CN101520170B - 一种有除尘功能的超临界、高压蒸汽、三段式余热锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明为有除尘功能的超临界、高压蒸汽、三段式余热锅炉，可用于大型冶炼炉及工业窑炉的烟气粉尘与余热回收。其特征是：由导流管引入熔炉烟气并使其变为螺旋运动，第一级锅炉的内腔是一个大直径的扩散式旋风除尘器，它的上半部包括导流管是第一段余热锅炉，产生超临界高压蒸汽，下半部是第二段余热锅炉生产过热水，用于补充第一段生产蒸汽时的水消耗。第二级锅炉的内腔是一个由多只小直径扩散式旋风除尘器并联的除尘器，是这个余热回收系统的第三段余热锅炉，它用于加热熔炉冷却热水，用来补充第二段的水消耗，计算机自动控制装置使该系统的性能大大提高，产气稳定。由于采用了两级除尘器串联的方案可提高除尘效率，可扩大换热面积，提高热效率。

Description

一种有除尘功能的超临界、高压蒸汽、三段式余热锅炉

技术领域  本发明涉及一种大型冶炼熔炉及工业窑炉所使用的，环保及余热回收的有较好除尘功能的高效余热锅炉。

背景技术  在目前的现有技术中，除尘器与余热回收锅炉是两个不同的部件。从回收余热的角度考虑则应当将余热锅炉放在第一级，但由于标准的余热锅炉只考虑如何提高锅炉壁与废气的热交换系数，忽略了绝大多数的冶炼炉和工业窑炉的废气中含有大量的粉尘，有的还含有粘度极高的煤焦油(如大型密闭电石炉的炉气)。由于这些粉尘和粘性物质的存在，它们会依附或粘贴在余热锅炉的换热管壁上，使余热锅炉的换热效率降低，在多数情况下这些粉尘和粘性物质会将余热锅炉的换热气路堵死，使余热锅炉不能正常工作。若将余热锅炉放在第二级，除尘器放在第一级则除尘器将工作于700摄氏度以上的高温之下，除尘器成为了一个散热器使大量的废气余热受到损失，过高的温度也不利于除尘器的正常工作。处在第二级的余热锅炉由于废气的余热被除尘器消耗了一部分，因而废气温度低，余热锅炉热效率降低，一般情况下只能生产低压蒸汽(1M帕以下)或热水。

现有的余热锅炉除不能用于高浓度粉尘与粘性物质的烟气外，大多只考虑生产低压蒸汽或热水其利用价值不大。而大型冶炼炉及工业窑炉产气量巨大，余热多，但它与燃煤锅炉有较大的区别。燃煤锅炉的炉膛温度高火力集中，其温度可高达1500℃以上，而冶炼炉的炉气温度一般都在1000℃以下，密闭电石炉(矿热炉)的炉气温度只有700℃，如何利用温度较低的炉气高效率的生产395℃以上的超临界高压蒸汽，在目前还是一个行业性的难题。

发明内容  本发明的目的是提供一种能将除尘与余热回收合为一体的，具有高除尘效率又有高热效率的二级三段式超临界，高压，蒸汽余热锅炉，生产出的高压蒸汽可推动超临界汽轮机工作，用于发电或作为动力机械使用。

一种有除尘功能的余热锅炉，包括导流管，第一级锅炉，它的内腔是一个大直径旋风式除尘器，锅炉的第一段(超临界高压蒸汽段)有安全阀、进水阀、放气阀，第二段(高压过热水段)有安全阀、进水阀、出水阀，第二级锅炉的内腔为一组并联的小直径扩散式旋风除尘器是这个余热锅炉的第三段，它有安全阀、进水阀、高压热水泵，低温热水泵，计算机及设置在锅炉各处的传感器和执行元件构成了这个除尘余热回收系统的自动控制装置。所述的导流管内有若干片螺旋形的导流叶片，它可使流经导流管的气流由直线运动变为一股围绕中心旋转并以螺旋的方式向前运动的气流；所述的第一级锅炉是这个余热锅炉的前两段，导流管与该锅炉的上半段是由若干根高压蒸汽管所组成的超临界高压蒸汽锅炉，它将吸收到高温废气的余热转化为超临界的高压蒸汽，安全阀使它工作在所需的安全范围之内，它通过进水阀与该锅炉的下半段，即第二段余热锅炉相连接，第一段用于吸收废气中700---400℃的高位热能，并将它们转化为395℃的超临界高压蒸汽。由于该锅炉是一个完整的扩散式旋风除尘器，因此速度较高的旋转气流将会在该容器内停留较长的时间，并与内腔壁发生螺旋线式的反复接触，大大的增加了高温气体与内腔的换热效率。位于锅炉下部的第二段则吸收被第一段吸热降温后的400---200℃的中位热能，它由若干根高压管子组成一个过热水锅炉，它通过出水阀与第一段余热锅炉的进水阀相联通，其作用是向第一段余热锅炉补充200℃的过热水；所描述的第二级锅炉，它是这个三段式余热锅炉系统的三段余热锅炉，由若干根普通的锅炉管所组成，用于吸收第二段的余热锅炉吸热后的220---120℃的低位废气余热，它向第二段余热锅炉提供110℃的中温热水，该段中的高压中温热水泵用于将第三段余热锅炉加热至110℃的中温热水压入第二段余热锅炉内，低温热水泵则用于抽吸来自熔炉冷却系统的60---70℃的冷却热水，并将它们压入第三段余热锅炉之内。由于冶炼炉在生产过程中所产生的废气不是一个稳定的气源，它的波动将会影响到余热锅炉系统的正常工作，若通过计算机及设在锅炉各处传感器和执行元件装置的自动调控，可确保锅炉连续产气并稳定工作。

由于该系统将除尘器与余热回收锅炉紧密地结合为一体，免除了现有余热锅炉存在的废气粉尘堵塞锅炉换热气路的问题。同时利用旋风除尘器内，气流较高的旋转速度并与其内壁反复接触的原理，提高了锅炉本身的换热效率。采用二级三段式的结构大大增加了锅炉的换热面积，阶梯式的提高能量梯位，使得现有技术中用途不多的回收热变为有较高利用价值的高位热能，特别适用于大型熔炉及大型企业的资源综合利用，有明显的节能降耗特点。省去了一套单纯的废气冷却系统和旋风除尘器，不但能除尘而且可回收到有较高利用价值的超临界高压蒸汽，还有粉尘粉末。

附图说明  下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

附图是本发明的原理及结构方框图。

附图中的1为从熔炉来的含尘高热废气；2为导流管及第一级锅炉的高温热气入口；3为导流管；4为第一级锅炉的气体出口；5为第一段余热锅炉的安全阀；6为第一段余热锅炉的传感器；7为高温高压蒸汽；8为第一段余热锅炉的进水阀；9为第二段余热锅炉的出水阀；10为第二段余热锅炉的安全阀；11为第二段余热锅炉的控制传感器；12为第二段余热锅炉的中温热水入口；13为第二级锅炉的热气入口；14为第二级锅炉的废气出口；15为经除尘净化后的炉气；16为第三段余热锅炉的安全阀；17为第三段余热锅炉的控制传感器；18为中温热水泵；19为低温热水泵；20为熔炉冷却热水；21为计算机自动控制装置；所有管道与锅炉表面的绝热保温层(图中未画出)。

具体实施方式  附图所描述的熔炉高温烟气除尘余热回收锅炉系统包括：导流管3、第一级锅炉，第二级锅炉，中温热水泵18，低温热水泵19，计算机自动控制装置，所有管道与锅炉表面的绝热保温层。

所述的导流管是一较长的圆柱形管子，它与第一级锅炉的入口连接在一起，内腔有多片螺旋形的导流叶片，其作用是使来自熔炉的直线运动气流变为围绕管子中心作螺旋运动的旋转气流，这样可以使进入第一级锅炉内腔(扩散式的旋风除尘器)气流形成两种旋转运动，一种为一股气流自身的旋转，另一种为这股气流绕内腔壁的旋转，在两种旋转力的作用下，加大了气体与容器壁换热面积，同时还压缩了烟气中粉尘的局部浓度，有利除尘效率的提高。导流管的外壁是第一段余热锅炉的一部分，它的后端与第一级锅炉的入口相连，它的前端有第一段余热锅炉的高压蒸汽管出口，这样的布置是为了使高压蒸汽能得到更多的余热。

所述的第一级锅炉，由两段余热锅炉所构成，它们均由耐高压，高温的专用锅炉管所制成，第一段余热锅炉由管子排列组合焊为大直径的扩散式旋风除尘器的上半部，第二段余热锅炉同样由管子排列组合焊而成，但它是该扩散式旋风除尘器的下半部。选用扩散式旋风除尘器的内腔形状是因为直径可以做得大一些，有较大的换热面积，容器内的风速较低有较长的换热时间，而且容器的下部分是扩散型的可减少废气中的尘粒对容器壁的磨蚀量。对于现有旋风除尘器普遍存在的废气尘粒对容器壁的磨蚀问题可对容器壁采用抗磨蚀措施来解决，加上选用合理的低磨损型的扩散式旋风除尘器，可使该余热锅炉有一个较长的安全工作时间，可确保该余热锅炉的安全使用。第一段余热锅炉用来吸收来自熔炉的高温烟气，通过第一段余热锅炉的管壁进行热交换后可使原来烟气中700℃的温度降低至400℃，同时它将会产生温度在395℃的超临界高压蒸汽，产生蒸汽所消耗的热水则由第一级锅炉的下半部，第二段余热锅炉补给。它们通过管道将第一段余热锅炉的进水口8与第二段余热火炉的出水口9连在一起，构成整个串联工作系统的一部分，第二段余热锅炉则通过热交换吸收来自第一段余热锅炉废气中400℃的热量，并将它的温度降低至220℃，同时它通过出水口9向第一段余热提供200℃的过热水，它的水源补给则是第二级锅炉。

所述的第二级锅炉它通过第一级锅炉的废气出口4与自己的热气进气口13连在一起获取热能，又通过管道与中温热水泵18连通，中温热水泵18与第二段热水锅炉中温热水入口连通并向第二段余热锅炉供给110℃的中温热水。第二级锅炉内的换热关系与第一级相同，不再赘述。之所以整个锅炉内腔只作为第三段余热锅炉是因为第三段余热锅炉捕捉的是220---120℃的低位热能，需要有足够大的面积才可能实现，采用二级串联锅炉(扩散式除尘器)另一个原因是大直径的除尘器不仅扩大了换热面积有较大的表面积可提高换热率但它的除尘效率低，增加一级多只并联的小直径除尘器不仅扩大了换热面积同时可起到提高除尘效率的作用。第三段余热锅炉通过管道连接低温热水泵，低温热水泵又与熔炉冷却水，低温热水管道连通向第三段余热锅炉提供60---70℃的热水，通过第三段余热锅炉内，换热管道与220---120℃的废气进行热交换产生110℃的中温热水，并将烟气的温度最终降至120℃以下。

所述的计算机自动控制装置，它通过电缆线与设置在这套余热回收系统中的各个部位传感器与执行机构相连接。因为熔炉的废气不是一个稳定的气源与热源，它会出现一会产气多一会产气少并且还伴随有废气温度的忽高忽低现象，如果不设置这套计算机自动控制装置那未就会出现气量大温高时所产的高压蒸汽很多，但当气量少温度低时余热锅炉就会出现不产气的问题，这样的多参数系统人力是无法控制的，只有依靠计算机控制装置才能确保该系统始终能产气。

当该系统工作时，由熔炉废气管道过来的温度约700℃高浓度粉尘废气，首先进入该套除尘余热回收系统的导流管3中，在导流管内螺旋型导流叶片的作用下，热烟气形成围绕导流管中心旋转的一股气流，该气流在导流管内一边旋转一边前行，旋转的气流扩大了与导流管壁接触面积，使导流管的余热锅炉壁获得更多的热量。通过导流管的废气进入第一级锅炉的入口，并进入涡旋腔，自身旋转的这一股气流便形成了一股沿着锅炉壁自上而下的螺旋型气流并与锅炉壁发生较密切的接触进行热交换，在传感器6的检测和计算机的控制下热交换蒸发的水和补入的水保持一个平衡，产出的高压蒸汽温度在395℃，补入的过热水温度则200℃。产气量的大小和补入水的多少则视废气的流量和温度而定，第一段余热锅炉中的安全阀5可确保其工作在安全压力之内。经过第一段余热锅炉的换热之后废气温度下降至400℃，它将沿着锅炉内腔旋转着进入锅炉的下一段，即第二段余热锅炉，废气以同样的热交换方式将其所含的热量传导给第二段余热锅炉由第二段余热锅炉内所产生的200℃的过热水，则是通过热水出水口9流入第一段余热锅炉的过热水进口8完成热水的补给，第二段的安全阀10的作用与第一段相同，同理在传感器11的检测下，计算机控制完成对第一段余热锅炉的水补给，从第一级锅炉的出口4流出的220℃的熔炉废气通过连接管道进入第二级锅炉。其换热及工作原理与上述第一级锅炉完全相同，只是第二级锅炉是这个余热锅炉的第三段，它有着较大的换热面积(因为废气温度较低)，由于锅炉的压力较低它对第二段余热锅炉的供水必须采用中温热水泵加压，它自身的供水也必须采用低温热水泵压入。

所述的绝热保温层，由于该余热回收系统回收的热能温度较低，为获取高的热效率除采用增加废气对换热面接触时间之外，还采用增加换热面积的措施，而增加换热面积的副作用就是散热面积也随之增加，而最有效最廉价的措施就是在所有散热面上，包括所有管道及锅炉体外表面包敷一层性能良好的绝热保温材料，使整个余热回收系统都有一个散热量最少的绝热外壳，最大限度的提高整个系统的热效率。

Claims (4)

1.一种冶炼熔炉的烟气除尘、余热回收锅炉系统，该系统包括：导流管(3)、第一级锅炉、第二级锅炉、中温热水泵(18)、低温热水泵(19)、计算机自动控制装置(21)及所有管道与锅炉体的绝热保温层，其特征在于：导流管(3)与第一级锅炉的入口连接在一起；第一级锅炉内腔是一个大直径的扩散式旋风除尘器，第一级锅炉由两段余热回收锅炉构成，其上半部分是该系统的第一段余热回收锅炉，吸收高温烟气产生温度在395℃的超临界高压蒸汽，下半部分是第二段余热回收锅炉，其出水口(9)与第一段余热回收锅炉的进水口(8)相连接，向第一段余热回收锅炉提供200℃的过热水；第二级锅炉内腔是由多个小直径的扩散式旋风除尘器并联组合而成，第二级锅炉是该系统的第三段余热回收锅炉，其中，低温热水泵(19)抽吸来自熔炉冷却系统的60-70℃的低温热水，并将其压入第三段余热回收锅炉内，第三段余热回收锅炉向第二段余热回收锅炉提供110℃的中温热水，由中温热水泵(18)经由第二段余热回收锅炉的入水口压入第二段余热回收锅炉内。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，导流管(3)是一较长的圆柱形管子，内腔有若干片使气流产生螺旋运动的导流叶片。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，计算机自动控制装置(21)中的计算机通过电缆线与设在各个锅炉上的传感器和执行机构相连，由各个传感器采集到的各种参数传回计算机，经过计算机与预先设定的参数范围进行比较分析，如超出此范围计算机会命令执行机构进行调整，使该系统的所有参数满足预先设定的参数范围，起到使该系统不间断的产出蒸汽及产气稳定的作用。

4.根据权利要求1中所述的系统，其中绝热保温层是所有管道及整个锅炉体外表面包敷的一层性能良好的绝热保温材料。

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