CN103270383A - 废热锅炉 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种废热锅炉，其具有热交换管，用于使较热的过程气体与冷却介质间接地热交换，还具有旁通管，用于旁通过程气体的一部分；过程气体收集器收集并且混合经过热交换的过程气体的一部分和旁通的过程气体的至少一部分，在混合之前通过控制阀与剩余的经过热交换的过程气体一起到达废热锅炉的过程气体出口。

Description

废热锅炉
技术领域
本发明涉及来自化学反应的废热的回收。更具体而言，本发明涉及一种带有改善的冷却效果控制的废热锅炉。
背景技术
废热锅炉最常用于借助从热过程流回收的废热来产生蒸汽。通常，这些锅炉被设计为带有布置在圆柱形壳体内的多个热交换管的壳体-管交换器。
用于工业中的壳体-管交换器的两个基本类型是水-管类型和火-管类型，在水-管类型中，水/蒸汽混合物流过管，火-管类型在管中具有加热过程流。
锅炉特有的构件是在壳体内的前端盖和后端盖处安装在管板中的管。在火-管锅炉中，通过流过锅炉管的热过程流的间接热交换在管的壳体侧产生蒸汽。壳体侧通过连接到蒸汽包的多个上升管和下降管，该蒸汽包可以布置在锅炉壳体之上或者作为锅炉壳体的一体部分。
壳体-管交换器类型的锅炉的机械设计（尤其是确定热交换表面的尺寸）具有一些问题。火-管锅炉应用涉及到壳体侧或者两侧上的高压、以及在壳体侧和管侧之间的较大的温度差。必须特别注意过程流的污染和腐蚀特性。
处理污染和/或腐蚀性过程流的锅炉必须设计成比清洁时所要求的承载率更高，以便在严重的污染和/或腐蚀情况下获得令人满意的寿命。锅炉管的热传递表面还需要适应于流中的预期的腐蚀和污染因素。为了在长时间的锅炉操作中提供期望的和基本上恒定的冷却效果，需要适当的热传递和温度控制。
传统设计的锅炉装备有较大直径（与热交换管的直径相比）的旁通管，其可能在锅炉壳体之内或之外。该旁通管通常构造成设有流控制阀的绝热管。在锅炉的初始操作期间，热过程流的一部分旁通绕过热传递管，以便将热传递限制在所要求的水平。
在一段时间之后，因为流的污染和/或管的腐蚀增加，导致降低的热传递。然后旁通的过程流的量被减小，这允许通过热传递管的过程流的更高的流量，以维持所需的冷却效果。
上述类型的已知锅炉的主要缺点是在旁路上（尤其是在与温度高达1000℃或甚至更高的未冷却过程流相接触的旁通出口和流控制阀）的金属表面上的强力腐蚀。现有技术试图以各种方式解决该问题，诸如利用冷却流体来冷却控制阀，或者避免热旁通流，而是将热交换器分为带有不同热交换水平以及因此带有不同过程气体出口温度的不同的段。现有技术的例子公开在US5452686A、US2007125317A、US4993367A、GB1303092A、US1918966A和EP0357907A。
发明内容
本发明的一个目的是通过对壳体-管热交换类型的锅炉提供改善的热传递和温度控制而避免已知的废热锅炉的缺点。
本发明的另一个目的是提供一种废热锅炉，其设计比现有技术的废热锅炉更简单并且更廉价。
本发明的另一个目的是提供带有过程气体旁通管和控制阀的废热锅炉，用于简单地控制旁通过程气体流以及过程气体出口温度，而不会使得控制阀暴露于过度的温度而导致腐蚀。
根据本发明的一个实施例，这通过用于使较热的过程气体与冷却介质进行热交换的废热锅炉来实现，其中，该废热锅炉包括至少一个壳体部分（热交换段第二壳体部分），和位于热交换段第二壳体部分的入口端和出口端中的至少两个管板，其中该第二壳体部分和两个管板包围废热锅炉的热交换段。多个热交换管和至少一个过程气体旁通管位于热交换段中并且固定在靠近每个管的第一端的第一管板中，并且固定在靠近每个管的第二端的第二管板中。至少一个冷却介质入口和至少一个冷却介质出口定位在废热锅炉上，以使得冷却介质能够流入和流出管的壳体侧上的热交换段。因此，冷却介质被第二壳体部分和第一及第二管板所包围。过程气体入口段定位在第一管板附近，与冷却介质处于相反侧。在过程气体入口端，入口段还可以被第一壳体部分所包围。过程气体出口段定位在第二管板附近，也与冷却介质处于相反侧。出口段也可以被第三壳体部分所包围。出口过程气体收集器定位在过程气体出口端的第三壳体部分中，使得其收集离开至少一个旁通管的过程气体的至少一部分，还收集离开热交换管的一部分的冷却的过程气体。
过程气体从第一壳体部分、过程气体入口端流到热交换管入口和旁通管入口，通过热交换管和至少一个旁通管，离开热交换管出口和至少一个旁通过程气体出口，到达第三壳体部分，过程气体出口端。冷却介质通过冷却介质入口流入热交换段，并且在冷却介质通过冷却介质出口离开热交换段之前，冷却介质与热交换管的壳体侧接触，并可以与至少一个旁通管的壳体侧接触。过程气体在第一温度进入过程气体入口段并且在第二较低的温度离开热交换管。离开旁通管的过程气体具有第三温度，该第三温度低于或等于第一温度，但高于第二温度。出口过程气体收集器混合旁通的过程气体的至少一部分和经过热交换的过程气体的一部分。因此，混合的过程气体温度具有第四温度，该第四温度高于第二温度，但低于第三温度。在该混合中，热交换的过程气体的量和旁通气体的量组合，使得该第四温度足够低，以防止定位在收集的旁通和热交换过程气体的下游的控制阀的过度腐蚀。控制阀控制离开废热锅炉的总的过程气体流中的混合的过程气体的量。离开废热锅炉的总的过程气体流应该是某个第五温度，其高于或等于第二温度，但低于第四温度。控制阀可以控制混合的过程气体的体积流量与总的离开的过程气体体积流量之比，因此即使在改变的第二和第四温度和体积流量下也能够控制第五温度。因此，具有恒定的高的第一温度和恒定的低的第五温度的目标，但由于热交换管的污染/腐蚀而产生升高的第二温度，可以通过使用控制阀降低具有第四温度的旁通过程气体的体积流量而使第五温度保持恒定。
根据本发明的另一个实施例，出口过程气体收集器中的经过热交换的过程气体和旁通的过程气体的混合可以通过位于控制阀上游的收集器中的混合装置来增强。混合装置可以是任何已知的功能和材料。
在本发明的另一个实施例中，具有一个旁通管，收集器收集离开一个旁通管的过程气体和离开至少一个热交换管的经过热交换的过程气体。
在本发明的另一个实施例中，过程气体入口段利用陶瓷衬垫来衬垫，用于保护第一壳体部分不受到较热的过程气体。
在本发明的另一个实施例中，旁通管、混合装置和过程气体收集器也可以利用陶瓷衬垫来衬垫。
在本发明的一个实施例中，冷却介质可以是水或可以是蒸汽。当进入热交换段时，冷却介质可以是水，一部分水或者所有的水可以通过与较热的过程气体的间接热交换而加热，使得通过冷却介质出口而离开热交换段的所有或一部分冷却介质是蒸汽。
在本发明的另一个实施例中，第二壳体部分或者第一、第二和第三壳体部分都可以是大致圆柱形。圆柱形形状可能是有利的，因为它是耐压力和节省材料的形状。大致指的是在一个横截面视图中是椭圆形在另一个横截面视图中近似圆形的任何形状，诸如圆形、椭圆形、正方形、五边形、六边形等。
在本发明的另一个实施例中，多个热交换管位于管板的大致圆形阵列中，并且旁通管或至少一个旁通管位于阵列的大致中心。大致指的是，该位置不一定是数学上精确的，其形状可以较大程度的改变，只要考虑热交换效率和材料成本即可。
在本发明的一个实施例中，废热锅炉用于生产湿硫酸的过程设备中。
本发明的特征
1. 用于使较热的过程气体与冷却介质进行热交换的废热锅炉，包括：
壳体部分，
至少两个管板，
多个热交换管，
至少一个旁通管，
由所述壳体部分和所述至少两个管板包围的热交换段，
过程气体入口段，
过程气体出口段，
至少一个冷却介质入口，
至少一个冷却介质出口，
较热的过程气体在过程气体入口段进入所述热交换管和所述至少一个旁通管，流过所述热交换段，在所述热交换段中，至少在所述热交换管中流动的过程气体与冷却介质间接热交换，并且在所述过程气体出口段离开，其中，所述废热锅炉还包括控制阀和出口过程气体收集器，所述控制阀能够控制流过所述出口过程气体收集器的过程气体的体积流，所述过程气体收集器收集离开所述至少一个旁通管的过程气体的至少一部分以及离开所述热交换管的一部分的冷却的过程气体。
2. 如特征1所述的废热锅炉，其中，所述出口过程气体收集器还包括位于所述控制阀上游的混合装置，用于使离开所述至少一个旁通管的较热的过程气体与离开所述热交换管的一部分的冷却的过程气体混合。
3. 如前述特征中任意一项所述的废热锅炉，包括一个旁通管，其中，所述出口过程气体收集器收集离开所述旁通管的过程气体以及离开所述热交换管中的至少一个的过程气体。
4. 如前述特征中任意一项所述的废热锅炉，其中，所述过程气体入口段衬有陶瓷衬垫。
5. 如特征4所述的废热锅炉，其中，所述旁通管的内壁被衬垫，所述出口过程气体收集器的至少一部分被衬有陶瓷衬垫。
6. 如前述特征中任意一项所述的废热锅炉，其中，所述冷却介质是水、或蒸汽、或既有水又有蒸汽。
7. 如前述特征中任意一项所述的废热锅炉，其中，所述壳体具有基本上圆柱形的形状，所述至少两个管板具有基本上圆形的形状。
8. 如前述特征中任意一项所述的废热锅炉，其中，所述热交换管在所述管板中以圆形阵列布置，所述旁通管布置在所述阵列的大致中心。
9. 在根据前述特征中任一项所述的废热锅炉中使较热的过程气体与冷却介质进行热交换的方法，包括以下步骤：
将较热的过程气体提供到过程气体入口段，
将冷却介质提供到废热锅炉的热交换段，
在位于所述热交换段的热交换管中，使较热的过程气体的第一部分与冷却介质间接地热交换，
使较热的过程气体的第二部分从所述过程气体入口段旁通，通过所述热交换段并且到达所述过程气体出口段，基本上不与冷却介质热交换，
在出口过程气体收集器中收集并且混合旁通的过程气体的至少一部分和冷却的过程气体的一部分，
利用控制阀来控制被收集且混合的过程气体的体积流。
10. 根据特征1-8中任一项所述的废热锅炉的用途，所述废热锅炉用在生产硫酸的过程设备中。
标号列表
100 废热锅炉，WHB
110 第一壳体部分，过程气体入口端
111 衬垫
112 过程气体入口段
113 旁通过程气体入口
114 热交换管入口
115 第一管板，过程气体入口端
120 第二壳体部分，热交换段
121 冷却介质入口
122 冷却介质出口
123 热交换管
124 过程气体旁通管
125 第二管板，过程气体出口端
126 热交换段
130 第三壳体部分，过程气体出口端
132 过程气体出口段
133 旁通过程气体出口
134 热交换管出口
135 控制阀，旁通管出口
136 出口过程气体收集器
137 出口过程气体混合装置
138 混合过程气体出口。
具体实施方式
图1是根据本发明的一个实施例的废热锅炉100的横截面图。废热锅炉包括第一壳体部分，过程气体入口端110；第二壳体部分，热交换段120和第三壳体部分，过程气体出口端130；它们全都具有基本上圆柱形状和基本上相同的直径，但如附图中所见，不一定是相同的材料厚度。材料厚度以及材料的选择可以根据过程条件而改变。
第一管板，过程气体入口端115将第一壳体部分与第二壳体部分分开。类似地，第二管板，过程气体出口端125将第二壳体部分与第三壳体部分分开。因此，第一壳体部分和第一管板包围过程气体入口段112；第二壳体部分以及第一和第二管板包围热交换段126；并且第三壳体部分和第二管板包围过程气体出口段132。过程气体入口段的内表面能够具有衬垫111，例如陶瓷衬垫，以保护内表面不受到入口过程气体的高温。
第一和第二管板具有对应的孔，以容纳热交换管123。热交换管至少从第一管板延伸通过热交换段并且至少到达第二管板。各个热交换管和各个管板之间的连接被制造成气密和液密的。各热交换管具有位于过程气体入口段中的热交换管入口114和位于过程气体出口段中的热交换管出口134。
第一和第二管板还具有用于至少一个过程气体旁通管124的至少一个对应的孔。在本发明根据图1的实施例中，具有一个过程气体旁通管。过程气体旁通管和第一及第二管板之间的连接被制造成气密和液密的。过程气体旁通管具有位于过程气体入口段中的旁通过程气体入口113以及位于过程气体出口中的旁通过程气体出口133。过程气体旁通管可以设有衬垫（未示出），其能够保护管不受到相对高的过程气体温度并且其还可以降低冷却介质和旁通的过程气体之间的间接热交换。
在热交换段，冷却介质入口121提供冷却介质至热交换段的流体连接。至少一个冷却介质入口可以位于第二壳体部分上的任何位置或者甚至在第一或第二管板上，只要提供至热交换段的流体连接即可。图1中显示了热交换段的壳体部分上的位置。定位成与热交换段流体连接的冷却介质出口122提供了来自热交换段的冷却介质的出口。
热交换管和过程气体旁通管中的每一个提供从过程气体入口段通过热交换段并且到达过程气体出口段的流体连接，从而使得过程气体能够流动通过热交换段而不会直接接触冷却介质。在热交换管中流动的过程气体与冷却介质间接接触，而过程气体的被旁通的部分，即在过程气体旁通管中流动的部分与冷却介质较少或相对低或基本没有间接的热交换。如果旁通管没有衬垫，则旁通的过程气体将与冷却介质有一些热交换，但由于旁通管的较高的体积表面比，旁通管中的热交换将比热交换管中的热交换低。如果旁通管有衬垫，例如具有陶瓷衬垫，则在旁通管中流动的旁通过程气体与冷却介质之间的间接热交换将较低或接近于零。在任何情况下，离开热交换管出口的经过热交换的过程气体的温度比离开旁通过程气体出口的旁通的过程气体的温度低得多。
出口过程气体收集器136位于过程气体出口段。其收集旁通的过程气体以及一部分经过热交换的过程气体。在根据图1的实施例中，过程气体收集器收集旁通的过程气体以及离开热交换管的经过热交换的过程气体，该热交换管以围绕旁通管的圆形阵列定位成最靠近旁通管。出口过程气体混合装置定位在过程气体收集器内，保证了旁通的过程气体以及一部分的经过热交换的过程气体一定程度的混合，使得控制阀，旁通管出口135不暴露于大量的过程气体，该过程气体的温度较高，能导致控制阀的实质性腐蚀。
所述控制阀控制从出口过程气体收集器离开到达过程气体出口段的混合过程气体的量。因此，由于经过热交换的过程气体的温度低于离开混合过程气体出口138的旁通的过程气体以及经过热交换的过程气体的混合物的温度，控制阀能够在经过热交换的气体和混合的旁通气体的温度之间的区间内改变离开过程气体出口段的过程气体的温度。或者更重要的是，即使因为例如热交换管中的污染导致的例如降低的间接热交换而使得经过热交换的过程气体的温度有变化，但控制阀能够将离开过程气体出口段的过程气体的温度保持在某一水平。
图2显示了图1的废热锅炉，其中标注了温度。温度具有以下关系：
t1 ≥ t3 > t4 > t2
t4 >T5 ≥ t2。

Claims (10)

1.用于使较热的过程气体与冷却介质进行热交换的废热锅炉，包括：
壳体部分，
至少两个管板，
多个热交换管，
至少一个旁通管，
由所述壳体部分和所述至少两个管板包围的热交换段，
过程气体入口段，
过程气体出口段，
至少一个冷却介质入口，
至少一个冷却介质出口，
较热的过程气体在过程气体入口段进入所述热交换管和所述至少一个旁通管，流过所述热交换段，在所述热交换段中，至少在所述热交换管中流动的过程气体与冷却介质间接热交换，并且在所述过程气体出口段离开，其中，所述废热锅炉还包括控制阀和出口过程气体收集器，所述控制阀能够控制流过所述出口过程气体收集器的过程气体的体积流，所述过程气体收集器收集离开所述至少一个旁通管的过程气体的至少一部分以及离开所述热交换管的一部分的冷却的过程气体。
2.如权利要求1所述的废热锅炉，其中，所述出口过程气体收集器还包括位于所述控制阀上游的混合装置，用于使离开所述至少一个旁通管的较热的过程气体与离开所述热交换管的一部分的冷却的过程气体混合。
3.如前述权利要求中任意一项所述的废热锅炉，包括一个旁通管，其中，所述出口过程气体收集器收集离开所述旁通管的过程气体以及离开所述热交换管中的至少一个的过程气体。
4.如前述权利要求中任意一项所述的废热锅炉，其中，所述过程气体入口段衬有陶瓷衬垫。
5.如权利要求4所述的废热锅炉，其中，所述旁通管的内壁被衬垫，所述出口过程气体收集器的至少一部分被衬有陶瓷衬垫。
6.如前述权利要求中任意一项所述的废热锅炉，其中，所述冷却介质是水、或蒸汽、或既有水又有蒸汽。
7.如前述权利要求中任意一项所述的废热锅炉，其中，所述壳体具有基本上圆柱形的形状，所述至少两个管板具有基本上圆形的形状。
8.如前述权利要求中任意一项所述的废热锅炉，其中，所述热交换管在所述管板中以圆形阵列布置，所述旁通管布置在所述阵列的大致中心。
9.在根据前述权利要求中任一项所述的废热锅炉中使较热的过程气体与冷却介质进行热交换的方法，包括以下步骤：
将较热的过程气体提供到过程气体入口段，
将冷却介质提供到废热锅炉的热交换段，
在位于所述热交换段的热交换管中，使较热的过程气体的第一部分与冷却介质间接地热交换，
使较热的过程气体的第二部分从所述过程气体入口段旁通，通过所述热交换段并且到达所述过程气体出口段，基本上不与冷却介质热交换，
在出口过程气体收集器中收集并且混合旁通的过程气体的至少一部分和冷却的过程气体的一部分，
利用控制阀来控制被收集且混合的过程气体的体积流。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的废热锅炉的用途，所述废热锅炉用在生产硫酸的过程设备中。
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