具有旁路和混合器的廢熱鍋爐的製作方法

2023-05-01 15:36:31 3

具有旁路和混合器的廢熱鍋爐的製作方法
【專利摘要】一種廢熱鍋爐，具有用於相對較熱的工藝氣體和冷卻介質的間接熱交換的熱交換管道，以及用於使一部分工藝氣體旁通的旁通管道；渦旋混合器，其確保離開熱交換管道和旁通管道的冷卻的工藝氣體和相對較熱的工藝氣體的混合。
【專利說明】具有旁路和混合器的廢熱鍋爐
[0001]本發明致力於回收來自化學反應的廢熱。更具體地說，本發明涉及一種廢熱鍋爐，其改善了離開廢熱鍋爐的氣流的混合。
[0002]廢熱鍋爐大多數常用於通過從熱工藝流回收的廢熱而產生蒸汽。通常，那些鍋爐被設計為殼-管式交換器，其具有設置在圓筒形外殼中的多個熱交換管道。
[0003]在工業中採用了兩種基本類型的殼-管式交換器，即水/蒸汽混合物流過管道的水管類型，以及在管道內部具有加熱工藝流的火管類型。
[0004]鍋爐的特徵構件是安裝在管板中的管道，其位於外殼中的前端頭部和後端頭部。在火管鍋爐中，蒸汽生產是在管道的外殼側通過流經鍋爐管道的熱工藝流的間接熱交換來實現的。外殼側穿過連接在蒸汽鼓上的許多上升管和下降管，蒸汽鼓可能設置在鍋爐外殼的上方或作為鍋爐外殼的整體部分。
[0005]在殼-管式交換器類型的鍋爐中，機械設計，且具體地說，熱交換表面的定製尺寸出現了一些問題。火管鍋爐應用涉及外殼側或兩側的高壓，以及在外殼側和管道側之間相當大的溫差。對於工藝流的結垢和腐蝕特徵必須給予特殊的考慮。
[0006]處理結垢和/或腐蝕性工藝流的鍋爐必須設計成比清潔時所需更高的功效，從而容許在苛刻的結垢和/或腐蝕條件下達到滿意的壽命。鍋爐管道的熱交換表面還必須適合於流中的預計的腐蝕和結垢因素。為了在鍋爐的長期操作期間提供所需和基本恆定的冷卻效應，需要恰當的熱交換和溫度控制。
[0007]常規設計的鍋爐裝備了相對大直徑的管道的旁路(相對於熱交換管道直徑)，其可能位於鍋爐外殼的內部或外部。旁路通常建造為隔離管道，其設有流量控制閥。在鍋爐的初始操作期間，一部分熱的工藝流旁通熱交換管道，從而將熱交換限制在所需的水平內。
[0008]在管道的流結垢和/或腐蝕增加一定的時間之後，導致熱交換減少。旁通工藝流的量就被減少，其容許較高流量的工藝流穿過熱交換管道，以保持所需的冷卻效應。因此，通過相對於離開旁通管道的相對較熱的工藝氣體的流量而改變離開熱交換管道的冷卻的工藝氣體的流量，從而實現了離開廢熱鍋爐的工藝氣體的溫度控制。
[0009]然而，上面類型的已知鍋爐的缺點是分別離開廢熱鍋爐的熱交換管道和旁通管道的冷卻的工藝氣體和相對較熱的工藝氣體的不良混合。已知廢熱鍋爐的經驗顯示了在廢熱鍋爐的工藝氣體的下遊存在大的溫度變化。這是有問題的，例如下遊工藝氣體的相對較熱的部分可能導致腐蝕，並且溫度變化可能帶來溫度張力。
[0010]在EP0357907中公開了試圖解決不良混合問題的已知技術的示例，其公開了一種熱交換器，其帶有在兩個室之間延伸並且供流體流過且供另一流體反向流過的熱交換管，以及可引導可變部分流量的流體以避免熱交換的溢流管。溢流管設有用於改變其流動橫截面的閥裝置。這種閥裝置包括閥盤和閥環，閥盤關閉了在閥裝置的一個端位置的溢流管，並且離開溢流管的流體流過閥環，並且在閥裝置的另一端位置關閉用於從熱交換管流出的流體的出口開口。為了在對混合段極大減少的空間需求的條件下保證流體的部分流量的低損失和強的混合，在與閥環相互作用的收集圓錐中形成了出口開口。閥環設有圓錐形的出口區域，其設有大量的穿透開口，並且其相對於熱交換器的縱向軸線的斜度大致對應於收集圓錐的斜度。
[0011]在W02012/041344中公開了另一示例，其描述了一種廢熱鍋爐，其具有用於相對較熱的工藝氣體和冷卻介質的間接熱交換的熱交換管道，以及用於使一部分工藝氣體旁通的旁通管道；工藝氣體收集器，在混合物通過控制閥而與剩餘的熱交換的工藝氣體一起引導至廢熱鍋爐的工藝氣體出口之前，收集並混合一部分熱交換的工藝氣體和至少一部分旁通工藝氣體。
[0012]在US5452686A， US2007125317A, US4993367A, GB1303092A, US1918966A 和EP0357907A中描述了廢熱鍋爐的進一步的示例。
[0013]本發明的一個目的是通過提供殼-管式熱交換器類型的鍋爐來避免已知廢熱鍋爐的缺點，其改善了離開氣體的混合。
[0014]本發明的進一步的目的是實現從廢熱鍋爐離開的工藝氣體在短的混合長度內的有效混合，而不會造成過大的壓力損失。
[0015]根據本發明的一個實施例，這通過一種用於相對較熱的工藝氣體與冷卻介質的熱交換的廢熱鍋爐來實現，其中廢熱鍋爐包括外殼和至少兩個管板，外殼包括外殼部分，並且至少兩個管板放置在熱交換段第二外殼部分的入口端和出口端中，由此這個第二外殼部分和兩個管板封閉了廢熱鍋爐的熱交換段。多個熱交換管道和至少一個工藝氣體旁通管道放置在熱交換段中，並固定在靠近各個管道的第一端的第一管板中，並且固定在靠近各個管道的第二端的第二管板中。至少一個冷卻介質入口和至少一個冷卻介質出口定位在廢熱鍋爐上，從而可使冷卻介質流入和流出管道外殼側的熱交換段。冷卻介質因而被第二外殼部分和第一管板及第二管板所封閉。工藝氣體入口段定位在第一管板附近，位於不同於冷卻介質的第一管板的相反側。入口段可進一步被第一外殼部分封閉在工藝氣體入口端。工藝氣體出口段定位在第二管板附近，也位於不同於冷卻介質的第二管板的相反側。出口段可進一步被第三外殼部分所封閉。在工藝氣體出口端定位有渦旋混合器。其包括第一導管和第二導管，第一導管與熱交換管道的出口處於流體連接，第二導管定位在中第一導管中，並且與旁通管道的出口處於流體連接。第一導管的出口由渦旋引發元件形成，並且第二導管的出口由徑向噴嘴形成。
[0016]工藝氣體從第一外殼部分、工藝氣體入口端流向熱交換管道入口和旁通管道入口，穿過熱交換管道和至少一個旁通管道，流出熱交換管道出口和至少一個旁通工藝氣體出口而流向第三外殼部分，工藝氣體出口端。冷卻介質通過冷卻介質入口流入到熱交換段中，並與熱交換管道的外殼側相接觸，並且在冷卻介質通過冷卻介質出口離開熱交換段之前可與至少一個旁通管道的外殼側相接觸。工藝氣體以第一溫度進入工藝氣體入口段中，並以第二相對較低的溫度離開熱交換管道。離開旁通管道的工藝氣體具有第三溫度，其低於或等於第一溫度，但高於第二溫度。因而離開熱交換段的工藝氣體包括被冷卻(離開熱交換管道)的一部分和相對較熱(離開旁通管道)的一部分。離開熱交換管道的冷卻的工藝氣體流過第一管道，並且穿過渦旋引發元件，其相對於流動方向定位在第一管道的端。當冷卻的工藝氣體離開渦旋引發元件時，其具有渦旋運動。離開旁通管道相對較熱的工藝氣體軸向流過第二管道，並在第二管道的端處使流動方向改變至徑向方向，在二管道的端處，其相對於工藝氣體的軸向流動方向通過定位在第二管道的端處的徑向噴嘴或孔而離開，恰好在渦旋引發元件之後。當相對較熱的工藝氣體徑向注入到渦旋冷卻的工藝氣體中時，冷卻的和相對較熱的工藝氣體因而非常有效地混合。
[0017]根據本發明的進一步的實施例，渦旋混合器還包括第一閥，以控制離開熱交換管道的冷卻的工藝氣體的流量。冷卻的工藝氣體的流量控制可實現來自渦旋混合器的工藝氣體的離開溫度的控制，因為其控制著冷卻的工藝氣體和相對較熱的工藝氣體的混合比例。這種流量控制閥還使得保持離開渦旋混合器的工藝氣體的恆定的輸出溫度成為可能，而不管熱交換管道中潛在增加的結垢，其改變了它們的熱交換能力。在本發明的進一步的實施例中，相對於工藝氣體的軸向流動方向而言，第一閥定位在第一導管的入口。該閥是滑動閥，並且其圍繞第二導管而滑動。
[0018]在本發明的一個實施例中，渦旋混合器還包括定位在第一導管中的流矯直元件，其相對於工藝氣體的軸向流動方向位於渦旋引發元件之前。該元件在冷卻的工藝氣體到達渦旋引發元件之前將其矯直。
[0019]本發明的一個實施例還包括第二閥，以控制離開至少一個旁通管道的相對較熱的工藝氣體的流量。相對於工藝氣體的軸向流動方向而言，第二閥定位在第二導管的第一部分中。
[0020]在本發明的一個實施例中，第一導管和第二導管是彼此同軸定位的圓形管道。離開熱交換管道的冷卻的工藝氣體因而在渦旋混合器的第一導管內部和第二導管外部的環狀空間中流動。
[0021]在本發明的一個實施例中，第一導管通過另一管板而固定到廢熱鍋爐的外殼上。該管板固定第一導管並確保所有離開熱交換管道的冷卻的工藝氣體流過第一導管。
[0022]在本發明的一個實施例中，渦旋引發元件可包括葉片。葉片相對於第一導管的軸線定位在某個角度上。
[0023]為了阻止腐蝕和金屬灰塵，在本發明的一個實施例中，旁通管道的內壁和第二導管的至少一部分內襯有陶瓷內襯。
[0024]根據本發明的廢熱鍋爐可用於許多介質。在本發明的一個實施例中，冷卻介質可能是水，或者其可能是蒸汽。冷卻介質在進入熱交換段時可能是水，並且一部分水或所有水可能通過與相對較熱的工藝氣體的間接熱交換而被加熱，使得所有或一部分通過冷卻介質出口而離開熱交換段的冷卻介質是蒸汽。
[0025]在本發明的進一步的實施例中，一個或多個外殼部分是基本圓筒形。圓筒形狀可能是有利的，因為其是耐壓且節省材料的形狀。基本意味著在橫截面圖中為長圓形的任何形狀，以及在另一橫截面圖中接近圓形的任何形狀，例如圓形、橢圓形、方形、五邊形、六邊形等等。
[0026]在本發明的進一步的實施例中，多個熱交換管道以基本圓形陣列的形式放置在管板中，並且旁通管道或至少一個旁通管道基本放置在陣列的中心。基本意味著該位置不必是數學精確的，該形狀可在很大的範圍內變化，只要考慮熱交換效率和材料成本的因素即可。
[0027]在本發明的一個實施例中，廢熱鍋爐在工藝設備中用於生產溼硫酸。
[0028]1.一種用於將相對較熱的工藝氣體與冷卻介質進行熱交換的廢熱鍋爐100，包括 ?外殼 110，120，130，
?至少兩個管板115，125, ?多個熱交換管道123，
?至少一個旁通管道124，
?被所述外殼部分和所述至少兩個管板封閉的熱交換段126，
?工藝氣體入口段112，
?工藝氣體出口段132，
?至少一個冷卻介質入口 121,
?至少一個冷卻介質出口 122，
相對較熱的工藝氣體在工藝氣體入口段中進入熱交換管道和至少一個旁通管道，流過熱交換段，其中至少在熱交換管道中流動的工藝氣體與冷卻介質進行間接熱交換，並在工藝氣體出口段離開，其中所述廢熱鍋爐還包括渦旋混合器200，其具有與熱交換管道134的出口處於流體連接的第一導管210以及位於第一導管中並與旁通管道133的出口處於流體連接的第二導管220，第一導管的出口由渦旋引發元件211形成，並且第二導管的出口由徑向噴嘴221形成。
[0029]2.根據特徵1的廢熱鍋爐，其特徵在於，渦旋混合器還包括第一閥212，以控制離開熱交換管道的冷卻的工藝氣體的流量。
[0030]3.根據特徵2的廢熱鍋爐，其特徵在於，第一閥定位在第一導管的入口，並且圍繞第二導管進行滑動。
[0031]4.根據任一前述特徵的廢熱鍋爐，其特徵在於，渦旋混合器還包括流矯直元件，其定位在第一導管中，並且相對於第一導管中的冷卻的工藝氣體的軸向流動方向而言位於渦旋引發元件之前。
[0032]5.根據任一前述特徵的廢熱鍋爐，其特徵在於，渦旋混合器還包括第二閥(222)，以控制離開至少一個旁通管道的相對較熱的工藝氣體的流量。
[0033]6.根據任一前述特徵的廢熱鍋爐，其特徵在於，第一導管和第二導管是彼此同軸定位的圓形管道。
[0034]7.根據任一前述特徵的廢熱鍋爐，其特徵在於，第一導管通過管板213而固定在外殼130上。
[0035]8.根據任一前述特徵的廢熱鍋爐，其特徵在於，渦旋引發元件包括葉片。
[0036]9.根據任一前述特徵的廢熱鍋爐，其特徵在於，旁通管道的內壁和第二導管的至少一部分內襯有陶瓷內襯。
[0037]10.根據任一前述特徵的廢熱鍋爐，其特徵在於，冷卻介質是水或蒸汽，或者是水和蒸汽兩者。
[0038]11.根據任一前述特徵的廢熱鍋爐，其特徵在於，所述外殼具有圓筒形狀，並且所述至少兩個管板具有圓形形狀。
[0039]位置標號概覽 100廢熱鍋爐，WHB
110第一外殼部分,工藝氣體入口端 111內襯
112工藝氣體入口段 113旁通工藝氣體入口 114熱交換管道入口
115第一管板,工藝氣體入口端
120第二外殼部分，熱交換段
121冷卻介質入口
122冷卻介質出口
123熱交換管道
124工藝氣體旁通管道
125第二管板，工藝氣體出口端
126熱交換段
130第三外殼部分，工藝氣體出口端
132工藝氣體出口段
133旁通工藝氣體出口
134熱交換管道出口
135混合工藝氣體出口
200渦旋混合器
210第一導管
211渦旋引發元件
212第一閥
213第三管板
220第二導管
221徑向噴嘴
222第二閥
223閥停止件。
[0040]圖1是根據本發明一個實施例的廢熱鍋爐100的橫截面圖，其沒有顯示渦旋混合器。廢熱鍋爐包括第一外殼部分，工藝氣體入口端110 ;第二外殼部分，熱交換段120和第三外殼部分，工藝氣體出口端130 ;其都具有基本圓筒形的形狀和基本相同的直徑，但如圖上所見，不必具有相同的材料厚度。材料厚度以及材料的選擇可依賴於工藝條件而變化。
[0041]第一管板，工藝氣體入口端115將第一外殼部分與第二外殼部分分開。類似地，第二管板，工藝氣體出口端125將第二外殼部分與第三外殼部分分開。因而第一外殼部分和第一管板封閉了工藝氣體入口段112 ;第二外殼部分與第一管板及第二管板封閉了熱交換段126 ;並且第三外殼部分和第二管板封閉了工藝氣體出口段132。工藝氣體入口段的內表面可具有內襯111，例如陶瓷內襯，以保護內表面免於入口工藝氣體的高溫影響。
[0042]第一管板和第二管板具有相對應的孔，以容納熱交換管道123。熱交換管道至少從第一管板穿過熱交換段而伸長至第二管板。在各個熱交換管道和各個管板之間的連接被製成是氣體和液體密封的。各個熱交換管道具有定位在工藝氣體入口段中的熱交換管道入口114和定位在工藝氣體出口段中的熱交換管道出口 134。
[0043]第一管板和第二管板還具有至少一個相對應的孔，其用於至少一個工藝氣體旁通管道124。在根據圖1的本發明的實施例中具有一個工藝氣體旁通管道。在工藝氣體旁通管道與第一管板和第二管板之間的連接被製成是氣體和液體密封的。工藝氣體旁通管道具有定位在工藝氣體入口段中的旁通工藝氣體入口 113和定位在工藝氣體出口段中的旁通工藝氣體出口 133。工藝氣體旁通管道可設有內襯(未顯示)，其可保護管道免於相對較高的工藝氣體溫度的影響，並且其還可減少在冷卻介質和旁通工藝氣體之間的間接熱交換。
[0044]在熱交換段中，冷卻介質入口 121提供了冷卻介質至熱交換段的流體連接。至少一個冷卻介質入口可定位在第二外殼部分的任何位置，或者甚至定位在第一管板或第二管板上，只要提供向熱交換段的流體連接即可。在圖1中顯示了熱交換段的外殼部分上的位置。定位成與熱交換段處於流體連接的冷卻介質出口 122提供了來自熱交換段的冷卻介質的出口。
[0045]各個熱交換管道和工藝氣體旁通管道因而提供了從工藝氣體入口段穿過熱交換段並流向工藝氣體出口段的流體連接，從而可使工藝氣體在不與冷卻介質直接接觸的條件下流過熱交換段。在熱交換管道中流動的工藝氣體與冷卻介質保持間接熱交換，而旁通的一部分工藝氣體，即在工藝氣體旁通管道中流動的一部分工藝氣體是相對較低的，或者基本上沒有與冷卻介質的間接熱交換。如果旁通管道沒有內襯，那麼旁通工藝氣體將與冷卻介質具有某些熱交換，但旁通管道中的熱交換將由於旁通管道較高的容積-表面比而比熱交換管道中的熱交換相對較低。如果旁通管道具有內襯，例如陶瓷內襯，那麼在旁通管道中流動的旁通工藝氣體和冷卻介質之間的間接的熱交換將相對較低或接近於零。在任何情況下，離開熱交換管道出口的熱交換工藝氣體的溫度都極大地低於離開旁通工藝氣體出口的旁通工藝氣體的溫度。在混合的工藝氣體出口 135中，在工藝氣體出口端之後的一定距離處，相對較熱的旁通工藝氣體和冷卻的工藝氣體是均勻混合的氣體，帶有跨導管橫截面的均勻的溫度分布。為了縮短這個距離，根據圖2的渦旋混合器200定位在工藝氣體出口段中。
[0046]參照圖2，渦旋混合器200包括第一導管210，其與熱交換管道的出口處於流體連接。從熱交換管道穿過第一導管的工藝氣體的流量通過第一滑動閥212進行控制。從第一閥穿過第一導管，冷卻的工藝氣體流出第一導管，穿過葉片形式的渦旋引發元件211，其相對於第一導管的軸線成某一角度。葉片對離開第一導管的冷卻的工藝氣體引發了渦旋運動。在這個實施例中，第一導管是圓筒形的。第三管板213將第一導管完全地或部分地支撐在第三外殼部分130上，並且還防止冷卻的工藝氣體越過第一導管。
[0047]第二導管220同心地放置在第一導管中，並且與旁通工藝氣體出口處於流體連接。相對較熱的旁通工藝氣體穿過第二導管，並切向從第二導管端通過徑向噴嘴221噴出，從而使相對較熱的旁通工藝氣體與渦旋的冷卻的工藝氣體進行有效地混合。可選地(在圖2中未顯示)，在第二導管中可放置第二閥222，以控制工藝氣體的旁通流量。在圖2所示的實施例中，板用作用於第一閥的閥停止件223，以限制其軸向移動。
【權利要求】
1.一種用於將相對較熱的工藝氣體與冷卻介質進行熱交換的廢熱鍋爐(100)，包括 ?外殼(110，120，130)， ?至少兩個管板(115,125), ?多個熱交換管道(123)， ?至少一個旁通管道(124)， ?被所述外殼部分和所述至少兩個管板封閉的熱交換段(126)， ?工藝氣體入口段(112)， ?工藝氣體出口段(132)， ?至少一個冷卻介質入口(121), ?至少一個冷卻介質出口(122)， 所述相對較熱的工藝氣體在所述工藝氣體入口段中進入所述熱交換管道和所述至少一個旁通管道，流過所述熱交換段，在所述熱交換段，至少在所述熱交換管道中流動的所述工藝氣體與所述冷卻介質進行間接熱交換，並在所述工藝氣體出口段離開，其中所述廢熱鍋爐還包括渦旋混合器(200)，其具有與所述熱交換管道(134)的出口處於流體連接的第一導管(210)以及位於所述第一導管中並與所述旁通管道(133)的出口處於流體連接的第二導管(220)，所述第一導管的出口由渦旋引發元件(211)形成，並且所述第二導管的出口由徑向噴嘴(221)形成。
2.根據權利要求1所述的廢熱鍋爐，其特徵在於，所述渦旋混合器還包括第一閥(212)，以控制離開所述熱交換管道的冷卻的工藝氣體的流量。
3.根據權利要求2所述的廢熱鍋爐，其特徵在於，所述第一閥定位在所述第一導管的入口，並且圍繞所述第二導管滑動。
4.根據任一前述權利要求所述的廢熱鍋爐，其特徵在於，所述渦旋混合器還包括流矯直元件，其定位在所述第一導管中，並且相對於所述第一導管中的冷卻的工藝氣體的軸向流動方向而言位於所述渦旋引發元件之前。
5.根據任一前述權利要求所述的廢熱鍋爐，其特徵在於，所述渦旋混合器還包括第二閥(222)，以控制離開所述至少一個旁通管道的相對較熱的工藝氣體的流量。
6.根據任一前述權利要求所述的廢熱鍋爐，其特徵在於，所述第一導管和所述第二導管是彼此同軸定位的圓形管道。
7.根據任一前述權利要求所述的廢熱鍋爐，其特徵在於，所述第一導管通過管板(213)而固定在外殼(130)上。
8.根據任一前述權利要求所述的廢熱鍋爐，其特徵在於，所述渦旋引發元件包括葉片。
9.根據任一前述權利要求所述的廢熱鍋爐，其特徵在於，所述旁通管道的內壁和所述第二導管的至少一部分內襯有陶瓷內襯。
10.根據任一前述權利要求所述的廢熱鍋爐，其特徵在於，所述冷卻介質是水或蒸汽，或者是水和蒸汽兩者。
11.根據任一前述權利要求所述的廢熱鍋爐，其特徵在於，所述外殼具有圓筒形狀，並且所述至少兩個管板具有圓形形狀。
【文檔編號】F28D7/16GK104285117SQ201280073077
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2012年5月9日 優先權日:2012年5月9日
【發明者】S.海恩伊森, M.博伊 申請人:赫多特普索化工設備公司