CN104412060A - 具有增强的耐腐蚀性的换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于在焚化厂(2)中加热流体(26)的换热器(32)，焚化厂(2)在操作中产生烟道气(34)，换热器包括至少一个换热器部件(40)，该换热器部件包括壁，该壁具有与流体(26)相接触的第一侧部(46)和与烟道气(34)相接触的第二侧部(48)，第二侧部(48)设置有保护性氧化物(50)，以用于保护换热器部件(40)免受由被携带或者包含在烟道气(34)中的腐蚀性化合物引起的腐蚀，其中保护性氧化物(50)包括α-Al2O3。还提供了一种用于形成氧化皮(50)的方法，该氧化皮用于保护换热器部件(40)免受由被携带或者包含在烟道气(34)中的腐蚀性化合物引起的腐蚀。

Description

具有增强的耐腐蚀性的换热器
技术领域
本发明涉及一种用于在焚化厂中加热流体的换热器。这种换热器包括至少一个换热器部件，所述换热器部件因设置在换热器部件上的氧化皮而具有增强的耐腐蚀性。
背景技术
在焚化处理的领域中，用于将热量从烟道气传输到流体以加热流体的换热器是已知的。换热器的一种用途是加热来自锅炉的饱和蒸汽，以用于将饱和蒸汽转变成干蒸汽(也称作过热蒸汽)，所述干蒸汽更适于例如在发电过程中使用。干蒸汽例如用于驱动发电厂中的汽轮机。
换热器通常包括大量的换热器部件，每个换热器部件均具有壁，所述壁的第一侧部与待加热的流体相接触，而壁的第二侧部与加热介质相接触，所述加热介质在焚化处理中通常是由焚化处理产生的烟道气。换热器部件可以是如板式换热器中的板，但是替代地也可以被成型为管，管壁的内侧部和外侧部限定换热器部件的第一侧部和第二侧部。为了在焚化厂中生产过热蒸汽以用于发电，换热器通常包括多个管状的单独换热器部件，所述管状的单独换热器部件也被称作过热器管，蒸汽顺次通过所述过热器管。换热器位于烟道气的通道中，使得换热器部件被烟道气加热，由此热量通过换热器部件的壁以加热位于换热器部件中的蒸汽。
不同的焚化处理燃烧不同的燃料。普通的发电焚化厂燃烧废物。废物可以是家庭废物和/或其它类型的废物(诸如，工业废物等)。这种焚化厂也被称作废物发电焚化厂。
一个与焚化厂中燃烧的废物的性质有关的问题是烟道气和/或携带在烟道气中的热烟灰包含有诸如氯的腐蚀性化合物，所述烟道气和/或携带在烟道气中的热烟灰或多或少取决于被燃烧的废物的确切性质。被携带在烟道气中的热烟灰凝结在换热器尤其是换热器部件或者过热器管的温度相对较低的表面上，并且在该表面上形成粘性涂覆层。存在于这个涂覆层中的氯具有高腐蚀性，并且导致换热器部件或者过热器管的金属材料严重腐蚀。
腐蚀程度取决于换热器部件的温度。在使蒸汽过热时，通过蒸汽和换热器部件之间的传热，换热器部件的温度通常比蒸汽的温度高30－50℃。蒸汽的更高温度加速了腐蚀进程，因此，为了确保换热器部件的有效寿命，必须限制待过热蒸汽的温度。然而，尤其是对于汽轮机的效率取决于蒸汽温度的发电而言，这严重地限制了焚化厂的效率。
在由主要含铁(Fe)的廉价钢制成的管用作用于使蒸汽过热的换热器部件的情况中，在过度腐蚀时的最大的蒸汽温度为大约400℃，并获得可接受的使用寿命。
用于允许蒸汽温度升高的方法包括提供这样的管，所述管由涂覆有较昂贵合金(诸如，铬镍铁合金625)的廉价钢制成。铬镍铁合金625是镍基合金，当受热和受到腐蚀时，这种镍基合金在其表面上形成氧化铬的氧化皮。利用这种方法，蒸汽温度可以为大约440℃，而同时腐蚀速度和使用寿命与采用由廉价钢制成的管在400℃时可以获得的腐蚀速度和使用寿命一样。
然而，为了将焚化厂的效率最大化，更高的蒸汽温度是理想的。
从其它技术领域已知了形成包括α-Al2O3的隔热层，见例如EP1908857A2，然而，隔热层阻止传热，因此不适合用来保护换热器部件免受腐蚀。从JP4028914A另外地已知了形成包括α-Al2O3的炉篦。然而，炉篦是水冷式的，因此当与换热器中用于使蒸汽过热的蒸汽温度相比时该炉篦仅承受低温。
涉及涂覆层或者阻隔层的其它文献包括EP2143819A1、WO2011100019A1、EP1944551A1、EP659709A1和US5118647A。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种具有增强的耐腐蚀性的换热器。
本发明的另一目的是提供一种换热器，所述换热器用于提高生产过热蒸汽的焚化厂的效率。
本发明的又一目的是提供一种用于形成氧化皮的方法，所述氧化皮用于保护换热器部件免受由被携带或者包含在烟道气中的腐蚀性化合物引起的腐蚀。
根据本发明的第一方面，上述目的中的至少一个或者将在以下描述中变得显而易见的其它目的中的至少一个由根据权利要求1所述的换热器来实现。
也被称作α-三氧化二铝的α-Al2O3是一种氧化铝，这种氧化铝具有高耐腐蚀性。因此，这种保护性氧化物具有提高换热器的耐腐蚀性的作用。由于提高了耐腐蚀性，因而能够在更高温度条件下加热流体，从而允许在仍然保持换热器的可接受使用寿命的同时提高加热流体的效率。流体可以是适于被加热的任何流体。通常，流体是水或者蒸汽。对于诸如蒸汽的流体而言，根据本发明的第一方面的换热器可以在至少480℃以上的温度下使用且具有至少5年的使用寿命。还可以设想的是，能够以至少5年使用寿命使用高达600℃的蒸汽温度。
焚化厂可以焚化诸如煤的燃料、其它矿物燃料、生物质、拆除木片、垃圾衍生燃料或废物。在本发明的上下文中，术语烟道气被理解为也包括由焚化燃料所产生的物质和颗粒。在产生烟道气的部位，即，在发生焚化的位置处，烟道气的温度可高达1100℃至1200℃。
优选地，换热器部件由具有高导热系数的金属制成并且易于制备。腐蚀通常是热腐蚀。
在从属权利要求2中限定了本发明的第一方面的优选实施例。优选地，蒸汽是饱和的，在高温条件下加热饱和蒸汽，在所述高温条件下，根据本发明的第一方面的换热器的增强的耐腐蚀性是有用的。
在换热器的实施例中，其中，流体是蒸汽并且换热器是过热器，至少一个换热器部件优选是管，所述管也被称作过热器管。
在从属权利要求3中限定了本发明的第一方面的优选实施例。氧化皮通常被理解为是氧化层。氧化皮的厚度达10μm并且主要包括α-Al2O3。更加优选地，氧化皮基本仅包括α-Al2O3。由于这增加了氧化皮的耐腐蚀性，所以是有利的。氧化皮优选是致密的。
通过如在从属权利要求4中所限定的本发明的第一方面的优选实施例，提供了一种设置换热器部件的简单方式。当换热器部件是过热器管时，过热器管通常可以具有0.5英寸至3英寸(对应为12mm至77mm)的直径。这种换热器部件可以例如是管或者板。
通过如在从属权利要求5中所限定的本发明的第一方面的优选实施例，可削减换热器部件的材料成本，这是因为基体材料能够是简单且廉价的易腐蚀钢，而仅仅相对更薄的涂覆层需要由前体材料制成。涂覆层的厚度仅需要足以避免在操作期间合金中的铝损耗并且足以允许形成氧化皮即可。
这种换热器部件可以例如是管或者板。
通过如在从属权利要求6中所限定的本发明的第一方面的优选实施例，提供了一种简单处理，所述简单处理不仅可以用于制备新换热部件，而且可以用于利用前体材料来改装现有的换热器部件以增强现有的换热器部件的耐腐蚀性。
焊接是施加前体材料的一个示例，但是还可以采用本领域中已知的其它方法来施加前体材料。在采用焊接技术时，涂覆层可以为从1mm至20mm厚。
通过如在从属权利要求7中所限定的本发明的第一方面的优选实施例，可以削减材料成本，这是因为内管能够由简单且廉价的易腐蚀钢制成，而仅外管需要由前体材料制成。此外，可以快速或者自动地制造由内管和外管构成的组件。
通过如在从属权利要求8中所限定的本发明的第一方面的优选实施例，提供了一种设置换热器部件的合理且有效的方式。
在包括内管和外管的换热器部件的替代性实施例中，外管被挤压到内管上。
在从属权利要求9中限定了本发明的第一方面的优选实施例。可行的前体材料应当是这样的合金，所述合金的铝含量最小为4-5wt.％。一种示例性的前体材料是哈氏合金214合金。其它示例性的前体材料包括表1中的合金。
表1：示例性合金的构成
在从属权利要求10中限定了本发明的第一方面的优选实施例。焚化厂可以是废物发电焚化厂，其产生用在例如区域加热中的热量和用于发电的蒸汽。废物可以是家庭废物或者工业废物，优选地，废物是家庭废物或轻工业废物。
α-Al2O3耐受腐蚀性化合物(诸如，S、O2、H2O、Cl2、N2、CO/CO2等)腐蚀。焚化厂中可形成的其它腐蚀性化合物包括Na、Ca、Cu、K、Cl、S、Cr、Pb、Zn、Fe、Sn和Al。
通过如在从属权利要求11中所限定的本发明的第一方面的优选实施例，增加了换热器的换热能力。换热器优选是过热器，过热器通常包括150根至300根过热器管。
通过如在从属权利要求12中所限定的本发明的第一方面的优选实施例，提供了易于形成且适于在焚化厂中加热流体的换热器部件。在增压流体(例如，诸如过热蒸汽)的情况中，其它管也是可行的。在换热器是过热器并且换热器部件是过热器管的情况中，过热器管通常达6m长。
此外，通过本发明的第二方面实现了上述目的和其它目的中的至少一个，所述本发明的第二方面涉及根据权利要求13所述的用于形成氧化皮的方法，所述氧化皮用于保护换热器部件免受由被携带或者包含在烟道气中的腐蚀性化合物引起的腐蚀。
通过在适于在前体材料上形成主要包括α-Al2O3的氧化皮的温度、气氛和持续时间的条件下氧化换热器部件，在换热器部件上设置均匀且完整的氧化皮，从而向换热器部件提供了有效保护。
应当调整温度、气氛和时间，从而形成致密的氧化皮。在氧化步骤期间形成的氧化皮的厚度应当为0.1μm至2μm。所需的时间将取决于所使用的确切的前体材料。
气氛应当具有低氧分压pO2。pO2应当低于10-8atm，更优选地低于10-11atm。
在根据本发明的第二方面的方法的优选实施例中，所述方法还包括将已氧化的换热器部件组装到换热器中的附加步骤。
在根据本发明的第二方面的方法的替代性实施例中，所述方法还包括在氧化换热器部件之前将换热器部件组装到换热器中的附加步骤。
在从属权利要求14中限定了本发明的第二方面的优选实施例。温度必须调整成使得形成与其它类型的氧化铝不同的α-Al2O3。如果温度太低，则将不会形成α-Al2O3。
通过如在从属权利要求15中所限定的本发明的第二方面的优选实施例，提供了适于大多数前体材料进行氧化步骤的适当气氛。
通过如在从属权利要求16中所限定的本发明的第二方面的优选实施例，提供了适于大多数前体材料进行氧化步骤的适当时间。
附图说明
参照示意性的附图，以下将更加详细地描述本发明及其诸多优势，所述附图仅仅出于阐释的目的以示出一些非限制性的实施例，并且其中：
图1示出了设置有根据本发明的第一方面的换热器的废物发电焚化厂的局部概览；
图2以侧视图示出了根据本发明的第一方面的换热器的过热器管形式的换热器部件；和
图3以局部剖视侧视图示出了根据本发明的第一方面的换热器的第一实施例、第二实施例和第三实施例的呈过热器管形式的换热器部件的第一实施例、第二实施例和第三实施例。
具体实施方式
在以下描述中，添加至附图标记的一个或者更多个下标罗马数字表示所指代的元件是无下标的附图标记所指示的元件的另一个。
此外，添加到附图标记的上标罗马数字表示所指代的元件具有与用无上标的附图标记所指示的元件相同或者类似的功能，但是结构不同。
在附图中示出本发明的其它实施例时，相对于在先示出的实施例而言，新出现的元件被赋予新的附图标记，而先前示出的元件将被赋予如上所述的附图标记。不同实施例中的相同元件被赋予相同的附图标记，并且将不再对这些元件作进一步说明。
图1示出了废物发电焚化厂2的局部概览。待焚化的废物4被输送机6给送到焚化厂内并且被给送到炉篦8上，废物4在所述炉篦上燃烧。由炉篦8上的废物4焚化所产生的烟道气向上升起，如箭头12所示。烟道气12的温度可高达1100℃至1200℃，并且然后烟道气被引导通过第一辐射通路10、第二辐射通路14和第三辐射通路16抵达水平对流通路18，此后烟道气最终被引导至烟囱并且释放到大气中，如箭头20所示。
第一辐射通路10、第二辐射通路14和第三辐射通路16的壁22设置有管24，水被给送至所述管以用于产生蒸汽。然后，如箭头26所示，蒸汽依次被引导通过位于水平对流通路18中的过热器28、过热器30和过热器32，所述过热器28、过热器30和过热器32中的每一个均代表换热器。过热器28、过热器30和过热器32被通过对流通路18的烟道气12(如箭头34所示)加热。来自烟道气34的热量加热蒸汽26，使得蒸汽26被转变成过热蒸汽36，所述过热蒸汽被引至汽轮机(未示出)或者过热蒸汽的类似消耗者。
另外，未示出，过热器28的前方可以有蒸发器以生产进一步饱和的蒸汽，所述蒸发器在烟道气12的路径中位于过热器30的上游处并且蒸发器的构造与过热器28类似。
加热过热器28、过热器30和过热器32的烟道气34除了其它物质之外还包含腐蚀性化合物和热烟灰颗粒38(图1中未示出)，所述热烟灰颗粒38自身可以包含腐蚀性化合物。
蒸汽26的温度随着其被引导通过过热器28、过热器30和过热器32而升高。在过热器28中发现250℃至300℃的最低蒸汽温度，而在过热器32中发现最高的蒸汽温度。因此，过热器32面临的腐蚀风险最高。在焚化厂2中，所有的过热器均与过热器32相同，所述过热器32是根据本发明的换热器。替代地，为了节省成本，仅仅过热器32是根据本发明的换热器，而过热器28和过热器30是由传统材料制成的过热器。
每个过热器28、过热器30和过热器32均包括多根代表换热器部件的过热器管。
图2示出了图1中的过热器32的过热器管，所述过热器管中的一根用附图标记40指示。如图2所示，蒸汽26行进通过过热器管40，而烟道气34在过热器管40之间流动以加热过热器管40和在过热器管40内行进的蒸汽26。过热器管40可通过弯管互相联接，所述弯管中的一个用附图标记42指示，弯管可以与过热器管40分开地成型并且被联接到所述过热器管，或者替代地，弯管可以与过热器管40一体地成型。
图3A示出了过热器32的过热器管40的第一实施例，所述过热器代表根据本发明的第一方面的换热器的第一实施例，所述过热器管代表换热器部件。
过热器管40包括主管44，所述主管包括壁，所述壁具有与蒸汽26相接触的第一侧部46和面向烟道气34的第二侧部48。主管44由前体材料制成，这种前体材料在氧化时至少在第二侧部上形成包括α-Al2O3的氧化皮50。
烟道气34通过过热器管40并且在主管44上沉积热烟灰颗粒38，从而在单种材料制成的主管44的第二侧部48上形成粘性沉积层52。被烟道气34和/或热烟灰颗粒38所包含的腐蚀性化合物由此存在于粘性涂覆层52中。然而，覆盖主管44的第二侧部48的氧化皮50阻止或者至少减弱了对主管44的腐蚀。
图3B示出了过热器32’的过热器管40’的第二实施例，所述过热器代表根据本发明的第一方面的换热器的第二实施例，所述过热器管代表换热器部件。
过热器管40’包括由这样的材料制成的主管44’，所述材料在氧化时不会形成包括α-Al2O3的氧化皮。替代地，过热器管40’在主管44’的第二侧部48上包含由前体材料制成的焊接包层54，所述前体材料在氧化时形成包括α-Al2O3的氧化皮50。焊接包层54上的氧化皮阻止或者至少减弱因包含在烟道气34和/或热烟灰颗粒38中的腐蚀性化合物对主管44’造成的腐蚀。
图3C示出了过热器32”的过热器管40”的第三实施例，所述过热器代表根据本发明的第一方面的换热器的第三实施例，所述过热器管代表换热器部件。
过热器管40”包括代表主管的内管44”，所述内管由在氧化时不会形成包括α-Al2O3的氧化皮的材料制成。替代地，过热器管40”在主管44”的第二侧部48上包括外管56，所述外管由前体材料制成，所述前体材料在氧化时形成包括α-Al2O3的氧化皮50。外管56上的氧化皮50阻止或者至少减弱因被包含在烟道气34和/或热烟灰颗粒38中的腐蚀性化合物对主管44”造成的腐蚀。
可以通过共挤主管44”和外管56来制造过热器管40”。
带附图标记的零件的列表
2  焚化厂
4  废物
6  输送机
8  炉篦
10 第一辐射通路
12 烟道气
14 第二辐射通路
16 第三辐射通路
18 水平对流通路
20 表示最终被引至烟囱的烟道气的箭头
22 辐射通路的壁
24 管
26 饱和蒸汽
28 过热器
30 过热器
32 过热器
34 表示通过对流通路的烟道气的箭头
36 过热蒸汽
38 热烟灰颗粒
40 过热器管
42 弯管
44 主管
46 第一侧部
48 第二侧部
50 氧化皮
52 粘性沉积物
54 焊接包层
56 外管

Claims (16)

1.一种换热器(32)，用于在焚化厂(2)中加热流体(26)，所述焚化厂(2)在操作中产生烟道气(34)，所述换热器包括至少一个换热器部件(40)，所述换热器部件包括壁，所述壁具有与所述流体(26)相接触的第一侧部(46)和与所述烟道气(34)相接触的第二侧部(48)，所述第二侧部(48)设置有保护性涂覆层(50)，以用于保护所述换热器部件(40)免受由被携带或者包含在所述烟道气(34)中的腐蚀性化合物引起的腐蚀，其特征在于，所述保护性氧化物(50)包括α-Al2O3。
2.根据权利要求1所述的换热器(32)，所述流体(26)是蒸汽，并且所述换热器(32)是用于使所述蒸汽(26)过热的过热器(32)。
3.根据任一项前述权利要求所述的换热器(32)，所述保护性氧化物(50)是氧化皮(50)。
4.根据权利要求3所述的换热器(32)，所述换热器部件(40)由在氧化时形成所述氧化皮(50)的前体材料制成。
5.根据权利要求3所述的换热器(32)，所述换热器部件(40’)包括基体材料(44’)，在氧化时形成所述氧化皮(50)的前体材料(54)覆盖所述基体材料。
6.根据权利要求3所述的换热器(32)，通过焊接将所述前体材料(54)覆盖在所述基体材料(44’)上。
7.根据权利要求3所述的换热器(32)，所述换热器部件(40”)包括由外管(56)覆盖的内管(44”)，所述外管(56)由在氧化时形成所述氧化皮(50)的前体材料制成。
8.根据权利要求7所述的换热器(32)，共挤所述内管(44”)和所述外管(56)。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的换热器(32)，所述前体材料包括至少含4-5wt％铝的合金。
10.根据任一项前述权利要求所述的换热器(32)，所述焚化厂(2)在操作中焚化废物，并且所述腐蚀性化合物包括氯。
11.根据任一项前述权利要求所述的换热器(32)，所述换热器(32)包括多个所述换热器部件(40)。
12.根据任一项前述权利要求所述的换热器(32)，所述换热器部件(40)是管。
13.一种用于形成氧化皮(50)的方法，所述氧化皮用于保护换热器部件(40)免受由被携带或者包含在烟道气(34)中的腐蚀性化合物引起的腐蚀，所述方法包括以下步骤：
提供换热器部件(40)，所述换热器部件包括前体材料，所述前体材料被布置成用于在氧化之后保护所述换热器部件免受所述腐蚀，所述前体材料包括铝；
在适于在所述前体材料上形成所述氧化皮(50)的温度、气氛和持续时间的条件下氧化所述换热器部件(40)，所述氧化皮(48)主要包括α-Al2O3。
14.根据权利要求13所述的方法，所述温度至少为950℃，更加优选地为1100℃至1200℃。
15.根据权利要求13至14中的任一项所述的方法，所述气氛包括含2％水蒸汽的氩氢混合物。
16.根据权利要求13至15中的任一项所述的方法，所述持续时间为至少2小时。
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