发明内容
本发明提出一种适用于该类烟温高,成分复杂焚烧系统急冷装置,可将烟气温度从1400℃或以上的高温烟气直接骤降至水汽饱和温度100℃以下,避开二噁英的再生成温度区间,抑制二噁英的生成,同时有效的吸收烟气中的腐蚀性气体,以及有效捕集烟气中的固体颗粒。
本发明采用如下的技术方案:
一种冷却烟气的急冷换热器,包括急冷壳体、激冷环、挡水环板、二级急冷装置,所述激冷环,挡水环板、二级急冷装置设置在壳体内,烟气从换热器入口进入,依次经过激冷环、挡水环板、二级急冷装置。
作为优选,所述壳体包括渐缩段和渐扩段,渐缩段和渐扩段通过喉管段连接;所述烟气从渐缩段进入,先通过渐缩段后再通过渐扩段,在渐缩段的烟气入口位置设置激冷环。
作为优选,所述激冷环为中空环体结构,所述激冷环包括内环腔和外环腔,所述壳体插入激冷环内,所述内环腔包括外壳和内隔板。所述内隔板与壳体形成内腔室,内隔板与激冷环外壳、壳体形成的腔体为外环腔,内环腔和外环腔分别沿壳体形成环形,且相互连通。
作为优选,所述激冷环出口由激冷环隙和喷淋孔组成,激冷环隙为激冷环外壳和壳体之间形成的环形缝隙,喷淋孔设置在激冷外壳上;所述内腔室和外腔室的环形为圆形结构,且内腔室和外腔室为同心圆结构;所述内腔室和外腔室的圆心设置在激冷环内的壳体上,所述的内腔室的制冷剂入口设置在壳体的圆心位置处;所述激冷环包括进液口,所述进液口设置在壳体的外部;所述进液口为圆管,所述内腔室和外腔室的圆心设置在圆管的中心线的延长线上。
作为优选,所述的激冷环的外壳包括如下四个部分:与壳体外部连接,并相对于壳体向外延伸的第一部分,然后从远离壳体的第一部分端部开始竖直向上延伸的第二部分,然后沿着第二部分端部水平向内延伸的第三部分,最后是环形结构的第四部分,所述第四部分与外壳内部形成环形缝隙;
所述的第一部分与壳体的连接的位置与圆心的距离要大于第四部分与壳体形成的环隙与圆心的距离;
所述的内腔室的内隔板的一端连接到壳体的端部,另一端连接到壳体上,在内隔板上设置内环腔出口,所述内环腔出口与内隔板一端的距离要大于与内隔板的另一端的距离;所述的外腔室的第四部分设置外环腔出口。
作为优选,所述的壳体与激冷环外壳的第一部分的夹角为A,所述的内腔室的环形半径为R1,外腔室的环形半径为R2,所述的内腔室出口与圆心的连线与外腔室出口与圆心的连线形成的夹角为C,所述的内腔室出口与壳体形成的夹角B,所述夹角B小于外腔室出口与壳体形成的夹角;满足如下公式:
Sin(A)/Sin(B)=a*Ln(R1/R2)+b*(R1/R2)+c
其中Ln是指数函数,a,b,c是系数,
0.084<a<0.086,0.23<b<0.26,
对于c,采取以下的取值方式:
当R1/R2<0.5, 0.83<c<0.9;
当R1/R2>0.5,0.78<c<0.83;
当R1/R2=0.5, c=0.83;
0.4<R1/R2<0.6;
18°<A<50°;
14°<B<45°;
R1=10~300,单位mm;
R2=12.5~400,单位mm;
C=B
作为优选,急冷环上设置多个喷淋孔,沿着从激冷环隙向上,所述喷淋孔的孔径越来越小;作为优选,所述喷淋孔的孔径变小的幅度也越来越大。
作为优选,急冷环上设置多个喷淋孔,沿着从激冷环隙向上,所述喷淋孔的分布密度越来越小;作为优选,所述喷淋孔的分布密度变小的幅度也越来越大。
作为优选,二级急冷装置是由导向盘管、沿着导向盘管分布的雾化喷嘴和设置在导向盘管中心的中心雾化喷嘴组成,所述雾化喷嘴与导向盘管相连接并从向导向盘管中心延伸,所述的中心雾化喷嘴通过连通管与导向盘管连通,导向盘管以便通过连通管将流体传递给中心雾化喷嘴。
作为优选,所述的挡水环板设置在急冷环和二级急冷装置之间,挡水环板与壳体的内壁相连并从内壁向外延伸。
先对于现有技术,本发明具有如下的效果:
1.本发明采用二级冷却,以大量循环碱液与烟气接触、汽化,能够快速、均匀、高效地降低烟气温度。
2.本发明通过采用二级快速冷却,避开了二噁英的再生成温度区间,可将高达1400℃或以上的高温烟气直接骤降至水汽饱和温度100℃以下,同时有效的吸收烟气中的腐蚀性气体,以及有效捕集烟气中的固体颗粒。
3.本发明通过设计新的急冷环结构,并对急冷环结构进行优化,确定了最佳的结构尺寸,从而达到最优的冷却效果。
4.通过喷淋孔上下的孔径或者密度的设置,实现换热的最佳效果。
5.通过监测值控制循环碱液的流量。
6.采取了新的二级冷却装置结构,实现二级换热。
7.将换热器采取文式结构,加快烟气流速,在高速流动的烟气附近产生低压,从而产生吸附作用,加强了烟气与雾化碱液的扰动,增大碱液与烟气的接触面积,使烟气在极短的时间内与雾化碱液达到均匀的混合。
8.通过二级冷却装置结构喷雾数量的设置或者喷雾喷嘴的数量的设置,实现二级换热最佳效果。
具体实施方式
图1展示了急冷换热器的整体剖面图。如图1所示,所述急冷换热器包括壳体5,所述壳体5包括渐缩段24和渐扩段26,渐缩段24和渐扩段26通过喉管段25连接;所述烟气从渐缩段24进入,先通过渐缩段24后再通过渐扩段26,在渐缩段24的烟气入口1位置设置激冷环2。
如图2所示,所述激冷环2为中空环体结构。所述激冷环2包括内环腔18和外环腔17,所述壳体5插入激冷环2内,如图2所示,所述激冷环2包括外壳12和内隔板13。所述内隔板13与壳体5形成内腔室18,内隔板13与激冷环外壳12、壳体5形成的腔体为外环腔17。内环腔18和外环腔17分别沿壳体5形成环形,且相互连通。
激冷环内部设置内环腔18,有效避免外环腔因喷淋孔造成的扰动,从而增强激冷环隙16形成水膜的稳定性。
所述激冷环2出口由激冷环隙16和喷淋孔14组成。激冷环隙16为激冷环外壳12和急冷壳体5之间形成的环形缝隙。喷淋孔14设置在激冷外壳12上。
因为激冷环隙16的存在,使得冷却烟气的液体在壳体内壁形成均匀下降的水膜,避免高温烟气与急冷壳体5直接接触,有效地保护了急冷壳体5。
作为优选,喷淋孔14的喷射方向与渐缩段中心线,即沿着图1竖直方向夹角为75°。
从剖面上看,如图2所示,所述内腔室18和外腔室17的环形为圆形结构,且内腔室18和外腔室17为同心圆结构。
作为优选,所述内腔室18和外腔室17的圆心设置在激冷环12内的壳体5上,而且作为优选,所述的内腔室18的制冷剂入口19设置在壳体5的圆心位置处。通过如此设置,通过实验发现,可以大大减少冷却液体流动的阻力,提高了换热系数。
所述激冷环包括进液口20,所述进液口20设置在壳体5的外部。所述进液口为圆管,所述内腔室18和外腔室17的圆心设置在圆管的中心线的延长线上。
通过如此设置,通过实验发现,相对于其他设计,可以减少冷却液体流动的阻力,延长了设备的使用寿命。
在急冷换热器的外部,所述的激冷环的外壳包括如下四个部分:与壳体5外部连接,并相对于壳体5向外延伸的第一部分27,然后从远离壳体5的第一部分27端部开始竖直向上延伸的第二部分28,然后沿着第二部分28端部水平向内延伸的第三部分29,最后是环形结构的第四部分30,所述第四部分30与外壳5内部形成环形缝隙16。
作为优选,所述的第一部分27与壳体5的连接的位置与圆心的距离要大于第四部分30与壳体5形成的环隙16与圆心的距离。
所述的内腔室18的内隔板13的一端连接到壳体5的端部,另一端连接到壳体5上。在内隔板13上设置内环腔出口15。所述内环腔出口15与内隔板13一端的距离要大于与内隔板13的另一端的距离。设置在靠近内隔板13另一端的位置处,所述的外腔室17的第四部分30设置外环腔出口14。
作为优选,所述的内腔室出口15与壳体5形成的夹角B要小于外腔室出口(即喷淋孔14)与壳体5形成的夹角。通过上述设置,意味着内腔室的出口更靠近壳体5,意味着外腔室的出口要高于内腔室的出口。通过上述设置,可以使得内腔室17的空间变大,缓冲从入口20进入的流体的冲击,减少内腔室的阻力。
作为优选,内腔室出口15的中心线的延长线穿过圆心。作为优选,喷淋孔14的中心线的延长线穿过圆心。
所述的壳体5与激冷环外壳的第一部分的夹角为A,所述的内腔室18的环形半径为R1,外腔室17的环形半径为R2,所述的内腔室出口与圆心的连线与喷淋孔14与圆心的连线形成的夹角为C,即外腔室出口与圆心的连线与壳体5形成的夹角为B+C。通过实验发现,半径R1过大,R2过小,造成外腔室18内的流动阻力太大,而内腔室流动阻力过小,导致流体通过喷淋孔向外喷射的距离太远,导致换热效果差,而R1过小,R2过大,则会导致内腔室压力过大,而外腔室压力过小,同样导致喷射距离太近,导致换热效果太差。对于夹角A来说,同样不能过大,如果过大,则导致进液口20喷射角度太偏,导致进入内腔室的流体太少,而且会导致大量流体积压在外腔室17的壳体5与第一部分之间,增加了阻力,同样,对于夹角B也需要满足一定的要求,如果B太小,则大量的流体会沿着激冷环隙流出,影响换热,如果过大,则导致内腔室内压力过大,内腔室的流体流出困难。对于夹角C,如果过小,则导致流体向下喷射,而不是向中心喷射,如果过大,则导致外腔室流体阻力过大,导致流体喷射距离太近。因此R1、R2、夹角A、B、C需要满足一定的条件,使其换热效果达到最优。
因此,本发明是通过多个不同尺寸的急冷环的试验数据总结出的最佳的急冷环的尺寸关系。因为急冷环还有夹角、半径等变量,因此,引入无量纲量sin(A)、sin(B)、R1/R2,从冷却高温烟气的最佳效果出发,计算了多种形式,最终确定了最佳关系式。所述的尺寸关系如下:
Sin(A)/Sin(B)=a*Ln(R1/R2)+b*(R1/R2)+c
其中Ln是指数函数,a,b,c是系数,
0.084<a<0.086,0.23<b<0.26,
对于c,采取以下的取值方式:
当R1/R2<0.5, 0.83<c<0.9;
当R1/R2>0.5,0.78<c<0.83;
当R1/R2=0.5, c=0.83;
0.4<R1/R2<0.6;
18°<A<50°;
14°<B<45°;
R1=10~300,单位mm;
R2=12.5~400,单位mm;
C=B
通过计算结果后再进行试验,通过计算边界以及中间值的数值,所得的结果基本上与公式相吻合,误差基本上在3%以内,最大的相对误差不超过5%,平均误差是2.2%。
作为优选, 100mm<R1<200mm,170mm<R2<350mm;
进一步优选,130mm<R1<170mm,210mm<R2<340mm;
进一步优选,140mm<R1<160mm,240mm<R2<300mm;
系数优化的最佳结果是:a为0.085,b为0.245,当R1/R2<0.5, c=0.85,当R1/R2>0.5, c=0.81。
作为优选,随着R1/R2的增大,c越来越小。通过设置c的变化,使得计算的误差更小。
对于其他的未提到的结构尺寸参数,采用常规的标准设计即可。
作为优选,从激冷环隙16到第三部分和第四部分连接位置,第四部分30上设置多个喷淋孔15。当然,图2只展示了一个,但是不局限于图2的示意图。从激冷环隙16到第三部分和第四部分连接位置,所述喷淋孔15的孔径越来越小。主要原因是一方面保证冷却液体的分配,保证上部的喷淋孔能够得到足够的液体压力,保证喷淋效果,另一方面,主要是考虑换热效果。通过实验发现,如此设置,能够提供换热量20%左右。主要原因类似于管壳式换热器的逆流,顺流的时候,在入口位置处换热量最大,但是最终的换热量却变小,而逆流换热,整个换热过程的换热量都比较均匀,因此本发明采用此种策略,类似于逆流换热,保证最大的换热效果。
作为优选,所述喷淋孔15的孔径变小的幅度也越来越大。通过如此设置,通过实验发现,换热效果相对于均匀设置,提高了5%左右。
作为优选,从激冷环隙16到第三部分和第四部分连接位置,第四部分30上设置多个喷淋孔15。当然,图2只展示了一个,但是不局限于图2的示意图。从激冷环隙16到第三部分和第四部分连接位置,所述喷淋孔15的分布密度越来越小。主要原因是一方面保证冷却液体的分配,保证上部的喷淋孔能够得到足够的液体压力,保证喷淋效果,另一方面,主要是考虑换热效果。通过实验发现,如此设置,能够提供换热量20%左右。主要原因类似于管壳式换热器的逆流,顺流的时候,在入口位置处换热量最大,但是最终的换热量却变小,而逆流换热,整个换热过程的换热量都比较均匀,因此本发明采用此种策略,类似于逆流换热,保证最大的换热效果。
作为优选,所述喷淋孔15的分布密度变小的幅度也越来越大。通过如此设置,通过实验发现,换热效果相对于均匀设置,提高了5%左右。
当设置多个喷淋孔的时候,前面的公式中的夹角C采取的是最靠近内环腔出口15的喷淋孔与内环腔出口15以及圆心之间形成的夹角。
需要说明的是,此处的形成的线的夹角或者距离都是以中心点或者中心线来计算夹角或者距离的。例如,第一部分27与壳体5的连接位置采取的就是中线点来计算其与圆心的距离,圆心也位于壳体5的壁的中部,内径/外径也是圆心到内腔或外腔的所在的壳体的中部,即厚度的一半,对于壁,采用的是壁的横截面的中心线来计算。也就是说,R1、R2采用的是内壁和外壁的平均直径。喷淋孔和内环腔出口采取的是空的中心点,即图4位置的轴线与上下两边的中点的连线的交点。
作为优选,夹角B、C采取的是喷淋孔和内环腔出口的中心线,如图4所示。也就是说,作为优选,喷淋孔和内环腔出口的中心线的延长线经过圆心。
本发明的急冷换热器包括两级急冷装置。如前面所描述的急冷环2,属于第一级急冷装置。
如图1所示,高温烟气文式急冷换热器,还包括挡水环板3、二级急冷装置4、文丘里混合器21、分离室22和水槽23。
二级急冷装置设置在下游,即烟气先经过急冷环2,然后再经过二级急冷装置。
如图3所示,二级急冷装置4是由导向盘管8、沿着导向盘管分布的雾化喷嘴10和设置在导向盘管中心的中心雾化喷嘴11组成。所述雾化喷嘴10与导向盘管相连接并从导向盘管8向导向盘管8中心延伸,所述的中心雾化喷嘴11通过连通管31与导向盘管8连通,导向盘管8以便通过连通管31将流体传递给中心雾化喷嘴。
作为优选,冷却烟气的流体是碱液。循环碱液在于烟气接触、气化的过程中,可有效吸收烟气中的酸性气体。
二级急冷装置4的碱液由导向盘管8将碱液均匀的分配至各个雾化喷枪,经雾化喷嘴10-11雾化后的碱液喷入文丘里混合室21的渐缩段,与经一级急冷装置2降温后的烟气进一步混合。
通过分级对烟气进行急冷,高温烟气经激冷环2初步减温后,再由雾化喷嘴进行二级降温,增强装置的稳定性。
雾化喷嘴设置在烟气进口处,在文式急冷器渐缩段设置导向盘管8,使雾化喷嘴10均匀分布,并设有中心雾化喷嘴11,雾化碱液可完全覆盖烟气通道,避免局部温度过高对设备造成损坏。
进一步优选,所述沿导向盘管布置8雾化喷嘴10数量为不小于4的偶数个,且均匀、对冲布置。
作为优选,所述的挡水环板3设置在急冷环2和二级急冷装置4之间,挡水环板3与壳体5的内壁相连并从内壁向外延伸。
雾化喷嘴上方设有挡水环板3,使壳体内壁的水膜经挡水环板改变流向,在雾化喷嘴上表面形成连续的水膜,有效防止了高温烟气对雾化喷嘴冲刷而造成的损坏。
作为优选,沿着烟气流动方向,可以设置多个二级急冷装置4。作为优选,沿着烟气流动方向,二级急冷装置4中雾化喷嘴10的数量逐渐增加。作为优选,逐渐增加的幅度越来越大。主要原因与喷淋孔14的设置相似,就不再进一步描述。通过实验发现,通过上述设置,可以提高15%-20%的换热量。
作为优选,沿着烟气流动方向,可以设置多个二级急冷装置4。作为优选,沿着烟气流动方向,二级急冷装置4中雾化喷嘴10的喷雾量逐渐增加。作为优选,逐渐增加的幅度越来越大。主要原因与喷淋孔14的设置相似,就不再进一步描述。通过实验发现,通过上述设置,可以提高15%-20%的换热量。
采用本发明,使得1100℃以上的高温烟气自上而下,由烟气入口1进入急冷器,依次通过一级急冷装置2和二级急冷装置4,高温烟气直接与雾化后的循环碱液接触、汽化,发生传热和传质,将高温烟气迅速降至水汽饱和温度81℃,由分离室23的烟气出口6排出。
本发明以大量循环碱液与烟气接触、汽化,能够快速、均匀、高效地降低烟气温度。
本发明避开了二噁英的再生成温度区间,可将高达1400℃或以上的高温烟气直接降至水汽饱和温度。
作为优选,急冷环2、壳体5、二级急冷装置4都用哈氏合金C-276,壳体内部可不设置耐火材料,减小了设备的体积。
将文丘里急冷器与水槽结合为一体,减少了设备的占地面积。
作为优选,所述渐缩段24和渐扩段26均为圆台状,喉管段25为渐缩段24和渐扩段26之间的连接部位。
作为优选,所述渐扩段26下部设置分离室22和水槽23,烟气出口设置在所述分离室22的下端。
与碱液混合后的烟气通过渐缩段,截面积由粗变细,加快烟气流速,在高速流动的烟气附近产生低压,从而产生吸附作用,加强了烟气与雾化碱液的扰动,增大碱液与烟气的接触面积,使烟气在极短的时间内与雾化碱液达到均匀的混合。
循环碱液的温度与烟气出口的烟气温度基本相同,循环碱液量远远大于高温烟气降温所需的碱液量, 使烟气在一定的时间内能够与更多的雾化碱液接触,大大减小了烟气与雾化碱液传热、传质的时间。
降温后的烟气会携带大量的水汽,被携带的水汽随烟气经烟气出口6带出文式急冷器,导致循环水量逐渐降低,因此设置工业水补水,由水槽23的液位控制补水量。
在急冷的过程中,烟气中的大部分酸性气体被循环碱液吸收,循环液的PH值降低,需定期排液,以降低循环碱液中酸性气体的浓度,并由PH值控制碱液的补给量,以保证循环液处于碱性环境。
本发明水槽设有PH值监测装置,通过测量碱液的PH值,控制5%浓度碱液的补给量。
为保证碱液的最低循环量,能够达到要求,即将高温烟气降至水汽饱和温度,设有串级调节装置,分别在烟气出口设置温度检测仪,在循环管线上设置流量检测仪,用来调节碱液的循环量。当温度过高或冷却水流量过低时,会通过增加冷却碱液的流量,以保护下游设备。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。