水管面板部分和制造流化床反应器中水管面板部分的方法
阅读说明：本技术 水管面板部分和制造流化床反应器中水管面板部分的方法 (Water panel section and method for manufacturing water panel section in fluidized bed reactor ) 是由 J.墨菲 于 2018-02-22 设计创作，主要内容包括：一种用于流化床反应器的水管面板部分以及对应的方法。水管面板部分包括：多个平行金属管,其具有管长度L1、外表面、初始外径OD1和初始壁厚度WT1；以及形成在所述管中的每一者的在第一和第二端部部分之间的中心部分中的周向延伸的凹部。凹部具有小于壁厚度WT1的恒定深度D。凹部包围金属管的中心部分的外表面。周向延伸的金属涂层具有至多为凹部的深度D的恒定厚度,以覆盖多个金属管中的每一者的凹部。将肋片连续焊接在每对邻近管之间。(a water tube panel section for a fluidized bed reactor and corresponding method. The water pipe panel part includes: a plurality of parallel metal tubes having a tube length L1, an outer surface, an initial outer diameter OD1, and an initial wall thickness WT 1; and a circumferentially extending recess formed in a central portion of each of the tubes between the first and second end portions. The recess has a constant depth D less than the wall thickness WT 1. The recess surrounds an outer surface of the central portion of the metal tube. The circumferentially extending metal coating has a constant thickness of at most the depth D of the recess to cover the recess of each of the plurality of metal tubes. Fins are welded in series between each pair of adjacent tubes.)
技术领域
本发明涉及一种水管面板部分以及一种制造流化床反应器中的水管面板部分的方法。本发明尤其涉及用于在流化床反应器中的水管面板部分中提供腐蚀保护的布置结构和方法。本发明尤其可适用于邻近于循环流化床（CFB）反应器的水冷壁的耐火材料涂覆的下部分的上边缘的竖直水管面板部分。
背景技术
传统的膜表面或者水管面板由通过金属条（所谓的肋片）连接在一起的平行金属管制成，以构造壁，所述壁例如形成流化床反应器的外壳。高压水在管内侧流动，以从在反应器中的高温颗粒和气体吸取热量。在诸如烧生物质锅炉、烧煤锅炉和垃圾衍生燃料（RDF）锅炉的不同锅炉中的水管和膜表面通常由诸如碳钢、低合金钢、或铁素体钢的基体材料制成。这些材料通常提供良好的强度和结构完整性，以及对在传热中使用的高温、高压水和高压蒸汽的极佳抗性。
由于强有力地运动的床颗粒，流化床反应器的水冷壁的一些区域（尤其是下部分）具有腐蚀风险。为了使腐蚀最小化，水冷壁的下部分（即，其水管面板）通常被耐火材料层保护。耐火材料层的上边缘然后通常形成凸耳，其倾向于被沿反应器的水冷壁向下流动的颗粒连续撞击，由此从凸耳弹起的颗粒导致在耐火材料上方的竖直水管面板的腐蚀。为了使该区域处的腐蚀进一步最小化，耐火材料的上边缘通常布置在水冷壁的朝外弯曲的区段中，使得耐火材料的内表面或靠火侧表面与在其上方的竖直管壁或者水冷壁齐平或从其凹入，如最初在美国专利No.5,091,156中建议的。
即使耐火材料层的上边缘布置在水冷壁的朝外弯曲的区段中，但是已经注意到，在一些情况下，存在由扰动涡流引起的腐蚀的风险，所述扰动涡流是在耐火材料层的上边缘上方的竖直水冷壁中的不连续处产生的。当超出燃料的传统参数（诸如利用低灰分、高挥发性煤）使用流化床反应器（例如循环流化床（CFB）锅炉时）、或者当从初始设计燃料切换到另一更经济的燃料时，可以尤其发生腐蚀。
欧洲专利申请公布No. EP1 640 660教导通过由具有不同抗腐蚀性质的至少两个地带的例如喷镀金属的防护层（shield）来涂覆壁的内表面，使在耐火材料层上方的流化床反应器的壁的腐蚀最小化。
美国专利No.8,518,496公开了减慢管壁中的竖直管的在与流化床锅炉中的耐火材料凸耳的接口处的腐蚀和侵蚀的过程的方法，这通过如下来实现：在管的靠火侧表面上提供耐腐蚀和耐侵蚀涂层（涂层具有平滑且逐渐向上减小的厚度）以及提供接近耐火材料凸耳的凹部。
韩国专利公布No. KR 101342266 B1建议在循环流化床锅炉的水冷壁的耐火材料涂覆的下区段的上边缘上方的管壁的朝外弯曲的部分的区中提供在管壁的内表面的顶部上的两个不同层的涂层。
关于在欧洲专利申请公布No. EP1 640 660、美国专利No. 8,518,496和韩国专利公布No. KR 101342266 B1中描述的方法的问题在于，抗腐蚀涂层的表面至少在一定程度上处于比涂覆区域上方的裸露管壁的外表面更高水平处，这导致在反应器中流动的材料的扰动涡流，且导致涂覆区域上方的管壁的增加的腐蚀。
美国专利No. 5,910,920公开了一种流化床反应器，其具有：在反应器的水冷壁的下部分的内侧上的耐火材料内衬；以及凹部，其在耐火材料内衬上方形成在水冷壁的内表面上，至少通过上端壁和底部限定凹部；以及涂层，其设置在凹部中。涂层从凹部的上端壁延伸到耐火材料内衬。如果涂层的表面与涂层上方的管壁齐平，则可以避免在涂覆区域上方的裸露管壁的增加的腐蚀。在美国专利No.5,910,920中描述的方法的问题在于，其难以形成在水冷壁的内表面上的凹部以及凹部中的具有精确形成的表面的涂层。
本发明的目的是提供一种经济且有效的水管面板部分以及制造流化床反应器中的水管面板部分的方法，其使由在流化床反应器中的水管面板部分中（尤其在邻近于循环流化床反应器的水冷壁的耐火材料层涂覆的下部分的上边缘的竖直水管面板部分中）的腐蚀引起的问题最小化。
发明内容
根据一个方面，本发明提供一种制造用于流化床反应器的水管面板部分的方法，方法包括如下步骤：（a）提供包括第一端部部分、第二端部部分以及在所述第一端部部分和所述第二端部部分之间的中心部分的多个金属管，其中，所述第一端部部分和所述第二端部部分中的每一者具有外表面和大致恒定的外径OD1，且所述中心部分具有外表面和大致恒定的外径OD2，所述外径OD2小于所述外径OD1；（b）在所述中心部分的外表面上提供具有为至多D的大致恒定厚度的周向延伸的金属涂层，其中，D是（OD1-OD2）/2，以覆盖所述中心部分的外表面；（c）将多个金属管彼此平行地布置在平面中，以及（d）通过在每对邻近的处于平行布置的金属管之间连续焊接肋片来形成水管面板部分。
根据另一方面，本发明提供一种用于流化床反应器的水管面板部分，水管面板部分包括：多个金属管，所述多个金属管包括第一端部部分、第二端部部分以及在所述第一端部部分和所述第二端部部分之间的中心部分，其中，所述第一端部部分和所述第二端部部分中的每一者具有外表面和大致恒定的外径OD1；周向延伸的凹部，其形成在所述多个金属管的中心部分中以包围所述中心部分的外表面，由此所述中心部分具有外表面和小于所述外径OD1的大致恒定的外径OD2；周向延伸的金属涂层，其具有为至多D的恒定厚度，其中，D是（OD1-OD2）/2，所述金属涂层用于覆盖所述多个金属管中的每一者的凹部，其中，所述多个金属管被彼此平行地布置在平面中；以及肋片，其连续焊接在每对邻近的处于平行布置的金属管之间，以便形成所述水管面板部分。
本发明基于本发明人的如下令人惊讶的观察，即使仅在水管面板的一侧上期望腐蚀保护，通过为形成水管面板的金属管提供旋转对称的腐蚀防护处理，也可在水管面板部分中有效地且经济地提供极佳的腐蚀保护。因此，具有极佳的腐蚀保护的水管面板部分可有利地由金属管制成，所述金属管通过如下来准备：首先在所述管的每一者中布置包围金属管的中心部分的外表面的具有合适长度和深度的周向延伸的凹部，并且然后提供周向延伸的金属涂层以覆盖所述凹部。凹部的深度自然地使得任何所需的壁厚度保持在水管的全部部分中。
通过传统方法（例如通过带有高精度的车床）可以有效地制造这种周向延伸的凹部，且可以在这种凹部中有效地提供具有恒定且准确限定的厚度的周向延伸的金属涂层。然后，多个金属管被彼此平行地布置在平面中，且通过在每对邻近的处于平行布置的金属管之间连续焊接肋片来形成水管面板部分。
可以通过将第一管部分的具有外径OD2的两个端部连接成分别同轴地邻接第二管部分的端部和第三管部分的端部（该第二管部分和第三管部分具有外径OD1）来替代地提供带有在管的中心部分中的凹部的金属管。由此，第一管部分形成金属管的中心部分，且第二管部分和第三管部分分别形成金属管的第一端部部分和第二端部部分。
根据本发明的示例性实施例，长度为大约三米的金属管初始具有63.5毫米的外径OD1以及大约9毫米的壁厚度WT1。在管的中心部分处，然后形成具有例如2.5米的长度以及2毫米的深度的凹部。由此，所述管中的每一者的凹入部分具有59.5毫米的减少的外径OD2，以及7毫米的减少的或者剩余的壁厚度WT2。在所述管中的每一者的两个端部处，存在无凹入的端部部分，其仍然具有初始直径和壁厚度，端部部分的长度是例如40厘米和10厘米。
凹部有利地被填充有合适的金属材料（优选地，合适的合金）的2毫米厚的螺旋堆焊涂层。通过使用例如在美国专利申请公布No. 2012/0214017中描述的方法，可以使得涂层具有期望厚度以及尤其光滑的表面。由此，通过在管的外表面上构建一系列连续的螺旋焊缝部分，形成螺旋堆焊或者三百六十度堆焊。
堆焊有利地具有高硬度、冶金结合材料，其有效地减慢了腐蚀，且同时还被合金化，以便提供足够的侵蚀保护。作为示例，堆焊镀层（weld overlay cladding）可以由具有至少20%的Cr和低Fe含量的合金材料制成。取决于流化床反应器中的条件，也可以使用各种各样的其他耐侵蚀和腐蚀/耐侵蚀合金，包括不同的不锈钢和镍基合金。
上文中描述了凹部中的金属涂层如何被提供为堆焊。即使使用堆焊是优选的方法，本发明也不受限于堆焊的使用，而是可以替代地使用诸如基于电弧的热喷镀的提供合适金属涂层的任何其他方法。
在上文所描述的处理之后，金属管彼此平行地布置在平面中，且通过在每对邻近的处于平行布置的金属管之间连续焊接肋片形成水管面板部分。如果水管面板要在尤其苛刻的条件中使用，则肋片的中心部分可以通过传统的单侧金属涂层涂覆，所述单侧金属涂层有利地布置在形成在肋片中的凹部中，如在美国专利No. 5,910,920中建议的。在肋片中形成的凹部中的金属涂层可以有利地通过金属喷镀形成或形成为所谓的180°堆焊，即，平行于水管的轴线的多个笔直焊缝的所谓的180°堆焊。
自然地，所述管和在其中的凹部的尺寸以及涂层材料可以根据应用的需要变化。本发明的基本特征在于，所述管中的每一者的凹部具有恒定的深度，且相应的金属涂层具有至多为凹部的深度D的恒定厚度，以便覆盖凹部。优选地，执行金属涂覆，使得涂层至少在凹部的一个端部处与相应的金属管的邻近端部部分的外表面平滑地齐平。通过该布置结构，可以使在被涂覆的金属管与在金属管的相应端部处的裸露金属管之间的接口处的扰动涡流和腐蚀最小化。
美国专利No.5,910,920中所公开的现有技术具有与本发明的目标类似的目标，但是其不能教导或给出为了在金属管中形成周向延伸的凹部以及在凹部中提供周向延伸的金属涂层的提示。与在现有技术中示出的方式相比，本发明提供形成腐蚀保护的更加有效的方式。此外，本发明使得可以形成更加精确的凹部，且获得更平滑和更准确的涂层，以避免在涂层与邻近的裸露金属管之间的接口处引起腐蚀的扰动涡流。
根据本发明的水管面板部分可以有利地安装在流化床反应器中任何倾向于腐蚀的位置中，诸如靠近固体分离器的出口。由此，具有合适尺寸的水管面板部分可以与流化床反应器的其他面板部分结合地焊接，以形成新流化床反应器的水冷外壳，或者在维修现有的流化床反应器时作为替换部件。
上文所描述的水管面板部分尤其适于安装在流化床反应器的水冷壁的下部分处、邻近于水冷壁的耐火材料涂覆的下部分的上边缘。如果耐火材料涂层的上边缘被布置在水冷壁的朝外弯曲部分中，例如，如在美国专利No.5,091,156中所示，在水管面板部分被安装到反应器内之前，水管面板部分需要弯曲成合适的形式。通过如下来有利地形成水管面板的弯曲部：通过将多个金属管以及在金属管之间的肋片中的每一者从金属管的第一端部部分的方向围绕垂直于金属管的第一端部部分以及平面的法线两者的轴线弯曲到弯曲方向而在水管面板部分的中心区中以第一角度形成第一弯曲部，以及从弯曲方向弯曲到第二方向以第二角度形成第二弯曲部，其中，第二角度与第一角度相反，且与第一角度一样大，或者大于第一角度。有利地形成第一弯曲部和第二弯曲部，使得形成在管中的金属涂层在两个所述弯曲部上延伸。
优选地，在距离金属涂层的一个端部（例如，金属涂层的第一端部）比距离金属涂层的另一端部（例如，金属涂层的第二端部）更长的距离处形成水管面板的弯曲部。换言之，与从第二弯曲部朝向金属管的第二端部部分延伸相比，金属管的金属涂层从第一弯曲部朝向金属管的第一端部部分延伸更长的距离。优选地，金属管的金属涂层从第一弯曲部朝向金属管的第一端部部分延伸至少一米的距离，甚至更优选地延伸至少两米的距离。
为了在执行水管面板部分的弯曲之后维持金属涂层的性质，如果期望的话，在形成水管面板部分之前，或者在面板部分弯曲成所期望的形状之前或者之后，可以通过合适的过程来热处理金属涂层。
如上文所描述的弯曲水管面板部分在竖直位置中被安装在流化床反应器的水冷壁的下部分处，以便使金属管的第一端部部分向上引导。然后，耐火材料涂层被施加到水冷壁的下部分，以便延伸到处于或低于面板的第一弯曲部（即，更高的弯曲部）的水平。因为凹部和金属涂层有利地从第二弯曲部下方延伸到从第一弯曲部朝向金属管的第一端部部分的至少一米的距离处，所以在从耐火材料涂层的上边缘向上延伸至少一米的区中，保护金属管不受腐蚀影响。
有利地确定凹部的深度以及金属涂层的厚度，使得获得涂层的期望强度和可靠性，同时还维持水冷壁的期望强度。因为合金化金属的堆焊的热导率通常低于基体金属的热导率，所以也确定金属涂层的厚度，使得在水管中实现从流化床到水的期望热传递。
通过参考本发明的当前优选的（但是仍然是说明性的）实施例的
具体实施方式
、结合附图将更全面地理解上述简要说明、以及本发明的其他目的、特征和优点。
附图说明
图1示意性地示出了循环流化床锅炉的底部部分。
图2示意性地示出了根据本发明的实施例的带有金属涂层的金属管。
图3示意性地示出了根据本发明的实施例的水管面板部分的平面图。
图4示意性地示出了对应于在图3中示出的平面图的带有耐火材料涂层的示例性水管面板部分的侧视图。
图5示意性地示出了对应于在图3中示出的平面图的带有耐火材料涂层的另一示例水管面板部分的侧视图。
具体实施方式
图1示意性示出了循环流化床锅炉的流化床反应器10的底部部分，反应器10包括水冷壁12，所述水冷壁由水管面板14以及在水冷壁12的朝内倾斜的下部分18上的耐火材料涂层16形成。水管面板14包括朝外的第一弯曲部20以及朝内的第二弯曲部22，第二弯曲部22的角度大于第一弯曲部20的角度。耐火材料涂层16的上边缘24被布置在弯曲部20、22的区域中，使得上边缘24在水冷壁12的耐火材料涂覆的下部分上方从竖直水管面板14的靠火侧表面凹入。
流化床反应器10包括传统风箱26和流化喷嘴28，所述流化喷嘴用于引入通常是空气的流化气体以用于流化反应器10中的燃料和其他床颗粒。流化气体和床颗粒在反应器10中主要向上流动，但是尤其在靠近水冷壁12处，也存在床颗粒30的向下引导的流动。在弯曲部20、22的区域中具有耐火材料涂层16的上边缘的布置使得水管面板14的在耐火材料涂层16的上边缘24上方的区32中的腐蚀最小化。然而，尤其当使用腐蚀燃料或者其他床材料时，由于由水冷壁12的不连续性引起的向下流动的床颗粒的扰动涡流34，在该区中仍然存在水管面板14的腐蚀风险。因此，本发明公开了在水管面板14的水管上形成金属涂层36的尤其有效的方法。
图2示意性地示出了长度为L1的金属管40，所述金属管在其中心部分中、在金属管40的第一端部部分42和第二端部部分44之间具有形成在金属管40的外表面上的深度为D以及长度为L2的周向延伸的凹部46。金属管40最初具有外径OD1和壁厚度WT1。当形成凹部46时，外径OD1在管道40的中心部分中减小到值OD2，且壁厚度减小到值WT2。在图2中示出的管40的尺寸的比率与其通常实际上的比率明显不同。现实中，当与管40的外径OD1相比较时，与图2中所示出的这些相比，管40通常长得多，并且管40的壁厚度以及凹部46的深度小得多。
根据本发明，在凹部46中设置周向延伸的金属涂层48。凹部46具有相对平滑的外表面以及恒定的厚度，金属涂层48的厚度与周向延伸的凹部46的深度D相同。金属涂层48的长度与周向延伸的凹部46的长度L2对应地相同。由此，金属涂层48覆盖或者填充凹部46，且金属涂覆的管部分的这样形成的外径与金属管40的初始外径OD1相同。
因为金属涂层48的目的是在被安装到流化床反应器10内时在不引起任何有害的扰动涡流的情况下保护金属管40不受腐蚀影响，所以金属涂层48的表面优选地至少在凹部46的一个端部处与金属管40的邻近端部部分的外表面平滑地齐平。为了移除全部表面纹理，所述表面可以有利地被轻微研磨或者抛光，以与上述管表面齐平。为了实现所期望的平滑度，有利地通过合适的螺旋堆焊方法提供金属涂层48。
图3是由图2中所示出的类型的多个金属管40、40’形成的平坦水管面板部分50的示意性平面图。在每对邻近金属管40、40'之间，焊接传统肋片52，以形成水管面板部分50。用于图2中的特征的附图标记也用于图3至图5中的相同或者对应的特征。
在金属管40、40'中的每一者的第一端部部分42和第二端部部分44之间布置了周向延伸的金属涂层48。如上文所描述的，在周向延伸的凹部（在图3中未示出）中形成金属涂层48，以便填充或覆盖凹部。如果期望的话，也可以在肋片52的中心部分中设置单侧金属涂层48。
如果图3的水管面板部分要被安装在流化床反应器10的水冷壁12中以使在水冷壁12的耐火材料涂覆的下区段的上边缘24上方的区域中的腐蚀最小化，其中，耐火材料涂层16的上边缘24要布置在水冷壁12的朝外弯曲的部分中，则在水管面板部分50中必须形成合适的弯曲部。
图4示意性地示出了对应于图3中所示出的平面图的示例性水管面板部分50的侧视图。在金属管40的中心部分中可见围绕管40周向地设置的金属涂层48。金属涂层48有利地形成为螺旋堆焊。金属涂层48的表面与金属管40的上端部部分42和下端部部分44的外表面齐平。在管40的第一端部部分42和第二端部部分44的侧面上，示意性地示出了肋片52，其被焊接在一对邻近管40、40'之间。
在金属涂覆的管部分48的下区段中，存在朝向水管面板部分50的侧面的第一弯曲部54，当水管面板部分50被安装到流化床反应器10内时，该第一弯曲部将是面板部分的外侧。进一步远离第一弯曲部54处，存在第二弯曲部56，当面板部分50被安装到流化床反应器10内时，第二弯曲部56将是下弯曲部。如图4中所见，与第一弯曲部54形成的角度相比，第二弯曲部56形成更大的角度，以便形成至反应器10的朝内渐缩的水冷壁12。
邻近于第二端部部分44，可见到耐火材料涂层58，当面板部分50被安装到流化床反应器10内时，所述第二端部部分将是下端部部分。如本领域技术人员所众所周知的，仅当面板部分50被安装到流化床反应器10内时，耐火材料涂层58才通常被施加到面板部分50的靠火侧表面。耐火材料涂层58通常具有在第二弯曲部56的区中的上边缘60。
水冷壁12的方向的不连续性倾向于在耐火材料涂层58的上边缘60的上方引起扰动涡流，但是金属管40的金属涂层48在图4中示出的区B中为管40提供有效的腐蚀保护。当被安装到流化床反应器10内时，金属涂层48有利地从第一弯曲部清楚地向上延伸，优选地延伸至少一米的距离，甚至更优选地延伸至少两米的距离。金属涂层48还有利地从第二弯曲部56向下对应地延伸某距离，至少延伸到将被耐火材料涂层58覆盖的区中。
根据本发明，围绕管40周向地形成耐火材料涂层58，即使实际上仅在水管面板部分50的靠火侧上需要腐蚀保护。在许多情况下，仅在金属管40上具有腐蚀保护就足够了。如果需要的话，还可以向焊接在邻近的金属管40之间的肋片52提供腐蚀保护。然后，通过向形成到肋片52的期望部分的单侧凹部提供传统的单侧金属涂层，有利地形成肋片52的腐蚀保护。肋片52的腐蚀保护未在图4中示出。
图5示意性地示出了对应于图3中所示出的平面图的另一示例性水管面板部分50的侧视图。图5的水管面板部分50与图4中所示出的水管面板部分的不同之处仅在于由第二弯曲部56形成的角度与由第一弯曲部54形成的角度一样大。由此，当面板部分被安装到流化床反应器10内时，第二端部部分44与第一端部部分42平行，但是在一定程度上从流化床反应器10朝外偏移。在一些情况下，在将低于第二弯曲部56的水平处存在第三弯曲部（在图5中未示出），以将朝内渐缩的水冷壁12形成到反应器10的下区段。
虽然本文中已经通过示例结合目前被认为是最优选的实施例的实施例描述了本发明，但是要理解，本发明不受限于所公开的实施例，而是旨在覆盖被包括在如在所附权利要求中限定的本发明的范围内的其特征的各种组合或修改以及多个其他应用。