CN105588095A - 变空间变流场的烟气余热回收锅炉 - Google Patents

变空间变流场的烟气余热回收锅炉 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变空间变流场的烟气余热回收锅炉，采用了四个吸热段，其中低温吸热段采用了低温近露点防腐、烟气高效回收节能换热YHSP装置，使得低温吸热段提高了中温吸热段的进口水温，且装置本身在锅炉负荷不断变化的工况下不产生酸露腐蚀。另外，本锅炉的换热设备均采用SP高效换热管，具有良好的强化传热效果，保证气体流速的同时减小压降，不易发生振动且有较强的抗结垢和防止爆管的能力。本锅炉比传统的余热回收装置体积减少20-30％，重量减少30-40％，实现了烟气低温余热回收节能减排。

Description

变空间变流场的烟气余热回收锅炉
技术领域
本发明涉及废热回收利用领域，具体涉及一种变空间变流场的烟气余热回收锅炉。
背景技术
我国在能源利用上一直是粗放型增长，能源利用效率低，经济效益差一直是我国能源利用中存在的主要问题。而在我国，工业余热这种工业企业在生产过程中热能转换设备及用能设备内未被利用的能量资源十分丰富，总计达4000多万吨标煤。尤其是钢铁行业，其余热资源量占我国余热总资源量的10.4％。但是，其余热资源回收率却只有21.7％。因此，提高钢铁冶金行业的余热资源利用率，通过技术革新和合理设计大力挖掘余热资源的运用潜力对于节能减排有着深远的意义。
目前，我国的钢铁冶金行业的余热回收领域存在很多问题，首先，很大一部分中小企业装备落后，烟气等余热载体的显热不能有效保存，烟气由炉膛冒出，吸入冷风，旁路烟道短路和管道保温隔热不良，使得很多炉子在回收装置前的烟气热损失很大。其次，余热的综合利用比较差，大部分余热仅利用一次。另外，由于目前大部分的高温余热尚未能得到充分的利用，导致中、低温余热的利用没有得到足够的重视，不能真正做到物尽其用。再者，余热回收设备和系统不够完善。有的余热利用设备如换热器性能较差，影响了整体的余热回收效率。有的余热回收设备性能优良，但是由于整体系统的设计不够科学合理，导致系统整体水平不高，如未考虑综合利用，缺乏可调节控制的系统，以及保温性能较差等，导致整个余热回收锅炉系统效率低下，甚至影响其使用寿命。鉴于我国钢铁冶金产业消耗的能源比重巨大以及节能减排的国家战略要求，提高各生产领域尤其是钢铁冶金行业的余热回收效率十分必要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种变空间变流场的烟气余热回收锅炉，以提高烟气换热效率。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种变空间变流场的烟气余热回收锅炉，包括一个卧式炉体，炉体从左到右依次为高温烟气进气口、过热器9、蒸发器10、省煤器11、YHSP换热器12和低温烟气出口；
还包括位于所述炉体上方的锅筒6、除氧器5和低温汽包7，锅筒6分别通过省煤器出水管1与省煤器11相连，通过蒸发器上升管3和蒸发器下降管2与蒸发器10相连，通过过热段进汽管4与过热器9相连，通过除氧器进汽管18与除氧器5相连；除氧器5通过除氧器出水管15与省煤器11相连；低温汽包7通过自动控制阀16与低温冷水源相连，通过除氧器进水管17与除氧器5相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的变空间变流场的烟气余热回收锅炉，采用了四个吸热段，其中低温吸热段采用了低温近露点防腐、烟气高效回收节能换热YHSP(烟气换热器螺旋变形管)装置，使得低温吸热段提高了中温吸热段的进口水温，且装置本身在锅炉负荷不断变化的工况下不产生酸露腐蚀。另外，本锅炉的换热设备均采用SP(specialspiral)高效换热管，具有良好的强化传热效果，保证气体流速的同时减小压降，不易发生振动且有较强的抗结垢和防止爆管的能力。本锅炉比传统的余热回收装置体积减少20-30％，重量减少30-40％，实现了烟气低温余热回收节能减排。
附图说明
图1为本发明变空间变流场的烟气余热回收锅炉的结构示意图；
图2为圆管换热器的磨损示意图；
图3为SP高效换热管的磨损示意图；
图4为SP高效换热管的整体示意图；
图5为换热设备的正面图；
图6为换热设备的侧视图；
图7为换热设备的立体图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明变空间变流场的烟气余热锅炉，包括省煤器出水管1，蒸发器下降管2，蒸发器上升管3，过热器进汽管4，除氧器5，锅筒6，低温段汽包7，联箱管8，过热器9，蒸发器10，省煤器11，YHSP换热器12，壁温检测点13，自控系统14，除氧器出水管15，自动控制阀16，除氧器进水管17,除氧器进汽管18。
本锅炉的热载体为工业烟气，其中水/汽走管程，烟气走壳程。该锅炉包括一个卧式炉体，炉体从左到右依次为高温烟气进气口，过热器(过热段)9，蒸发器(高温段)10，省煤器(中温段)11，YHSP换热器(低温段)12，低温烟气出口。上方的锅筒6，分别通过省煤器出水管1与省煤器11相连，通过蒸发器上升管3和蒸发器下降管2与蒸发器10相连，通过过热段进汽管4与过热器9相连，通过除氧器进汽管18与除氧器5相连。除氧器5通过除氧器出水管15与省煤器11相连。
本发明的工质流程：常温的冷水从最右侧的进水口进入锅炉低温段的汽包管道，在低温段汽包中被饱和水加热后进入除氧器5的除氧头，吸收来自锅筒6的蒸汽热以后，变成较高温度的水进行热力除氧，除氧后的水通过除氧器出水管15进入中温段联箱从而进入省煤器11吸收烟气热量，继而产生近饱和水经出水管进入锅筒6；锅筒6内的饱和水依靠重力进入蒸发器10，在蒸发器10中吸取烟气热量后产生蒸发过程，形成汽水混合流经过上升管重新回到锅筒6；锅筒6内汇集的蒸汽在锅筒6上部产生气液分离后进入过热段联箱管从而进入管束，饱和蒸汽在过热段中继续吸热变成过热蒸汽后沿过热段的联箱管出口接管汇集到蒸汽管线。图1中的温度均为参考温度。
本发明变空间变流场的烟气余热回收锅炉中烟气流向：高温的烟气由锅炉左边的烟气进口进入锅炉的壳程，从左到右依次冲刷过热段、高温段、中温段和低温段的受热面，最后变成低温烟气从锅炉右边的出口排出。
本锅炉系统设置了四个吸热段——高温过热吸热段、高温蒸发吸热段、中温对流吸热段以及低温YHSP(烟气换热螺旋扭曲)吸热段，这样的综合余热回收系统充分地利用了各个温度段的余热。高温段的作用是产生高品质过热蒸汽作为余热发电；中温段作用是产生高压高温饱和水；低温近露点防腐、烟气高效回收节能换热YHSP换热器(简称低温YHSP吸热段)，低温吸热段作用是进一步回收低温余热用来提高中温吸热段的进口水温，并且使得设备本身在锅炉负荷不断变化的工况下不产生酸露腐蚀。高效余热回收设备的高温吸热段、中温吸热段与低温吸热段均采用管外走烟气、管内走水的间壁式换热方式。本系统的换热设备均采用SP高效换热管，如图4所示，该换热管具有自支撑变空间交变曲面(简称SP)特征，管程截面由圆变扁或其它形状，该换热管采用三角形布置方式，可以很好地在管壳程空间实现空间体积变化，保证气体的流速的同时也减小压降。另一方面，所述的传热管螺旋变形换热器，管程和壳程都具有很好的传热效果，管内流体能形成强烈的螺旋流，管外流体能形成强烈的扰流，破坏了靠近换热壁面的边界层，设备的换热效率提高了30～40％。在强化传热的同时还具有很好的抗结垢的能力，同时由于换热器的自支撑几何结构形式，省去了传统换热器所需的折流板，消除传热流动死区的同时将换热器内的错流转变为纵向流，实现介质纯逆流的最佳流动方式。避免了传统换热器内流体对换热管的横向冲刷，有效的降低了换热器内出现的振动，并且降低排气风机的能耗。图5-7分别为SP换热器所组成的换热设备的正面图、侧视图和立体图，其包括SP换热器101、捆扎带102、联箱103、支撑槽钢104、侧板105和接管106。
本锅炉系统将工艺段的烟气汇集回收到一台余热锅炉集中产生过饱和蒸汽送到蒸汽管线。锅炉的中温度段的管束整体设计采用“都江堰原理”布管方式，优化其管束中的流场，提高管束最低管壁温以适应锅炉的负荷变化。特殊的变形传热管变空间纵向扰流捆扎式设计，避免了管束震动。体积小，重量轻。烟气阻力小，减少风机阻力。
在很多领域的余热锅炉由于热源不稳定，导致管束承受瞬间热冲击，如果是采用普通圆管作为管束换件，管内的汽水分离不充分，液滴会贴在内管壁，液滴吸热后会剧烈蒸发相变，产生瞬间爆破冲击，一段时间累积后，换热管会破裂。但中温段的管束采用SP高效换热管，它自身具有旋转分离的特点，因此可以换热的同时实现蒸汽与水分离，避免蒸汽中的液滴贴在管壁，导致产生爆管事故。
图2所示是圆管的磨损示意图，图3所示是采用圆管加工而成的高比表面SP高效换热管的磨损示意图。从图可以看出圆管磨损最大的地方出现在60°的地方，该地方最先磨穿，并且180°的位置(也就是圆管顺着流向的背面)有涡流，速度下降，在该地方容易积灰。相反，高比表面SP管由于形状的改变，符合流场特点，使得在60°地方避免或者减轻了磨损，延长了换热管的寿命，并且在高比表面SP管180°没有涡流，不易产生积灰现象出现。
YHSP换热器是本锅炉系统的核心部件之一，它将原热管换热器中相互独立的部分，通过优化设计构造成一个相互关联的整体，“相变换热”与“烟气横掠管束”相比其换热能力具有“量级性(102以上)提高”的传热学特性，实现“YHSP系统”金属壁面整体温度分布均匀、与烟气温度保持“较小梯度温降(温差10-20℃)”以及原则上“独立于被加热工质温度”的特殊功能。与此同时，利用“YHSP系统”的这一性能，预热进入前一级换热器(如中温段蒸发器)工质的入口温度，保证整个设备同样免受低温腐蚀。
此外，通过YHSP换热器或者其他增设部件换热量的调节，实现对整个设备可能出现的不同最低壁面温度的闭环控制，保证壁面温度恒定或可控可调，以适应燃料种类以及工况的变化。这样，在保证设备安全运行的前提下，达到大幅度回收烟气余热的节能目的。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (4)

1.一种变空间变流场的烟气余热回收锅炉，其特征在于，
包括一个卧式炉体，炉体从左到右依次为高温烟气进气口、过热器(9)、蒸发器(10)、省煤器(11)、YHSP换热器(12)和低温烟气出口；
还包括位于所述炉体上方的锅筒(6)、除氧器(5)和低温汽包(7)，锅筒(6)分别通过省煤器出水管(1)与省煤器(11)相连，通过蒸发器上升管(3)和蒸发器下降管(2)与蒸发器(10)相连，通过过热段进汽管(4)与过热器(9)相连，通过除氧器进汽管(18)与除氧器(5)相连；除氧器(5)通过除氧器出水管(15)与省煤器(11)相连；低温汽包(7)通过自动控制阀(16)与低温冷水源相连，通过除氧器进水管(17)与除氧器(5)相连。
2.根据权利要求1所述的变空间变流场的烟气余热回收锅炉，其特征在于，
高温的烟气由所述炉体左边的高温烟气进口进入所述炉体的壳程，从左到右依次冲刷过热器(9)、蒸发器(10)、省煤器(11)和YHSP换热器(12)的受热面，最后变成低温烟气从所述炉体右边的低温烟气出口排出。
3.根据权利要求2所述的变空间变流场的烟气余热回收锅炉，其特征在于，
所述低温冷水源的通过自动控制阀(16)进入低温汽包(7)，在低温汽包(7)中被饱和水加热后进入除氧器(5)，吸收来自锅筒(6)的蒸汽热以后，变成较高温度的水进行热力除氧，除氧后的水通过除氧器出水管(15)进入中温段联箱管从而进入省煤器(11)吸收烟气热量，继而产生近饱和水经省煤器出水管(1)进入锅筒(6)；锅筒(6)内的饱和水依靠重力经过蒸发器下降管(2)进入蒸发器(10)，在蒸发器(10)中吸取烟气热量后产生蒸发过程，形成汽水混合流经过蒸发器上升管(3)重新回到锅筒(6)；锅筒(6)内汇集的蒸汽在锅筒(6)上部产生气液分离后进入过热段联箱管从而进入过热器(9)，饱和蒸汽在过热器(9)中继续吸热变成过热蒸汽后沿过热段的联箱管出口汇集到蒸汽管线。
4.根据权利要求3所述的变空间变流场的烟气余热回收锅炉，其特征在于，
所述炉体内的换热设备采用SP高效换热管。
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