CN105492828B - 利用可变部分旁路的方法和热交换系统 - Google Patents

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Abstract

通过调节管程流体部分绕过热交换器的程度，可以降低或避免逆流管壳式热交换的内部组件的温度超调。

Description

利用可变部分旁路的方法和热交换系统
对相关申请的交叉引用
本专利申请要求2013年6月28日提交的美国临时专利申请No.61/841,252和2013年7月31日提交的美国专利申请No.13/955,923的权益。
背景
在依赖于通过燃料燃烧将大量热能输入炉中的工艺中，特别重要的是实现尽可能高的能量效率。因此常见做法是回收烟气中的过量热，例如通过用其加热燃烧空气。改进效率的另一方式是通过富氧燃烧，其通过用富氧料流替代燃烧中常用的空气而避免加热空气的氮组分。尽管在富氧燃烧中降低损失到烟气中的热(因为烟气体积较小)，但损失的热量仍然显著，回收这种热是有利的。
US 5,807,418公开了通过氧化剂(至少50％O2)与烟气的“并流间接热交换”回收热，接着使用部分冷却的烟气预热批料和/或碎玻璃。如US 5,807,418所用，“并流间接热交换”简单地是指其中氧化剂和热交换器被墙隔开的热交换器，其中氧化剂和烟气同向流动。尽管提供了梗概，但没有细节，如热交换器的构造材料，仅注解了“使用使其适合并可安全地操作富氧氧化剂和高温的材料和方式构造”该热交换器。考虑到构造这样的热交换器的实际困难，这一说明不足以供技术人员实际执行。这一方案具有明显的缺点，即热燃烧气体中的未燃燃料可能与泄漏的或在交流换热器处的氧接触，由此造成灾难性无控燃烧的风险高得不可接受。
US 2009/0084140使用类似于US 5,807,418的方案，但批料/碎玻璃预热与氧化剂预热并行，并另外公开了与批料/碎玻璃热交换器有关的内容。仍然没有公开关于氧化剂热交换器的构造的细节，只说其可能是再生式或同流换热式热交换器。将单个氧化剂料流送往热交换器，在此通过与热燃烧气体的热交换将其加热。三个燃料流与来自热交换器的三个预热氧化剂料流一起被三个相应的燃烧器燃烧。因此，在每种情况下，将单个氧化剂料流送往各热交换器。没有提到控制热交换器的内部组件的温度。这种方法也具有热燃烧气体中的未燃燃料可能与泄漏的或在交流换热器处的氧接触由此造成灾难性无控燃烧的风险高得不可接受的缺点。
US 2009/029800公开了一种热交换器，其中通过中间惰性气体在烟气和氧化剂或燃料之间换热。因此，一个壁将烟气与惰性气体隔开且另一个壁将惰性气体与氧化剂或燃料隔开。尽管这降低了发生灾难性无控燃烧的几率，但这种类型的热交换器在构造和维护上相对更复杂。在每种情况下，将单个氧化剂料流送往各热交换器。另外，没有提到控制热交换器的内部组件的温度，只说该中间气体充当热缓冲以抑制(dampen)氧化剂或燃料的温度变化。
US 2010/0258263公开了预热炉用氧化剂，其中代替使用一个大型热交换器预热许多氧化剂料流，其提出对相对少数的燃烧器使用几个尺寸更小的热交换器。没有提到控制热交换器的内部组件的温度。
US 2011/0104625公开了预热炉用氧化剂，其中首先通过与热烟气的同流换热式热交换预热传热流体，接着通过在另一热交换器处与该热传热流体的热交换预热氧化剂。在每种情况下，将单个氧化剂料流送往各热交换器。没有提到控制热交换器的内部组件的温度。
US 2011/0104628类似地公开了预热炉用氧化剂，其中首先通过与热烟气的同流换热式热交换预热传热流体，接着通过在另一热交换器处与该热传热流体的热交换预热氧化剂。在每种情况下，仍将单个氧化剂料流送往各热交换器。其具体公开了应相对于燃烧器的数量增加热交换器的数量以使从热交换器到燃烧器的热氧化剂线路的长度最小化以避免热损失。没有提到控制热交换器的内部组件的温度。
US 6,250,916也公开了预热炉用氧化剂，其中首先通过与热烟气的同流换热式热交换预热传热流体，接着通过在另一热交换器处与该热传热流体的热交换预热氧化剂。在每种情况下，仍将单个氧化剂料流送往各热交换器。没有提到控制热交换器的内部组件的温度。
许多文献已提出用管壳式热交换器进行热交换的设计，其中使用用于使一定量的流体绕过热交换器的旁路管理管程或壳程流体的温度(即US 7,234,512；US 4,593,757,US6,003,954；US 5,615,738；US 4,991,643；US 2009/0320642；US 6,302,191；US 6,003,594,US,5,615,738)。在图1中图解了这些设计的基本概念，其中将管程流体的进料流量分成主流量和旁路流量。通过热交换器HE内的壳程流体加热或冷却该主流量，而旁路流量完全绕过其。在旁路后，合并各流体流量。测量合并流的温度。在通过壳程流体加热管程流体的情况下，如果温度高于预定设定点，控制器将信号发送到控制阀以命令其增加绕过热交换器的管程流体的量。由此可以在一定程度上管理合并流的温度。可以使用外部阀或机械控制挡板实现壳程旁路(即US 6,003,594和US 5,615,738)-后者看起来在构造上复杂。另一些提议(US 2009/0320642、US 4,991,643)显示管程内部旁路的方法，但它们需要复杂的阀门。
有另一些关于壳程内部旁路的提议，但在各情况中，旁路的用途是以更好的流量分布改进效率，而非用于控制温度。
图1中所示的提议确实提供一些优点。控制合并流的温度是重要的，因为可以实现相对恒定的工艺气体温度。也可以在使位于热交换器下游的任何工艺气体传送管道的温度保持在它们的材料极限以下的程度上控制工艺气体的温度。例如，就氧化性工艺气体而言，必须使下游管道保持在这些管道的材料极限以下以避免这些管道的过早或灾难性破坏。
但是，图1中所示的完全旁路技术也与一些缺点相关。当旁通量太大时，在热交换器内会发生温度超调。这是因为当提高旁路的流速时，流经热交换器的管程流体的流速相应降低。热交换器内的管程流体的降低的流速会提高管程流体与热壳程流体之间的热交换速率。因此，尽管在热交换器下游可能不超过合并流的设定点温度，但热交换器内的温度可能达到不令人满意地高的程度。当管程流体是反应性或氧化性(如氧气或富氧空气)时，不令人满意地高的温度会造成热交换器内的腐蚀和/或无控燃烧。这造成过早或灾难性破坏的风险高得不可接受。当反应性的氧化性管程流体经过具有引入局部高湍流的弯头/转弯的流径时，加剧这种高风险。高湍流提高该管程流体与紧邻该高湍流的热交换器的管程部分反应或将其氧化的速率。
因此，图1中所示的解决方案必须明显在实际极限温度(在此热交换器的内部组件可能失效)以下运行。例如，如果在热交换器内达到的最大内部温度仅为500℃(这低于580℃的极限温度)，可能可实现管程流体的多达20-30％的旁路而不担心达到580℃的极限温度。必须明显在热交换器内部组件的材料极限温度以下的温度运行热交换器的必要性显著限制可安全地实现的管程气体温度的范围。为了达到管程温度，必须由特殊和高昂的材料制造热交换器。
因此，需要没有表现出不可接受地高的过早和潜在灾难性破坏的风险的方法和热交换系统。还需要相对于从热交换器接收预热氧化剂或燃料的燃烧器的数量减少热交换器的数量的方法和热交换系统。还需要控制热交换器的内部组件的温度而不引起温度超调的方法和热交换系统。还需要可以以合理的成本安全地实现相对较宽的工艺气体温度范围的方法和热交换系统。还需要可以安全地实现相对较宽的工艺气体温度范围、同时仍允许用多种多样的材料制造热交换器的方法和热交换系统。
概述
本发明用于满足上述需求。
提供了利用反应物流的可变部分旁路降低逆流管壳式热交换器的内部组件的过热的方法。该方法包括下列步骤。用第一控制阀(CV1)将冷反应物的第一进料流(FF1)分成冷反应物的第一主流(MF1)和冷反应物的第一旁路流(BF1)，第一主流(MF1)在热交换器的管程上流经逆流管壳式热交换器。在管壳式热交换器处在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热并将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)以及冷却壳程流体流，第一合并流(CF1)在热交换器的第一反应物出口(RO1)离开热交换器。在第一反应物出口(RO1)处或下游测量第一合并流(CF1)的温度。基于第一合并流(CF1)的测量的温度用控制阀(CV1)控制由第一进料流(FF1)分割而得的第一主流(MF1)和第一旁路流(BF1)的相对比例，其中从壳程流体传递到第一旁路流(BF1)的热少于从壳程流体传递到第一主流(MF1)的热。
还提供利用反应物流的可变部分旁路降低其内部组件的过热的改进的逆流管壳式热交换系统，所述热交换系统包含：适合并配置为将冷反应物的第一进料流(FF1)分成冷反应物的第一主流(MF1)和冷反应物的第一旁路流(BF1)的第一控制阀(CV1)；从第一控制阀(CV1)接收冷反应物的第一主流(MF1)的第一主流入口导管(27,67,106)；从第一控制阀(CV1)接收冷反应物的第一旁路流(BF1)的第一旁路流入口导管(26,66,107)；具有与包含热交换空间的壳(35)的内部流体连通的壳程流体入口和出口(SI,SO)的壳(35)；用于在热交换空间中在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置；用于在热交换空间中在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置，其中所述用于在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置配置为并适合于使在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间交换的热多于通过用于在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间交换的热；用于将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)的装置；至少一个接收第一合并流(CF1)并与第一反应物出口(RO1)流体连通的第一下游反应物管(92,112)；与第一反应物出口(RO1)流体连通并由其接收第一合并流(CF1)的第一出口导管；在第一反应物出口(RO1)处或下游布置在出口导管中的第一温度传感器(T1)；和适合并配置为控制由第一控制阀(CV1)分割冷反应物的第一进料流(FF1)产生的第一主流(MF1)和第一旁路流(BF1)的相对比例的可编程逻辑控制器(C)，所述控制基于第一温度传感器(T1)感知的第一合并流(CF1)的温度。
还提供一种利用预热的反应物的玻璃熔炉，其包含布置在包围适合并配置为容纳玻璃制造装料或熔融玻璃的燃烧空间的炉壁(22)上的第一和第二燃烧器(23A,23B)、气态燃料源(19A,19B)、选自工业纯氧和富氧空气的氧化剂源(11A,11B)和具有出口(6)的同流换热器(recuperator)或交流换热器(regenerator)(5)，和权利要求18的热交换系统。第一和第二冷反应物是从所述氧化剂源(11A,11B)接收的相同冷氧化剂。燃烧器(23A,23B)从所述气态燃料源(19A,19B)接收气态燃料。第一控制阀(CV1)从氧化剂源(11A)接收冷反应物的第一进料流(FF1)。第二控制阀(CV2)从氧化剂源(11B)接收冷反应物的第二进料流(FF1)。热壳程流体是从同流换热器或交流换热器(5)的出口(6)接收的空气。第一和第二合并流(CF1,CF2)分别在第一和第二燃烧器(23A,23B)处用气态燃料燃烧以产生用于加热所述装料或熔融玻璃的热。
提供另一种利用预热的反应物的玻璃熔炉，其包含布置在包围适合并配置为容纳玻璃制造装料或熔融玻璃的燃烧空间的炉壁(22)上的第一和第二燃烧器(23A,23B)、气态燃料源(19A,19B)、选自工业纯氧和富氧空气的氧化剂源(11A,11B)和具有出口(6)的同流换热器或交流换热器(5)，和权利要求18的热交换系统。第一和第二冷反应物是从所述气态燃料源(19A,19B)接收的相同气态燃料。燃烧器(23A,23B)从所述氧化剂源(11A,11B)接收氧化剂。第一控制阀(CV1)从气态燃料源(19A)接收冷反应物的第一进料流(FF1)。第二控制阀从气态燃料源(19B)接收冷反应物的第二进料流。热壳程流体是从同流换热器或交流换热器(5)的出口(6)接收的空气。第一和第二合并流(CF1,CF2)分别在第一和第二燃烧器(23A,23B)处用氧化剂燃烧以产生用于加热所述装料或熔融玻璃的热。
提供又一种利用预热的反应物的玻璃熔炉，其包含布置在包围适合并配置为容纳玻璃制造装料或熔融玻璃的燃烧空间的炉壁上的第一和第二燃烧器、气态燃料源(19A,19B)、选自工业纯氧和富氧空气的氧化剂源(11A,11B)和具有出口(6)的同流换热器或交流换热器(5)，和两个权利要求18的热交换系统。这两个热交换系统的第一个的第一和第二冷反应物是从所述气态燃料源(19A,19B)接收的相同气态燃料。这两个热交换系统的第二个的第一和第二冷反应物是从所述氧化剂源(11A,11B)接收的相同氧化剂。这两个热交换系统的第一个的第一控制阀(CV1)从氧化剂源(11A)接收冷反应物的第一进料流(FF1)。这两个热交换系统的第一个的第二控制阀(CV2)从氧化剂源(11B)接收冷反应物的第二进料流(FF2)。这两个热交换系统的第二个的第一控制阀(CV1)从气态燃料源(19A)接收冷反应物的第一进料流(FF1)。这两个热交换系统的第二个的第二控制阀(CV2)从气态燃料源(19B)接收冷反应物的第二进料流(FF2)。热壳程流体是从同流换热器或交流换热器(5)的出口(6)接收的空气。来自这两个热交换系统的第一个的第一合并流(CF1)和来自这两个热交换系统的第二个的第一合并流(CF1)在第一燃烧器(23A)处燃烧以产生用于加热所述装料或熔融玻璃的热。来自这两个热交换系统的第一个的第二合并流(CF2)和来自这两个热交换系统的第二个的第二合并流(CF2)在第二燃烧器(23B)处燃烧以产生用于加热所述装料或熔融玻璃的热。
任何一个或多个热交换系统、方法或玻璃熔炉可包括一个或多个下列方面:
-用第二控制阀(CV2)将冷反应物的第二进料流(FF2)分成冷反应物的第二主流(MF2)和冷反应物的第二旁路流(BF2)，第二主流(MF2)在管程上流经管壳式热交换器。在管壳式热交换器处在第二主流(MF2)和热壳程流体流之间换热并将第二主流(MF2)与第二旁路流(BF2)合并产生加热的反应物的第二合并流(CF2)和冷却壳程流体流，第二合并流(CF2)在热交换器的第二反应物出口(RO2)离开热交换器。在第二反应物出口(RO2)处或下游测量第二合并流(CF2)的温度。基于第二合并流(CF2)的测量的温度用第二控制阀(CV2)控制由第二进料流(FF2)分割而得的第二主流(MF2)和第二旁路流(BF2)的相对比例。从壳程流体传递到第二旁路流(BF2)的热少于从壳程流体传递到第二主流(MF2)的热。第一进料流(FF1)分割成第一主流和旁路流(MF1,BF1)的相对比例的控制独立于第二进料流(FF2)分割成第二主流和旁路流(MF2,BF2)的相对比例的控制。
-所述反应物是氧浓度高于空气的氧化剂。
-所述反应物是工业纯氧。
-所述反应物是富氧空气。
-所述反应物是气态燃料。
-所述壳程流体是空气或惰性气体。
-所述壳程流体是空气并通过下列步骤获得热壳程空气：在预换热器处通过与冷壳程空气换热预热环境空气以产生中等热的空气；和在同流换热器或交流换热器处通过与热炉气换热加热所述中等热的空气以产生热壳程空气。
-所述管壳式热交换器包括：接收第一旁路流(BF1)的第一旁路进气室(28)，第一旁路进气室(28)在下游方向终结于第一管板(30)；与第一旁路进气室(28)流体连通、从第一管板(30)下游延伸并终结于开放下游端(34)的第一组旁路管(33)；接收第一主流(MF1)的第一主进气室(29)，第一主进气室(29)在下游方向终结于第二管板(31)，第一主进气室(29)在第一和第二管板(30,31)之间以密封方式包围第一组旁路管(33)；和第一组主管(32)，其各个主管与第一主进气室(29)连通，从第二管板(31)下游延伸并同心包围第一组旁路管(33)的各个旁路管。第一组主管中的各主管(32)与第一反应物出口(RO1)流体连通。在第一组旁路管(33)的旁路管之一(33)的各开放下游端(34)，一部分第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)的各自部分合并以形成一部分第一合并流(CF1)，其沿各自的主管(32)的剩余下游部分流向第一反应物出口(RO1)。经由在第一组主管(32)和第一组旁路管(33)之间的环形空间中流动的第一主流(MF1)实现第一旁路流(BF1)和热壳程流体之间的热交换。
-所述管壳式热交换器包括：接收第一旁路流(BF1)的第一旁路进气室(28)，第一旁路进气室(28)在下游方向终结于第一管板(30)；与第一旁路进气室(28)流体连通、从第一管板(30)下游延伸并终结于开放下游端(34)的第一组旁路管(33)；接收第一主流(MF1)的第一主进气室(29)，第一主进气室(29)在下游方向终结于第二管板(31)，第一主进气室(29)在第一和第二管板(30,31)之间以密封方式包围第一组旁路管(33)；第一组主管(32)，其各个主管与第一主进气室(29)连通，从第二管板(31)下游延伸并同心包围第一组旁路管(33)的各个旁路管，第一组主管中的各主管(32)与第一反应物出口(RO1)流体连通，在第一组旁路管(33)的旁路管之一(33)的各开放下游端(34)，一部分第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)的各自部分合并以形成一部分第一合并流(CF1)，其沿各自的主管(32)的剩余下游部分流向第一反应物出口(RO1)，经由在第一组主管(32)和第一组旁路管(33)之间的环形空间中流动的第一主流(MF1)实现第一旁路流(BF1)和热壳程流体之间的热交换；接收第二旁路流(BF2)的第二旁路进气室(48)，第二旁路进气室(48)在下游方向终结于第四管板(50)，第四管板(50)与第一管板(31)在相同平面上延伸；与第二旁路进气室(48)流体连通、从第四管板(31)下游延伸并终结于开放下游端(54)的第二组旁路管(53)；接收第二主流(MF1)的第二主进气室(49)，第二主进气室(49)在下游方向终结于第二管板(31)，第二主进气室(49)在第四和第二管板(50,31)之间以密封方式包围第二组旁路管(53)；和第二组主管(52)，其各个主管与第二主进气室(49)连通，从第二管板(31)下游延伸并同心包围第二组旁路管(53)的各个旁路管。第二组主管(52)中的各主管(52)与第二反应物出口(RO2)流体连通。在第二组旁路管(53)的旁路管之一(53)的各开放下游端(54)，一部分第二主流(MF2)与第二旁路流(BF2)的各自部分合并以形成一部分第二合并流(CF1)，其沿各自的主管(52)的剩余下游部分流向第二反应物出口(RO1)。
-所述管壳式热交换器包括：接收第一旁路流(BF1)的第一进气室(69)，第一进气室(69)布置在壳(35)内；与第一反应物出口(RO1)流体连通的第一出口室(114,113)；在第一进气室(69)和第一出口室(114,113)之间流体连通的至少一个第一反应物管(71)；和从第一控制阀(CV1)接收第一主流(MF1)、在第一进气室(89)下游延伸到热交换器内部并延伸回以终结于第一进气室(89)的至少一个第一主流管(68)，其中第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)在第一进气室(69)合并，且第一合并流(CF1)流经所述至少一个第一反应物管(71)。
-所述管壳式热交换器包括：接收第一旁路流(BF1)的第一进气室(69)，第一进气室(69)布置在壳(35)内；与第一反应物出口(RO1)流体连通的第一出口室(114,113)；在第一进气室(69)和第一出口室(114,113)之间流体连通的至少一个第一反应物管(71)；从第一控制阀(CV1)接收第一主流(MF1)、在第一进气室(69)下游延伸到热交换器内部并延伸回以终结于第一进气室(69)的至少一个第一主流管(68)，其中第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)在第一进气室(69)合并，且第一合并流(CF1)流经所述至少一个第一反应物管(71)；接收第二旁路流(BF2)的第二进气室(89)，第二进气室(89)布置在壳(35)内；与第二反应物出口(RO2)流体连通的第二出口室(115,113)；在第二进气室(89)和第二出口室(115,113)之间流体连通的至少一个第二反应物管(91)；和从第二控制阀(CV2)接收第二主流(MF2)、在第二进气室(89)下游延伸到热交换器内部并延伸回以终结于第二进气室(89)的至少一个第二主流管(88)，其中第二主流(MF2)与第二旁路流(BF2)在第二进气室(89)合并，且第二合并流(CF2)流经所述至少一个第二反应物管(91)。
-所述热交换器包括：第一、第二和第三腔室(109,111,113)，第三腔室(113)接收第一合并流(CF1)并与第一反应物出口(RO1)流体连通；接收第一主流(MF1)并从第一腔室(109)延伸贯穿壳(35)内部并与第二腔室(111)流体连通的至少一个第一上游反应物管(110)；接收第一旁路流(BF1)并在第一控制阀(CV1)和第二腔室(111)之间延伸和至少部分在所述热交换器的壳外延伸的第一旁路管(107)，其中第一主流(MF1)和第一旁路流(BF1)在第二腔室(111)合并；和接收第一合并流(CF1)并在第二和第三腔室(111,113)之间延伸的至少一个第一下游反应物管(112)。
-所述管壳式热交换器包括：第一、第二和第三腔室(109,111,113)，第三腔室(113)接收第一合并流(CF1)并与第一反应物出口(RO1)流体连通；接收第一主流(MF1)并从第一腔室(109)延伸贯穿壳(35)内部并与第二腔室(111)流体连通的至少一个第一上游反应物管(110)；接收第一旁路流(BF1)并在第一控制阀(CV1)和第二腔室(111)之间延伸和至少部分在所述热交换器的壳外延伸的第一旁路管(107)，其中第一主流(MF1)和第一旁路流(BF1)在第二腔室(111)合并；接收第一合并流(CF1)并在第二和第三腔室(111,113)之间延伸的至少一个第一下游反应物管(112)；第四、第五和第六腔室(107,111,113)，第四腔室(113)接收第二合并流(CF2)并与第二反应物出口(RO2)流体连通；接收第二主流(MF2)并从第四腔室(109)在壳(35)内延伸并与第五腔室(111)流体连通的至少一个第二上游反应物管(110)；接收第二旁路流(BF2)并在第二控制阀(CV2)和第五腔室(111)之间延伸和至少部分在所述热交换器的壳(35)外延伸的第二旁路管(107)，其中第二主流(MF2)和第二旁路流(BF2)在第五腔室(111)合并；和接收第二合并流(CF2)并在第五和第六腔室(111,113)之间延伸的至少一个第二下游反应物管(112)。
-所述热壳程流体获得自同流换热器或交流换热器。
-将所述冷却壳程流体导向同流换热器或交流换热器以加热所述冷却壳程流体以产生所述热壳程流体。
-将离开第一和第二反应物出口(RO1,RO2)的第一合并流(CF1)导向在运行上与炉相关联的第一和第二燃烧器(23A,23B)，其中：所述壳程流体是空气；第一和第二反应物相同并选自工业纯氧、富氧空气和天然气；如果第一和第二反应物是工业纯氧或富氧空气，第一和第二合并流(CF1,CF2)的第一和第二反应物在第一和第二燃烧器(23A,23B)处用燃料燃烧；如果第一和第二反应物是天然气，第一和第二合并流(23A,23B)的第一和第二反应物在第一和第二燃烧器(23A,23B)处用氧化剂燃烧；且所述炉是玻璃熔炉。
-所述热交换系统进一步包含：适合并配置为将冷反应物的第二进料流(FF2)分成冷反应物的第二主流(MF2)和冷反应物的第二旁路流(BF2)的第二控制阀(CV2)；从第二控制阀(CV2)接收冷反应物的第二主流(MF2)的第二主流入口导管(47,87,106)；从第二控制阀(CV2)接收冷反应物的第二旁路流(BF2)的第二旁路流入口导管(46,46,107)；用于在热交换空间中在第二主流(MF2)和热壳程流体流之间换热的装置；用于在热交换空间中在第二旁路流(BF2)和热壳程流体流之间换热的装置，其中所述用于在第二主流(MF2)和热壳程流体流之间换热的装置配置为并适合于使在第二主流(MF2)和热壳程流体流之间交换的热多于通过用于在第二旁路流(BF2)和热壳程流体流之间换热的装置在第二旁路流(BF2)和热壳程流体流之间交换的热；用于将第二主流(MF2)与第一旁路流(BF2)合并产生加热的反应物的第二合并流(CF2)的装置；至少一个接收第二合并流(CF2)并与第二反应物出口(RO2)流体连通的第二下游反应物管(92,112)；与第二反应物出口(RO2)流体连通并由其接收第二合并流(CF2)的第二出口导管；和在第二反应物出口(RO2)处或下游布置在第二出口导管中的第二温度传感器(T2)。可编程逻辑控制器(C)适合并配置为基于第二温度传感器(T2)感知的第二合并流(CF2)的温度控制由第二控制阀(CV2)分割冷反应物的第二进料流(FF2)产生的第二主流(MF2)和第二旁路流(BF2)的相对比例。
-所述用于在热交换空间中在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含：
1)接收第一旁路流(BF1)的第一旁路进气室(28)，第一旁路进气室(28)在下游方向终结于第一管板(30)；
2)与第一旁路进气室(28)流体连通、从第一管板(30)下游延伸并终结于开放下游端(34)的第一组旁路管(33)；且
-所述用于在热交换空间中在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含：
1)接收第一主流(MF1)并在下游方向终结于第二管板(31)的第一主进气室(29)，
2)第一组主管(32)，其各个主管与第一主进气室(29)连通，同心包围第一组旁路管(33)的各个旁路管并在第二管板(31)下游延伸超过第一组旁路管(33)的开放下游端(34)。
-第一主进气室(29)在第一和第二管板(30,31)之间以密封方式包围第一组旁路管(33)。
-第一组主管(32)中的各主管(32)与第一反应物出口(RO1)流体连通。
-所述用于将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)的装置包含第一组主管(32)的主管(32)的一部分，在此第一旁路流(BF1)离开开放下游端(34)并与在第一组主管(32)和第一组旁路管(33)之间的环形空间内流动的第一主流(MF1)合并。
-在开放端下游的第一组主管(32)的剩余部分允许第一合并流(CF1)和热壳程流体之间的热交换。
-所述用于在热交换空间中在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含：
1)接收第一旁路流(BF1)的第一旁路进气室(28)，第一旁路进气室(28)在下游方向终结于第一管板(30)；
2)与第一旁路进气室(28)流体连通、从第一管板(30)下游延伸并终结于开放下游端(34)的第一组旁路管(33)；且
-所述用于在热交换空间中在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含：
1)接收第一主流(MF1)并在在下游方向终结于第二管板(31)的第一主进气室(29)，
2)第一组主管(32)，其各个主管与第一主进气室(29)连通，同心包围第一组旁路管(33)的各个旁路管并在第二管板(31)下游延伸超过第一组旁路管(33)的开放下游端(34)；
-第一主进气室(29)在第一和第二管板(30,31)之间以密封方式包围第一组旁路管(33)；
-第一组主管(32)中的各主管(32)与第一反应物出口(RO1)流体连通；且
-所述用于将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)的装置包含第一组主管(32)的主管(32)的一部分，在此第一旁路流(BF1)离开开放下游端(34)并与在第一组主管(32)和第一组旁路管(33)之间的环形空间内流动的第一主流(MF1)合并；
-在开放端下游的第一组主管(32)的剩余部分允许第一合并流(CF1)和热壳程流体之间的热交换；
-所述用于在热交换空间中在第二旁路流(BF2)和热壳程流体流之间换热的装置包含：
1)接收第二旁路流(BF2)的第二旁路进气室(48)，第二旁路进气室(48)在下游方向终结于第四管板(50)，第四管板(50)与第一管板(31)在相同平面上延伸；
2)与第二旁路进气室(48)流体连通、从第四管板(50)下游延伸并终结于开放下游端(54)的第二组旁路管(53)；
-所述用于在热交换空间中在第二主流(MF2)和热壳程流体流之间换热的装置包含：
1)接收第二主流(MF2)并在下游方向终结于第二管板(31)的第二主进气室(49)，
2)第二组主管(52)，其各个主管与第二主进气室(49)连通，同心包围第二组旁路管(53)的各个旁路管并在第二管板(31)下游延伸超过第二组旁路管(53)的开放下游端(54)；
-第二主进气室(49)在第四和第二管板(50,31)之间以密封方式包围第二组旁路管(53)；
-第二组主管(52)中的各主管(52)与第二反应物出口(RO2)流体连通；
-所述用于将第二主流(MF2)与第二旁路流(BF2)合并产生加热的反应物的第二合并流(CF2)的装置包含第二组主管(52)的主管(52)的一部分，在此第二旁路流(BF2)离开开放下游端(54)并与在第二组主管(52)和第二组旁路管(53)之间的环形空间内流动的第二主流(MF2)合并；且
-在开放端(54)下游的第二组主管(52)的剩余部分允许第二合并流(CF2)和热壳程流体之间的热交换。
-所述用于在热交换空间中在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含从第一控制阀(CV1)接收第一旁路流(BF1)的第一入口导管(66)，第一入口导管(66)延伸到所述热交换器内部；
-所述用于将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)的装置包含与第一入口导管(66)流体连通的第一进气室(69)；且
-所述用于在热交换空间中在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含在第一控制阀(CV1)和第一进气室(69)之间流体连通、在第一进气室(69)下游延伸到热交换器内部并延伸回以终结于第一进气室(69)的至少一个第一主流管(68)；
-所述热交换器进一步包含与第一反应物出口(RO1)流体连通的第一出口室(114)；且
-所述热交换器进一步包含在第一进气室(69)和第一反应物出口(RO1)之间流体连通的允许第一合并流(CF1)与热壳程流体换热的至少一个第一反应物管(71)；
-所述用于在热交换空间中在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含从第一控制阀(CV1)接收第一旁路流(BF1)的第一入口导管(66)，第一入口导管(66)延伸到所述热交换器内部；
-所述用于将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)的装置包含与第一入口导管(66)流体连通的第一进气室(69)；且
-所述用于在热交换空间中在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含在第一控制阀(CV1)和第一进气室(69)之间流体连通、在第一进气室(69)下游延伸到热交换器内部并延伸回以终结于第一进气室(69)的至少一个第一主流管(68)；
-所述热交换器进一步包含与第一反应物出口(RO1)流体连通的第一出口室(114)；且
-所述热交换器进一步包含在第一进气室(69)和第一反应物出口(RO1)之间流体连通的允许第一合并流(CF1)与热壳程流体换热的至少一个第一反应物管(71)；
-所述用于在热交换空间中在第二旁路流(BF2)和热壳程流体流之间换热的装置包含从第二控制阀(CV2)接收第二旁路流(BF2)的第二入口导管(86)，第二入口导管(86)延伸到所述热交换器内部；
-所述用于将第二主流(MF2)与第二旁路流(BF2)合并产生加热的反应物的第二合并流(CF2)的装置包含与第二入口导管(86)流体连通的第二进气室(89)；且
-所述用于在热交换空间中在第二主流(MF2)和热壳程流体流之间换热的装置包含在第二控制阀(CV2)和第二进气室(89)之间流体连通、在第二进气室(89)下游延伸到热交换器内部并延伸回以终结于第二进气室(89)的至少一个第二主流管(88)；
-所述热交换器进一步包含第二出口室(115)；
-所述热交换器进一步包含在第二进气室(89)和第二出口室(115)之间流体连通的允许第二合并流(CF2)与热壳程流体换热的至少一个第二反应物管(91)。
-所述用于在热交换空间中在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含从第一控制阀(CV1)接收第一主流(MF1)的第一腔室(109)和在壳(35)内延伸并从第一腔室(109)接收第一主流(MF1)的至少一个第一上游反应物管(110)；
-所述用于在热交换空间中在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含从第一控制阀(CV1)接收第一旁路流(BF1)并至少部分在所述热交换器的壳(35)外延伸的第一旁路管(107)；
-所述将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)的装置包含接收所述至少一个第一上游反应物管(110)下游的第一主流(MF1)和来自第一旁路管(107)的第一旁路流(BF1)的第二腔室(111)；且
-所述热交换器进一步包含至少一个第一下游反应物管(112)和与第一反应物出口(RO1)流体连通的第三腔室(113)，所述至少一个第一下游反应物管(112)接收第一合并流(CF1)并在壳(35)内在第二和第三腔室(109,111)之间延伸以允许第一合并流(CF1)和热壳程流体之间的热交换。
-所述用于在热交换空间中在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含从第一控制阀(CV1)接收第一主流(MF1)的第一腔室(109)和在壳(35)内延伸并从第一腔室(109)接收第一主流(MF1)的至少一个第一上游反应物管(110)；
-所述用于在热交换空间中在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含从第一控制阀(CV1)接收第一旁路流(BF1)并至少部分在所述热交换器的壳(35)外延伸的第一旁路管(107)；
-所述将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)的装置包含接收所述至少一个第一上游反应物管(110)下游的第一主流(MF1)和来自第一旁路管(107)的第一旁路流(BF1)的第二腔室(111)；且
-所述热交换器进一步包含至少一个第一下游反应物管(112)和与第一反应物出口(RO1)流体连通的第三腔室(113)，所述至少一个第一下游反应物管(112)接收第一合并流(CF1)并在壳(35)内在第二和第三腔室(109,111)之间延伸以允许第一合并流(CF1)和热壳程流体之间的热交换；
-所述用于在热交换空间中在第二主流(MF2)和热壳程流体流之间换热的装置包含从第二控制阀(CV2)接收第二主流(MF2)的第四腔室(109)和在壳(35)内延伸并从第四腔室(109)接收第二主流(MF2)的至少一个第二上游反应物管(110)；
-所述用于在热交换空间中在第二旁路流(BF2)和热壳程流体流之间换热的装置包含从第二控制阀(CV2)接收第二旁路流(BF2)并至少部分在所述热交换器的壳(35)外延伸的第二旁路管(107)；
-所述将第二主流(MF2)与第二旁路流(BF2)合并产生加热的反应物的第二合并流(CF2)的装置包含接收来自所述至少一个第二上游反应物管(110)的第二主流(MF2)和来自第二旁路管(107)的第二旁路流(BF2)的第五腔室(111)；且
-所述热交换器进一步包含至少一个第二下游反应物管(112)和与所述至少一个第二反应物出口(RO2)流体连通的第六腔室(113)，所述至少一个第二下游反应物管(112)接收第二合并流(CF2)并在壳(35)内在第五和第六腔室(111,113)之间延伸以允许第二合并流(CF2)和热壳程流体之间的热交换。
-同流换热器或交流换热器(5)具有与壳入口(SI)流体连通的出口(6)，同流换热器或交流换热器(4)适合并配置为能将所述壳程流体加热并经壳入口(SI)输送到热交换空间。
-同流换热器或交流换热器(5)包括与壳出口(SO)流体连通的入口(4)，同流换热器或交流换热器(5)从壳出口(SO)接收冷却壳程流体并加热所述冷却壳程流体以产生热壳程流体。
附图简述
为了进一步理解本发明的性质和目的，应该参考联系附图作出的下列详述，其中给予类似元件相同或类似的标号且其中：
图1是利用流体旁路的一个现有技术热回收解决方案的示意图。
图2是本发明的热回收解决方案的示意图。
图3是仅图解热交换器的上游部分的本发明的一个实施方案的示意图。
图4是仅图解热交换器的上游部分的本发明的另一实施方案的示意图。
图5是可与图3和4一起使用的仅图解热交换器的下游部分的本发明的一个实施方案的示意图。
图6是可与图3和4一起使用的仅图解热交换器的下游部分的本发明的另一实施方案的示意图。
图7是仅图解一个进料流、主流、旁路流和合并流的本发明的另一实施方案的示意图。
图8是用于采用氧化剂预热的炉的本发明的一个用途的示意图。
图9是用于采用燃料预热的炉的本发明的一个用途的示意图。
图10是用于既采用氧化剂预热又采用燃料预热的炉的本发明的一个用途的示意图。
详述
用于降低逆流管壳式热交换器的内部组件的过热的本发明的方法和热交换系统利用反应物流的可变部分旁路。一般而言，用控制阀将管程进料流分成两个分流：主流和旁路流。这两个流都送入热交换器内的管程并在上游和下游端之间的点合并。确定主流和旁路流的路径的配置、尺寸和结构以使热壳程流体和主流之间的传热大于热壳程流体和旁路流之间。基于该合并流在热交换器出口处或下游的温度，可以用控制阀调节主流和旁路流的相对量以控制该合并流的温度。
进料流的数量不限于仅一个或两个。相反，进料流的数量取决于工艺要求。通常，其为2-12。一个进料流分割成相应的主流和旁路流的相对比例的控制独立于任何其它进料流分割成主流和旁路流的相对比例的控制。这意味着主流和旁路流的相对比例的调节可以在不进行其它主流和旁路流的相对比例的相同调节的情况下进行。
本发明避免或降低了出口附近的管程流体温度超过热交换器的内部组件的材料极限温度的可能性(现有技术解决方案具有这种可能性)。通过降低旁路流的加热程度，可以降低离开热交换器的管程流体的总体温度。此外，通过在热交换器内重组流体，可以避免或降低现有技术方案发生的温度超调，因为无论该流体是全部、都不还是一部分在旁路流中部分绕过热交换器，该合并流(在热交换器内合并两个流体的点后)保持相同。因此，当主流和旁路流的相对量改变时，从壳程热流体向该合并流传热的速率不变。
如图2中最好地显示，用第一控制阀(CV1)将冷反应物的第一进料流(FF1)分成冷反应物的第一主流(MF1)和冷反应物的第一旁路流(BF1)。第一主流(MF1)在其管程上流经逆流管壳式热交换器HEinv。在管壳式热交换器HEinv处在第一主流(MF1)和经由壳入口(SI)的热壳程流体流之间换热。第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)。第一合并流(CF1)在其第一反应物出口(RO1)离开热交换器HEinv，而冷却壳程流体流经壳出口(SO)离开。在第一反应物出口(RO1)处或下游测量第一合并流(CF1)的温度。基于第一合并流(CF1)的测量的温度用控制阀(CV1)控制由第一进料流(FF1)分割而得的第一主流(MF1)和第一旁路流(BF1)的相对比例。
热交换器的其它细节如下。存在至少一个第一下游反应物管(92)，其接收第一合并流(CF1)并与第一反应物出口(RO1)流体连通。下游反应物管(92)的数量可随管程流体流和所用的具体热交换器设计而变。通常，其为2-12。第一出口导管与第一反应物出口(RO1)流体连通并由其接收第一合并流(CF1)。第一温度传感器(T1)在第一反应物出口(RO1)处或下游布置在出口导管中。可编程逻辑控制器(C1)适合并配置为控制由第一控制阀(CV1)分割冷反应物的第一进料流(FF1)产生的第一主流(MF1)和第一旁路流(BF1)的相对比例。该控制基于第一温度传感器(T1)感知的第一合并流(CF1)的温度。
从壳程流体传递到第一旁路流(BF1)的热少于从壳程流体传递到第一主流(MF1)的热。本领域普通技术人员会认识到，主流和旁路流被热壳程流体加热到的程度取决于若干因素。非限制性清单包括：主流路径和旁路流路径的长度、主流路径和旁路流路径的横截面表面积、主流和旁路流输送管的厚度、在热壳程流体和主流之间或在热壳程流体和旁路流之间的中间流体的存在、构成主流和旁路流输送管的材料和这两个流径的路线。尽管例示了用于实现热壳程流体和旁路管程流体之间的相对较低热交换的三个实施方案，但实现较低热交换结果的任何设计都在本发明的范围内。
要注意的三个热交换器元件包括：用于在热交换空间中在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置；用于在热交换空间中在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置；和用于将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的第一合并流(CF1)的装置。如上论述，尽管除所示实施方案还可以采用多种不同的途径，但用于在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置配置为并适合于使在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间交换的热多于通过用于在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间交换的热。
该方法和系统可任选包括也以类似方式处理的第二进料流。用第二控制阀(CV2)将冷反应物的第二进料流(FF2)分成冷反应物的第二主流(MF2)和冷反应物的第二旁路流(BF2)。第二主流(MF2)在管程上流经管壳式热交换器。在管壳式热交换器处在第二主流(MF2)和热壳程流体流之间换热。第二主流(MF2)与第二旁路流(BF2)合并产生加热的反应物的第二合并流(CF2)。第二合并流(CF2)在第二反应物出口(RO2)离开热交换器HEinv。在第二反应物出口(RO2)处或下游测量第二合并流(CF2)的温度。可编程逻辑控制器(C2)适合并配置为基于第二合并流(CF2)的测量的温度控制由第二控制阀(CV2)分割第二进料流(FF2)产生的第二主流(MF2)和第二旁路流(BF2)的相对比例。或者，可以使用仅单个可编程逻辑控制器(C1)执行这两个控制功能。类似于第一主流和旁路流，从壳程流体传递到第二旁路流(BF2)的热少于从壳程流体传递到第二主流(MF2)的热。第二进料流(FF2)分割成第二主流和旁路流(MF2,BF2)的相对比例的控制独立于第二进料流(FF2)分割成第二主流和旁路流(MF2,BF2)的相对比例的控制。这意味着第一主流和旁路流的相对比例的调节可以在不进行第二主流和旁路流的相对比例的相同调节的情况下进行。
该热交换器是逆流管壳式热交换器。这意味着热壳程流体流的至少一些方向分量(directional component)与管程流体的方向相反。尽管热壳程流体可以与管的方向成一定角度引入壳内部，在这种情况下考虑使用内部挡板赋予管程和壳程流体所需的逆流行为。
尽管管程反应物可以是试图通过与热壳程流体换热而加热的任何流体，但管程反应物通常是氧浓度高于空气的氧化剂或该反应物是燃料。重要的是，应指出，尽管在概述、详述和权利要求书中通篇使用术语“反应物”，但管程流体不需要是反应性的。相反，其可任选如热交换或燃烧领域的普通技术人员理解的那样是惰性的。因此，在本文中论述的本发明的许多实施方案或方面的任一个中可以使用惰性“反应物”。通常，该氧化剂是工业纯氧或富氧空气。如果该燃料不在热交换器处预热，该燃料可以是传统上用在炉中的任何燃料，包括固态、液态或气态燃料。如果该燃料在热交换器处预热，该燃料是气态燃料，如甲烷、天然气或丙烷。尽管壳程流体可以类似地为要用于加热管程流体的任何流体，但壳程流体通常是空气、二氧化碳或惰性气体，如氮气或氦气，或上述气体的任何混合物。在任一情况下，空气或惰性气体在引入热交换器之前可以首先在同流换热器或交流换热器加热。
现在将描述具体热交换器设计的三个实施方案。
在第一实施方案中和如图3中所示，第一旁路进气室(28)接收第一旁路流(BF1)。第一旁路进气室(28)在下游方向终结于第一管板(30)。第一组旁路管(33)与第一旁路进气室(28)流体连通，从第一管板(30)下游延伸并终结于开放下游端(34)。第一主进气室(29)接收第一主流(MF1)。第一主进气室(29)在下游方向终结于第二管板(31)。第一主进气室(29)在第一和第二管板(30,31)之间以密封方式包围第一组旁路管(33)。第一组主管(32)的各个主管与第一主进气室(29)流体连通，从第二管板(31)下游延伸并同心包围第一组旁路管(33)的各个旁路管。第一组主管中的各主管(32)与第一反应物出口(RO1)流体连通。在第一组旁路管(33)的旁路管之一(33)的各开放下游端(34)处，一部分第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)的各自部分合并以形成一部分第一合并流(CF1)，其沿各自的主管(32)的剩余下游部分流向第一反应物出口(RO1)。经由在第一组主管(32)和第一组旁路管(33)之间的环形空间中流动的第一主流(MF1)实现第一旁路流(BF1)和热壳程流体之间的热交换。
继续参考图3，第二旁路进气室(48)接收第二旁路流(BF2)。第二旁路进气室(48)在下游方向终结于第四管板(50)。第四管板(50)与第一管板(31)在相同平面上延伸。第二组旁路管(53)与第二旁路进气室(48)流体连通，从第四管板(31)下游延伸并终结于开放下游端(54)。第二主进气室(49)接收第二主流(MF1)。第二主进气室(49)在下游方向终结于第二管板(31)。第二主进气室(49)在第四和第二管板(50,31)之间以密封方式包围第二组旁路管(53)。第二组主管(52)的各个主管与第二主进气室(49)流体连通，在第二管板(31)下游延伸并同心包围第二组旁路管(53)的各个旁路管。第二组主管(52)中的各主管(52)与第二反应物出口(RO2)流体连通。在第二组旁路管(53)的旁路管之一(53)的各开放下游端(54)，一部分第二主流(MF2)与第二旁路流(BF2)的各自部分合并以形成一部分第二合并流(CF1)，其沿各自的主管(52)的剩余下游部分流向第二反应物出口(RO1)。
类似于上文论述的反应物管的数量，主管和旁路管的数量可随工艺要求而变。通常存在2-12个主管和/或旁路管。显而易见的是，第一和第二主流(MF1,MF2)与热壳程流体发生的热传递大于第一和第二旁路流(BF1,BF2)，因为只有主管将主流与热壳程流体隔开，而就旁路流而言，各主管、主流本身和各旁路管将第一旁路流与热壳程流体隔开。
在第二实施方案中和如图4中所示，第一进气室(69)接收第一旁路流(BF1)，其中第一进气室(69)布置在壳(35)内。第一出口室(114,113)与第一反应物出口(RO1)流体连通。至少一个第一反应物管(71)在第一进气室(69)和第一出口室(114,113)之间流体连通。至少一个第一主流管(68)从第一控制阀(CV1)接收第一主流(MF1)，在第一进气室(89)下游延伸到热交换器内部并延伸回以终结于第一进气室(89)。第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)在第一进气室(69)合并，且第一合并流(CF1)流经所述至少一个第一反应物管(71)。
继续参考图4，第二进气室(89)接收第二旁路流(BF2)，其中第二进气室(89)布置在壳(35)内。第二出口室(115,113)与第二反应物出口(RO2)流体连通。至少一个第二反应物管(91)在第二进气室(89)和第二出口室(115,113)之间流体连通。至少一个第二主流管(88)从第二控制阀(CV2)接收第二主流(MF2)，在第二进气室(89)下游延伸到热交换器内部并延伸回以终结于第二进气室(89)。第二主流(MF2)与第二旁路流(BF2)在第二进气室(89)合并，且第二合并流(CF2)流经所述至少一个第二反应物管(91)。
类似于上文论述的反应物管的数量，主流管(68,88)和反应物管(71,91)的数量可随工艺要求而变。通常存在2-12个主流管(68,88)和/或反应物管(71,91)。显而易见的是，第一和第二主流(MF1,MF2)与热壳程流体发生的热传递大于第一和第二旁路流(BF1,BF2)，因为主流(MF1,MF2)在与热壳程流体的传热接触中经过的距离远于旁路流(BF1,BF2)。
在运行中，壳程流体的流速与氧化剂流或燃料流的流速的比率以日常的方式(ina trivial way)依赖于各种因素，包括壳程流体的类型、氧化剂的类型、壳程流体的温度、预热前的氧化剂温度、预热前的燃料温度、所需热氧化剂和热燃料温度、工艺要求和热交换器的特定构造。该比率通常为至少2:1。
壳程流体和热燃烧气体的温度也以日常的方式依赖于各种因素，包括壳程流体的类型、燃烧气体的类型、在同流换热器或交流换热器热交换前的壳程流体的温度、热燃烧气体的温度、工艺要求和同流换热器或交流换热器的特定构造。尽管更高温度是可能的，但热壳程流体通常在最多大约730℃的温度下。通常，氧化剂和燃料在预热前在环境温度下。在预热后，氧化剂通常在最多大约700℃的温度下，但更高温度仍有可能。在预热后，燃料通常在最多大约450℃的温度下。在热壳程流体与氧化剂和燃料流之间热交换后，冷却壳程流体通常在大约200-300℃的温度下。
任选地，各氧化剂流在第一热交换器预热，而各燃料流在第二热交换器预热。热壳程流体流可以并联布置，由此将两个热壳程流体流导向这两个热交换器。热壳程流体流也可以串联布置，由此氧化剂和燃料流之一在第一热交换器通过与热壳程流体热交换预热，并利用离开第一热交换器的现在略微冷却的热壳程流体在第二热交换器预热氧化剂和燃料流的另一个。
任选地，壳程流体可以再循环。再循环是指在壳程流体与氧化剂和/或燃料流之间进行热交换后，将其送回交流换热器或同流换热器以完成回路。在这种情况下，非空气的壳程流体变得更成本有效。可以选择壳程流体以优化导管之间的热传递，例如通过选择高热导率流体，如氦气。或者，可以通过选择高热容流体，如二氧化碳来优化总传热。任选地，该壳程流体是任何其它惰性气体或氦气、二氧化碳的一种或多种和其它惰性气体的混合物。
或者，壳程流体是空气并如下获得热壳程空气：在预换热器处通过与冷壳程空气换热预热环境空气以产生中等热的空气。然后在同流换热器或交流换热器处通过与热燃烧气体/炉气换热加热该中等热的空气以产生热壳程空气。
基于接收预热氧化剂(和/或燃料)的组合燃烧器的总功率优化热交换器的总体设计。这意味着基于接收预热氧化剂(或燃料)的燃烧器的总组合功率优化氧化剂(或燃料)管的直径、氧化剂(或燃料)管的数量、氧化剂(或燃料)管间距(即管与管间距)和氧化剂(或燃料)长径比。一旦优化了这些变量，为热交换器提供单个壳。然后，基于要通过热交换器预热的氧化剂(或燃料)流的数量将氧化剂(或燃料)管分组，其中各组接收单独的氧化剂(或燃料)流。这种设计优化有别于热交换器的组合——各个热交换器基于用其供应预热氧化剂或燃料的燃烧器独立优化，其中该组合包括与组合的热交换器的数量相等的壳数。热交换器的组合比本发明的优化热交换器低效。该管壳式热交换器可具有热交换器领域中传统使用的横截面构造，包括但不限于：圆形、椭圆形、矩形和正方形。
无论选择第一还是第二实施方案，如图5中最好地显示，来自主管32或反应物管71的氧化剂(或燃料)的合并流(CF1,CF2)视情况而定排放到用相关阀盖115,117包围和密封的相关收集空间114,116中(在图6中未显示与其它氧化剂或燃料流相关的阀盖)。各阀盖115,117(包括用于其它流的阀盖)直接连接到壳36上。下游管板93和氧化剂(或燃料)管92的组合(视情况而定，构成主管32或反应物管71的下游部分)将流经空间120的热壳程流体与合并流(CF1,CF2)隔开。管板93和壳35的下游端之间的空间122基本是死空间。本领域普通技术人员会认识到，可以由热交换器领域中公知的多种多样的技术选择用于收集特定氧化剂(或燃料)流的特定配置/结构/设备。在这种情况下，当然使各氧化剂(或燃料)流与其它氧化剂(或燃料)流保持隔开。
通常响应工艺要求随时间经过改变各个单独控制的氧化剂(或燃料)流的流速。如果降低一个或不到所有氧化剂(或燃料)流的流速，较慢的氧化剂(或燃料)流流速使得较慢速料流被加热到比其它较快速料流高的温度。这是因为氧化剂(或燃料)在热交换器内的较长停留时间能使热传热流体与较慢速料流之间的传热更高。相反，较高的氧化剂(或燃料)流流速由于较快速料流的较短停留时间而使较快速料流被加热到比其它较慢速料流低的温度。
尽管实施了本发明，但输送较高(或较低)流速料流的各氧化剂(或燃料)管的热膨胀或热收缩可能不同于其它氧化剂(或燃料)流，因为较高(或较低)流速料流可能被加热到比其它料流低(或高)的温度。为避免不同的热膨胀和/或收缩对氧化剂(或燃料)管和壳施加不适当应力的可能性，可以为各组氧化剂(或燃料)管提供单独的热膨胀接头。由此，单独的接头允许不同管组的不同膨胀和收缩而不对热交换器施加不适当应力。如图6中最好地显示，各氧化剂或燃料流排放到用相关阀盖115,117包围和密封的相关收集空间114,116中(在图6中未显示与其它氧化剂或燃料流相关的阀盖)。各阀盖115,117(包括用于其它流的阀盖)经由相关膨胀接头94,96连接到壳36上以适应不同的热膨胀/收缩。
图6的热交换器不带有如图5的下游管板93。相反，该热交换器包括“类似管板的”隔板118，其在，一方面，热壳程流体流过的壳的内部120和另一方面，位于隔板118和壳35的下游端之间的空间122之间，提供不完美密封。隔板118包括具有接近氧化剂(或燃料)管92(仅具有更宽尺寸)的横截面的孔以使氧化剂(或燃料)管92可通过膨胀或收缩滑过该孔。代替使用管板93(如图5中所示)将热壳程流体与热交换器排放端的收集空间114,116中的氧化剂(或燃料)隔开，氧化剂(或燃料)管92、膨胀接头94,96和隔板118的组合使氧化剂和热壳程流体保持隔开。
在第三实施方案中和如图7中所示，热交换器包括第一、第二和第三腔室(109,111,113)。第三腔室(113)接收第一合并流(CF1)并与第一反应物出口(RO1)流体连通。至少一个第一上游反应物管(110)接收第一主流(MF1)并从第一腔室(109)延伸贯穿壳(35)内部并与第二腔室(111)流体连通。第一旁路管(107)接收第一旁路流(BF1)并在第一控制阀(CV1)和第二腔室(111)之间延伸和至少部分在热交换器的壳外延伸。第一主流(MF1)和第一旁路流(BF1)在第二腔室(111)合并。至少一个第一下游反应物管(112)接收第一合并流(CF1)并在第二和第三腔室(111,113)之间延伸。
该管壳式热交换器还可包括用于第二进料流(FF2)的重复元件。为清楚起见，图7没有显示重复元件。但要理解的是，第一主流(MF1)和第一旁路流(MF2)可以用与第一主流(MF1)和第一旁路流(BF1)并行布置的类似的第二主流(MF2)和第二旁路流(BF2)重复。如上文论述，没有限制不同进料流的数量。因此，可以看出，图8的实施方案的设计可以以模块化方式扩大或缩小规模以适应工艺要求。
类似于上文论述的反应物管的数量，上游和下游反应物管(110,112)的数量不受限制并可随工艺要求和所选的具体热交换器设计而变。其通常为2-12。
无论选择第一、第二还是第三实施方案，热壳程流体通常获得自同流换热器或交流换热器(4)。任选地，可以将冷却壳程流体再循环回同流换热器或交流换热器以加热该冷却壳程流体以产生热壳程流体。
尽管该热交换方法和系统可用于需要相对较冷的管程流体和相对较热的壳程流体之间的热交换的多种多样的工艺，但该方法和系统有利地用于用于燃烧器，更特别是与熔炉，如高炉、金属熔炉或玻璃熔炉相关的燃烧器的氧化剂或燃料的预热。
用于炉的本发明的一个通用和示例性用途显示在图8中。热燃烧气体1在同流换热器或交流换热器5预热传热流体(即壳程流体)3。所得热壳程流体7流向用于预热氧化剂的热交换器9，在此其与冷氧化剂流11A,11B,11C,11D换热。将所得热氧化剂流13A,13B,13C,13D导向燃烧器23A,23B,23C,23D。将燃料流19A,19B,19C,19D导向燃烧器23A,23B,23C,23D，在此燃料用热氧化剂燃烧以产生热燃烧气体1。热壳程流体在热交换器9冷却并任选作为壳程流体3再循环至同流换热器或交流换热器5以完成回路。
用于炉的本发明的另一通用和示例性用途显示在图9中。热燃烧气体1在同流换热器或交流换热器5预热壳程流体3。所得热壳程流体7流向用于预热燃料的热交换器17，在此其与冷燃料流19A,19B,19C,19D换热。将所得热燃料流21A,21B,21C,21D导向燃烧器23A,23B,23C,23D，在此热燃料用氧化剂流11A,11B,11C,11D燃烧。热壳程流体在热交换器17冷却并任选作为壳程流体3再循环至同流换热器或交流换热器5以完成回路。
用于炉的本发明的另一通用和示例性用途显示在图10中。热燃烧气体1在同流换热器或交流换热器5预热壳程流体3。所得热壳程流体7流向用于预热氧化剂的热交换器9，在此其与冷氧化剂流11A,11B,11C,11D换热。将所得热氧化剂流13A,13B,13C,13D导向燃烧器23A,23B,23C,23D。热壳程流体在热交换器9冷却并导向用于预热燃料的热交换器17，在此其与冷燃料流19A,19B,19C,19D换热。将所得热燃料流21A,21B,21C,21D导向燃烧器23A,23B,23C,23D，在此热燃料用热氧化剂燃烧以产生热燃烧气体1。任选地，壳程流体3(在同流换热器或交流换热器5处加热前)可以是在热交换器17处热交换后的冷却壳程流体。
尽管图8-10显示一个热交换器用于每四个氧化剂流11A,11B,11C,11D和一个热交换器用于每四个燃料流19A,19B,19C,19D，但本发明不限于这种方式。相反，各热交换器可以处理少到两个或三个氧化剂流11A,11B,11C,11D或燃料流19A,19B,19C,19D或其可以处理多于四个。此外，尽管图4-6显示仅四个燃烧器，但可以少到两个或三个或多到几十个。在玻璃熔炉的情况下，通常炉一侧上的所有燃烧器(利用预热氧化剂和/或燃料)从一对热交换器(一个用于氧化剂，一个用于燃料)接收预热氧化剂和预热燃料，而相反侧上的所有燃烧器从另一对热交换器(仍然一个用于氧化剂，一个用于燃料)接收预热氧化剂和预热燃料。此外，尽管图10显示在壳程流体3用于预热燃料前预热氧化剂，但可以颠倒这一顺序。
当图2中所示的控制方案用于图8的炉时，第一控制阀(CV1)从氧化剂源(11A)接收冷反应物的第一进料流(FF1)。第二控制阀(CV2)从氧化剂源(11B)接收冷反应物的第二进料流(FF1)。热壳程流体是从同流换热器或交流换热器(5)的出口(6)接收的空气。第一和第二合并流(CF1,CF2)分别在第一和第二燃烧器(23A,23B)处用气态燃料燃烧以产生用于加热所述装料或熔融玻璃的热。要理解的是，可以在热交换器处类似地预热其它氧化剂流(11C,11D)。
当图2中所示的控制方案用于图9的炉时，第一控制阀(CV1)从气态燃料源(19A)接收冷反应物的第一进料流(FF1)。第二控制阀从气态燃料源(19B)接收冷反应物的第二进料流。热壳程流体是从同流换热器或交流换热器(5)的出口(6)接收的空气。第一和第二合并流(CF1,CF2)分别在第一和第二燃烧器(23A,23B)处用氧化剂燃烧以产生用于加热所述装料或熔融玻璃的热。要理解的是，可以在热交换器处类似地预热其它燃料流(19C,19D)。
当图2中所示的控制方案用于图10的炉时，这两个热交换系统的第一个的第一控制阀(CV1)从氧化剂源(11A)接收冷反应物的第一进料流(FF1)。这两个热交换系统的第一个的第二控制阀(CV2)从氧化剂源(11B)接收冷反应物的第二进料流(FF2)。这两个热交换系统的第二个的第一控制阀(CV1)从气态燃料源(19A)接收冷反应物的第一进料流(FF1)。这两个热交换系统的第二个的第二控制阀(CV2)从气态燃料源(19B)接收冷反应物的第二进料流(FF2)。热壳程流体是从同流换热器或交流换热器(5)的出口(6)接收的空气。来自这两个热交换系统的第一个的第一合并流(CF1)和来自这两个热交换系统的第二个的第一合并流(CF1)在第一燃烧器(23A)处燃烧以产生用于加热所述装料或熔融玻璃的热。来自这两个热交换系统的第一个的第二合并流(CF2)和来自这两个热交换系统的第二个的第二合并流(CF2)在第二燃烧器(23B)处燃烧以产生用于加热所述装料或熔融玻璃的热。要理解的是，可以在热交换器处类似地预热其它燃料流(19C,19D)和氧化剂流(11C,11D)。
该燃烧器可以是适合用氧化剂燃烧燃料的任何燃烧器，特别是适合用于熔炉，如金属或玻璃炉的那些，例如US 6,910,879、US 2007-0172781和US 2007-0281254公开的那些。
尽管已联系其具体实施方案描述了本发明，但显而易见的是，本领域技术人员根据上文的描述可看出许多替代、修改和变动。因此，旨在涵盖落在所附权利要求书的精神和宽范围内的所有这样的替代、修改和变动。本发明可以合适地包含所公开的元件、由或基本由所公开的元件构成，并可以在不存在未公开的元件的情况下实施。此外，如果提到顺序，如第一和第二，其应该在示例性意义而非限制性意义上理解。例如，本领域技术人员可以认识到，某些步骤可以合并成单步骤。
除非上下文清楚地另行规定，单数形式“一”和“该”包括复数对象。
权利要求中的“包含”是开放过渡术语，其是指随后指定的权利要求要素是非穷举清单，即可另外包括其它事项并仍在“包含”的范围内。“包含”在本文中被定义为包括更限定性的过渡术语“基本由...构成”和“由...构成”；“包含”因此可以被“基本由...构成”或“由...构成”替代并仍在“包含”的明确限定范围内。
权利要求中的“提供”意在表示配备、供应、使用或准备某物。在权利要求中没有明确作出相反陈述的情况下，可由任何操作者进行该步骤。
任选是指随后描述的事件或情形可能存在或不存在。该描述包括存在该事件或情形的情况和不存在该事件或情形的情况。
范围在本文中可以表示为从大约一个特定值，和/或到大约另一特定值。当表示这样的范围时，要理解的是，另一实施方案是从一个特定值和/或到另一特定值，以及所述范围内的所有组合。
本文中提到的所有参考文献各自全文以及就各自被引用的特定信息经此引用并入本申请。

Claims (28)

1.利用反应物流的可变部分旁路降低逆流管壳式热交换器的内部组件的过热的方法,所述方法包含步骤：
用第一控制阀(CV1)将冷反应物的第一进料流(FF1)分成冷反应物的第一主流(MF1)和冷反应物的第一旁路流(BF1)，第一主流(MF1)在热交换器的管程上流经逆流管壳式热交换器；
在管壳式热交换器处在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热并将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)以及冷却壳程流体流，第一合并流(CF1)在热交换器的第一反应物出口(RO1)离开热交换器；
在第一反应物出口(RO1)处或下游测量第一合并流(CF1)的温度；和
基于第一合并流(CF1)的测量的温度用控制阀(CV1)控制由第一进料流(FF1)分割而得的第一主流(MF1)和第一旁路流(BF1)的相对比例，其中从壳程流体传递到第一旁路流(BF1)的热少于从壳程流体传递到第一主流(MF1)的热；
用第二控制阀(CV2)将冷反应物的第二进料流(FF2)分成冷反应物的第二主流(MF2)和冷反应物的第二旁路流(BF2)，第二主流(MF2)在管程上流经管壳式热交换器；
在管壳式热交换器处在第二主流(MF2)和热壳程流体流之间换热并将第二主流(MF2)与第二旁路流(BF2)合并产生加热的反应物的第二合并流(CF2)和冷却壳程流体流，第二合并流(CF2)在热交换器的第二反应物出口(RO2)离开热交换器；
在第二反应物出口(RO2)处或下游测量第二合并流(CF2)的温度；和
基于第二合并流(CF2)的测量的温度用第二控制阀(CV2)控制由第二进料流(FF2)分割而得的第二主流(MF2)和第二旁路流(BF2)的相对比例，其中：
从壳程流体传递到第二旁路流(BF2)的热少于从壳程流体传递到第二主流(MF2)的热；
第一进料流(FF1)分割成第一主流和旁路流(MF1,BF1)的相对比例的控制独立于第二进料流(FF2)分割成第二主流和旁路流(MF2,BF2)的相对比例的控制。
2.权利要求1的方法，其中所述反应物是氧浓度高于空气的氧化剂。
3.权利要求2的方法，其中所述反应物是工业纯氧。
4.权利要求2的方法，其中所述反应物是富氧空气。
5.权利要求1的方法，其中所述反应物是气态燃料。
6.权利要求1的方法，其中所述壳程流体是空气或惰性气体。
7.权利要求1的方法，其中所述管壳式热交换器包括：
接收第一旁路流(BF1)的第一旁路进气室(28)，第一旁路进气室(28)在下游方向终结于第一管板(30)；
与第一旁路进气室(28)流体连通、从第一管板(30)下游延伸并终结于开放下游端(34)的第一组旁路管(33)；
接收第一主流(MF1)的第一主进气室(29)，第一主进气室(29)在下游方向终结于第二管板(31)，第一主进气室(29)在第一和第二管板(30,31)之间以密封方式包围第一组旁路管(33)；和
第一组主管(32)，其各个主管与第一主进气室(29)连通，从第二管板(31)下游延伸并同心包围第一组旁路管(33)的各个旁路管，第一组主管中的各主管(32)与第一反应物出口(RO1)流体连通，在第一组旁路管(33)的旁路管之一(33)的各开放下游端(34)，一部分第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)的各自部分合并以形成一部分第一合并流(CF1)，其沿各自的主管(32)的剩余下游部分流向第一反应物出口(RO1)，经由在第一组主管(32)和第一组旁路管(33)之间的环形空间中流动的第一主流(MF1)实现第一旁路流(BF1)和热壳程流体之间的热交换。
8.权利要求1的方法，其中所述管壳式热交换器包括：
接收第一旁路流(BF1)的第一旁路进气室(28)，第一旁路进气室(28)在下游方向终结于第一管板(30)；
与第一旁路进气室(28)流体连通、从第一管板(30)下游延伸并终结于开放下游端(34)的第一组旁路管(33)；
接收第一主流(MF1)的第一主进气室(29)，第一主进气室(29)在下游方向终结于第二管板(31)，第一主进气室(29)在第一和第二管板(30,31)之间以密封方式包围第一组旁路管(33)；
第一组主管(32)，其各个主管与第一主进气室(29)连通，从第二管板(31)下游延伸并同心包围第一组旁路管(33)的各个旁路管，第一组主管中的各主管(32)与第一反应物出口(RO1)流体连通，在第一组旁路管(33)的旁路管之一(33)的各开放下游端(34)，一部分第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)的各自部分合并以形成一部分第一合并流(CF1)，其沿各自的主管(32)的剩余下游部分流向第一反应物出口(RO1)，经由在第一组主管(32)和第一组旁路管(33)之间的环形空间中流动的第一主流(MF1)实现第一旁路流(BF1)和热壳程流体之间的热交换；
接收第二旁路流(BF2)的第二旁路进气室(48)，第二旁路进气室(48)在下游方向终结于第四管板(50)，第四管板(50)与第一管板(31)在相同平面上延伸；与第二旁路进气室(48)流体连通、从第四管板(31)下游延伸并终结于开放下游端(54)的第二组旁路管(53)；
接收第二主流(MF1)的第二主进气室(49)，第二主进气室(49)在下游方向终结于第二管板(31)，第二主进气室(49)在第四和第二管板(50,31)之间以密封方式包围第二组旁路管(53)；和
第二组主管(52)，其各个主管与第二主进气室(49)连通，从第二管板(31)下游延伸并同心包围第二组旁路管(53)的各个旁路管，第二组主管(52)中的各主管(52)与第二反应物出口(RO2)流体连通，在第二组旁路管(53)的旁路管之一(53)的各开放下游端(54)，一部分第二主流(MF2)与第二旁路流(BF2)的各自部分合并以形成一部分第二合并流(CF1)，其沿各自的主管(52)的剩余下游部分流向第二反应物出口(RO1)。
9.权利要求1的方法，其中所述管壳式热交换器包括：
接收第一旁路流(BF1)的第一进气室(69)，第一进气室(69)布置在壳(35)内；与第一反应物出口(RO1)流体连通的第一出口室(114,113)；
在第一进气室(69)和第一出口室(114,113)之间流体连通的至少一个第一反应物管(71)；和
从第一控制阀(CV1)接收第一主流(MF1)、在第一进气室(89)下游延伸到热交换器内部并延伸回以终结于第一进气室(89)的至少一个第一主流管(68)，其中第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)在第一进气室(69)合并，且第一合并流(CF1)流经所述至少一个第一反应物管(71)。
10.权利要求1的方法，其中所述管壳式热交换器包括：
接收第一旁路流(BF1)的第一进气室(69)，第一进气室(69)布置在壳(35)内；与第一反应物出口(RO1)流体连通的第一出口室(114,113)；
在第一进气室(69)和第一出口室(114,113)之间流体连通的至少一个第一反应物管(71)；
从第一控制阀(CV1)接收第一主流(MF1)、在第一进气室(69)下游延伸到热交换器内部并延伸回以终结于第一进气室(69)的至少一个第一主流管(68)，其中第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)在第一进气室(69)合并，且第一合并流(CF1)流经所述至少一个第一反应物管(71)；
接收第二旁路流(BF2)的第二进气室(89)，第二进气室(89)布置在壳(35)内；与第二反应物出口(RO2)流体连通的第二出口室(115,113)；
在第二进气室(89)和第二出口室(115,113)之间流体连通的至少一个第二反应物管(91)；和
从第二控制阀(CV2)接收第二主流(MF2)、在第二进气室(89)下游延伸到热交换器内部并延伸回以终结于第二进气室(89)的至少一个第二主流管(88)，其中第二主流(MF2)与第二旁路流(BF2)在第二进气室(89)合并，且第二合并流(CF2)流经所述至少一个第二反应物管(91)。
11.权利要求1的方法，其中所述热交换器包括：
第一、第二和第三腔室(109,111,113)，第三腔室(113)接收第一合并流(CF1)并与第一反应物出口(RO1)流体连通；
1.接收第一主流(MF1)并从第一腔室(109)延伸贯穿壳(35)内部并与第二腔室(111)流体连通的至少一个第一上游反应物管(110)；
2.接收第一旁路流(BF1)并在第一控制阀(CV1)和第二腔室(111)之间延伸和至少部分在所述热交换器的壳外延伸的第一旁路管(107)，其中第一主流(MF1)和第一旁路流(BF1)在第二腔室(111)合并；和
3.接收第一合并流(CF1)并在第二和第三腔室(111,113)之间延伸的至少一个第一下游反应物管(112)。
12.权利要求1的方法，其中所述管壳式热交换器包括：
第一、第二和第三腔室(109,111,113)，第三腔室(113)接收第一合并流(CF1)并与第一反应物出口(RO1)流体连通；
接收第一主流(MF1)并从第一腔室(109)延伸贯穿壳(35)内部并与第二腔室(111)流体连通的至少一个第一上游反应物管(110)；
接收第一旁路流(BF1)并在第一控制阀(CV1)和第二腔室(111)之间延伸和至少部分在所述热交换器的壳外延伸的第一旁路管(107)，其中第一主流(MF1)和第一旁路流(BF1)在第二腔室(111)合并；
接收第一合并流(CF1)并在第二和第三腔室(111,113)之间延伸的至少一个第一下游反应物管(112)；
第四、第五和第六腔室(107,111,113)，第四腔室(113)接收第二合并流(CF2)并与第二反应物出口(RO2)流体连通；
接收第二主流(MF2)并从第四腔室(109)在壳(35)内延伸并与第五腔室(111)流体连通的至少一个第二上游反应物管(110)；
接收第二旁路流(BF2)并在第二控制阀(CV2)和第五腔室(111)之间延伸和至少部分在所述热交换器的壳(35)外延伸的第二旁路管(107)，其中第二主流(MF2)和第二旁路流(BF2)在第五腔室(111)合并；
接收第二合并流(CF2)并在第五和第六腔室(111,113)之间延伸的至少一个第二下游反应物管(112)。
13.权利要求1的方法，其中所述热壳程流体获得自同流换热器或交流换热器。
14.权利要求13的方法，其中将所述冷却壳程流体导向同流换热器或交流换热器以加热所述冷却壳程流体以产生所述热壳程流体。
15.权利要求1的方法，其中所述壳程流体是空气并通过下列步骤获得热壳程空气：
在预换热器处通过与冷壳程空气换热预热环境空气以产生中等热的空气；和
在同流换热器或交流换热器处通过与热炉气换热加热所述中等热的空气以产生热壳程空气。
16.权利要求1的方法，其进一步包括将离开第一和第二反应物出口(RO1,RO2)的第一合并流(CF1)导向在运行上与炉相关联的第一和第二燃烧器(23A,23B)的步骤，其中:
所述壳程流体是空气；
第一和第二反应物相同并选自工业纯氧、富氧空气和天然气；
如果第一和第二反应物是工业纯氧或富氧空气，第一和第二合并流(CF1,CF2)的第一和第二反应物在第一和第二燃烧器(23A,23B)处用燃料燃烧；
如果第一和第二反应物是天然气，第一和第二合并流(23A,23B)的第一和第二反应物在第一和第二燃烧器(23A,23B)处用氧化剂燃烧；且
所述炉是玻璃熔炉。
17.利用反应物流的可变部分旁路降低其内部组件的过热的改进的逆流管壳式热交换系统，所述热交换系统包含：
适合并配置为将冷反应物的第一进料流(FF1)分成冷反应物的第一主流(MF1)和冷反应物的第一旁路流(BF1)的第一控制阀(CV1)；
从第一控制阀(CV1)接收冷反应物的第一主流(MF1)的第一主流入口导管(27,67,106)；
从第一控制阀(CV1)接收冷反应物的第一旁路流(BF1)的第一旁路流入口导管(26,66,107)；
具有与包含热交换空间的壳(35)的内部流体连通的壳程流体入口和出口(SI,SO)的壳(35)；
用于在热交换空间中在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置；
用于在热交换空间中在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置，其中所述用于在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置配置为并适合于使在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间交换的热多于通过用于在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间交换的热；
用于将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)的装置；
至少一个接收第一合并流(CF1)并与第一反应物出口(RO1)流体连通的第一下游反应物管(92,112)；
与第一反应物出口(RO1)流体连通并由其接收第一合并流(CF1)的第一出口导管；
在第一反应物出口(RO1)处或下游布置在出口导管中的第一温度传感器(T1)；和
适合并配置为控制由第一控制阀(CV1)分割冷反应物的第一进料流(FF1)产生的第一主流(MF1)和第一旁路流(BF1)的相对比例的可编程逻辑控制器(C)，所述控制基于第一温度传感器(T1)感知的第一合并流(CF1)的温度；
适合并配置为将冷反应物的第二进料流(FF2)分成冷反应物的第二主流(MF2)和冷反应物的第二旁路流(BF2)的第二控制阀(CV2)；
从第二控制阀(CV2)接收冷反应物的第二主流(MF2)的第二主流入口导管(47,87,106)；
从第二控制阀(CV2)接收冷反应物的第二旁路流(BF2)的第二旁路流入口导管(46,46,107)；
用于在热交换空间中在第二主流(MF2)和热壳程流体流之间换热的装置；
用于在热交换空间中在第二旁路流(BF2)和热壳程流体流之间换热的装置，其中所述用于在第二主流(MF2)和热壳程流体流之间换热的装置配置为并适合于使在第二主流(MF2)和热壳程流体流之间交换的热多于通过用于在第二旁路流(BF2)和热壳程流体流之间换热的装置在第二旁路流(BF2)和热壳程流体流之间交换的热；
用于将第二主流(MF2)与第一旁路流(BF2)合并产生加热的反应物的第二合并流(CF2)的装置；
至少一个接收第二合并流(CF2)并与第二反应物出口(RO2)流体连通的第二下游反应物管(92,112)；
与第二反应物出口(RO2)流体连通并由其接收第二合并流(CF2)的第二出口导管；
在第二反应物出口(RO2)处或下游布置在第二出口导管中的第二温度传感器(T2)，其中可编程逻辑控制器(C)适合并配置为基于第二温度传感器(T2)感知的第二合并流(CF2)的温度控制由第二控制阀(CV2)分割冷反应物的第二进料流(FF2)产生的第二主流(MF2)和第二旁路流(BF2)的相对比例。
18.权利要求17的热交换系统，其中:
a)所述用于在热交换空间中在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含：
1)接收第一旁路流(BF1)的第一旁路进气室(28)，第一旁路进气室(28)在下游方向终结于第一管板(30)；
2)与第一旁路进气室(28)流体连通、从第一管板(30)下游延伸并终结于开放下游端(34)的第一组旁路管(33)；且
b)所述用于在热交换空间中在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含：
1)接收第一主流(MF1)并在下游方向终结于第二管板(31)的第一主进气室(29)，
2)第一组主管(32)，其各个主管与第一主进气室(29)连通，同心包围第一组旁路管(33)的各个旁路管并在第二管板(31)下游延伸超过第一组旁路管(33)的开放下游端(34)；
c)第一主进气室(29)在第一和第二管板(30,31)之间以密封方式包围第一组旁路管(33)；
d)第一组主管(32)中的各主管(32)与第一反应物出口(RO1)流体连通；且
e)所述用于将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)的装置包含第一组主管(32)的主管(32)的一部分，在此第一旁路流(BF1)离开开放下游端(34)并与在第一组主管(32)和第一组旁路管(33)之间的环形空间内流动的第一主流(MF1)合并；且
f)在开放端下游的第一组主管(32)的剩余部分允许第一合并流(CF1)和热壳程流体之间的热交换。
19.权利要求17的热交换系统，其中:
a)所述用于在热交换空间中在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含：
1)接收第一旁路流(BF1)的第一旁路进气室(28)，第一旁路进气室(28)在下游方向终结于第一管板(30)；
2)与第一旁路进气室(28)流体连通、从第一管板(30)下游延伸并终结于开放下游端(34)的第一组旁路管(33)；且
b)所述用于在热交换空间中在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含：
1)接收第一主流(MF1)并在下游方向终结于第二管板(31)的第一主进气室(29)，
2)第一组主管(32)，其各个主管与第一主进气室(29)连通，同心包围第一组旁路管(33)的各个旁路管并在第二管板(31)下游延伸超过第一组旁路管(33)的开放下游端(34)；
c)第一主进气室(29)在第一和第二管板(30,31)之间以密封方式包围第一组旁路管(33)；
d)第一组主管(32)中的各主管(32)与第一反应物出口(RO1)流体连通；且
e)所述用于将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)的装置包含第一组主管(32)的主管(32)的一部分，在此第一旁路流(BF1)离开开放下游端(34)并与在第一组主管(32)和第一组旁路管(33)之间的环形空间内流动的第一主流(MF1)合并；且
f)在开放端下游的第一组主管(32)的剩余部分允许第一合并流(CF1)和热壳程流体之间的热交换；
g)所述用于在热交换空间中在第二旁路流(BF2)和热壳程流体流之间换热的装置包含：
1)接收第二旁路流(BF2)的第二旁路进气室(48)，第二旁路进气室(48)在下游方向终结于第四管板(50)，第四管板(50)与第一管板(31)在相同平面上延伸；
2)与第二旁路进气室(48)流体连通、从第四管板(50)下游延伸并终结于开放下游端(54)的第二组旁路管(53)；
h)所述用于在热交换空间中在第二主流(MF2)和热壳程流体流之间换热的装置包含：
1)接收第二主流(MF2)并在下游方向终结于第二管板(31)的第二主进气室(49)，
2)第二组主管(52)，其各个主管与第二主进气室(49)连通，同心包围第二组旁路管(53)的各个旁路管并在第二管板(31)下游延伸超过第二组旁路管(53)的开放下游端(54)；
i)第二主进气室(49)在第四和第二管板(50,31)之间以密封方式包围第二组旁路管(53)；
j)第二组主管(52)中的各主管(52)与第二反应物出口(RO2)流体连通；
k)所述用于将第二主流(MF2)与第二旁路流(BF2)合并产生加热的反应物的第二合并流(CF2)的装置包含第二组主管(52)的主管(52)的一部分，在此第二旁路流(BF2)离开开放下游端(54)并与在第二组主管(52)和第二组旁路管(53)之间的环形空间内流动的第二主流(MF2)合并；且
l)在开放端(54)下游的第二组主管(52)的剩余部分允许第二合并流(CF2)和热壳程流体之间的热交换。
20.权利要求17的热交换系统，其中:
a)所述用于在热交换空间中在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含从第一控制阀(CV1)接收第一旁路流(BF1)的第一入口导管(66)，第一入口导管(66)延伸到所述热交换器内部；
b)所述用于将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)的装置包含与第一入口导管(66)流体连通的第一进气室(69)；且
c)所述用于在热交换空间中在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含在第一控制阀(CV1)和第一进气室(69)之间流体连通、在第一进气室(69)下游延伸到热交换器内部并延伸回以终结于第一进气室(69)的至少一个第一主流管(68)；
d)所述热交换器进一步包含与第一反应物出口(RO1)流体连通的第一出口室(114)；且
e)所述热交换器进一步包含在第一进气室(69)和第一反应物出口(RO1)之间流体连通的允许第一合并流(CF1)与热壳程流体换热的至少一个第一反应物管(71)。
21.权利要求17的热交换系统，其中所述管壳式热交换器包括：
a)所述用于在热交换空间中在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含从第一控制阀(CV1)接收第一旁路流(BF1)的第一入口导管(66)，第一入口导管(66)延伸到所述热交换器内部；
b)所述用于将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)的装置包含与第一入口导管(66)流体连通的第一进气室(69)；且
c)所述用于在热交换空间中在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含在第一控制阀(CV1)和第一进气室(69)之间流体连通、在第一进气室(69)下游延伸到热交换器内部并延伸回以终结于第一进气室(69)的至少一个第一主流管(68)；
d)所述热交换器进一步包含与第一反应物出口(RO1)流体连通的第一出口室(114)；且
e)所述热交换器进一步包含在第一进气室(69)和第一反应物出口(RO1)之间流体连通的允许第一合并流(CF1)与热壳程流体换热的至少一个第一反应物管(71)；
f)所述用于在热交换空间中在第二旁路流(BF2)和热壳程流体流之间换热的装置包含从第二控制阀(CV2)接收第二旁路流(BF2)的第二入口导管(86)，第二入口导管(86)延伸到所述热交换器内部；
g)所述用于将第二主流(MF2)与第二旁路流(BF2)合并产生加热的反应物的第二合并流(CF2)的装置包含与第二入口导管(86)流体连通的第二进气室(89)；且
h)所述用于在热交换空间中在第二主流(MF2)和热壳程流体流之间换热的装置包含在第二控制阀(CV2)和第二进气室(89)之间流体连通、在第二进气室(89)下游延伸到热交换器内部并延伸回以终结于第二进气室(89)的至少一个第二主流管(88)；
i)所述热交换器进一步包含第二出口室(115)；
j)所述热交换器进一步包含在第二进气室(89)和第二出口室(115)之间流体连通的允许第二合并流(CF2)与热壳程流体换热的至少一个第二反应物管(91)。
22.权利要求17的热交换系统，其中:
a)所述用于在热交换空间中在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含从第一控制阀(CV1)接收第一主流(MF1)的第一腔室(109)和在壳(35)内延伸并从第一腔室(109)接收第一主流(MF1)的至少一个第一上游反应物管(110)；
b)所述用于在热交换空间中在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含从第一控制阀(CV1)接收第一旁路流(BF1)并至少部分在所述热交换器的壳(35)外延伸的第一旁路管(107)；
c)所述用于将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)的装置包含接收所述至少一个第一上游反应物管(110)下游的第一主流(MF1)和来自第一旁路管(107)的第一旁路流(BF1)的第二腔室(111)；且
d)所述热交换器进一步包含至少一个第一下游反应物管(112)和与第一反应物出口(RO1)流体连通的第三腔室(113)，所述至少一个第一下游反应物管(112)接收第一合并流(CF1)并在壳(35)内在第二和第三腔室(109,111)之间延伸以允许第一合并流(CF1)和热壳程流体之间的热交换。
23.权利要求17的热交换系统，其中:
a)所述用于在热交换空间中在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含从第一控制阀(CV1)接收第一主流(MF1)的第一腔室(109)和在壳(35)内延伸并从第一腔室(109)接收第一主流(MF1)的至少一个第一上游反应物管(110)；
b)所述用于在热交换空间中在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置包含从第一控制阀(CV1)接收第一旁路流(BF1)并至少部分在所述热交换器的壳(35)外延伸的第一旁路管(107)；
c)所述用于将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)的装置包含接收所述至少一个第一上游反应物管(110)下游的第一主流(MF1)和来自第一旁路管(107)的第一旁路流(BF1)的第二腔室(111)；且
d)所述热交换器进一步包含至少一个第一下游反应物管(112)和与第一反应物出口(RO1)流体连通的第三腔室(113)，所述至少一个第一下游反应物管(112)接收第一合并流(CF1)并在壳(35)内在第二和第三腔室(109,111)之间延伸以允许第一合并流(CF1)和热壳程流体之间的热交换；
e)所述用于在热交换空间中在第二主流(MF2)和热壳程流体流之间换热的装置包含从第二控制阀(CV2)接收第二主流(MF2)的第四腔室(109)和在壳(35)内延伸并从第四腔室(109)接收第二主流(MF2)的至少一个第二上游反应物管(110)；
f)所述用于在热交换空间中在第二旁路流(BF2)和热壳程流体流之间换热的装置包含从第二控制阀(CV2)接收第二旁路流(BF2)并至少部分在所述热交换器的壳(35)外延伸的第二旁路管(107)；
g)所述用于将第二主流(MF2)与第二旁路流(BF2)合并产生加热的反应物的第二合并流(CF2)的装置包含接收来自所述至少一个第二上游反应物管(110)的第二主流(MF2)和来自第二旁路管(107)的第二旁路流(BF2)的第五腔室(111)；且
h)所述热交换器进一步包含至少一个第二下游反应物管(112)和与所述至少一个第二反应物出口(RO2)流体连通的第六腔室(113)，所述至少一个第二下游反应物管(112)接收第二合并流(CF2)并在壳(35)内在第五和第六腔室(111,113)之间延伸以允许第二合并流(CF2)和热壳程流体之间的热交换。
24.权利要求17的热交换系统，其进一步包含具有与壳入口(SI)流体连通的出口(6)的同流换热器或交流换热器(5)，同流换热器或交流换热器(4)适合并配置为能将所述壳程流体加热并经壳入口(SI)输送到热交换空间。
25.权利要求24的热交换系统，其中同流换热器或交流换热器(5)包括与壳出口(SO)流体连通的入口(4)，同流换热器或交流换热器(5)从壳出口(SO)接收冷却壳程流体并加热所述冷却壳程流体以产生热壳程流体。
26.一种利用预热的反应物的玻璃熔炉，其包含布置在包围适合并配置为容纳玻璃制造装料或熔融玻璃的燃烧空间的炉壁(22)上的第一和第二燃烧器(23A,23B)、气态燃料源(19A,19B)、选自工业纯氧和富氧空气的氧化剂源(11A,11B)、具有出口(6)的同流换热器或交流换热器(5)和权利要求17的热交换系统，其中：
第一和第二冷反应物是从所述氧化剂源(11A,11B)接收的相同冷氧化剂；
燃烧器(23A,23B)从所述气态燃料源(19A,19B)接收气态燃料；
第一控制阀(CV1)从氧化剂源(11A)接收冷反应物的第一进料流(FF1)；
第二控制阀(CV2)从氧化剂源(11B)接收冷反应物的第二进料流(FF1)；
所述热壳程流体是从同流换热器或交流换热器(5)的出口(6)接收的空气；且
第一和第二合并流(CF1,CF2)分别在第一和第二燃烧器(23A,23B)处用气态燃料燃烧以产生用于加热所述装料或熔融玻璃的热。
27.一种利用预热的反应物的玻璃熔炉，其包含布置在包围适合并配置为容纳玻璃制造装料或熔融玻璃的燃烧空间的炉壁(22)上的第一和第二燃烧器(23A,23B)、气态燃料源(19A,19B)、选自工业纯氧和富氧空气的氧化剂源(11A,11B)、具有出口(6)的同流换热器或交流换热器(5)和权利要求17的热交换系统，其中：
第一和第二冷反应物是从所述气态燃料源(19A,19B)接收的相同气态燃料；燃烧器(23A,23B)从所述氧化剂源(11A,11B)接收氧化剂；
第一控制阀(CV1)从气态燃料源(19A)接收冷反应物的第一进料流(FF1)；
第二控制阀从气态燃料源(19B)接收冷反应物的第二进料流；
所述热壳程流体是从同流换热器或交流换热器(5)的出口(6)接收的空气；且
第一和第二合并流(CF1,CF2)分别在第一和第二燃烧器(23A,23B)处用氧化剂燃烧以产生用于加热所述装料或熔融玻璃的热。
28.一种利用预热的反应物的玻璃熔炉，其包含布置在包围适合并配置为容纳玻璃制造装料或熔融玻璃的燃烧空间的炉壁上的第一和第二燃烧器、气态燃料源(19A,19B)、选自工业纯氧和富氧空气的氧化剂源(11A,11B)、具有出口(6)的同流换热器或交流换热器(5)和两个权利要求17的热交换系统，其中：
这两个热交换系统的第一个的第一和第二冷反应物是从所述气态燃料源(19A,19B)接收的相同气态燃料；
这两个热交换系统的第二个的第一和第二冷反应物是从所述氧化剂源(11A,11B)接收的相同氧化剂；
这两个热交换系统的第一个的第一控制阀(CV1)从氧化剂源(11A)接收冷反应物的第一进料流(FF1)；
这两个热交换系统的第一个的第二控制阀(CV2)从氧化剂源(11B)接收冷反应物的第二进料流(FF2)；
这两个热交换系统的第二个的第一控制阀(CV1)从气态燃料源(19A)接收冷反应物的第一进料流(FF1)；
这两个热交换系统的第二个的第二控制阀(CV2)从气态燃料源(19B)接收冷反应物的第二进料流(FF2)；
所述热壳程流体是从同流换热器或交流换热器(5)的出口(6)接收的空气；
来自这两个热交换系统的第一个的第一合并流(CF1)和来自这两个热交换系统的第二个的第一合并流(CF1)在第一燃烧器(23A)处燃烧以产生用于加热所述装料或熔融玻璃的热；且
来自这两个热交换系统的第一个的第二合并流(CF2)和来自这两个热交换系统的第二个的第二合并流(CF2)在第二燃烧器(23B)处燃烧以产生用于加热所述装料或熔融玻璃的热。
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