CN103776279A - 用于尿素热解工艺的高温烟气换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于尿素热解工艺的高温烟气换热器，采用管壳式换热结构，包括壳体、设置在壳体内的换热管管束、设置在壳体上的壳程进出口，其特征在于：换热管管束采用立式布置，在壳体上、下端与换热管管束连通设置有上管箱和下管箱，在上管板上设置有隔热结构，各换热管上端穿过所述隔热结构，与上管箱连通。本发明的高温换热器采用立式结构，通过在上管板上设置隔热层，能够降低高温对上管板的冲击，从而可以应用于高温烟气换热。

Description

用于尿素热解工艺的高温烟气换热器

技术领域

本发明涉及一种高温换热器，具体涉及一种用于尿素热解工艺的利用高温烟气的换热器。

背景技术

烟气中的氮氧化物是主要的大气污染物之一。为去除烟气中的氮氧化物，通常采用的方法是，在350～600度温度下，以氨水作为还原剂，在催化剂作用下，烟气中的氮氧化物发生还原反应产生氮气和水。其中，还原剂氨水通常采用尿素热解工艺制备。常规的尿素热解工艺采用天然气、燃油后的烟气或电能加热空气来热解尿素，能耗大，运行成本高。

为了利用烟气中的热量，降低能耗，中国实用新型专利CN202609955U公开了一种脱硝用尿素热解制氨工艺装置，包括：风机、风管、空气流量调节门、吹灰器、换热器、烟气流量调节门、烟气管道、尿素喷枪、热解室、引风机、烟囱、锅炉；尿素溶液进入到尿素热解室，被加热分解成氨气；在尿素热解室内用于加热尿素溶液的热源是利用锅炉内的高温热烟气通过换热器进行热量交换后加热的空气；锅炉内的热烟气经过烟气管道和烟气流量调节门进入换热器，与换热器内的空气换热，换热后的烟气进入引风机入口；锅炉风机出口的空气经过风管和空气流量调节门进入换热器，被烟气加热后送入分解室作为尿素热解热源使用。

然而，火力发电厂锅炉炉膛内的烟气温度可达800度以上，因此，需要寻求可适用于该烟气温度的高温换热器。而现有的高温换热器绝大部分采用卧式布局，从CN202609955U公开的附图看，虽然该技术方案中未具体提及换热器的结构，但是，图中高温烟气是水平方向进入换热器的，即该换热器很有可能是卧式布局。由于电厂产生的高温烟气中带有大量粉尘，会积累在换热器的换热管壁上，该方案虽然在换热器的烟气侧设置了吹灰器，试图使用吹灰器来清除附着在换热器上的粉尘，但实际使用效果不佳。

解决上述问题的一种考虑是采用立式的换热器，然而，在高温换热器中，由于换热量大，换热管长度长，换热管芯整体重量大，当采用立式布局时，支承难度大，容易造成换热管与管板间开裂等各种问题。因此，现有的高温换热器基本上是卧式的，少量的立式换热器也是采用两段U形结构等方式来缩短换热器的长度，减少管板受力，但是，这种利用管箱连接的U形结构同样不能适用于高温烟气换热。

因此，迫切需要一种能用于高温烟气换热的新的高温换热器。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种用于尿素热解工艺的高温烟气换热器，解决现有技术中换热器易积灰、易损坏的问题。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种用于尿素热解工艺的高温烟气换热器，采用管壳式换热结构，包括壳体、设置在壳体内的换热管管束、设置在壳体上的壳程进出口，换热管管束采用立式布置，在壳体上、下端与换热管管束连通设置有上管箱和下管箱，在上管板上设置有隔热结构，各换热管上端穿过所述隔热结构，与上管箱连通。

上述技术方案中，通过采用立式布置，高温烟气在管程中自上而下流动，空气在壳程中流动，与高温烟气换热，从而高温烟气中的粉尘不易积聚在换热管上，保证了换热效率；在上管板上设置隔热结构，进入上管箱的高温烟气不会直接冲击在上管板上，避免了上管板的急剧温升，减少上管板与换热管管束间的应力。

上述技术方案中，所述隔热结构的厚度为30～300毫米，由单层或多层隔热层构成。

优选的技术方案，所述隔热结构由2层隔热层构成，下层为陶瓷纤维填充层，上层为耐火材料浇注层。

优选的技术方案，在上管箱和下管箱上分别固定连接有挂耳；所述壳体上设有壳体膨胀节，所述上管板与设置在上管箱上的挂耳之间设有第一膨胀节。

与换热器配合，可以设置支架，换热器通过挂耳挂接到支架上，配合膨胀节的设置，使换热器获得有效支承，并易于吸收温度变化导致的应力。挂耳的设置应使换热器能均匀受力，优选地，所述挂耳设置在管箱相对的两侧，每侧至少设置2个挂耳。

其中，将第一膨胀节设置在上管板和上管箱之间更易于实现。根据需要，可以在各进出口的连接管上设置膨胀节。例如，在上管箱和上封头之间、下管箱上、壳程进口接管上、壳程出口接管上分别设置膨胀节，以吸收外界接管变化导致的应力冲击。

进一步技术方案，所述下管板下方设有下管板支承结构。由于换热管管束重量大，导致下管板承重大，是换热器损坏的一个重要因素，通过设置下管板支承结构，分散下管板的受力，可以有效避免下管板受力弯曲、下管板与换热管间脱离等问题，延长换热器的使用寿命。所述下管板支承结构可以为田字形支承、条状支承或点式支承。

进一步的技术方案，所述上管箱内侧和上封头内侧设有保温层。

上述技术方案中，所述上管板与换热管之间采用胀接结构连接。可以是强度胀，也可以是贴胀。由于高温烟气进入换热器时，在整个换热管管束中的分布和流速不均匀，会导致换热管管束中位于中央的换热管和位于外侧的换热管的膨胀程度不同，因此，如果采用常规的焊接连接，换热管和管板连接处易产生开裂问题；而采用胀接结构，当高温烟气进入时，温度可能达到750℃以上，金属材料达到流变状态，可以吸收换热管温差导致的应力。

上述技术方案中，所述壳程进出口位于壳体的同一侧，下方为壳程进口，上方为壳程出口，所述换热管管束的中部设有折流板，折流板在远离壳程进出口一侧与壳体间存在空间，构成流体通道。

或者，壳程进口与壳程出口位于壳体的两侧，所述换热管管束上设有两组折流板，壳程进口位于下折流板下方，壳程出口位于上折流板上方，下折流板在远离壳程进口一侧与壳体间存在空间，上折流板在靠近壳程进口一侧存在空间，构成两次折弯的流体通道。

本发明同时提供一种脱硝用尿素热解制氨装置，包括烟气运行管路、空气运行管路、尿素热解炉，设有换热器，所述烟气运行管路与空气运行管路在换热器处进行热量交换，加热后的空气进入尿素热解炉作为尿素热解热源，所述换热器为上述高温烟气换热器，所述烟气运行管路连通高温烟气换热器的管程，所述空气运行管路连通高温烟气换热器的壳程。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明的高温换热器采用立式结构，通过在上管板上设置隔热层，能够降低高温对上管板的冲击，从而可以应用于高温烟气换热。

2、通过设置挂耳结构、下管板支承结构，使得换热器承重分布合理，延长了使用寿命。

3、通过设置多个膨胀节，保证了在热胀冷缩时，换热器各部分件有足够的相对运动空间，避免了各连接处的开裂问题。

4、本发明中，换热管管束与上管板间采用胀接结构连接，从而，通过壳体膨胀节和第一膨胀节的配合吸收换热管管束的整体变形，由胀接结构吸收内外侧换热管管束间的相对变形，保证了在高温烟气冲击下换热管管束与上管板之间的稳定连接。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图；

图2是图1的俯视图（去除上封头和上管箱）；

图3是实施例一中安装在支架上的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见图1和图2所示，一种用于尿素热解工艺的高温烟气换热器，采用管壳式换热结构，包括壳体1、设置在壳体1内的换热管管束2、设置在壳体1上的壳程进口11和壳程出口12，换热管管束2采用立式布置，在壳体1上、下端与换热管管束2连通设置有上管箱3和下管箱4，在上管板31上设置有隔热结构5，各换热管上端穿过所述隔热结构5，与上管箱3连通。上管箱3内侧和上封头32内侧设有保温层。所述壳程进出口位于壳体1的同一侧，下方为壳程进口11，上方为壳程出口12，所述换热管管束2的中部设有折流板21，折流板21在远离壳程进出口一侧与壳体1间存在空间，构成流体通道。所述上管板与换热管之间采用强度胀结构连接。

本实施例中，所述上管板31及换热管束2均采用耐热不锈钢（如310S材质），从而提高高温烟气换热器耐高温性能。隔热结构5的厚度为200毫米，分为两层，下层（靠管板侧）为陶瓷纤维填充层，厚150毫米，上层（表层）为耐火材料浇注层，厚50毫米。陶瓷纤维和耐火材料填充在上管板31上平面的管桥之间，将其填实后起到隔热作用，克服了上管板长期处在高温烟气直接烘烤下导致变形、开裂等问题。根据情况，隔热结构也可以采用单层或更多层，厚度以能够承受高温烟气烘烤为宜，采用多层结构时，各层填充不同材料，可以起到复合隔热的作用。

本实施例中，在壳体1的下端近下管板41处设置壳体膨胀节61，在上管板31与上管箱3之间设有第一膨胀节62，在下管箱40上设有第二膨胀节63，将下管箱分成两段。通过膨胀节的设置，吸收热胀冷缩时产生的应力。根据需要，可以在上管箱3和上封头32之间加设管箱封头膨胀节64，在壳程进口接管111和出口接管121上分别加设壳程进口接管膨胀节65和壳程出口接管膨胀节66。

为了保证下管板的承重能力，所述下管板41下侧设有下管板支承结构71。所述下管板支承结构71为田字形支承、条状支承或点式支承。

本实施例的安装采用悬挂方式。在上管箱3和下管箱4上分别固定连接有挂耳8，所述挂耳8设置在管箱相对的两侧，每侧至少设置2个挂耳。制作时，可以在上管箱和下管箱上设置一圈环向筋72，挂耳焊接在环向筋上。参见附图3所示，与换热器配合，设置支架9，换热器通过挂耳8挂接到支架9上，配合膨胀节的设置，使换热器有效支承，并易于吸收温度变化导致的应力。

本实施例通过采用立式布置，高温烟气在管程中自上而下流动，空气在壳程中流动，与高温烟气换热，从而高温烟气中的粉尘不易积聚在换热管上，保证了换热效率；在上管板上设置隔热结构，进入上管箱的高温烟气不会直接冲击在上管板上，避免了上管板的急剧温升，从而提高上管板刚度，减少上管板与换热管管束间的应力。试验表明，本实施例的换热器在用于电厂高温烟气换热时，工作状态稳定，未发生换热管管束拉脱与管板开裂等问题。

实施例二：一种脱硝用尿素热解制氨装置，包括烟气运行管路、空气运行管路、尿素热解室，设有换热器，所述烟气运行管路内的高温烟气与空气运行管路内的空气在换热器处进行热量交换，加热后的空气进入尿素热解室作为尿素热解热源，其中，所述换热器采用实施例一的高温烟气换热器，所述烟气运行管路连通高温烟气换热器的管程，所述空气运行管路连通高温烟气换热器的壳程。

根据需要，在空气运行管路中设置风机、风管、空气流量调节门；在烟气运行管路中设置烟气流量调节门、烟气管道、引风机；在尿素热解室中设置尿素喷枪。尿素溶液进入到尿素热解室，被加热分解成氨气；在尿素热解室内用于加热尿素溶液的热源是利用锅炉内的高温热烟气通过换热器进行热量交换后加热的空气；锅炉内的热烟气经过烟气管道和烟气流量调节门进入换热器，与换热器内的空气换热，换热后的烟气进入引风机入口；锅炉风机出口的空气经过风管和空气流量调节门进入换热器，被烟气加热后送入分解室作为尿素热解热源使用。

实施例三：一种用于尿素热解工艺的高温烟气换热器，采用管壳式换热结构，包括壳体、设置在壳体内的换热管管束、设置在壳体上的壳程进出口，换热管管束采用立式布置，在壳体上、下端与换热管管束连通设置有上管箱和下管箱，在上管板上设置有隔热结构，各换热管上端穿过所述隔热结构，与上管箱连通。上管箱内侧和上封头内侧设有保温层。

本实施例中，壳程进口与壳程出口位于壳体的两侧，所述换热管管束上设有两组折流板，壳程进口位于下折流板下方，壳程出口位于上折流板上方，下折流板在远离壳程进口一侧与壳体间存在空间，上折流板在靠近壳程进口一侧存在空间，构成两次折弯的流体通道。所述上管板与换热管之间采用贴胀结构连接。

本实施例中，在上管箱和下管箱上分别固定连接有挂耳，所述挂耳设置在管箱相对的两侧，每侧至少设置2个挂耳。与换热器配合，设置有支架，换热器通过挂耳挂接到支架上。

所述壳体上设有壳体膨胀节，所述上管板与设置在上管箱上的挂耳之间设有第一膨胀节；在上管箱和上封头之间、下管箱上、壳程进口接管上、壳程出口接管上分别设置膨胀节，以吸收外界接管变化导致的应力冲击。

Claims (10)

1. 一种用于尿素热解工艺的高温烟气换热器，采用管壳式换热结构，包括壳体、设置在壳体内的换热管管束、设置在壳体上的壳程进出口，其特征在于：换热管管束采用立式布置，在壳体上、下端与换热管管束连通设置有上管箱和下管箱，在上管板上设置有隔热结构，各换热管上端穿过所述隔热结构，与上管箱连通。

2. 根据权利要求1所述的用于尿素热解工艺的高温烟气换热器，其特征在于：所述隔热结构的厚度为30～300毫米，由单层或多层隔热层构成。

3. 根据权利要求1所述的用于尿素热解工艺的高温烟气换热器，其特征在于：所述隔热结构由2层隔热层构成，下层为陶瓷纤维填充层，上层为耐火材料浇注层。

4. 根据权利要求1所述的用于尿素热解工艺的高温烟气换热器，其特征在于：在上管箱和下管箱上分别固定连接有挂耳；所述壳体上设有壳体膨胀节，所述上管板与设置在上管箱上的挂耳之间设有第一膨胀节。

5. 根据权利要求1所述的用于尿素热解工艺的高温烟气换热器，其特征在于：所述下管板下方设有下管板支承结构。

6. 根据权利要求1所述的用于尿素热解工艺的高温烟气换热器，其特征在于：所述上管箱内侧和上封头内侧设有保温层。

7. 根据权利要求1所述的用于尿素热解工艺的高温烟气换热器，其特征在于：所述上管板与换热管之间采用胀接结构连接。

8. 根据权利要求1所述的用于尿素热解工艺的高温烟气换热器，其特征在于：所述壳程进出口位于壳体的同一侧，下方为壳程进口，上方为壳程出口，所述换热管管束的中部设有折流板，折流板在远离壳程进出口一侧与壳体间存在空间，构成流体通道。

9. 根据权利要求1所述的用于尿素热解工艺的高温烟气换热器，其特征在于：壳程进口与壳程出口位于壳体的两侧，所述换热管管束上设有两组折流板，壳程进口位于下折流板下方，壳程出口位于上折流板上方，下折流板在远离壳程进口一侧与壳体间存在空间，上折流板在靠近壳程进口一侧存在空间，构成两次折弯的流体通道。

10. 一种脱硝用尿素热解制氨装置，包括烟气运行管路、空气运行管路、尿素热解炉，设有换热器，所述烟气运行管路与空气运行管路在换热器处进行热量交换，加热后的空气进入尿素热解炉作为尿素热解热源，其特征在于：所述换热器为权利要求1至9中任一高温烟气换热器，所述烟气运行管路连通高温烟气换热器的管程，所述空气运行管路连通高温烟气换热器的壳程。

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