螺旋焊接施加不锈钢涂层。随后，可通过将互相平行延伸的蒸汽管与相互配合的连接条带相互焊接来将蒸汽管组装成膜式壁。通过对不锈钢(例如，inconel625)的螺旋堆焊，可获得光滑表面。为了获得最佳的光滑效果，可通过mig焊接和tig处置来进行钢的涂层焊接。
4.通过对不锈钢(例如，inconel 625)的螺旋堆焊，可获得用于现有技术应用的光滑表面。
5.螺旋堆焊是指连续的焊珠绕线，它们相互接触或(略微)与相邻的纵向边缘重叠，从而可获得厚度基本恒定的连续涂层。
6.膜式壁通常设计用于废物焚烧炉。膜式壁充当炉火空间的侧向边界。在炉火空间中，温度通常为700
‑
1200℃。鉴于此，膜式壁由液体(通常是水)冷却，所述液体在膜式壁的管中可呈蒸汽形式。水/蒸汽混合物流经通常向上延伸的蒸汽管。随后可分离水和蒸汽。
7.堆焊和连接条带优选地具有高抗腐蚀和耐磨强度。鉴于此，优选地使用不锈钢焊接材料将连接条带焊接到蒸汽管，优选地具有彼此基本相等的组成。另外，焊接优选地在保护性环境中进行，例如在粉末覆盖物下方，以避免焊接材料或周围钢的环境侵害。
8.由于连接条带的要求，例如均匀的厚度、平直度和光滑度，通常发现连接条带的尺寸受到限制。
9.一些现有技术文献叙述了精密的覆层和焚烧炉设计，例如ep 1 493 968 a2，ep 1 164 330 a1和nl 1031002，其内容通过引用并入。
10.一些其它现有技术文献指出了覆层的某些概念。特别地，可以提及wo 2013/180588 a2、fr 2 307 214 a1、gb 557 853 a、us 3,139,866 a、wo 86/02290 a1和wo 2009/064415 a1。wo 2013/180588 a2叙述了一种通过以下步骤施加保护性覆层的方法：将两个气密膜耦合在一起，然后浸泡一对气密膜，随后，将要施加覆层的膜表面进行清洁和预热，然后将一对耦合在一起的气密膜的经过清洁和预热的表面用保护性覆层覆盖，其中保护性覆层的施加厚度为0.1mm至3.00mm，最后将具有覆层的气密膜解耦合。
11.废物焚烧炉通常是众所周知的。其中，通过焚烧废料释放的热废气被用于产生蒸汽。焚烧炉配备有由管束组成的热交换器，蒸汽通过所述管束馈送。由废气的热量形成的蒸汽通过蒸汽锅筒馈送到热交换器以进行过热，这是一种众所周知的技术。尽管通常将蒸汽
过热到约400℃的温度和约40巴的压力，但是许多装置施加更高的温度和压力。大型现代装置的效率通常受到特定焚烧工艺、锅炉的构造和可用于炉子产生的苛刻条件的材料的选择的限制。原因在于，由燃烧(废物)材料产生的用作“燃料”的烟道气导致装置中与废气接触的那些部分发生腐蚀。为防止这种腐蚀而采取的措施(降低热交换器表面和与之接触的废气两者的温度)以装置的总效率为代价。
12.焚烧炉很少在所产生的蒸汽的高温(通常380
‑
420℃，很少高于450℃，几乎不高于520℃)以及高压(通常30
‑
45*102kpa，很少高于70*102kpa，几乎不高于10*103kpa)下操作，尽管其具有某些优点，例如用于提高在水
‑
蒸汽循环中用涡轮机发电的效率。对于某些废物转化为能量的焚烧炉，要求在高于850℃的温度下操作，烟道气停留时间为至少两秒。这就要求炉子的体积大，并且炉壁的表面也相应地大。高压高温焚烧炉的主要问题是焚烧炉，特别是其膜的预期寿命短，这主要由所应用材料和环境(边界)条件的物理和化学不相容性造成的。已发现，即使是精密的现有技术的覆层也难以耐受操作条件。应注意，膜和管通常直接与热和侵蚀性气体接触。另一方面，鉴于效率，需要良好的热传递。
13.因此，需要改进的覆层和装置，特别是用于膜式面板的覆层，以及一种施加所述覆层的方法。本发明的目的是提供一种克服上述一个或多个缺点的覆层，以及一种形成覆层的方法，所述覆层特别适合于膜式面板，而不会损害功能和优点。


技术实现要素：

14.本发明涉及一种根据权利要求1所述的改进的高压加热装置，其是高压高效加热装置，并且通常是废物焚烧装置，优选地包括先进面板设计及其覆层。典型的加热装置是矩形的，并且可具有至少四个面板。其中，为加热装置的至少一个面板提供了特定的nicr覆层。面板的材料选自钢合金，所述钢合金包含0.002
‑
3重量％c，优选地0.02
‑
2.5重量％c，更优选地0.2
‑
2.2重量％c，甚至更优选地0.5
‑
2重量％c，以及至少一种选自mo、mn、b、ti、v、nb、cr、al、cu、si、co、w和ni的金属，金属总量为0
‑
10重量％，优选地0.2
‑
7.5重量％，更优选地0.5
‑
6重量％，甚至更优选地1
‑
5重量％。本发明的加热装置适于在(仍然)被视为即使不是不可能也至少是不理想的情况下操作，即3*103kpa
‑
30*103kpa(30
‑
300atm.)的高水/蒸汽压力以及850
‑
1700k的烟道气温度，优选地5*103kpa
‑
25*103kpa，更优选地7*103kpa
‑
20*103kpa，甚至更优选地8*103kpa
‑
17,5*103kpa，例如10
‑
16,5*103kpa，例如12,5
‑
15,5*103kpa，通常1000
‑
1450k，例如1250
‑
1350k，并且暴露于通过焚烧废物形成的气体形式的化学活性物质。所获得的改进的覆层和膜通常可应用于高压加热装置。本发明的膜式面板包括至少一个管和所述nicr覆层。本发明的管可以在垂直方向上、在水平方向上、在垂直与水平之间的角度下及其组合中提供；优选的是使用垂直管。nicr合金包含>35原子％ni，优选地37
‑
67原子％，更优选地55
‑
62原子％，甚至更优选地58
‑
60原子％；>18原子％cr，优选地19
‑
33原子％cr，更优选地20
‑
30原子％，甚至更优选地22
‑
28原子％，例如23
‑
27原子％；0
‑
6原子％fe，优选地0.1
‑
4原子％，更优选地1
‑
3原子％，例如1.5
‑
2.5原子％；5
‑
19原子％mo，优选地1
‑
17原子％，更优选地8
‑
12原子％，例如9
‑
11原子％；0
‑
5原子％nb ta，优选地2
‑
4原子％，更优选地3
‑
3.5原子％，例如0.1
‑
3.5nb原子％，优选地0.2
‑
3.0nb原子％，更优选地0.5
‑
2.0nb原子％，例如1.4
‑
1.8nb原子％，优选地0.2
‑
3.0ta原子％，更优选地0.5
‑
2.0ta原子％，例如0.7
‑
1.8ta原子％；和0
‑
5原子％的c、mn、si、p、s、al、ti和co中的至少一种，例如
0
‑
0.2原子％c，例如0.01
‑
0.1原子％c，例如0
‑
1原子％mn，例如0.1
‑
0.75原子％mn，例如0
‑
1原子％si，例如0.01
‑
0.2原子％si，例如0
‑
0.5原子％p，例如0.01
‑
0.2原子％p，例如0
‑
0.5原子％s，例如0.01
‑
0.1原子％，例如0
‑
1原子％al，例如0.01
‑
0.5原子％al，例如0
‑
1原子％ti，例如0.01
‑
0.5原子％ti，例如0.02
‑
0.3原子％ti，例如0
‑
5原子％w，例如1
‑
4.5原子％w，例如2
‑
3原子％w，例如0
‑
1原子％cu，例如0.01
‑
0.5原子％cu，例如0.02
‑
0.3原子％cu，并且例如0
‑
2原子％co，例如0.01
‑
1.3原子％co，例如0.01
‑
1.0原子％co。这些覆层已经可以被认为是高质量的特殊用途覆层。除了对覆层的严格且苛刻的化学物理要求之外，现已发现，为了将平均故障间隔时间(mtbf)减少到1年以上，通常是2年以上，此外，为了将正常操作时间增加到80％以上，通常90％以上，例如95％以上，还需要更加精密和先进的覆层，即在施加之后具有以下至少一项的覆层：表面粗糙度(ra)<60μm，优选地<40μm，例如<35μm(din 25410)；表面纯度(sa)≥2.0，优选地≥2.5，更优选地≥3.0(iso8501
‑
1)；在至少50％的包覆区域上，优选地在>70％的包覆区域上，更优选地在>90％的包覆区域上，例如在95
‑
100％的包覆区域上，厚度为1.5
‑
10mm，优选地2.0
‑
5mm，例如2.5
‑
4mm(fischer deltascope fmp 10，头部fjb2)，这些通常根据标准或在25℃下测量。这涉及覆层的极光滑的表面、极好的表面纯度和良好的厚度，已发现所述特征难以实现。为此，可能需要非常严格的施加覆层的方法，所述方法在下面详述。发现所述覆层在高压加热装置的极端条件下能很好地起作用，并且可以长时间耐受通常存在于烟道气中的化学侵蚀性组分。本发明的示例性实施例被认为也有助于实现以上效果。
15.当使用相对百分比(例如重量％)时，应注意，重量％是基于总组成或(如果明确指出)基于成分等计算的。
16.鉴于热传递，焚烧炉的膜优选地构造并提供在图中。
17.其中膜的管是热耦合的。其实例在图1
‑
12中的任一个中给出。
18.由此，本发明提供一种针对上述问题中的一个或多个的解决方案。
19.在第二方面，本发明涉及一种用于例如废物焚烧系统或生物质焚烧系统的加热装置的膜式面板，其细节在整个说明书中提供。权利要求书中所例示的特征可以同样组合到本发明的膜式面板本身。
20.在整个说明书中详述了本说明书的优点。本发明的教导和实例可以组合到另外未具体公开的示例性实施例中。
具体实施方式
21.在第一方面，本发明涉及一种根据权利要求1所述的高压加热装置。
22.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，面板的材料选自钢合金，所述钢合金包含0.002
‑
3重量％c和至少一种选自mo、mn、b、ti、v、nb、cr、al、cu、si、co、w和ni的金属，金属总量为0
‑
10重量％，优选地0.1
‑
2.5重量％mo，更优选地0.2
‑
1.5重量％mo，甚至更优选地0.4
‑
1.2重量％mo，优选地0.05
‑
1.5重量％mn，更优选地0.1
‑
1.1重量％mn，甚至更优选地0.2
‑
0.8重量％mn，优选地0.1
‑
2.5重量％b，更优选地0.2
‑
1.5重量％b，甚至更优选地0.4
‑
1.2重量％b，优选地0.1
‑
2.5重量％ti，更优选地0.2
‑
1.5重量％ti，甚至更优选地0.4
‑
1.2重量％ti，优选地0.1
‑
2重量％v，更优选地0.2
‑
1.5重量％v，甚至更优选地0.4
‑
1重量％v，优选地0.1
‑
3.5重量％nb，更优选地0.2
‑
2.5重量％nb，甚至更优选地0.4
‑
2重量％nb，优
选地0.1
‑
4.5重量％cr，更优选地0.2
‑
3.5重量％cr，甚至更优选地0.4
‑
2.2重量％cr，优选地0.1
‑
2.5重量％al，更优选地0.2
‑
1.5重量％al，甚至更优选地0.4
‑
1.2重量％al，优选地0.1
‑
2.5重量％cu，更优选地0.2
‑
1.5重量％cu，甚至更优选地0.4
‑
1.2重量％cu，优选地0.1
‑
2.5重量％si，更优选地0.2
‑
1.5重量％si，甚至更优选地0.4
‑
1.2重量％si，优选地0.1
‑
3.5重量％co，更优选地0.2
‑
2.5重量％co，甚至更优选地0.4
‑
2重量％co，优选地0.1
‑
2.5重量％w，更优选地0.2
‑
1.5重量％w，甚至更优选地0.4
‑
1.2重量％w，和优选地0.1
‑
5重量％ni，更优选地0.4
‑
3.5重量％ni，甚至更优选地1
‑
2.2重量％ni。
23.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，膜式面板包括至少一个管，优选地其中所述面板包括两个或更多个相邻的管，和任选地在两个相邻的管之间的条带。鉴于改进的热传递，提供了本发明面板。应注意，管增加了本发明装置在其制造方面，特别是在施加覆层方面的复杂性。尤其是发现难以以可靠的方式包覆结构。在管之间通常提供具有一定宽度的条带。在本发明加热装置上，宽度以及所用管的直径可以变化。
24.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，膜式面板的纵向曲率<10mm/3000mm，优选地<5mm/3000mm。已发现使曲率最小化是重要的，例如考虑到原本可能发生的对焊接膜式面板产生的应力。此外，在构造装置时，膜式面板通常焊接在一起；为了防止应力，相邻面板的尺寸需要处于相当严格的边界条件内。
25.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，条带的纵向曲率<1mm/1000mm。此外，条带曲率优选地尽可能地小。已发现使曲率最小化是重要的，例如考虑到原本可能发生的对焊接膜式面板产生的应力。此外，在构造装置时，膜式面板通常焊接在一起；为了防止应力，相邻面板的尺寸需要处于相当严格的边界条件内。
26.膜式面板通常在垂直于管的方向上不够硬。来自锅炉构造的力和炉子中的欠压集中在条带中间的弯曲处，在所述弯曲处，可能在覆层中引起应力腐蚀。在一个示例性实施例中，提供至少一个后侧支撑件，以保持面板平坦并避免条带中可能导致应力的的弯曲应力。
27.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，其中焊缝包含<10重量％fe，优选地<6重量％fe，例如<4重量％fe(光谱分析pmi)。考虑到耐用性，已发现焊缝的fe含量优选地不太高，如此处所确认。已发现，为了减少腐蚀和应力，fe含量优选地相当少。
28.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，具有至少一个平壁，即没有管的装置的部分。考虑到耐用性，已发现管的数量优选地不太高。已发现，为了减少腐蚀和应力，管的数量优选地相当少。应注意，鉴于热传递和发电，仅提供有限数量的无管壁。
29.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，其中一/所述管的直径为5
‑
20cm，并且直径变化(在90
°
的角度上)相对于直径小于2％，优选地小于1％。
30.已发现重要的是检查管直径的变化，例如考虑到应力。应力可以通过退火等来释放。此外，在构造装置时，通常将膜式面板焊接在一起；为了防止管直径之间的不相容性，管直径需要处于相当严格的边界条件内。
31.在一个示例性实施例中，本发明高压加热装置具有根据图1
‑
12中的任一个构造的膜式面板，通常具有至少几个所述面板。发现这些类型的面板提供良好的热传递。
32.在一个示例性实施例中，本发明高压加热装置包括至少两个耦合到板元件的平行管，其中所述管和板热耦合。通常，提供耦合多个管的板元件，例如每个膜式面板一个板。除了本发明的条带之外，还可提供板元件。板元件可设置在本发明加热装置的所有膜式面板
上，或其部分上，例如，暴露于相对高温(例如>800℃)的膜式面板上。
33.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，管之间的空间用例如铜、铝、银和铅的导热材料填充。因此，提供改进的热传递。
34.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，在膜的纵向方向上，管的直径在圆周上的变化相对于平均直径<1％。鉴于提供良好焊缝、减小应力、提供膜之间的良好配合和良好热传递，此类管是优选的。
35.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，膜式面板的宽度变化<2mm/m长度，最大为10mm，例如<1mm/m。
36.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，在膜的纵向方向上，膜式面板的长度变化<2mm/m宽度，最大为10mm。
37.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，在膜的纵向方向上，膜式面板的长度变化<2mm/m宽度，最大为10mm。在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，膜式面板的曲率<6mm/m。宽度和长度的变化小提供了低应力和良好热特性。根据以上严格的尺寸要求，可以构建耐用装置，其可以长期承受其中的极端条件。
38.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，面板的宽度为20
‑
1200cm，优选地40
‑
500cm，例如60
‑
300cm，并且长度为20
‑
2500cm，优选地40
‑
1500cm，例如60
‑
500cm。面板可以尽可能地大。
39.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，面板的厚度为5
‑
20cm。考虑到耐用性和热传递，面板可以相当厚，而在操作方面，其可以相当薄。
40.在图15中，一个示例性实施例包括条带宽度和管直径的变化，以优化抗腐蚀性能和成本效益。
41.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，两管之间的条带的宽度s2为3
‑
50mm，优选地5
‑
40mm，例如18
‑
33mm。考虑到覆层和极端条件，条带优选地不太宽也不太小。应注意，考虑到热特性，条带优选地极小(即，管尽可能地宽)，而在应力方面，条带优选地相当宽。
42.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，“最靠近”焚烧炉的膜式面板的条带宽度s1为1
‑
35mm，优选地2
‑
33mm，例如3
‑
30mm，并且优选地<25mm。对于这些膜，甚至更苛刻的条件也适用，并且已发现，鉴于此，条带的宽度优选地稍微小些，以提供上述耐用装置。
43.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，管直径d2为30
‑
147mm，优选地40
‑
100mm，更优选地45
‑
70mm，例如50
‑
60mm。在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，“最靠近”炉子的最热部分的管直径d1为20
‑
149mm，优选地30
‑
100mm，更优选地40
‑
70mm，例如50
‑
57mm，并且优选地长度为5
‑
20m，例如10
‑
15m。鉴于本发明特征，优选地使大的管直径和较小的条带直径最靠近炉子的最热部分。
44.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，条带宽度与管宽度的总和s
1,2
w
1,2
＝20
‑
150mm、优选地25
‑
100mm、更优选地30
‑
75mm，例如35
‑
50mm，并且优选地在装置上是恒定的，并且优选地其中s2<s1。在一个示例性实施例中，本发明高压加热装置包括焚烧炉，与所述焚烧炉相邻的是具有耐火涂层壁的第一区域。
45.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，条带包括在其纵向的锥形侧面。鉴于焊接和焊接之后获得的特征，这是优选的。锥形角度相对于条带的水平面优选地为10
‑
70度，更优选地20
‑
60度，例如30
‑
50度。考虑到焊接，所述角度优选地不太高，并且考虑到所获得的特征，所述角度也不太小。
46.在一个示例性焊接方法中，膜式壁的管和条带通过焊接相互平行延伸的蒸汽管与相互配合的连接条带来组装，并且通过线性堆焊来施加不锈钢涂层，覆盖碳钢管的前侧，并且优选地还覆盖碳钢或不锈钢条带。线性涂层堆焊是指连续的焊珠绕线，它们相互接触或(略微)与相邻的纵向边缘重叠，从而可获得厚度基本恒定的连续涂层。
47.在本发明高压加热装置的一个示例性实施例中，覆层包括保护层，例如选自钝化层、涂层及其组合。示例性钝化层涉及氧化物，例如ni、cr、nb、ta、mn、si、al、ti和co的氧化物和氮化物及其组合。涂层涉及铝硅酸盐，例如粘土、沸石及其组合。
48.在本发明膜的一个示例性实施例中，面板的条带宽度从一个膜区段增加到另一个膜区段，例如在靠近焚烧炉的区段到更远的区段。
49.在本发明膜的一个示例性实施例中，条带宽度从一个膜区段增加到另一个膜区段，例如在靠近焚烧炉的区段到更远的区段。
50.通过附图和实例进一步详细描述本发明，所述附图和实例本质上是示例性的和说明性的，并且不限制本发明的范围。对于所属领域的技术人员来说，显而易见的是，可设想许多变化形式(无论是否明显)都属于由本发明权利要求书界定的保护范围内。
51.在此说明书中所提及的温度涉及锅炉在正常使用中和在正常污染率下的所有设计温度。新锅炉或刚清洁过的锅炉或必须清洁的极脏锅炉将能够在此处所提及的那些温度以外的其它温度下工作。
附图说明
52.图1
‑
12显示了本发明膜的配置。图13显示了焚烧炉设置。
53.图14显示了废物焚烧炉的示意图。
54.图15
‑
16显示了示例性膜式面板的细节。
55.附图详细说明
56.在附图中：
[0057]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
膜式壁
[0058]
2、2'、2" 板元件
[0059]
3、3'、3" 管
[0060]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
导热材料
[0061]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
小空间
[0062]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
一排蒸发管
[0063]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
炉渣提取
[0064]
10
‑
11
ꢀꢀꢀꢀꢀ
粗锅炉灰分离
[0065]
12
‑
14
ꢀꢀꢀꢀꢀ
细锅炉灰分离
[0066]
15
‑
21
ꢀꢀꢀꢀꢀ
热交换管
[0067]
22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
注射冷却器
[0068]
23
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
注射冷却器
[0069]
24
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
注射冷却器
[0070]
25
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
蒸汽锅筒
[0071]
26
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一级涡轮机
[0072]
27
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
额外热交换器
[0073]
28
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二涡轮机级
[0074]
29
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
热交换器
[0075]
71
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一通道
[0076]
72
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二通道
[0077]
73
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第三通道
[0078]
74
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
热交换器
[0079]
75
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
蒸汽过热器
[0080]
76
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
蒸发壁
[0081]
85
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
热交换器
[0082]
102、102' 板形元件
[0083]
103、103'、103" 弧形纵向元件
[0084]
104
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
纵面
[0085]
105
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
填充材料
[0086]
106
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
覆层
[0087]
107
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二纵面
[0088]
α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第三通道角度
[0089]
a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
纵向方向
[0090]
a'
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
主蒸汽流
[0091]
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
蒸汽流
[0092]
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
再加热蒸汽流
[0093]
d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
蒸汽流
[0094]
d1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
管直径
[0095]
d2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
管直径
[0096]
d3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
距两个相邻管的公共中心线的距离
[0097]
e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
蒸汽流
[0098]
s1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
条带宽度
[0099]
s2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
条带宽度
[0100]
x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
条带宽度 管直径(节距)
[0101]
x1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一涡轮机级
[0102]
x2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二涡轮机级
[0103]
图1
‑
12显示了本发明膜的配置，其中提供一个或多个面板，任选地具有导热材料。
[0104]
图13显示了废物焚烧炉设备的示意图。烟道气被传送到第一通道71，在第一通道中烟道气垂直上升，然后被引导到第二通道72，在第二通道中废气被向下传送并被引导到第三通道73。第一通道由众所周知的膜式壁(未示出)等制成。在第一通道71的最高部分中，废气的温度低于900℃，优选地低于850℃。另外，第一通道中废气的速度必须慢于8m/sec，优选地3m/sec到4m/sec。以此方式，实现相等温降，其中一氧化碳的量可以减少。由此，还可
能使用氨注入进行氮氧化物的还原。可以通过使第一通道71更高或通过增加其直径来降低第一通道上部中的最高温度。在任何情况下，第一通道71必须至少15米高，并且优选地20到25米高。这防止废气在壁上沉积许多部分，因为在此情况下，沉积物形成的可能性最小。从流动技术的观点来看，只要为充分混合废气做好准备，就不会造成任何问题。除其它方式外，这可以通过供应第二和第三气体的已知技术方法来实现。由于在整个第一通道中气体的速度较低，因此在火焰锋正上方的部分也是如此，产生的锅炉灰和飞灰显著较少。
[0105]
离开第三通道73的废气然后被传送到呈蒸汽过热器(ssh)75形式的热交换器74。在所示形式中，此ssh由四个单独系列的热交换管15、16、17、18组成。与已知废物焚烧炉设备相比，此处进入ssh的废气的温度相对较低，即在大约600℃到670℃的范围内，并且优选地限制在大约630℃。所谓的蒸发壁76位于热交换器74的开始处。此蒸发壁76具有使流向热交换器75的废气流均匀的功能。为此，优选的是蒸发壁76由两排蒸发管组成。在这两排蒸发管的旁边，优选的是具有小空间7，在所述小空间的另一侧放置一排连续的蒸发管8，在此之后，第一排热交换器管8与最后一排蒸发管的管成一直线放置。小开放空间7优选地足够长，以使得在此开放空间7中的整个直径上的废气速度可被平滑化，其中气体的流动速度在所有位置中几乎相同。
[0106]
蒸发壁76在技术上为飞灰的收集点，并且废气的快速冷却对废气中的飞灰部分的核具有延迟作用，其中这些保持在高于850℃的温度下并因此仍处于所谓的
‘
粘性相’中。这意味着当飞灰部分与蒸发壁的连续管接触时，飞灰部分将粘附到连续管表面。这些飞灰部分也将在很大程度上粘附到热交换器管。因此，鉴于粘性相是通过850℃或更高的温度实现的，优选的是将第二和第三通道中的废气温度从850℃降低至630℃。这可例如通过降低第二和第三通道中的废气速度来实现。此外，这种废气速度的降低致使锅炉灰分离10得到改善。这还具有以下结果：减少热交换器管的污染的增长。可以使用技术上众所周知的方法从管中去除这种灰的增长。通过将如此去除的锅炉灰10、11、12、13、14分离成粗灰10、11和细灰12、13、14，再次使用这些锅炉灰是非常可能的。粗锅炉灰10尤其含有极少重金属和盐，并且此外无二恶英(高于450℃的废气温度不会释放二恶英)。在热交换器的第一部分下收集的锅炉灰11也符合此要求。除其它以外，细锅炉灰12、13、14还受到二恶英的污染。
[0107]
从热交换器的下一部分传送出的灰12、13、14含有更大量的污染材料。因为分开收集如此产生的灰，所以污染的飞灰的总量显著减少。
[0108]
在9处提取无法燃烧的废料(炉渣)。
[0109]
就流动技术而言，从垂直向下定向的第二通道到向上定向倾斜的第三通道的过渡可以通过以30
°
到70
°
、优选地50
°
到65
°
的角度(α)放置第三通道来优化。通过使用此类角度，结果是将气体馈送到热交换器而没有其动能的大量损失，其中仍实现了改进的飞气分离。选择不小于45
°
的角度(a)会导致废气中仍有些粘性的飞灰易于运输到壁上并作为锅炉灰10收集。供应到热交换器74的废气的温度大约为600℃到700℃。在废气的温度处于此范围的最低部分的情况下，不必为了降低废气的温度而使用蒸发壁。如果废气的温度较高，那么使用蒸发壁来降低温度是有用的。然而，由于此蒸发壁而引起的温度的降低必须限制在30℃以下，以免对锅炉的效率产生负面影响。如本文中先前所提及，蒸发壁尤其用以均衡气流，并且因此优选地始终存在于构造中。
[0110]
由蒸汽过热器15、16、17、18(通常由ssh表示)组成的热交换器的效率可通过将这
些过热器放置在逆流系统中来增加。从气流的方向看，第一蒸汽过热器15在这种情况下必须特别设计成管内蒸汽速度高，废气速度低，以确保管的表面温度保持较低。因为此第一ssh束暴露于蒸汽侧和废气侧的温度都是最高的，所以此第一ssh将是负载最大的一个。因此，优选的是由镍铬合金制造第一ssh的管。废气的温度在此必须保持低于720℃，优选地低于670℃，例如600℃到670℃，其中镍铬合金的表面温度不会升高到600℃以上。在实践中，这意味着优选地使蒸发壁76均衡流量，从而避免局部高流速。废气的速度优选地为3m/sec到4m/sec，其中管的表面温度保持低于废气的温度。为此，优选的是蒸发束76安装在热交换器74的整个气流宽度上。然而，可以减少蒸发束76中的管的总数，其中每一个管之间的距离将为20到50厘米。如果使用更多排蒸发壁76，那么优选的是将每一排中的管以交错的布置放置于热交换器中。在此情况下，优选的是将管彼此平行地放置。以此方式，在废气进入过热器15之前，实现了废气在高度和宽度上的相等流动。由于第一过热器15中的第一排管接收自由流动，因此优选的是将这些管构造为蒸发管8。第一ssh 15的其它管彼此相邻地安装在蒸发管8的后面。如果蒸发管被构造成直径略大于位于其后面(沿废气的流动方向看)的ssh管，那么蒸发管对ssh管的保护会得到特别改善。在另一优选变化形式中，将过热器管构造成略微椭圆的形状，其中最小直径横向于废气的流动方向。以此方式，减少了由于废气中的飞灰的腐蚀而引起的管上的磨损。众所周知的技术方法是通过使ssh管振动(例如，通过用机械或气动锤敲击安装有管的末端的集管)来连续清除ssh管上的飞灰的生长，所述技术方法可以通过设计ssh管来显著改善，使得这些管在各自的横截面方向上具有不同的固有频率，这是由于管不完全为圆形而导致的刚度差异所致。现在通过以此类特定的固有频率振动集管，就可以对积聚的飞灰沉积物的去除进行控制。通过将管的每个固有频率彼此充分地调谐(全部相同)，只需要有限的能量就能获得最大的效果。如果由于飞灰堆积物的附着质量相差太大而难以实现，那么还可能赋予每个ssh管其自身的固有频率(并且这对于各个振动方向也将有所不同)，使得有可能分别引起管共振。因此，优选的是这样一种系统，在该系统中，每个椭圆形管都有其自身专门选择的固有频率，所述固有频率可用于使管通过精心选择(可调谐的)的励磁系统产生共振。在热交换器的第二束16或第二ssh 16处，废气流已经均匀地分布，相当数量的粉尘已经分离出，并且此外废气的温度降低。在此第一ssh之后，可以通过使锅炉更小(其可以逐步或以渐进方式完成)或通过增加用于每个表面单元的管的数目来增加废气的速度。另外，可以组合两种形式的构造。根据在热交换器74中彼此并排放置的ssh过热器15、16、17、18的数目，这些过热器经设计以使得废气的速度将随着气体进一步通过热交换器而增加。仍处于约400℃的高温下的剩余废气从ssh过热器传送到一个或多个节热器19、20、21。这些节热器用于对例如冷凝蒸汽进行预热。此处的流速将为约5m/sec到15m/sec，优选地约10m/sec，以防止废气中二恶英的形成。
[0111]
如前所述，在热交换器中有四个ssh过热器15、16、17、18的情况下，将待加热的蒸汽供应到第四ssh 18，然后供应到第三过热器17，然后供应到第二ssh 16，然后供应到第一ssh 15，从中提取蒸汽，其为温度为约510℃并且升高的压力为约125巴的过热蒸汽。可以在每个ssh过热器之间的通道上安装注射冷却器24，通过它可以调节蒸汽的温度。通过在从一个过热器到另一个过热器的每个通道上安装此类注射冷却器22、23、24，可以保证大范围的温度的良好调节。此外，由此可以在各种ssh束中的沉积物不相等的情况下准确地调节蒸汽温度。
[0112]
还可能通过降低锅炉
‑
节热器区段的最终废气排气温度来提高装置的效率。然而，这可能引起这样的问题，即冷却位置发生so3冷凝，在那里会发生硫酸腐蚀。在废料焚烧炉设备中使用受污染燃料时，情况尤其如此。因此，优选的是在190℃到230℃的温度下将废气从装置中排出，这些温度分别对干净锅炉和脏锅炉有效。
[0113]
这种相对较高的废气排气温度有利于在锅炉之后直接使用袋式除尘器(未示出)。在此情况下，使用除尘器将发生较少腐蚀，并且如果需要，可以安装denox催化剂和pcdd/f氧化催化剂。在通过此袋式除尘器之后，废气将基本上不含灰，这时适合将废气传送到额外节热器(未示出)，所述额外节热器可用于预热例如冷凝蒸汽。此额外节热器极其高效，因为其不再需要处理粉尘。因此，此节热器的管的表面保持得更加干净。
[0114]
在此额外(第二)节热器中，废气的温度可以降低到约100℃。低于160℃的温度通常会发生酸的冷凝。因为待加热的冷凝蒸汽处于相对较低的温度，所以在整个第二节热器中可能发生冷凝。出于此原因，此第二节热器必须由非金属且尤其非氧化性材料制成。优选的是例如石墨、铁氟龙(teflon)和搪瓷的材料。
[0115]
还可以使用在废气净化后放置的第三节热器，以将废气的温度降低到约50℃。由于优选地使用直接从涡轮机冷凝器中获得的待加热的冷凝蒸汽，并且由于其温度显著低于废气的露点温度，所以此处获得的热量实际上完全来自废气中水分的冷凝热。由于在废气净化结束时存在浓度低得多的化学侵蚀性物质，并且由于这些物质被多余的冷凝物稀释，所以此第三节热器的材料要求不如第二节热器的材料要求苛刻。废气的冷却和水分的冷凝导致了关于粉尘、汞和二恶英的额外分离。图14展示用作废物焚烧炉的高压锅炉的示意图，其中蒸汽a从蒸汽锅筒25供应到由图13的ssh过热器15、16、17、18组成的热交换器85，压力为135*105kpa(135巴)并且温度为337℃。借助于逆流中的热废气加热蒸汽a，蒸汽b在510℃的温度和125*105kpa(125巴)的压力下从热交换器85中抽取。然后将此蒸汽b传送到涡轮机的第一级，在此作为蒸汽c排出，压力为约8*105kpa(8巴)并且温度为约180℃。随后，借助于直接从蒸汽锅筒25取得的蒸汽a对蒸汽c进行再加热。在此额外的热交换器级27中，蒸汽c在约320℃的温度下转化成蒸汽d，并且压力仅略微低于其离开第一级26后的压力，即约7.5*105kpa(7.5巴)。在第二涡轮机级28之后，蒸汽e将处于30℃到60℃的温度和约0.05
‑
0.10*105kpa(0.05到0.10巴)的压力下。对于蒸汽a的产生，为了提高效率，优选的是增加蒸汽a的温度。为此，可以谨慎地确定选择，因为增加蒸汽a的温度还确定了蒸汽过热器中管壁的温度。通过使过热器的管完全用镍铬合金制成或用镍铬涂层，可以提高温度极限，所述温度极限通常在400℃到430℃的范围内。为此，当然绝对优选的是在蒸汽过热器的入口处供应非常均匀的烟道气温度。与第二和第三节热器组合使用，可以实现30％以上的净效率。据观察，现有技术装置通常受限于约25％的效率。
[0116]
较高蒸汽温度的逻辑结果是还存在较高蒸汽压力，以获得涡轮机26、28中的最大效率。为了保持易控制的水分百分比，这也是必要的。
[0117]
这意味着管的侧面和锅炉的部分的厚度增加。涡轮机还必须适合于这些较高的温度和压力。然而，通过在过热器和锅炉壁中使用镍铬，这些较高的温度和压力是相当可用的。为了优化蒸汽的使用，需要对涡轮机中高压区域之后的蒸汽c进行再加热。这有助于防止蒸汽c、d在下一膨胀阶段期间冷凝为不再易控制的水分百分比。使用从蒸汽锅筒25中抽取的蒸汽a'进行第一涡轮机级26之后的蒸汽c的再加热。蒸汽a'基本上将处于与蒸汽a相同
的温度和压力下，根据所示的设计，发现蒸汽a'来自相同的蒸汽锅筒。如通常在技术领域中已知的，蒸汽锅筒用以分离来自热交换器29的水和蒸汽的混合物。通过直接使用该蒸汽a'再加热来自第一涡轮机级的蒸汽c，可以实现锅炉的设计的极大自由度。膜式壁29(在辐射区域中的蒸发器)的熵尤其可以增大，而不必依赖于过热器(对流区域中的蒸汽过热器)。这意味着在烟道气的一侧，温度变化可以被优化选择。特别是通过再加热从膜式壁29获得的额外容量降低了由过热器供应的热容量。使用这些措施可以将蒸汽过热器的烟道气温度设置得相对较低，即低于750℃，优选地低于720℃，更优选地600℃到680℃，即600℃到650℃的烟道气温度。过热器中高热容量所必需的高烟道气温度通常会产生问题，因为其会增加腐蚀和飞灰的增长。因此，使用这些措施意味着不再出现这些缺点。
[0118]
此构造的其它优点是可以自由选择在图14中分别用注解x1和x2表示的第一和第二涡轮机级26、28的蒸汽水分百分比。因此，在任何所选择的最高蒸汽温度下，水
‑
蒸汽循环的平均过程温度以及因此涡轮机的效率都尽可能地高。
[0119]
现在可以将最高蒸汽温度调节为较低的值，而不会使x2变得非常高。反过来也是可能的。
[0120]
此外，由于较低的水分百分比，涡轮机叶片腐蚀的可能性显著降低。
[0121]
发现镍铬合金的抗腐蚀性取决于覆层的表面温度和烟道气温度。由于镍铬合金的抗腐蚀性在650℃到700℃和更高的烟道气温度下显著降低，因此优选的是不让管和装置中与较高温度接触的其它部分的温度升高到600℃到650℃以上。对于靠近炉子的膜式壁，可以通过将烟道气与空气或再循环烟道气混合来影响烟道气温度。但即使如此，烟道气的温度可以显著高于这些优选温度。表面温度尤其由管中的压力决定，这继而决定了水的沸腾温度。钢和覆层的良好导热性使得覆层表面温度仅比水温高约5
‑
30℃。发现这是由热通量决定的，而热通量取决于炉中的热辐射和表面上的飞灰沉积物层的厚度。锅炉的设计压力越高越好，因为这有利于发电的热力学效率。inconel的腐蚀似乎与膜式壁中水的压力和因此温度存在一定的相关性。然而，这种相关性不是一对一的。
[0122]
与在80
‑
140巴锅炉压力下操作的一些装置中发现的腐蚀相比，许多锅炉压力仅30
‑
40巴锅炉压力的装置具有腐蚀更严重的部分。尚未发现解释所述差异的明确机制。本专利描述了经多年实验发现在减少覆层腐蚀方面能很好地起作用的措施。上文所描述的措施尤其适用于提高废物焚烧炉在发电方面的效率。最优选的是蒸汽加热到至少450℃的温度70*105kpa(70巴)的压力，或优选地至少480℃的温度和至少100*105kpa(100巴)的压力，并且甚至更优选地约500℃的温度和至少120*105kpa(120巴)的压力，以及通道中的烟道气流减小到小于5m/sec、优选地3m/sec到4m/sec，通过热交换器的烟道气流在入口处小于或等于5m/sec并且在出口处为5m/sec到12m/sec的组合，其中在热交换器中使用逆流，并且其中烟道气在其传送到热交换器时的温度小于750℃，并且优选地小于690℃。
[0123]
根据本发明，将实现提高的效率。在此，如果将此处所述的发明中所描述的方法与来自同一发明人的与本专利申请同时提交的专利申请中所描述的方法组合，那么有可能实现至少29％总/26％净或甚至更好地至少33％总/30％净或最终地36％总/33％净的蒸汽生产的最终效率。
[0124]
图15显示了示例性膜式面板的细节。目的是提供一种用于hr锅炉第一通道中靠近炉子最热区域的高腐蚀性区域的膜式壁设计。膜式壁由直径为d的管和宽度为s的条带制
成，导致管子与管子之间有规律的中心距x。在具有一般腐蚀性区域的区域中，可使用标准管直径d1和更大的条带宽度s1。在高度腐蚀性区域中，使条带宽度最小化以便确保条带表面上最大限度的冷却。这通过应用高管直径d2和小条带宽度s2实现。从s1‑
d1‑
面板区段到s2‑
d2‑
面板区段的过渡借助于适配器实现，而中心距是恒定的(x＝s1 d1＝s2 d2)。标准膜式壁参数s1和d1将由标准锅炉设计程序确定，而高腐蚀性区域参数s2和d2由最小可实现条带宽度s2确定。
[0125]
在与图15相当的图16中的示例性膜式面板的另一变化形式中，条带更多地放置于管的前部，通常相对于两个相邻管的共同中心线的距离d3为管直径的2
‑
30％，优选地d3为5
‑
20％，例如7
‑
17％，例如10
‑
12％。此实施例不旨在常规地降低条带的表面温度，而是旨在产生更平坦的面板。发现这限制了飞灰沉积物的粘附。此面板减少了壁上飞灰沉积物的存在时间，并且减少了沉积物的厚度，尤其对于从条带表面到面向热烟道气的飞灰表面的厚度而言。应注意，在飞灰层中，可存在许多例如金属盐和阴离子盐的不同盐的混合物。这些盐具有不同熔点和不同蒸气压。这些盐中的一些具有甚至低于250℃的熔点，即使在接近管表面的最冷点处仍保持液态。特别地，侵蚀性的氯盐可通过由飞灰表面与nicr表面之间的温差驱动的扩散而积聚。然后，随着时间的延长，这种熔融的盐滴可诱发对覆层的腐蚀。本发明人发现通过减小温度分布的差异，物种的扩散较不明显，并且在此基础上减少了液体共晶在覆层表面的形成。其次，通过上文所描述的减少壁上沉积物的存在时间来减少盐共晶的生长。
[0126]
另外，优选的是避免在覆层表面处的无氧空穴。为了抗腐蚀，覆层优选地在其表面上具有保护层，例如氧化层。此氧化层即使在250
‑
350℃的局部温度下也对熔盐共晶具有高度抗性。发现一旦氧化层受损，腐蚀就会相对迅速地发生，从而在裸露的覆层金属表面形成空穴。对覆层表面的广泛观察得出的结论是，考虑到盐共晶，覆层的初始易损性通过具有更平坦的表面来改善，并且覆层的自修复性通过再氧化来改善。此再氧化可被视为重要步骤，其需要最少的氧气，通过扩散通过飞灰层，氧气通常可在覆层表面获得。通过减少壁上沉积物的存在时间，显著促进此再氧化。这些新见解使得使用更平坦的面板构造，并且倾向于通过更好的焊接技术或焊后处理来获得更光滑的焊接表面。因此，平坦的面板构造与光滑的焊接表面组合是优选的。以上可视为总体上适用于所有示例性实施例和本发明的教导。
[0127]
锅炉壁通常由多个膜式壁面板组成，并且锅炉水借助于集管在壁的底部和顶部被馈送至锅炉壁或从锅炉壁中收集。为了将膜式壁连接到集管，需要最小条带宽度s，以便进行适当焊接。高度腐蚀性区域在锅炉壁的中间部分，使得标准面板放置在所述区域上方和所述区域下方。以此方式，最小可实现条带宽度不受面板到集管焊接要求影响。
[0128]
实例
[0129]
为了将覆层施加到本发明面板，可使用以下方法。
[0130]
首先提供待包覆的膜式面板。面板在其表面上具有至少一个曲率并且包括至少一个中空段。此后，通过焊接将覆层提供到表面。已发现，为了获得可以随时间推移耐受本发明焚烧炉中使用的高温和高压的覆层，必须采取特别预防措施。为此，膜式面板的表面优选地通过研磨和/或化学浸蚀来充分地清洁。优选将其主动冷却到低于323k、优选地低于305k的温度。优选在焊接期间，例如通过研磨和/或抛光，去除触头和焊渣。为了获得良好的结果，在惰性气氛下进行焊接，其中co2<800ppm，优选地co2<600ppm，o2<500ppm，优选地o2<
350ppm，所述气氛优选地包含5
‑
90％he、0
‑
3％h2、0
‑
10％n2，其余为ar，例如cronigon
‑
ni
‑
10/20/30气氛(根据din en iso 14175:z)。在焊接期间，优选地提供冷却，例如通过使冷却剂循环通过面板壁，优选地是水。面板壁优选地99
‑
100％用冷却剂填充，优选地99.5
‑
100％，更优选地99.9
‑
100％。为了获得耐用的覆层，优选地通过研磨(例如通过使用玻璃珠)、湿法化学蚀刻中的至少一种清洁待堆焊的层的表面。优选地在第一步骤中通过研磨并且在第二步骤中通过使用玻璃珠来将表面清洁两次(din 25410)。
[0131]
为了包覆曲面部分，优选地遵循以下方法。其中(a)在曲率的第一侧上设置第一覆层，在与第一侧相对的一侧上设置第二覆层，在曲率的顶侧上设置第三覆层，并且(b)在第一和第二覆层上分别设置另外的覆层。重要的是，另外的覆层与第一或第二覆层分别重叠>40％，优选地>50％，例如>60％。在方法(c)中，重复步骤(a)直到实现曲率的完全覆盖为止。在具有相邻曲率的复杂结构中，对相邻曲率重复步骤(a)
‑
(c)。
[0132]
应了解，对于商业应用，可优选地使用本发明系统的一个或多个变化形式，所述变化形式将类似于本申请中所公开的变化形式并且在本发明的精神内。