CN103486868A - 高效脱尘废热回收节能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高效脱尘废热回收节能装置，可广泛应用于电力、冶金等领域。包括封头和封头、管箱、壳体、保温填充材料、传热管束、旋风机6、挡灰板、支撑板、导流筒及支架。首先利用旋风机将高温烟气导入装置中，高温烟气在压力的作用下，沿导流筒向下旋转流动，使烟气中的尘埃在惯性力的作用下沿筒壁向下滑落；经过脱尘的高温烟气在引力的作用下沿变空间紊流换热器壳侧的螺旋形通道向上流动，与在换热管内介质通过管壁交换热量，实现高温烟气的脱尘及废热回收。本高效脱尘废热回收装置巧妙的利用换热器壳侧变空间紊流设计技术，将惯性力旋风分离脱尘和换热器壳侧变流道传热合为一体，使得整个装置在运行过程中压降低，阻力小，节约运行成本。

Description

高效脱尘废热回收节能装置

技术领域

本发明涉及一种惯性分离技术及一种新型列管式余热回收装置，可广泛应用于电力、冶金、陶瓷等领域。

背景技术

能源是发展国民经济和提高人民生活水平的重要物质基础。节约能源对保证我国经济的快速发展、提高经济效益、推进技术进步、合理利用资源、减少环境污染、提高人民生活水平等起着重要的作用，也是实现我国经济增长方式从粗放型向集约型转变的重要途径和实施“可持续发展战略”的必要措施。余热回收利用是实现工业节能降耗的重要手段。且在“十一五”、“十二五”期间，余热回收技术与技术创新一直是一项国家鼓励与大力扶持、推广的节能环保项目。“余热资源”又称“废热资源”，是指某种特定的设备或系统排出的可以热能形式回收的能量，属于“二次能源”，它广泛存在于工农业生产中，遍及电力、冶金、石化、机械、建材、食品等方面。据统计，工业生产中使用的各种炉窑，如加热炉、转炉、沸腾焙烧炉、回转窑等都耗用大量燃料，热效率却很低，一般只有35%左右，而高温烟气带走的热量却高达20%-50%。其中电力方面，可利用余热约占燃烧消耗量的2/3，机械、建材、食品等方面占20%左右。

工业炉是工业加热的关键设备，广泛应用于国民经济的各行各业中，量大面广品种多。据不完全统计，全国县以上企业工业炉窑约有十几万台，机械行业炉窑占炉窑总数的66%，工业炉中燃料炉占炉窑总数的55%以上。工业炉是能耗大户，其能耗占全国总能耗的25%，占工业总能耗的60%。工业炉中燃料炉能耗占工业炉总能耗的92%。改革开放以来，我国工业炉技术有了长足的进步，在节能方面取得了很大的成绩，但工业炉的能源利用率总体水平仍很低，小于30%。而国际上工业炉的热效率平均水平为50%以上，仅相当于发达国家的60-70年代水平。传统废热回收换热器的总传热系数小，换热面积大，材耗多，气阻高，系统排放能耗高，导致废热排气系统的能耗大。另外窑炉烟气余热含有大量的尘埃，传统的折流板换热器流动阻力大，容易堵塞。因此研制开发脱尘和低流阻的余热回收装置时节能减排的重大需求。

近年来，国内外很多单位相继开展了高温烟气的余热回收装置研究，主要有热泵式、间壁式、蓄热式、喷射式等，这些技术取得了不小的成绩，但是由于烟气中往往含有二氧化硫，颗粒状物体等成分，对回收装置会造成腐蚀，结垢等问题，从而使余热回收装置费用增加、寿命减短。旋风脱尘器体积小，重量轻，可以有效解决装置中的结垢问题。另外，用换热管管束芯体和管板的整体热浸锌来替代防腐蚀材料管束，可以达到很好的抗腐蚀能力，同时又能大大的降低制造成本。本发明将旋风分离技术与变空间紊流换热技术相结合，开发出一种新型、高效、节能的脱尘废热回收装置。

发明内容

本发明的目的在于提供针对现有技术的缺陷，尤其是传统的弓型折流板余热回收装置的结垢问题及其流动阻力阻力大的缺点，本发明提出了一种高效脱尘废热回收节能换热装置。

本发明所要解决的首要技术问题是克服现有的余热回收装总传热系数小，换热面积大，材耗多，气阻高，易堵塞等缺点提供一种新的高温烟气废热回收装置，其结构简单、容易实施、操作方便、投资小、且适合长周期运转。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：脱尘废热回收节能装置，包括管箱，设置在管箱外的壳体，管箱一端连接上封头，另一端连接导流筒的一端，导流筒另一端接烟气入口，管箱内设有传热管束，传热管束的底端设有支撑板，在传热管束的中下方旋风机，旋风机和支撑板之间设有挡灰板，壳体在管箱外的底端连接有下封头；所述传热管束由螺旋扭曲管组成，螺旋扭曲管由光滑圆管经冷轧加工而成，螺旋扭曲管的横截面形状为椭圆形，周长与基圆管周长相同，螺旋扭曲管的椭圆形横截面长轴相互平行，实现其自支撑结构，相邻螺旋扭曲管长轴相互接触形成支撑和阻挡部位，短轴部位相对应形成间隙，在传热管束中形成网状流道。实现整个换热装置中的变空间紊流换热；将旋风机通过焊接方式加入换热装置中，实现废热回收前的脱尘处理。

为方便换热管与管板的装配，螺旋扭曲管两端在冷轧过程中保持圆形，且传热管束和管箱整体进行热浸锌处理，能显著提高其壳侧和管内的抗腐蚀和抗诱导振动性能。管束芯体换热管的椭圆形横截面长轴相互平行，实现其自支撑结构。

所述传热管束采用长短轴比例为0.6--1的螺旋扭曲管。

每隔至少1/6倍的扭矩，传热管束进行整体捆扎。

所述旋风机与变空间紊流换热装置合为一体，所述变空间紊流换热装置由管箱、传热管束、导流筒组成。既减少了旋风分离脱尘的流程，又强化了烟气的传热效率，使脱尘与废热回收节能一体化。

本发明主要由惯性力旋风分离脱尘系统和高效节能的变空间紊流换热器两部分组成，并通过以下技术方案实现的：首先利用旋风机将高温烟气导入装置中，高温烟气在压力的装用下，沿导流筒向下旋转流动。在此过程中，高温烟气中的尘埃在惯性力的作用下沿筒壁向下滑落，从而达到除尘的目的；另外，经过脱尘的高温烟气在引力的作用下沿变空间紊流换热器壳侧的螺旋形通道向上流动，与在换热管内介质通过管壁交换热量，实现高温烟气的废热回收。

另外，连续的螺旋线和变径部分的支撑减小了管子间的跨距，使得管子的固有频率避开了流体的激振频率，避免了因共振引起的破损。从而延长了设备的寿命，降低了维修费用。由于流体的有效冲刷，也减少了污垢的沉积，使废热回收装置长期运行在高效状态，达到了节能的目的。

本发明侧重壳程的低流阻节能特性，研究壳程传热强化机理，实现废热回收换热设备的高效率。项目所述传热管的螺旋变形换热器，管程和壳程都具有很好的传热效果，管内流体能形成强烈的螺旋流，管外流体能形成强烈的扰流，在强化传热的同时还具有很好的抗结垢的能力，同时由于换热器的自支撑几何结构形式，省去了传统换热器所需的折流板，消除传热流动死区的同时将换热器内的错流转变为纵向流，避免了传统换热器内流体对换热管的横向冲刷，有效的降低了换热器内出现的振动。高效节能的变空间紊流换热器的传热管的螺旋变形技术和传统的管壳式换热器相比具有很强的优势，具有很好的传热效率，压力降小，并且由于换热管之间的相互支撑作用能够有效的消除诱导振动，具有很好的工业应用前景。

高效脱尘废热回收节能换热装置的旋风分离脱尘系统巧妙地利用换热器壳程变空间紊流设计技术，使旋风分离脱尘和换热器壳程变流道传染合为一体，减少了旋风分离脱尘的流程，又强化了烟气的传热效率，使脱尘与废热回收节能一体化。该装置的特点，含有大量的尘埃的窑炉烟气流体在壳程内即有离心重力旋风分离脱尘，又有随传热管纵向流、压降低，阻力小，适合应用于废热回收，节约运行成本。

上述所的变空间紊流换热器利用传热管的螺旋变形技术，实现管与管之间自支撑、网格化、一体化；同时通过控制传热管的螺旋变形比例，调整管程与壳程空间比例及相应的流道面积变化。该换热器的壳程流体和管内流体是平行紊流流动，避免了传统折流板的错流和流动死区。壳程流体平行紊流流动阻力小压降低，适合应用于废热回收，节约运行成本。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：产品结构：高效脱尘废热回收节能换热装置的惯性力旋风分离脱尘系统巧妙地利用换热器壳程变空间紊流设计技术，使惯性力旋风分离脱尘和换热器壳程变流道传热合为一体，减少了离心重力旋风分离脱尘的流程，又强化了烟气的传热效率，使脱尘与废热回收节能一体化。该装置的特点，含有大量的尘埃的窑炉烟气流体在壳程内即有离心重力旋风分离脱尘，又有随传热管纵向流、压降低，阻力小，适合应用于废热回收，节约运行成本。

模具和加工工艺开发：为增强高效脱尘废热回收节能换热装置的效率及控制产品的外形尺寸，对内部传热管进行特殊加工，开发专用的变空间管模具及加工工艺，对惯性力旋风分离脱尘换热器壳程变流道系统的专用模具和及加工工艺，减少惯性力旋风分离脱尘的流程。

焊接工艺：烟气余热回收为八、九百度的高温系统，为保证在较小的空间内实施惯性力旋风分离脱尘与废热回收节能连接，通过实施提高单个零件制造精度、多点多方位预热以及特殊焊料与专用焊接台的使用，从而确保焊接质量。

附图说明

图1为本发明示意图；图2为管束芯体与壳体内径尺寸示意图；Ⅰ-扭曲管直管段与管板连接的局部图，Ⅱ-扭曲管管束整体捆扎局部图，Ⅲ-扭距S局部示意图；

图3为传热扭曲管直管段与管板连接的局部放大图；

图4为旋风脱尘机示意图；

图5为换热管按60°排列的管束芯体的局部剖视图；

图6为换热管按30°排列的管束芯体的局部剖视图；

图7为换热管按90°排列的管束芯体的局部剖视图；

图8为换热管按45°排列的管束芯体的局部剖视图；

图9为扭曲管管束整体捆扎示意图；

图10为扭距S的示意图，其中：S-扭矩；

图11为螺旋扭曲管截面的长短轴示意图，A-长轴长度，B-短轴长度；

附图标记说明：1-上封头，2-管箱，3-壳体，4-传热管束，5-传热管束，6-旋风机，7-挡灰板，8-支撑板，9-导流筒，10-支架，11-下封头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例一

请参阅图1所示，高效脱尘废热回收节能装置，包括管箱2，设置在管箱2外的壳体3，管箱2一端连接上封头1，另一端连接导流筒9的一端，导流筒9另一端接烟气入口，管箱2内设有传热管束5，传热管束5的底端设有支撑板8，在传热管束5的中下方接入旋风机6，旋风机6和支撑板8之间设有挡灰板7，与支撑板8呈一定角度，壳体3在管箱2外的底端连接有下封头11；传热管束5由螺旋扭曲管组成，螺旋扭曲管由光滑圆管经冷轧加工而成，螺旋扭曲管的横截面形状为椭圆形，周长与基圆管周长相同，螺旋扭曲管的椭圆形横截面长轴相互平行，实现其自支撑结构，相邻螺旋扭曲管长轴A相互接触形成支撑和阻挡部位，短轴B部位相对应形成间隙，在传热管束5中形成网状流道。

为方便换热管与管板的装配，螺旋扭曲管两端在冷轧过程中保持圆形，且直管段长度度要大于管板厚度2倍以上。其中，传热管束5和管箱2整体热浸锌，整体热浸锌的实现参照专利ZL201120141266.X公开的整体热浸锌防腐的自支撑管壳式换热器中的处理方法。

图2为传热管束芯体与壳体内径示意图。整体热浸锌防腐的高效节能节材自支撑传热管束5无需传统壳管式余热回收装置的折流板（支撑板）。管束芯体5在整体热浸锌处理后，可实现与管箱2、壳体3、支撑板8的合理装配，显著提高其壳程与管程抗腐蚀和抗诱导振动性能。从图中可以看出在与换热管轴线垂直的任一平面上，管束芯体换热管的椭圆形横截面长轴互相平行，相同的扭距和平行的椭圆形横截面长轴实现了传热管束5的自支撑结构。相邻螺旋扭曲管长轴相互接触形成支撑和阻挡，短轴部位相对应形成间隙，最终在所述管束中形成网状流道，此结构使得壳程流道网格化，管束芯体成为整体，能显著提高壳程结构的稳定性。图3为传热扭曲管直管段与管板连接的局部放大图，图4为旋风机的局部剖视图，图5到图8为换热管按60°、30°、90°、45°排列的管束芯体的局部剖视图。螺旋扭曲管依序排列，每相隔至少1/6倍扭矩，传热扭曲管相互接触实现自支撑，并通过整体捆扎提高其稳定性。图10显示了传热扭曲管的单个扭距S的长度，图11为螺旋扭曲管截面的长短轴示意图。

旋风机6与变空间紊流换热装置合为一体，所述变空间紊流换热装置由管箱2、传热管束5、导流筒9组成。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.高效脱尘废热回收节能装置，其特征在于：包括管箱(2)，设置在管箱（2）外的壳体（3），管箱(2)一端连接上封头(1)，另一端连接导流筒（9）的一端，导流筒（9）另一端接烟气入口，管箱(2)内设有传热管束(5)，传热管束(5)的底端设有支撑板（8），在传热管束(5)的中下方接入旋风机(6)，旋风机(6)和支撑板（8）之间设有挡灰板（7），壳体（3）在管箱（2）外的底端连接有下封头(11)；所述传热管束（5）由螺旋扭曲管组成，螺旋扭曲管由光滑圆管经冷轧加工而成，螺旋扭曲管的横截面形状为椭圆形，周长与基圆管周长相同，螺旋扭曲管的椭圆形横截面长轴相互平行，实现其自支撑结构，相邻螺旋扭曲管长轴（A）相互接触形成支撑和阻挡部位，短轴（B）部位相对应形成间隙，在传热管束(5)中形成网状流道。

2.如权利要求1所述的高效脱尘废热回收节能装置，其特征在于：所述传热管束(5)采用长短轴比例为0.6--1的螺旋扭曲管。

3.如权利要求1所述的高效脱尘废热回收节能装置，其特征在于：每隔至少1/6倍的扭矩，传热管束(5)进行整体捆扎。

4.如权利要求1所述的高效脱尘废热回收节能装置，其特征在于：螺旋扭曲管两端在冷轧过程中保持圆形，所述传热管束(5)和管箱(2)整体进行热浸锌处理。

5.如权利要求1所述的高效脱尘废热回收节能装置，其特征在于：所述旋风机（6）与变空间紊流换热装置合为一体，所述变空间紊流换热装置由管箱（2）、传热管束（5）、导流筒（9）组成。

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