CN105408686B - 用于从热工艺流回收热的壳管式装置 - Google Patents
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Abstract
一种适合于用作废热锅炉的壳管式装置(1)，其包括具有交换部(2)和分离部(3)的容器，其中：所述交换部(2)包含U形管(4)的束，所述U形管(4)的束进给有例如水(W)的可蒸发的液体介质并且暴露于围绕所述管的热腔室中流动的热气体(G)，从而所述介质在所述管中被部分蒸发同时从在所述热腔室(7)中流动的热气体回收热；所述分离部(3)包括收集腔室(16)，所述收集腔室(16)与所述管(4)的出口连通，以接收离开管的部分蒸发的介质；所述分离部(3)被布置成提供来自所述至少部分蒸发的介质的蒸汽部分和液体部分至少部分地通过重力的分离；所述装置还包括用于控制在所述收集腔室中的液位和用于未蒸发的液体的部分再循环的机构。
Description
技术领域
本发明涉及一种适合于通过蒸发例如水的介质来从工艺流回收热的壳管式热交换器。这种热交换器通常称为废热锅炉(waste heat boiler，WHB)。
背景技术
在化学和石化工厂中的通常需求是从热气体(例如燃烧过程或强烈放热反应的流出物)回收热。热通常通过在适当的压力下水的蒸发和产生热蒸汽来回收；蒸汽可以内部地用在该过程中，在适当的情况下，来产生电力或驱动辅助设备(例如压缩机)。
竖直壳管式蒸汽锅炉广泛地用在现有技术中以满足这一需求。例如在典型的现有技术的竖直蒸汽锅炉中，热气体在U形管束中流动，该U形管束向上布置并在底部处连接到管板；水的蒸发发生在壳侧中，其以用于蒸汽分离的集成式蒸汽鼓筒(steam drum)为特征。
这一设计相对紧凑并且不需要外部的蒸汽鼓筒；然而，它暴露了腐蚀的问题，该腐蚀问题主要是由于水悬浮体在管的外面和管板上的沉积引起的。另外，通过重力的自然沉积，已经注意到，通过水在壳侧中的不均匀分布而引起水悬浮体的沉积。更高程度的固体沉积已经在壳侧的多个区域中观察到，在该多个区域中供水更加困难且蒸发较剧烈，伴随有可能发生的干透。术语“干透”表示违反核态沸腾和热交换系数的突然降低，这还可以引起管的过热。另一问题由在制造的过程中可能发生的沉积和氧化给出，并且由于该区域的难以接近而不能被最终用户去除。
这一设计的另一个缺点是由于以下事实：当热气体进入管中时，管的在管板内侧的第一部分并未通过蒸发介质而被冷却，因此该第一部分比管的浸入蒸发介质中的部分热得多。当入口气体温度对于管材料太高、或者超过将引起管材料腐蚀的限度时，对于管的入口部需要特殊的设计。所述特殊的设计可以包括内保护套管(ferrule)、将所述管在后侧上接合到的管板、在通道中对管板的保护特征。这些特征增加了该构造的成本和复杂度并降低了其可靠性和可维修性。
在水平布置中也拒绝考虑了上述设计。即使利用该布置避免了在管板上的沉积的问题，但其它的缺点仍然存在。
壳管式废热锅炉的一个可替选的现有技术的设计提供了水在管中循环，但是在该情况下，总是设置有用于蒸汽分离的外部蒸汽鼓筒。所述外部蒸汽鼓筒和相关的管路(piping)增加了设备成本、安装成本和空间需求。
从热工艺流回收热是提高许多化学工厂和化学过程的整体能量效率的重要途径。另一方面，对于废热锅炉的高的投资成本或故障风险(例如，由于腐蚀)可能阻止该能量的回收。由于常规的废热锅炉的上述缺点，现有技术没有提供完全令人满意的解决方案。
发明内容
本发明提供了一种用于废热锅炉的新颖设计，其克服了现有技术的上述缺点。该新颖设计结合了在管侧中蒸发和蒸发部分的集成分离而无需外部鼓筒的优点。
这些目的通过壳管式装置来实现，该壳管式装置包括具有交换部和分离部的容器，其中：
所述交换部包含U形管的束和围绕所述管的热腔室，所述管具有各自的管入口端部和管出口端部，所述热腔室与用于热工艺流的输入口连通，
所述分离部包括收集腔室，所述收集腔室与管的所述出口端部连通，
所述装置还包括用于可蒸发的液体介质的输入口，所述输入口与所述管入口端部连通，
从而，在操作的过程中，所述管在穿过所述热腔室时暴露于所述热工艺流，同时可蒸发的介质在所述管的里面流动时而被加热并至少部分蒸发，并且至少部分蒸发的介质在离开所述管之后被允许进入到所述收集腔室，
所述分离部还被布置成提供来自所述至少部分蒸发的介质的蒸汽部分和液体部分的分离。
该装置的分离部可以被布置成提供可能借助于合适的分离器通过重力将蒸汽部分与液体部分(例如蒸汽与水)分离，该分离器优选位于收集腔室的顶部中。例如，该分离器可以为除雾器或旋风分离器。
优选地，该分离部被布置成提供通过重力分离的蒸汽具有在重量上至少98％的纯度。更优选地，所述分离部被布置成提供通过重力分离的蒸汽具有在重量上99.5％或更大的纯度。蒸汽的纯度可以利用合适的机构(例如在适当的情况下利用蒸汽干燥器)来进一步增加。
优选地，该装置包括用于保持在所述收集腔室中所控制的液位的控制机构。液位的调节可以包括洁净水的控制进给和未蒸发的液体部分的部分再循环。相应地，该装置可以包括对应的机构来检测收集腔室里面的液位，并调节允许进入到管的洁净液体的量和再循环液体的量。
在收集腔室中的液位可被调节成在该液位上方留下合适的自由体积。例如，确定所述自由体积以允许通过重力分离所述蒸汽部分(或其至少相关部分)。该液位还可以被调节成为再循环的未蒸发的液体部分的自然循环提供足够的压力。锅炉进给压力还可以用来便于再循环。
未蒸发的液体部分的再循环可以通过重力来驱动，或者在一些实施方式中，通过一个或多个例如泵或喷射器的循环设备来驱动。再循环的未蒸发的液体部分与洁净液体的混合可以在该装置的里面或外面进行。未蒸发的液体的部分优选地从收集器排出，以维持所期望的纯净度。
根据本发明的各种实施方式，该装置可以竖直或水平地布置。
在竖直布置中，分离部优选在交换部上方。
在竖直布置中，所述U形管的束优选地面向下。根据该优选的实施方式，每一根管具有起始于所述入口端部的第一直线部、第二直线部以及连接所述第一直线部和所述第二直线部的U形部，所述可蒸发的介质在所述第一直线部中向下流动，所述介质在所述第二直线部中向上流动直到所述介质到达所述管的所述出口端部。
在水平布置中，所述U形管的束为水平的且优选在下部中具有入口部。因此，每一根管具有起始于入口端部的第一下直线部，其中，可蒸发的介质流向U形部，该U形部将所述第一下部连接到第二上直线部，所述介质在所述第二上直线部中流动直到所述介质到达管的出口端部。
在大多数实施方式中，可蒸发的介质为水，其部分地转化成蒸汽以回收热。因此，以下将参照水/蒸汽进行详细描述。
本发明具有以下的主要优点：由于液体的蒸发发生在管侧中，因此悬浮体的沉积的死点和相关风险得以减小。所有的管被同样地进给并加热，因此没有可能出现上述提到的干透现象的区域。蒸汽部分在收集腔室中的分离避免了对外部的分离器的需求，因此降低了总成本。上述管的在管板里面的第一部分的过热的风险也得以避免。
参考附图，本发明的特征和优点通过下文的示例性且非限制性目的而提供的说明书将更加明显。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施方式的竖直壳管式装置的示意性截面图。
图2为根据本发明的另一个实施方式的水平壳管式装置的示意性截面图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的优选实施方式的竖直壳管式废热锅炉1。
锅炉1被设计成通过加热并蒸发给水W而从热气体G回收热，从而在合适压力下产生蒸汽S。
所述锅炉1基本上包括体现为壳管式热交换器的下交换部2和从管接收混合的汽水流出物的上分离部3，并且上分离部3被设计成将蒸汽与未蒸发的水分离。
更详细地，下部2包括管4的束和围绕所述管4的热腔室7，所述管4的束具有各自的管入口端部5和管出口端部6。该下部2大体上操作为壳管式热交换器，其中管被供给有水W，并且热气体G穿过壳侧(即，热腔室7)。
管的束以示意性方式示出。每一根管4为具有以下部分的U形管：第一直线部4a、第二直线部4b和连接所述直线部的U形部4c。管由管板32支撑。
根据本发明的优选实施方式，在竖直布置(图1)中，在竖直锅炉中，管面向下，即U形连接部4c位于竖直束的底部处。
热腔室7与用于热气体G的入口8连通。所述气体G例如可以为燃烧、再成形或放热化学反应的产物。
用于冷却的气体Gc的气体出口9也与热腔室7连通。冷却的气体经由围绕所述腔室7的环形区域10离开腔室7。图1还示出了用于热气体G的分配器11和防冲板12，以及允许热气体G进入腔室7的导管13。
管4的入口端部5经由进给腔室15与用于洁净给水W的入口14连通。在一些实施方式中，洁净水W在其进入管4之前，可以与从分离部3回收的合适量的未蒸发的水混合。
锅炉1的分离部3包括连接到管4的束的收集腔室16，并且所述腔室16与管4的出口端部6连通，以从所述管接收混合的水/汽流出物。因此，收集腔室16在操作过程中通常包含一定量的水。在所述腔室16里面的液位由附图标记17来表示。附图标记29表示在液位17之上的自由空间。
液位17通过控制器18来控制。维持腔室16中的合适的液位，以便于通过重力进行蒸汽分离，从而留有足够的自由空间29，以用于蒸汽与水的脱离。
锅炉1的分离部3还可以配备有合适的蒸汽/液体分离器。在所示出的实施方式中，锅炉1包括位于上部3的顶部中的蒸汽干燥器19，从而将蒸汽腔室20限定在收集腔室16上方并与蒸汽出口21连通。
未蒸发的水经由主出口22和用来排出适当量的水(排放水)的另外的出口23、24而离开收集腔室16，以便避免水悬浮体累积在收集腔室16中。特别是，出口23连接到管23a并用于连续的排放(blow-down)，而在必要时，出口24优选用于不连续的排放。
液位调节器18基本上包括两个压力计量表25、26和控制单元27，以根据所述计量表之间的压差值来确定液位17。然后，液位17优选地通过控制允许进入到管4的洁净水W的流速和从腔室16取出的回收水的量来调节。
未蒸发的水的再循环可以在锅炉1的内部或外部。例如，内部再循环可以通过将一定量的未蒸发的水进给到水腔室15而进行；外部再循环可以通过将来自出口22的水的一部分与洁净给水W在进入锅炉1的入口14之前的混合来进行。锅炉1可以包括用于水再循环的机构，例如泵或喷射器，为了简洁起见它们并未示出在图1中。
所示出的实施方式还提供了，收集腔室16具有由内壁30所限定的第一部分和由相较于壳的其余部分有更大直径的圆顶部28所限定的第二部分。
图2示出了水平的实施方式的示例。为简洁起见，图2中的对应于图1的那些条目用相同的附图标记来表示。因此，它们没有完全详尽地描述并且可以参考图1的上述描述。
可以看出，图2的水平交换器包括交换部2和并排布置的分离部3。
交换部2包括水平的U形管4的束。该附图示出了这样的实施方式：其中管4的入口直线部4a在束的下部上，而出口直线部4b在束的上部中。
分离部3基本上包括从管4接收部分蒸发的流出物的收集腔室16、蒸汽干燥器19、控制液位17的液位调节器18、与蒸汽腔室20连通的蒸汽出口21、主水出口22、放水出口23、放水出口24。在所示出的实施方式中，同样出口22具有水收集器22a。
收集腔室16具有由内壁30、内壁31所限定的第一部分和由壳的更大部分28所限定的第二部分。
操作如下。交换部2操作为壳管式蒸发器，其中，水通过利用穿过热腔室7的热气体G与管4的外侧表面接触而交换的热来加热并在管4中部分地蒸发。
混合的蒸汽/水流离开管4并进入锅炉的分离部3中的收集腔室16。在液位17上方的空间29中，蒸汽通过重力分离并通过穿过蒸汽干燥器19而进一步净化，从而在蒸汽出口21处获得干燥的蒸汽(大体上无水)。
未蒸发的水通过出口22排放。如前面所解释的，所述未蒸发的水的一部分可以被回收并与洁净水W一起再次被引导至管4。
可以理解的是，废热锅炉满足本发明的目的。相较于现有技术具有集成蒸汽鼓筒和在壳侧上水蒸发的锅炉，所提出的设计的优点是，水处于管侧上，从而没有其中可能发生悬浮体的沉积的死点。所有管4被同样地进给并加热，因此没有可能出现干透的区域。进给到管的再循环水可以如在分离的蒸汽鼓筒中的高液位下被带走，避免固体集中靠近底部。洁净给水可以与进给到管的再循环水混合，这有效地保证沸水不携带过度集中的固体。为了这些原因，避免了腐蚀，并且还大大地降低了热传递能力的恶化和由于固体沉积在热传递表面上的过热。此外，管在管板32里面的部分不通过热气体加热，从而管的暴露于热气体的所有部分通过管里面的沸水来冷却。
相较于在管侧中蒸发的常规锅炉，该系统的优点是，在锅炉里面分离蒸汽，无需外部分离设备和相关的管路。
Claims (16)
1.一种壳管式装置(1)，其包括具有交换部(2)和分离部(3)的容器，
其中：
所述交换部(2)包含U形管(4)的束和围绕所述管的热腔室(7)，所述管(4)具有各自的管入口端部(5)和管出口端部(6)，所述热腔室与用于热工艺流(G)的输入口(8)连通，
所述分离部(3)包括收集腔室(16)，所述收集腔室(16)与所述管(4)的所述管出口端部(6)连通，
所述装置还包括用于可蒸发的液体介质(W)的输入口(14)，所述输入口(14)与所述管入口端部(5)连通，
从而，在操作的过程中，所述管(4)在穿过所述热腔室(7)时暴露于所述热工艺流，并且所述可蒸发的液体介质通过在所述管的里面流动而被加热并至少部分蒸发，并且所述至少部分蒸发的介质在离开所述管之后被允许进入到所述收集腔室(16)，
所述分离部(3)被布置成提供来自所述至少部分蒸发的介质的蒸汽部分和液体部分的分离。
2.根据权利要求1所述的装置，所述分离部被布置为提供了至少部分地通过重力来实现蒸汽的所述分离。
3.根据权利要求2所述的装置，所述分离部被布置为提供了通过重力分离的蒸汽具有在重量上至少98％的纯度。
4.根据权利要求3所述的装置，所述分离部被布置为提供了通过重力分离的蒸汽具有在重量上99.5％或更大的纯度。
5.根据权利要求1所述的装置，所述装置包括控制机构(18)，所述控制机构(18)用于维持所述收集腔室(16)中所控制的液位(17)。
6.根据权利要求5所述的装置，所述控制机构能够以这样的方式操作：维持所述收集腔室(16)里面的、并在所述液位(17)之上的、足以允许通过重力分离所述蒸汽部分的自由空间(29)。
7.根据权利要求5或6所述的装置，所述控制机构包括用于洁净液体的控制进给的机构和用于所述未蒸发的液体部分的部分再循环的机构。
8.根据权利要求1所述的装置，所述容器的所述分离部(3)还包括用于将蒸汽部分与所述液体部分分离的机构(19)。
9.根据权利要求8所述的装置，所述机构包括除雾器或旋风分离器。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，未蒸发的液体的一部分被内部再循环或外部再循环，并与进给到所述管的洁净液体混合。
11.根据权利要求1所述的装置，所述装置竖直布置，所述分离部(3)处于所述交换部(2)上方。
12.根据权利要求11所述的装置，所述U形管的束面向下，每一根管具有起始于所述入口端部(5)的第一直线部(4a)、第二直线部(4b)和连接所述直线部的U形部(4c)，所述可蒸发的介质在所述第一直线部(4a)中向下流动，所述介质在所述第二直线部(4b)中向上流动直到所述介质到达所述管的所述出口端部。
13.根据权利要求1所述的装置，所述装置水平布置。
14.根据权利要求13所述的装置，所述U形管(4)的束是水平的，且每一根管具有入口直线部(4a)和出口直线部(4b)，所述入口直线部(4a)在所述束的下部上，所述出口直线部(4b)在所述束的上部中。
15.根据权利要求1所述的装置，所述可蒸发的液体介质(W)为水。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的装置在化学工厂或石化工厂中作为废热锅炉来回收工艺热的用途。
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