CN103982886A - 局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开的局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，包括有呈上、下设置的锅筒及管壳式蒸发换热器，锅筒及管壳式蒸发换热器均呈卧式布置，锅筒及管壳式蒸发换热器之间分别通过上升管组、下降管组连接，锅筒还通过高温高压水管与所述管壳式蒸发换热器上的进水接口连接，高压水管上设置有高温高压水泵。本发明的局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉具有循环倍率小、高效节能、使用寿命长的特点，且占地面积小便于现场安装、原设施改造，能合理利用化工领域的高温烟气余热。

Description

局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉

技术领域

本发明属于高温烟气余热利用设备技术领域，具体涉及一种局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉。

背景技术

从各种工艺设备排出的高温烟气是一种开发潜力巨大的能量来源，例如：冶金炉、加热炉、工业窑炉、燃料气化装置等，都有大量高达1000℃的烟气排出。目前我国尚有大量的高温余热未被完全开发，甚至有一部分完全未被开发。

目前，由于高温余热蒸汽锅炉管程高温烟气温度高，流量大，高温气体直接冲刷换热管与管板焊缝，易导致换热管束与管板连接接头出现高温氧化和开裂泄漏，从而降低其使用寿命短。究其根本，换热管束与管板连接接头部位的物理、化学、力学环境等外因通过材料、结构和工艺等内因的协同作用是导致其开裂泄漏的关键原因。而由于余热设备的循环倍率过小，所导致的换热管外汽水混合物流动不畅，汽泡滞留于管壁和换热管与管板的连接处等现象，诱发了换热管束的传热恶化，从而增加了换热管束与管板连接处的热负荷，加剧了其环境的恶劣程度，更增加了出现裂纹和高温腐蚀的可能性，最终缩短余热设备的使用寿命。

目前，市场在用的高温余热蒸汽锅炉，其小循环倍率条件下的使用周期最短只有一年左右，而最长的也需要两年一次大修。

发明内容

本发明的目的在于提供一种局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，不仅具有局部射流、循环倍率小、使用寿命长的特点，而且占地面积小便于现场安装、能合理利用化工领域的高温烟气余热。

本发明所采用的技术方案是，局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，包括有呈上、下设置的锅筒及管壳式蒸发换热器，锅筒及管壳式蒸发换热器均呈卧式布置，锅筒分别通过上升管组、下降管组与所述管壳式蒸发换热器连接，锅筒通过高温高压水管与管壳式蒸发换热器上的进水接口连接，高压水管上设置有高温高压水泵。

本发明的特点还在于：

管壳式蒸发换热器，包括有管式壳体，管式壳体的两端分别焊接有前管板、后管板，管式壳体内水平设置有换热管束，换热管束的两端分别与所述前管板、后管板焊接；管式壳体内的侧壁上设置有均流布水板；管式壳体的外壁上开有多个下降管连接孔，多个下降管连接孔位于同一水平直线上；管式壳体上还分别设置有排污管接口及进水接口，管式壳体的下部分别设置于支架鞍座上；锅筒，包括有锅筒本体，锅筒本体内设置有汽水分离器，锅筒本体上分别设置有安全阀、蒸汽管接口及进水管接口，锅筒本体一侧设置有人孔。

换热管束由多根平行设置的换热管组成；多根换热管呈多行多列设置，多根换热管采用沿垂直方向上自下而上由密到疏排列，直至换热管布满管式壳体的内部空间；相邻的两行换热管之间靠近前管板处设置有水隔板。

换热管均采用螺纹烟管或波节管。

水隔板，包括有水隔板本体，所述水隔板本体上设置有若干个小孔。

均流布水板(15)由钢板弯折成曲面；

均流布水板焊接于壳体内壁上，且均流布水板位于多个下降管连接孔的上方。

上升管组的上端以插入式焊接于锅筒的正下端，上升管组的下端和管式壳体的正上端内壁齐平焊接；下降管组的上端与锅筒的正下端内壁齐平焊接，下降管组的下端齐平焊接于管式壳体低于均流布水板的侧下方内壁或正下方内壁；上升管组与下降管组相间排布。

上升管组由多根管径不同的管道组成，上升管组的管道内设置有液位计。

多根管道采用沿烟气流动方向，管径逐渐变小，管道间距依次增大的方式排布。

下降管组由多根弯曲管道组成。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉内设置有均流布水板，以均匀下降管出水，并将其引导至管壳式蒸发换热器的下方，改善壳侧工质流动场的均匀性，减少汽水混合物流动阻力，提高其冲刷换热管束的速度，防止汽泡于壁面滞留而引起的传热恶化，保证设备具有较长的使用寿命。

(2)本发明的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉内布满换热管束，以保证壳体内无汽空间，致使设备结构紧凑，占地面积及体积空间缩小，具有良好的换热条件保证换热管束与管板连接处具有较低热负荷，从而延长设备的使用寿命。

(3)本发明的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉内，换热管采用螺旋烟管或波节管，增强管束换热性能，增大其换热面积，从而缩小设备的占地面积及体积空间；另外，增加管壳式蒸发换热器壳侧汽水混合物在壁面的扰动，减少汽泡滞留的可能性。

(4)本发明的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉内，换热管束采用沿垂直向上方向由密到疏、管间距逐渐变大、管与壳体间距逐渐变大的排布方式，形成与壳侧汽水混合物的含汽率相匹配的流动截面积，保证其顺畅均匀地冲刷换热管束，防止汽泡滞留而产生的传热恶化，延长设备的使用寿命。

(5)本发明的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，其上升管组采取与管内高温烟气温度相对应的变管径、变管间距排布方式，以符合管壳式蒸发换热器的壳侧汽水混合物沿烟气流动方向含汽率由大减小的分布规律，从而保证每根上升管的出口截面含汽率一致，致使锅筒内工质在设备具有较小循环倍率时也能流动均匀、稳定、顺畅，以杜绝传热恶化现象的发生。

(6)本发明的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，其上升管组的下端和锅壳正上端内壁平齐焊接，上升管组的上端与锅筒正下端插入式焊接，以此有效引导上升管组出口气相工质的上升流动，彻底避免下降管出现气相携带的情况，保证壳侧工质的汽液分布场均匀、稳定。

(7)本发明的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，其下降管组的上端设置于锅筒正下方，以避免下降管组出现气相携带的情况，并增大下降管组进出口截面压差，增强壳侧工质内循环动力。

(8)本发明的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，其上升管组与下降管组相间布置；由于壳侧汽水混合物沿烟气流动方向具有密度差，其动力场不仅含有径向速度，也有轴向速度，该布置方式符合蒸发换热器壳侧工质动力场分布规律，致使下降管出口工质与壳侧工质动力场协同，保证锅炉壳侧工质循环顺畅、均匀。

(9)本发明的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，在烟气进口部位设有前管板和水隔板组成窄缝隙空间，并由高温高压水泵提供水循环动力，强制提高工质流速，在易出现管板裂纹的前管板和换热管束连接处形成局部射流，彻底杜绝汽泡停留，大幅提高换热系数，可有效保障设备安全，增加其使用寿命。

附图说明

图1是本发明局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉的结构示意图；

图2是图1的A-A向剖视图；

图3是本发明局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉中水隔板的结构示意图；

图4是本发明局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉连接高温高压水泵的结构示意图。

图中，1.管壳式蒸发换热器，2.前管板，3.水隔板，4.锅筒，5.安全阀，6.上升管组，7.蒸汽管接口，8.下降管组，9.液位计，10.人孔，11.排污管接口，12.支架鞍座，13.汽水分离器，14.进水管接口，15.均流布水板，16.壳体，17.换热管束，18.进水接口，19.高温高压水泵，20.后管板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，其结构如图1所示，包括有呈上、下设置的锅筒4及管壳式蒸发换热器1，锅筒4及管壳式蒸发换热器1均呈卧式布置，锅筒4及管壳式蒸发换热器1之间分别通过上升管组6、下降管组8连接，锅筒4通过高温高压水管与壳式蒸发换热器1上的进水接口18连接，高压水管上设置有高温高压水泵19。

管壳式蒸发换热器1，如图1所示，包括有管式壳体16，管式壳体16的两端分别焊接有前管板2、后管板20，管式壳体16内水平设置有换热管束7，换热管束7的两端分别与前管板2、后管板20焊接；如图2所示，管式壳体16内的侧壁上设置有均流布水板15，管式壳体16的外壁上开有多个下降管连接孔，多个下降管连接孔位于同一水平直线上；管式壳体16的下部设置于支架鞍座12上，管式壳体16上还分别设置有排污管接口11及进水接口18。

换热管束7由多根平行设置的换热管组成，多根换热管呈多行多列设置，如图2所示，多根换热管采用沿垂直方向上自下而上由密到疏排列，即沿垂直方向上自下而上相邻两行换热管之间的间距依次变大的排布方式，直至换热管布满管式壳体16的内部空间。相邻的两行换热管之间靠近前管板2处设置有水隔板3；水隔板3，其结构如图3所示，包括有水隔板本体，水隔板本体上设置有若干个小孔。

换热管束7内的换热管均采用螺纹烟管或波节管。

管壳式蒸发换热器1内的均流布水板15由钢板弯折成曲面，均流布水板15焊接于壳体16内壁上，且均流布水板15位于多个下降管连接孔的上方。

支架鞍座12用于支撑管壳式蒸发换热器1，将支架鞍座12设置两个，且两个支架鞍座12呈左、右对称设置，排污管接口11及进水接口18分别对称的设置于两个支架鞍座12的两侧。

锅筒4，如图1及图2所示，包括有锅筒本体，所述锅筒本体内设置有汽水分离器13，锅筒本体上分别设置有安全阀5、蒸汽管接口7、进水管接口1，锅筒本体一侧设置有人孔10。

锅筒4分别通过上升管组6及下降管组8与管壳式蒸发换热器1焊接，具体焊接方式为：上升管组6的上端以插入式焊接于锅筒4的正下端，上升管组6的下端和管式壳体16的正上端内壁齐平焊接，上升管组6由多根管径不同的管道组成，上升管组6内的多根管道采用沿烟气流动方向，管径逐渐变小，管道间距依次增大的方式排布；下降管组8的上端与锅筒4的正下端内壁齐平焊接，下降管组8的下端齐平焊接于管式壳体16低于均流布水器15的侧下方内壁或正下方内壁，下降管组8由多根弯曲管道组成；上升管组6与下降管组8相间排布。

本发明局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉中，将锅筒4还通过高温高压水管与管壳式蒸发换热器1上的进水接口18连接，高压水管上设置有高温高压水泵19，设置这一部件的目的在于：对于烟气具有较高热负荷时，开启高温高压水泵，将锅筒4饱和水增压后有进水接口18射入管壳式蒸发器1的下端，将前管板2周围的水循环方式由自然循环改变为强制循环，以此加强换热管束7与前管板2连接处的换热，从而达到延长设备寿命的目的。

本发明局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉中，换热管束7内的多根换热管可采用管径相同的换热管，也可以采用Φ48、Φ45、Φ42、Φ38、Φ32等不同管径的换热管，以及依次增大换热管间节距(如图2所示)，形成与壳侧汽水混合物的含汽率相匹配的流动截面积，保证其顺畅均匀地冲刷换热管束，以适应上方换热管排随着工质含汽率增大所带来的工质流速降低，汽泡滞留于金属壁面、传热能力降低，易于发生水垢沾污等不良状况，提高换热管束7传热的有效性，延长设备的使用寿命。

如图1所示，上升管组6由多根(图1中设置有3根)管径不同的管道组成，上升管组6的上端插入式焊接于锅筒4的正下端，上升管组6的下端和壳体16的正上端内壁齐平焊接，并采用沿烟气流动方向，管径逐渐变小，管间距依次增大的方式排布；依次采用Φ273、Φ159、Φ108不同管径的管道，以符合管壳式蒸发换热器的壳侧汽水混合物沿烟气流动方向含汽率由大减小的分布规律，从而保证上升管组6内每根管道的出口截面含汽率一致，致使锅筒内工质在设备具有较小循环倍率时也能流动均匀、稳定、顺畅，以杜绝传热恶化现象的发生。

如图1所示，下降管组8由多根(图1中设置有3根)弯曲管道组成，下降管组8的上端和锅筒4的正下端内壁齐平焊接，下降管组8的下端齐平焊接在壳体16内壁低于均流布水器15的侧下方的内壁或正下方的内壁，下降管组8与上升管组6相间排布。

如图4及图1所示，设置有高温高压水泵19(图4中设置有1台)，将锅筒4中的饱和水抽出(图4中的抽水部位为锅筒4的最下端)并强制由进水接口18(图1中设置1个，也可多个)射入管壳式蒸发换热器1，在前管板2与水隔板3之间形成局部射流。

本发明局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉的工作原理为：高温余热烟气由管壳式蒸发换热器1的前管板2进入换热管束7，沿程加热壳体16内接近饱和的锅炉水，烟气流经后管板18排出；锅炉给水流经进水管接口14进入锅筒4内，后经下降管组8流入均流布水器15并进入管壳式蒸发换热器1进行加热蒸发，壳体16内的汽水混合物再经上升管组6流入锅筒4内，通过锅筒4内的汽水分离器13得到含水及杂质少的饱和蒸汽，循环动力主要由锅筒4的高位系统和汽水密度差提供，如此循环达到管壳式高温余热锅炉的安全运行。

为了保证在小循环倍率条件下能够安全高效长周期运行，本发明主要采取以下几个措施：

(1)上升管组6的上端插入式焊接于锅筒4的正下端，下降管组8上端与锅筒4正下端内壁齐平焊接，上升管组6与下降管组8相间排布，彻底避免下降管出现气相携带的情况，保证壳侧汽水混合物循环顺畅且具有均匀、稳定的汽液分布场。

(2)上升管组6采取与管内高温烟气温度相对应的变管径、变管间距排布方式，以符合管壳式蒸发换热器1的壳侧汽水混合物沿烟气流动方向含汽率由大减小的分布规律，保证上升管组6内的每根管道的出口截面含汽率一致，杜绝上升管组6的进口出现汽泡滞留现象，保证壳侧工质循环顺畅稳定进行。

(3)换热管束7采用沿垂直向上方向由密到疏、换热管间距逐渐变大、换热管与壳体16间距逐渐变大的排布方式，形成与壳侧汽水混合物的含汽率相匹配的流动截面积，使壳侧汽水混合物流动阻力减小，流速提高，保证金属壁面换热顺畅。

(4)运用高温高压水泵19提供水循环动力，强制提高工质流速，在易出现管板裂纹的前管板和换热管束连接处形成局部射流，彻底杜绝汽泡停留，大幅提高换热系数，可有效保障设备安全，增加其使用寿命。

综合以上四点措施，科学合理调整装置壳侧工质的循环动力场，本发明能做到小循环倍率条件下壳侧工质循环顺畅，避免汽泡滞留于金属壁面所引发的传热恶化，有效防控换热管束与管板连接接头出现开裂泄漏，保证其安全高效长周期运行，并兼具占地面积小便于现场安装、原设施改造等诸多优点。

Claims (10)

1.局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，其特征在于，包括有呈上、下设置的锅筒(4)及管壳式蒸发换热器(1)，所述锅筒(4)及管壳式蒸发换热器(1)均呈卧式布置，所述锅筒(4)分别通过上升管组(6)、下降管组(8)与所述管壳式蒸发换热器(1)连接，所述锅筒(4)通过高温高压水管与所述管壳式蒸发换热器(1)上的进水接口(18)连接，所述高压水管上设置有高温高压水泵(19)。

2.根据权利要求1所述的局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，其特征在于，所述管壳式蒸发换热器(1)，包括有管式壳体(16)，所述管式壳体(16)的两端分别焊接有前管板(2)、后管板(20)，所述管式壳体(16)内水平设置有换热管束(7)，所述换热管束(7)的两端分别与所述前管板(2)、后管板(20)焊接；

所述管式壳体(16)内的侧壁上设置有均流布水板(15)；

所述管式壳体(16)的外壁上开有多个下降管连接孔，多个下降管连接孔位于同一水平直线上；

所述管式壳体(16)上还分别设置有排污管接口(11)及进水接口(18)，所述管式壳体(16)的下部分别设置于支架鞍座(12)上；

所述锅筒(4)，包括有锅筒本体，所述锅筒本体内设置有汽水分离器(13)，所述锅筒本体上分别设置有安全阀(5)、蒸汽管接口(7)及进水管接口(14)，所述锅筒本体一侧设置有人孔(10)。

3.根据权利要求2所述的局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，其特征在于，所述换热管束(7)由多根平行设置的换热管组成；

多根换热管呈多行多列设置，多根换热管采用沿垂直方向上自下而上由密到疏排列，直至换热管布满管式壳体(16)的内部空间；

相邻的两行换热管之间靠近前管板(2)处设置有水隔板(3)。

4.根据权利要求3所述的局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，其特征在于，所述换热管均采用螺纹烟管或波节管。

5.根据权利要求3所述的局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，其特征在于，所述水隔板(3)，包括有水隔板本体，所述水隔板本体上设置有若干个小孔。

6.根据权利要求2所述的局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，其特征在于，所述均流布水板(15)由钢板弯折成曲面；

所述均流布水板(15)焊接于所述壳体(16)内壁上，且所述均流布水板(15)位于多个下降管连接孔的上方。

7.根据权利要求1所述的局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，其特征在于，所述上升管组(6)的上端以插入式焊接于锅筒(4)的正下端，所述上升管组(6)的下端和管式壳体(16)的正上端内壁齐平焊接；

所述下降管组(8)的上端与所述锅筒(4)的正下端内壁齐平焊接，所述下降管组(8)的下端齐平焊接于管式壳体(16)低于均流布水板(15)的侧下方内壁或正下方内壁；

所述上升管组(6)与下降管组(8)相间排布。

8.根据权利要求1或7所述的局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，其特征在于，所述上升管组(6)由多根管径不同的管道组成，所述上升管组(6)的管道内设置有液位计(9)。

9.根据权利要求8所述的局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，其特征在于，所述多根管道采用沿烟气流动方向，管径逐渐变小，管道间距依次增大的方式排布。

10.根据权利要求1或7所述的局部射流的小循环倍率管壳式高温余热蒸汽锅炉，其特征在于，所述下降管组(8)由多根弯曲管道组成。