CN100567873C - 保护换热器的方法、换热器以及具有换热器的热力锅炉 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及这样一种方法和设备，其用于在无外部能量的情况下，保护换热器以抵抗由于热交换介质沸腾产生的压力，本发明还涉及具有换热器保护设备的蒸汽锅炉。所述设备优选用于从热力锅炉的废气流回收热的情况，其中作为热交换介质的水有沸腾的危险。本发明的换热器的保护回路包括膨胀容器(52)，如果发生沸腾，它提供水的自然循环，用于在无外部能量或控制下冷却换热器(36)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于保护换热器以抵抗由于热交换介质沸腾产生的压力的方法，并涉及一种蒸汽锅炉的保护回路，以及一种具有换热器保护设备的蒸汽锅炉。本发明尤其涉及无外部控制或外部能量的换热器保护。更优选的，本发明的换热器的保护方法和保护回路用于从热力锅炉的废气流中回收热的应用场合，其中具有以下危险：一方面，腐蚀物质在换热器表面冷凝，另一方面，作为热交换介质的水发生沸腾。
背景技术
在现代热力装置中，通过冷却废气到尽可能低的温度，废气中的热能被有效地回收。依据现有技术，下面以用于发电的流化床锅炉为例描述该过程。但是，本发明的换热器的所述保护方法和保护回路，可以用于任何类型的蒸汽锅炉装置。
在流化床锅炉中，通过在锅炉的炉膛中，燃料与空气在惰性材料流化床内燃烧，合适燃料的化学能被转换为热能。既能通过布置在炉膛壁的热表面直接回收热能，也能通过布置在废气排出通道的不同换热器回收热能。在废气通道部分处，废气温度和换热器表面温度保持足够高，这使得制造相对便宜的金属材料的换热器成为可能。
当废气冷却到足够低的温度，例如，从130℃到90℃，水蒸汽在换热器表面上凝结成水滴，此时换热器表面温度低于酸露点和水露点，废气中包含的，例如二氧化硫，可以溶解到水滴中，并形成腐蚀金属表面的混合物。一般地，换热器由尽可能耐腐蚀的材料制成，从而达到降低腐蚀的目的。近来，尤其是当废气中包含强烈腐蚀性的混合物时，制造业也已经开始使用合适的塑料材料制造换热器。
在包含塑料部分的换热器中，实际中与废气接触的换热管，一般是U型塑料管，其上端与金属联管箱相接。另一方面，联管箱安装在热交换介质，一般是水的再循环管道上。
在换热管道和联管箱之间的结合处，使用由塑料或橡胶材料制成的密封，可以很好地承受来自废气的融解在液相中的酸物质。已经注意到，在运行条件下，塑料的换热器可以很好地在使用中承受腐蚀和其它典型压力，但是它们的弱点是塑料管在联管箱上的安装，特别是在结合处使用的密封。
已经证实，结合处的密封对压力冲击的承受能力差，压力冲击可能在以下情况下产生：换热器的液体循环中的水，至少局部地，发生不可控制的沸腾并产生蒸汽。当在塑料管和联管箱中流动的水中的水蒸气凝结时，产生局部的点状的压力冲击，这可能直接撞击密封。压力冲击还可能导致整个换热器的振动，从而逐渐破坏密封。
热交换介质的不可控的沸腾对密封的破坏是典型地由冷却水循环的扰动造成的。冷却水循环的扰动，可能是由动力故障，或循环泵的操作扰动，或整个泵或其驱动马达的损坏造成的，其中动力故障可能导致整个工厂停工，包括换热器的液体循环。至于相关的泵的操作扰动，自然可以通过停止锅炉的整个燃烧过程来试图解决问题。但是，炉膛，尤其是流化床锅炉的炉膛，在一段时间内提供余热，从而使得向冷却水的热传递不会立刻停止。因此，位于废气通道的换热管中的液体有继续蒸发的趋势。
公开号为No.629,298的英国专利公开了传递蒸汽锅炉废气热到空气预热器的装置，该装置包括一个膨胀容器，其位于主要的传热回路中。公开号为No.2,564,746的法国专利公开了在废气脱硫工厂中使用的一种具有塑料U型管的换热器。
发明内容
本发明例如以这样一种方式解决上述提到的问题：在热回收循环中安装与换热器相连通的膨胀容器，从而使换热器管道中产生的蒸汽以可控制的方式排到膨胀容器中。
本发明提供一种保护换热器的方法，换热器包括具有塑料热回收管的废气冷却器，热回收管按照逆流原则与热力锅炉的废气以热交换的方式布置，热回收管借助入口室与入口管相连，同时借助出口室与出口管相连，与空气预加热器一起形成这样一种循环，在该循环中，液体热交换介质通过泵进行再循环，其特征是，在热回收管端部产生的蒸汽沿着独立的流动通道从出口室被引到膨胀容器的上部，并且液体热交换介质通过独立的返回管从该膨胀容器的下部被直接引到入口室，或者引到入口室附近的入口管，以便在没有外界能量的情况下，使热回收管内的热交换介质能够自然循环。
本发明提供一种换热器，其包括具有塑料热回收管的废气冷却器，热回收管按照逆流原则与热力锅炉的废气以热交换的方式布置，热回收管借助入口室与入口管相连，同时借助出口室与出口管相连，与空气预热器一起形成这样一种循环，在该循环中，液体热交换介质通过泵进行再循环，其特征是，在热回收管端部产生的蒸汽沿着独立的流动通道从出口室被引到膨胀容器的上部，并且液体热交换介质通过独立的返回管从该膨胀容器的下部被直接引到入口室，或者引到入口室附近的入口管，以便在没有外界能量的情况下，使热回收管内的热交换介质能够自然循环。
本发明还提供一种设有上述换热器的热力锅炉。
附图说明
保护换热器的方法和设备，以及具有换热器保护装置的热力锅炉，通过参照以下附图可以得到更详细地说明，其中
图1是依据现有技术的热力装置的示意图；
图2是依据本发明优选实施例的换热器保护回路的示意图；
图3是依据本发明第二优选实施例的换热器保护回路的示意图。
具体实施方式
图1示意性地图示说明了依据现有技术的热力装置例如热力锅炉10的部件，对于本发明，所述部件都是重要部分。燃料14和助燃空气16被引到热力锅炉10的炉膛12中，产生温度一般大约为800-950℃的废气。热废气从炉膛沿着废气管18被引到热回收部20，在其中通过从废气中得到热能而产生蒸汽，同时废气温度降低，例如，降到大约250-450℃。废气从热回收部20被提供给助燃空气的蓄热式预热器22，在预热器中，废气温度代表性地进一步降到大约150℃。
当希望尽可能多份额地利用废气热能时，废气可以从助燃空气的蓄热式预热器22中导出，并进一步通过废气鼓风机24到达废气冷却器26。在冷却器26中，废气的热能传递给介质，一般是水，介质通过从流动管28a和28b到助燃空气预热器30再循环。这样，由鼓风机32提供的助燃空气，通过预热器30和蓄热式预热器22被引导到炉膛12。
一般来说，目的是通过冷却器26冷却废气到尽可能低的温度。当使用金属换热管道时，末端温度必须高于废气的酸露点，最低大约为100℃。如果冷却器26中与废气接触的换热管由塑料制成，废气可以被冷却到低于100℃的温度。
废气从冷却器26被引到烟囱34。热力装置例如热力锅炉10还包括许多其他部件，例如，废气清洁设备和灰处理设备。因为它们对于本发明并不重要，所以没有在图1中示出。
图2更详细地显示出换热器36，其包括废气冷却器26和助燃空气预热器30，依据本发明的优选实施例，换热器还包括与大气式膨胀容器52相连的换热器保护回路38。
图2通过箭头40，40’显示了被液体热交换介质间接冷却的废气流，其中液体热交换介质，大多数情况也就是水，在换热器36的热回收管42中循环。除了热回收管42外，换热器36的液体循环还包括再循环用的入口管28a和出口管28b，其中液体通过泵44进行再循环。再循环用入口管28a和出口管28b与助燃空气预热器30相连，在其中介质被再次冷却，此时通过从废气中回收热能，加热相对冷的由鼓风机32提供的助燃空气。另外可选择地，代替助燃空气预热器30，换热器36可能包括某种其他类型的换热器，在其中从废气中回收的热能加热合适的介质。
热回收管42是U型管，其上端通过密封48以可脱离的方式与构成入口室46和出口室46’的两个联管箱分别相连。换热器36的一个联管箱是入口室46，它与换热器液体循环的入口管28a相连。相应地，换热器的一个联管箱是出口室46’，它与液体循环的出口管28b相连。联管箱通常由钢或其他合适的金属或金属化合物制成，但是，在某些情况下，它们也可以由塑料或合适的合成材料制成。
接触到废气的热回收管42以这样的方式装配成垂直的位置：管中的气体，尤其是蒸汽，可能很容易地上升到两个联管箱。箭头49显示了热回收管42和入口管28a和出口管28b中水的流动方向。每个U型管42一般被连接成所谓的逆流换热器，换句话说，水以这样一种方式流动：流入水流，也就是从入口室46流下的水流位于冷侧，也就是在流出废气40的一侧，同时，相应地，流出水流，也就是上升到出口室46’的水流位于热侧，也就是在流入废气流40’的一侧。
通过逆流连接，可能将废气末端温度最小化。此外，如果热废气导致管42中的介质沸腾，所述沸腾在管的上升端部分开始，从而加强液体循环。同时，可能产生的蒸汽泡积聚在出口室46’。
可以说，连接在两个联管箱之间的热回收管42形成了管组50。换热器36可能包括两个联管箱和其间的一个管组50，或者如图3所示的，包括三个分别构成入口室46和出口室46’、46”的联管箱和串联连接的两个组50，50’，其中一个连接在两个联管箱之间，另一个连接在另两个联管箱之间。可能还有多于两个串联管组的情况，并且在某些情况下，换热器可能还包括并联的管组。
当换热器的热回收管42由塑料制成时，与三个联管箱相连的管必须通过使用橡胶或塑料密封48来连接它们。所述密封可以很好地承受由它们的普通操作条件引起的压力。但是，如果热交换介质被允许在热回收管42中不受控制地蒸发，密封可能受到强烈的压力冲击，这些密封已被显示不能承受这样的冲击。
依据本发明，有一个保护回路38与换热器36相连，它包括膨胀容器52和将三个联管箱中的至少某几个连接到膨胀容器52的流动通道54，54’和返回管56。依据图2中的布置，出口室46’与流动通道54相连，流动通道54的上端连接到膨胀容器52的上部，高于膨胀容器内液面的位置。另一方面，返回管56连接到入口室46或其附近位置上，所述管的上端连接到膨胀容器52的底部。
通向膨胀容器52上部的流动通道54，54’，可以每个分别地通向膨胀容器52，或者如果需要，可以将它们的上端连接成单一流动通道通向膨胀容器。返回管56从膨胀容器52返回通到入口管28a，优选靠近入口管28a和入口室46的接合点处，或者通到入口室46上。在图2所示的实施例中，通风导管58从膨胀容器52通向大气或通向某个其它希望的空间。
膨胀容器52位于水平面高于三个联管箱的位置，由此，容器52和流动通道54，54’中的液体柱在换热器介质中产生希望的过压。例如，当膨胀容器52位于高于联管箱5米的位置时，膨胀容器52可以保持大气压，并且还在热回收管42内保持大约0.5bar的过压。优选地，膨胀容器底部高于联管箱水平面大约3到7米。当泵44运行时，换热管的流动阻力造成与出口室46’连接的流动通道54的液体表面低于膨胀容器52的液体表面，这造成了一定数量的压力损失。
图2所示的设备以这样一种方式运行：当换热器36中的液体循环受到扰动，例如，当泵44停止运行，热回收管42中的液体开始局部沸腾并产生蒸汽。产生的蒸汽主要流向联管箱46’，并从那里进一步沿着流动通道54到达膨胀容器52。在如图3所示设备中，积聚在出口室46’和46”中的蒸汽，沿着流动通道54和54’被导向膨胀容器52的上部。
依据本发明装置的一个优点是，当泵44停止时，热回收管42中的液体也能够循环。这是基于这样一个事实：当泵44停止时，保护回路38的不同分支中的液体水平面得到平衡，但是，冲击热回收管42上升部分的热废气格外地加热上升部分的液体，因此它的密度减少。当上升部分的液体发生沸腾，液/汽混合物开始积聚在流动通道54中，由此，流动通道54中的介质柱的密度减少得相当多，并且它的上表面显著上升，高于膨胀容器52的液体表面。然后液体开始从通道54移到膨胀容器52，并进一步从容器52的底部沿着返回管56进入入口室46。这样，这个所谓的自然循环完全不需要外部能量，保证了热回收管42内的液体循环。
进一步地，两个具有阀的辅助水管与膨胀容器52相连，通过其中一个水管60，可向厂里的普通水管的膨胀容器提供新鲜的液体，同时通过另一个水管62，例如，可提供消防用水。水管62是备用系统，当例如由于动力故障，普通的水供应系统停止运行时，才投入使用。
优选的，流动通道54，54’和返回管56通过这样一种方式从每个联管箱布置到膨胀容器52：使每个热回收管组50，50’排空蒸汽。通过这样做，使防止换热器36中产生蒸汽闸成为可能。与所有热回收管组50，50’的端部连接的流动通道54，54’，优选通向膨胀容器52壁面的相同高度，并与那里切线连接。因此，从流动通道54，54’中的一个流向膨胀容器52的蒸汽，尽可能小地妨碍蒸汽从流动通道54，54’中的另一个流出。进一步地，流动通道54，54’优选以这样一种方式引向膨胀容器：它们在高于容器液面处向膨胀容器52开口。
在上述讨论的实施例中，举例说明的膨胀容器52处于大气压力中，这是本发明最简单的实施例，并且只需要膨胀容器相对于换热器36能足够高地被安装。如果水循环的再循环中使用这样高的温度，那么液柱的加压不足以防止正常情况下的蒸发，这就可能布置加压的膨胀容器。从而将在一定压力下打开的安全阀，连接到膨胀容器的通风导管58上，如果压力开始升高太多，所述安全阀从膨胀容器中排放蒸汽。
图2进一步显示了本发明的附加优选实施例，也就是与再循环用入口管28a连接的辅助冷却器64，这个冷却器可以用于冷却沸腾之前在管道中再循环的液体，并且它可以与上述设备相连接，但仍独立使用。当使用所述辅助冷却器时，控制可以被确定，例如，通过管道中再循环液体的温度，冷却器可以通过控制系统的指导从而进入自动工作。
如上面描述的可知，关于没有外部辅助能量或控制的塑料换热器的使用，提供了解决其问题的新方法。由上述内容可以理解，本发明通过最优选实施例进行了讨论，但是，这不是说本发明的范围局限在附加权利要求中定义的内容。
Claims (17)
1、一种保护换热器(36)的方法，换热器(36)包括具有塑料热回收管(42)的废气冷却器(26)，热回收管(42)按照逆流原则与热力锅炉(10)的废气以热交换的方式布置，热回收管(42)借助入口室(46)与入口管(28a)相连，同时借助出口室(46’)与出口管(28b)相连，与空气预加热器(30)一起形成这样一种循环，在该循环中，液体热交换介质通过泵(44)进行再循环，其特征是，在热回收管(42)端部产生的蒸汽沿着独立的流动通道(54)从出口室(46’)被引到膨胀容器(52)的上部，并且液体热交换介质通过独立的返回管(56)从该膨胀容器(52)的下部被直接引到入口室(46)，或者引到入口室(46)附近的入口管(28a)，以便在没有外界能量的情况下，使热回收管(42)内的热交换介质能够自然循环。
2、根据权利要求1的方法，其特征是，保持在膨胀容器(52)中的液体热交换介质的表面低于蒸汽沿着流动通道(54)被引入膨胀容器中的水平高度。
3、根据权利要求1的方法，其特征是，膨胀容器(52)处于大气压的压力，并且被布置为使其水平高度高于热回收管(42)的水平高度。
4、根据权利要求1的方法，其特征是，膨胀容器(52)是加压的。
5、根据权利要求3的方法，其特征是，蒸汽从膨胀容器(52)中通过通风导管(58)排出。
6、根据权利要求4的方法，其特征是，蒸汽从膨胀容器(52)中通过通风导管(58)排出。
7、根据权利要求1的方法，其特征是，在空气预热器(30)中，从废气中回收的能量被传递给将提供给热力锅炉(10)的助燃空气。
8、根据权利要求1至7中任一项的方法，其特征是，使用的热交换介质是水。
9、一种换热器(36)，其包括具有塑料热回收管(42)的废气冷却器(26)，热回收管(42)按照逆流原则与热力锅炉(10)的废气以热交换的方式布置，热回收管(42)借助入口室(46)与入口管(28a)相连，同时借助出口室(46’)与出口管(28b)相连，与空气预热器(30)一起形成这样一种循环，在该循环中，液体热交换介质通过泵(44)进行再循环，其特征是，在热回收管(42)端部产生的蒸汽沿着独立的流动通道(54)从出口室(46’)被引到膨胀容器(52)的上部，并且液体热交换介质通过独立的返回管(56)从该膨胀容器(52)的下部被直接引到入口室(46)，或者引到入口室(46)附近的入口管(28a)，以便在没有外界能量的情况下，使热回收管(42)内的热交换介质能够自然循环。
10、根据权利要求9的换热器(36)，其特征是，膨胀容器(52)处于大气压的压力，并且布置为使其水平面高于热回收管(42)的水平高度。
11、根据权利要求10的换热器(36)，其特征是，膨胀容器(52)和热回收管(42)之间的垂直距离为3到7米。
12、根据权利要求9的换热器(36)，其特征是，膨胀容器(52)是加压的。
13、根据权利要求10的换热器(36)，其特征是，膨胀容器(52)包括用于排出蒸汽的通风导管(58)。
14、根据权利要求12的换热器(36)，其特征是，膨胀容器(52)包括用于排出蒸汽的通风导管(58)。
15、根据权利要求9的换热器(36)，其特征是，该加热器(30)布置为将废气中回收的能量传递给将提供给热力锅炉(10)的助燃空气。
16、根据权利要求9的换热器(36)，其特征是，热回收管(12)是主体垂直的U型管。
17、一种热力锅炉(10)，包括换热器(36)，其特征是，该换热器(36)根据权利要求9-16中任一项来设置。
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