[0002] 本公开要求2010年10月28日提交的美国临时申请No. 61/407,694、2010年10月28日提交的美国临时申请No. 61/407,706，以及2010年10月28日提交的美国临时申请No. 61/407,741的优先权，这些申请的全部内容通过引用而结合在本文中。
[0004] 按照美国
能源部/国家能源技术实验室(NETL)的授权合同No. DE-FC26-OINT41223，美国政府对本
发明具有某些权利。
技术领域
[0005] 本公开涉及用于固体颗粒流控制的孔口板。本公开涉及用于在移动床
热交换器中进行固体颗粒流控制的孔口板，本公开还涉及使用孔口板的方法，以及包含孔口板的物品。
背景技术
[0006] 在一些热过程(例如
能量生产中涉及的过程)或
制造过程(例如金属或塑料生产中涉及的过程)中，持续地移动固体颗粒是合乎需要的。例如，在能量生产中，将热从热的固体颗粒和/或灰传递到热交换器中的冷却介质是合乎需要的。为了这样做，热的固体颗粒运送到移动床热交换器，在那里，它们与冷却介质(包括
水、
蒸汽或油)交换它们的热。在移动床热交换器中，均匀地移动和排出固体颗粒使得移动床热交换器上的
温度均匀是合乎需要的。
[0007] 如果移动床热交换器中的热的固体颗粒和/或灰未均匀地移动和排出，则在热交换器上可出现大温差，而且这些大温差会导致热交换器效率低下或构件失效。固体颗粒流错误分配可导致热传递性能差，导致表面利用低效，导致超过可允许温度和/或应
力的状态，以及可能导致蒸汽温度
不平衡。
[0008] 因此，合乎需要的是开发用于涉及固体颗粒流的过程的流控制系统，使得固体颗粒可在没有任何错误分配或不平衡(这会导致低效的过程)的情况下传送。
发明内容
[0009] 本文公开一种孔口板，其包括：其中设置有孔口的一个或多个板；孔口用来容许固体颗粒从移动床热交换器流到固体颗粒流控制系统；其中，孔口板在移动床热交换器的
管束的下游且在固体颗粒流控制系统的上游。
[0010] 本文还公开一种移动床热交换器，其包括：包壳，其具有
侧壁、顶部和底部；设置在包壳内的管束；管束用来运送冷却
流体；其中，管束的管之间的空间用来容许运送热的固体颗粒和/或灰；孔口板，其设置在移动床热交换器的管束和底部的下游；孔口板包括：其中设置有孔口的一个或多个板；孔口用来容许固体颗粒从移动床热交换器流到固体颗粒流控制系统；其中，固体颗粒流控制系统位于移动床热交换器的下游。
[0011] 本文还公开一种方法，包括通过孔口板来将固体颗粒从移动床热交换器排到固体颗粒流控制系统，孔口板包括其中设置有孔口或料斗的一个或多个板；其中，孔口或料斗用来容许固体颗粒从移动床热交换器流到固体颗粒流控制系统；其中，固体颗粒流控制系统位于移动床热交换器的下游；以及在至少一个孔口板上的孔口或料斗附近形成成堆的固体颗粒；其中，该成堆的固体颗粒用来将从移动床热交换器中排出的额外的固体颗粒导引到另一个孔口或另一个料斗中。
附图说明
[0012] 图1描绘用于移动床热交换器的、包括多个固体颗粒流控制
阀的固体颗粒流控制系统；
[0013] 图2是固体颗粒控制流阀的放大图，其显示热的固体颗粒和/或灰的流向；
[0014] 图3是孔口板的图；
[0015] 图4描绘连续的板中的孔口相对于移动床热交换器的底部中的开口的布置；
[0016] 图5仅显示连续的板中的孔口相对于彼此的布置；
[0017] 图6是包括多个板的孔口板的图，板中的各个包括具有孔口的多个料斗；
[0018] 图7是不具有孔口板的移动床热交换器的切片模型的照片；以及
[0019] 图8是具有孔口板的移动床热交换器的切片模型的照片。
具体实施方式
[0020] 本文公开一种用于在移动床热交换器固体颗粒流控制系统中使用的孔口板，在高温固体颗粒(也被称为高温灰)流离开移动床热交换器且运送到
燃烧室、反应器或接收料斗时，移动床热交换器固体颗粒流控制系统控制高温固体颗粒流。孔口板也可用于其中待运送固体颗粒的其它固体颗粒传递装置中。在一个
实施例中，孔口板也可用于其中待运送形状不规则的固体颗粒的其它固体颗粒传递装置中。例如，它可在用于熔炼操作的输送系统中使用，其中，金属矿(例如矾土、
铁氧体等)被运送到炉以进行熔炼。
[0021] 在高温固体颗粒离开移动床热交换器时，固体颗粒流控制系统控制高温固体颗粒流，这又导致控制移动床热交换器内的固体颗粒流。在示例性实施例中，固体颗粒是来自移动床热交换器的热的固体颗粒和/或灰。固体颗粒流控制系统包括用于在整个移动床热交换器中均匀地分配固体颗粒的孔口板。孔口板设置在移动床热交换器管束和固体颗粒流
控制阀系统之间。固体颗粒流阀系统有利地不具有活动部件，这最大程度地减少维护，以及改进可靠性。它仅使用高达大约4磅每平方英寸的空气压力，以有利于将固体颗粒运送回
燃烧器或接收料斗。固体颗粒流控制系统中缺少活动部件会使整个系统易于构造和维护。
[0022] 图1和2描绘用于移动床热交换器200的、包括多个阀102、104的固体颗粒流控制系统100。各个阀102、104包括立管112、
鞋状件126和壳体116。如图2中的箭头所描绘的那样，来自移动床热交换器200的热的固体颗粒和/或灰通过阀102从移动床热交换器行进到运送管道120中到达燃烧器(未显示)。参照图2，热的固体颗粒和/或灰从移动床热交换器200行进通过立管112、鞋状件126和壳体116，然后进入运送管道120，它们从运送管道120运送到燃烧室976或反应器(未显示)或运送料斗(未显示)。
[0023] 固体颗粒流控制系统100设置在移动床热交换器200的下游，并且与移动床热交换器200处于操作性连通。固体颗粒流控制系统100大体位于燃烧室976或反应器或料斗的上游。在一个实施例中，固体颗粒流控制系统100直接设置在移动床热交换器200下面，并且
接触底部或移动床热交换器中的开口210。如图1中显示的那样，移动床热交换器200包括包壳202，包壳202包含多个管。管被称为热交换器管束220。包壳202由移动床热交换器的竖向壁
204、接触竖向壁的顶部206和也接触竖向壁204的底部208形成。移动床热交换器接收来自循环的
流化床锅炉旋流式回路
密封件或燃烧器的热的固体颗粒和/或灰。
[0024] 移动床热交换器200中的(管束220的)管布置成一个或多个管束，各个管束具有多个管和组件。冷却介质一般为水、热冷却剂或蒸汽。加热或冷却介质流过管。冷却介质和产物(例如，热的固体颗粒和/或灰)流彼此交叉、彼此平行或彼此逆流地进行。冷却器根据移动床原理来工作，即，热的固体颗粒和/或灰形成在冷却管之间持续地向下流动的产物柱。热通过管壁而从热的固体颗粒和/或灰传递到冷却介质。
[0025] 孔口板302设置成在固体颗粒流控制系统100和移动床热交换器管束206之间紧邻移动床热交换器的底部208。在一个实施例中，孔口板302位于移动床热交换器的管束(未显示)的下游且位于固体颗粒流控制系统100的上游。虽然在图1和2中用实线来描绘孔口板302，但各个孔口板包括多个孔口。将在下面详细地描述在各个板内的这些孔口的布置以及孔口板的布置。
[0026] 在热的固体颗粒和/或灰朝移动床热交换器200的底部208，以及朝固体颗粒流控制阀系统100向下流动时，孔口板302调整热的固体颗粒和/或灰在移动床热交换器中的分配。
[0027] 孔口板302设置在移动床热交换器200的整个横截面积上，而在一个实施例中，孔口板302可平行于热交换器200的底部208。在另一个实施例中，孔口板302可不平行于热交换器200的底部208。孔口板302包括一个或多个板，各个板接触移动床热交换器200的侧壁。在示例性实施例中，孔口板302平行于热交换器200的底部208。
[0028] 如图3中显示的那样，孔口板302包括一个或多个板，各个板具有多个孔，从移动床热交换器管束排出的固体颗粒可通过孔均匀地行进到移动床热交换器下面的灰控制阀，以及从移动床热交换器行进到燃烧器。在一个实施例中，孔口板包括多个板，与上面的板相比，各个板具有更少而直径较大的孔。连续的板中的孔口的总横截面积(即，孔口的横截面积的总和)大体彼此相等。
[0029] 图3描绘孔口板302的一个实施例。孔口板302包括多个板304、306、308等。虽然图3中的孔口板302包括3个板，但它可包括1个至大约10个板，以及特别地大约2个至大约6个板。在示例性实施例中，孔口板包括大约2个板。
[0030] 在图3中，孔口板302包括三个板304、306和308，其中，板304设置在板306下面，板306设置在板308下面。各个板包括其中设置有孔口的金属片材。孔口容许固体颗粒穿过。在一个示例性实施例中，孔口容许热的固体颗粒和/或灰从移动床热交换器传送到灰流控制阀。
[0031] 板304在本文中被称为第一板或最低板。板306被称为第二板或第二低板，而板308被称为第三板或第三低板。各个连续的板从底部到顶部而包含更多数量的孔口。板304比板306具有更少孔口，板306比板308具有更少孔口。在一个实施例中，最低板304大体具有与阀
102、104的数量相同数量的孔口。例如，如果最低板304具有4个孔口，则流控制系统中的阀的数量也将是4。换句话说，在这个实施例中，最低板304中的孔口的数量与移动床热交换器
200的底部208中的开口210的数量相同。各个流控制阀可被认为是组成孔口板302的一系列板中的最后部分，阀的数量等于最低板中的孔口的数量。不认为移动床热交换器200的底部
208是孔口板302的一部分。
[0032] 在另一个实施例中，第一板或最低板304具有比移动床热交换器200的底部208中的开口210的数量更大数量的孔口。这里，也不认为移动床热交换器200的底部208是孔口板302的一部分。
[0033] 在一个实施例中，孔口板中的各个连续的板(从下到上)包含数量逐渐增多的孔口，这按照几何序列来规定。换句话说，各个连续的板将包含由以下几何序列规定的数量的孔口：
[0034] a， ar， ar2， ar3， ar4，……，其中，“a”是比例因子，而“r”是公比。
[0035] 在一个实施例中，如果最低板包含2个孔口，则第二低板将包含4个孔口，而第三低板将包含8个孔口。在这种情况下，“a”等于1，而“r”等于2。在另一个实施例中，如果最低板包含4个孔口，则第二低板将包含16个孔口，而第三低板将包含64个孔口。在这种情况下，“a”等于1，而“r”等于4。虽然前面提到的实施例教导，孔口的数量可从最低板到最上面的板根据几何序列而增加，但可使用其它序列，只要孔口的数量从最低板到最上面的板增加。
[0036] 各个孔口的直径为可使孔口或设置在孔口下游的相应的鞋状件126阻塞的最大碎片大小的至少3倍，特别是最大碎片大小的至少4倍，以及更特别地最大碎片大小的至少5倍。在一个实施例中，直径为大约3厘米至大约16厘米。在另一个实施例中，直径为大约6厘米至大约8厘米。在一个实施例中，最低板304中的相邻孔口之间的间隔由孔口大小和灰或固体颗粒休止
角(angle of repose)确定。在另一个实施例中，最低板304中的相邻孔口之间的间隔为大约8厘米至大约20厘米。
[0037] 图4和5描绘在连续的板304和306中的孔口相对于彼此的布置。图4表示孔口板302的侧视图，而图5表示孔口板的俯视图。图4和图5不是彼此的图。换句话说，图4不是图5的侧视图，反之亦然。
[0038] 图4描绘在连续的板304和306中的孔口相对于在移动床热交换器200的底部208中的开口210的布置。图5仅显示在连续的板304和306中的孔口相对于彼此的布置。如可从图4中的侧视图看到的那样，最低板304比第二低板306具有更少孔口。但是，最低板304中的孔口的总面积大约等于第二低板306中的孔口的总面积。可看到的那样，较低的板中的孔口与移动床热交换器的底部208中的开口210同轴，开口210又与鞋状件126的立管112同轴。
[0039] 在图4中，可看到的是，最低板304中的单独的孔口的横截面积大于第二低板306中的单独的孔口的横截面积。但是，板中存在较多孔口，孔口设置成比设置成较接近底部208的那些更远离移动床热交换器的底部208。因此，当与最低板304相比时，在第二低板306中将存在更多孔口。因此，最低板304中的孔口的总面积大于或大约等于第二低板306中的孔口的总面积。板304中的孔口的总面积可小于板306中的孔口的面积，但这将约束通
过热交换器的微粒流。
[0040] 从图4还可看到的是，最低板304中的各个孔口的中心与表示第二低板306中的多个孔口的几何中心(
重心或旋转中心)的竖向线同轴。图5更清楚地描绘这个特征。图5表示从第二低板306上面朝最低板304看到的俯视图。图5描绘与最低板304的一部分交迭的第二低板306的一部分。
[0041] 在图5中，最低板304具有4个孔口(B1、B2、B3和B4)(由虚线表示)，而第二低板306具有16个孔口(由实线表示)。第二低板306的这4个孔口A1、A2、A3和A4将热的固体颗粒和/或灰排到最低板304的孔口B1。最低板304的各个孔口具有与在第二低板306中紧邻那个特定的孔口的4个孔口的几何中心同轴的中心。总之，最低板304(例如B1)的各个孔口具有与在第二低板306中紧邻特定的孔口(例如B1)的多个孔口(例如A1、A2、A3和A4)的几何中心同轴的中心。要注意的是，虽然孔口A1、A2、A3和A4位于正方形的
顶点处，但也可为孔口选择其它
位置。例如，孔口可
定位成沿着圆的周缘或沿着多边形(例如五边形、六边形等)的顶点(或周缘)。可选择其它不规则的几何构造来定位孔口。还可注意的是，虽然一个板中的孔口可定位成沿着第一类型的几何构造(例如正方形)的顶点，但是另一个板中的孔口可定位成沿着第二类型的几何构造(例如五边形或圆)的顶点或周缘。大体上，来自上部板(第二低板306)中的孔口的整个流都流到更下面的板(例如，最低板304)中的孔口中。在图5中，虽然对于板304中每个孔口而在板306中有4个孔口，但是如果需要的话，这个比可从2:1至20:1而改变。
[0042] 板或料斗中的单独的孔口(在下面详细说明)可具有多种横截面几何构造，诸如正方形、圆形、长方形、五边形或六边形。也可使用其它不规则的几何构造。在示例性实施例中，横截面几何构造可为圆形。
[0043] 再次参照图4，可看到的是，当热的固体颗粒和/或灰从移动床热交换器200排向底部208，它们朝最低板304行进通过第二低板306中的孔口。堆的休止角( )确定堆积在各个孔口板上和移动床热交换器的底部208上的流动的热的固体颗粒和/或灰的圆锥的尺寸。随着热的固体颗粒和/或灰首先行进通过第二低板306的孔口，它在最低板304上形成成堆的物质。该成堆的物质具有休止角( )，休止角由堆中的热的固体颗粒和/或灰的特性确定。在堆形成之后，行进通过板306中的孔口的其余的热的固体颗粒和/或灰沿着堆的斜坡行进，并且行进到板304中的孔口中。这个现象本身在移动床热交换器200的底部208上重复。
换句话说，在孔口附近形成的成堆的热的固体颗粒和/或灰最初用作导引，以将后来的热的固体颗粒/或灰流引导到在热的固体颗粒和/或灰流遇到的第一孔口下游的孔口或开口中。
粒状材料的休止角是当坡面上的材料即将滑动时，斜坡相对于水平面下降或下沉的最深的角度。当大批粒状材料倾倒到水平表面上时，将形成圆锥形堆。堆的表面和水平表面之间的内角被称为休止角，并且与微粒的
密度、表面积和形状，以及材料的
摩擦系数有关。休止角小的材料比休止角高的材料形成更平坦的堆。大体上，干的细灰的休止角为大约30度至大约35度，湿的细灰的休止角为大约45度至大约90度，而飞灰的休止角为大约40度。
[0044] 因而，成堆的热的固体颗粒和/或灰的休止角( )确定板之间的最小高度，以及给定板中的孔口之间的间隔。因而，连续的板304、306和308之间的距离(高度)由成堆的灰的休止角确定。如果成堆的热的固体颗粒和/或灰的休止角太大(例如，75度或更大)，则它可阻止热的固体颗粒和/或灰平缓地流过堆上面的孔口。在一个示例性实施例中，连续的板之间的高度大于成堆的热的固体颗粒和/或灰的高度。
[0045] 孔口板的板由高
合金钢、
耐火砖或它们的组合制造而成。
[0046] 在另一个实施例中，孔口板302可由紧邻彼此的多个平顶锥形料斗构造而成，这与孔口板302的平坦表面相反。多个平顶锥形料斗可按与形成孔口板的连续的板非常相同的方式布置成排，一个在另一个之上。这在图6中有描绘。
[0047] 图6描绘包括最低板304和第二低板306的孔口板，最低板304具有多个锥形料斗，而第二低板306还具有多个锥形料斗，但与最低板304相比，在数量上更多。如上面详细说明的那样，料斗的数量从最低板304到最高板(其离移动床热交换器的底部208最远)而增加。料斗的构造和位置和料斗中的孔口的大小遵从与上面关于图4和5所描述相同的逻辑。料斗之间的高度和料斗的孔口之间的距离由成堆的热的固体颗粒和/或灰的休止角(6)规定。
[0048] 带有具有孔口板的相关联的流控制装置的移动床热交换器比带有不具有与其相关联的孔口板的相关联的流控制装置的移动床热交换器具有多个优点。孔口板提供通过移动床热交换器的均匀固体颗粒流。与使用
质量流料斗的相当的移动床热交换器相比，孔口板显著地减小移动床热交换器高度尺寸。因此，孔口板确保在整个移动床热交换器中有均匀的固体颗粒流，而不需要质量流料斗所需要的过大的高度尺寸。质量流料斗也可用来确保均匀固体颗粒流，但是具有过大的高度尺寸。另外，当在移动床热交换器中未使用孔口板时，使用更多数量的灰控制阀，但这会增加流控制系统以及移动床热交换器的整体的系统复杂性和成本。因而，与没有孔口板的相当的移动床热交换器和流控制系统相比，具有孔口板的移动床热交换器和流控制系统使用更少灰控制阀。
[0049] 以示例举例说明了孔口板，示例意图为示例性而非限制性的。
[0050] 示例
[0051] 示例1
[0052] 此示例描绘当使用孔口板时，以及当未使用孔口板时，移动床热交换器的大小的差别。移动床热交换器的初步布置指示灰流分配和控制对设计是重要的。原来的移动床热交换器设计使用具有70度角的质量流料斗70来确保在移动床热交换器中有均匀固体颗粒流。在上面显示的图2中，料斗安装在立管112上方。此方法需要非常高的移动床热交换器，或者在移动床热交换器底部有过多数量的料斗和灰控制阀的移动床热交换器。使用具有孔口的连续的板使移动床热交换器管束和通往灰控制阀的入口之间的间隙高度降低三分之一。
[0053] 因此，形成具有2个板的孔口板系统，以降低高度要求。板之间的高度为大约29厘米。第一板(最低板)中的孔口的数量为4，而第二板(第二低板或上部板)中的孔口的数量为16。多个孔口板设计使得使用角度( )为30度至35度(而非70度)的料斗，从而使分配器中的高度降低60%至70%。可在图6中看到这一点。
[0054] 示例2
[0055] 此示例描绘没有孔口板和有孔口板的移动床热交换器之间的性能差异。如图1中描绘的那样的4个灰控制阀安装在移动床热交换器下面的平坦底部区域中，期望灰本身将均匀地分配在灰控制阀的入口上方的代表70度的固体颗粒内部摩擦角的一定高度处。
[0056] 70度摩擦角在灰控制阀入口上方的短距离处存在，然后固体颗粒羽流向上延伸到顶部，如图7的照片中显示的那样。在羽流之间存在灰的死体积，可在图7的灰暗区域中看到的那样。没有孔口分配板的切片模型的运行显示灰流羽流从灰柱的顶部向下延伸到灰控制阀，羽流有较少扩散。这表明灰本身不会充分地分配。
[0057] 将两个板安装在灰控制阀入口上方允许在切片模型中良好地分配灰流。在图8中可看到这一点，在图8中，基本最大程度地减少羽流。
[0058] 总之，包括两个板(具有孔口)的孔口板安装在灰控制阀入口上方，以允许灰流均匀地分配在移动床热交换器的管束中，同时降低移动床热交换器的高度，以及最大程度地减少灰控制阀的数量。
[0059] 将理解的是，当元件被称为“在另一个元件上”时，它可直接在其它元件上，或者在它们之间可存在居间元件。相比之下，当元件被称为“直接在另一个元件上”时，不存在居间元件。如本文所用，用语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和全部组合。
[0060] 将理解的是，虽然用语“第一”、“第二”、“第三”等在本文中可用来描述各种元件、构件、区域、层和/或区段，但这些元件、构件、区域、层和/或区段不应受这些用语的限制。这些用语用来区分一个元件、构件、区域、层或区段与另一个元件、构件、区域、层或区段。因而，下面论述的“第一元件”、“构件”、“区域”、“层”或“区段”可被称为第二元件、构件、区域、层或区段，而不偏离本文的教导。
[0061] 本文使用的用语仅是为了描述特定的实施例，而不意于为限制性的。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“所述”意于也包括复数形式，除非上下文另有明确地指示。将进一步理解的是，当在此
说明书中使用时，用语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、区域、整数、步骤、操作、元件和/或构件的存在，而不排除存在或添加一个或多个其它特征、区域、整数、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组合。
[0062] 此外，诸如“下部”或“底部”和“上部”或“顶部”的相对用语在本文可用来描述一个元件与另一个元件的关系，如图中示出的那样。将理解的是，相对用语意于包含装置的除了图中描绘的定向之外的不同的定向。例如，如果一幅图中的装置倒过来，被描述成在其它元件的“下部”侧的元件则将定向在其它元件的“上部”侧上。因此，示例性用语“下部”可包含“下部”和“上部”两者的定向，这取决于图的特定定向。类似地，如果一幅图中的装置倒过来，被描述成在其它元件的“下面”或“下方”的元件则将定向成在其它元件的“上面”。因此，示例性用语“下面”或“下方”可包含上面和下面两者的定向。
[0063] 除非另有规定，本文使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)都具有与本公开所属领域的普通技术人员所普遍理解的相同的含义。将进一步理解的是，诸如在普遍使用的词典中限定的那些的用语应被解释为具有与它们在相关领域和本公开的上下文中的含义一致的含义，而不会以理想化或过于正式的意义来解释，除非本文明确地做了这样的规定。
[0064] 参照横截面图(其为理想化实施例的示意图)来在本文描述示例性实施例。因而，由于例如制造技术和/或公差而引起的相对于示意图的形状的变化是可预期的。因而，本文描述的实施例不应理解为受限于本文示出的特定区域形状，而是包括由于例如制造而引起的形状偏差。例如，被示为或描述成平坦的区域典型地可具有粗糙和/或非线性的特征。此外，所示出的锐角可为圆的。因而，图中示出的区域在性质上是示意性的，而且它们的形状不意于示出区域的确切形状，并且不意于限制所附
权利要求的范围。
[0065] 虽然已经参照优选实施例和各种备选实施例来描述了本发明，但本领域技术人员将理解，可作出改变，而且等效物可代替本发明的元件，而不偏离本发明的范围。另外，可在不偏离本发明的实质范围的情况下作出许多改良，以使具体情况或内容适于本发明的教导。因此，意于的是本发明不限于被公开为为了执行本发明而构想的最佳模式的特定实施例，本发明而是将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。
