CN105865228B - 一种用于烟气余热回收的自清灰换热器及采用该换热器的自清灰方法 - Google Patents

一种用于烟气余热回收的自清灰换热器及采用该换热器的自清灰方法 Download PDF

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Abstract

一种用于烟气余热回收的自清灰换热器及采用该换热器的自清灰方法，包括换热管束和外壳，其换热管束采用正六边布置，外壳采用与换热管束相匹配的圆柱形结构。在外壳上设置三对烟气进出口，其中三个烟气进口在圆周上相隔120°，分别布置在以中心换热管为中心的正六边形的对角线与外壳的交点上，三个烟气出口与烟气进口相对应。通过控制系统自动调节各支路上阀门的开闭，周期性控制烟气的进风角度，实现烟气的自清灰效果；该高效烟气换热器外壳上的烟气进口正对于烟气颗粒高沉积率的位置，且换热管束采用正六边形布置，烟气流向与正六边形对角线相平行，能够实现高效清灰的效果，显著强化换热，减小其流动阻力，节约泵功消耗。

Description

一种用于烟气余热回收的自清灰换热器及采用该换热器的自 清灰方法
技术领域
本发明属于工业余热回收技术领域，具体涉及一种用于烟气余热回收的自清灰换热器及采用该换热器的自清灰方法。
背景技术
在我国的能源消费中，工业能耗占全国能耗总量的70％以上，其中约60％转化为不同温度的余热，而可以回收利用的余热约占余热总量的60％左右。在可回收余热资源中，烟气余热资源占有较大的比重，对烟气余热的有效利用，可以大幅度地减少一次能源的消耗，提高能源利用效率。但由于工业烟气余热往往含有一定浓度的飞灰颗粒，致使烟气进入换热器时造成换热管束的积灰。受热面的积灰，不仅使得受热面热阻增加，对流换热系数下降，传热能力降低，也影响系统的稳定运行。
目前工业上普遍采用的烟气换热器清灰方法主要为机械振动、蒸汽清灰和声波清灰等。对于机械振动方法，存在振打机构故障率高、清灰效果逐渐下降的缺点；对于蒸汽清灰方法，清灰设备存在着能耗高、可靠性差等缺点，并且对设备有副作用，如严重磨损受热面而导致锅炉运行的可靠性降低；对于声波清灰方法，需要配备空压站，且设备一次性投资大。这些方法均带来了额外的投资成本和能量损耗，且降低了系统的稳定性。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于烟气余热回收的自清灰换热器，其能有效地清除换热器受热面积灰，并能够高效地回收烟气余热，提高能源利用率，减少环境污染，无流动和换热死区，高效吹灰的特点。
本发明的另一目的在于，提供一种采用该换热器的自清灰方法，其通过周期性控制烟气的进风角度，利用烟气有效地清除换热面积灰，达到自清灰的效果，并能够高效地回收烟气余热，提高能源利用率。
为达到上述目的，本发明的自清灰换热器：包括换热器壳体以及设置在壳体3内的换热管束，在壳体两侧分别设置有相互连通的带有冷却流体进口、冷却液体出口的冷却液体进口管箱和冷却液体出口管箱，冷却液体进口管箱(4)和冷却液体出口管箱(5)分别与换热管束(20)的两端相连通，在壳体上设置有三对烟气进、出口，其中三个烟气进口在圆周上相隔120°，三个烟气出口与三个烟气进口相对应；烟气进气管道分为三支管路与三个烟气进口相连接，烟气出口管道分为三支管路与三个烟气出口相连接；在烟气进气管道、烟气出口管道上分别安装有监测流体进出口温度的进、出口端热电偶；在烟气进气管道上还安装有检测流体体积流量的流量计，烟气进气管道的三支管路、烟气出口管道的三支管路上分别安装有控制烟气通道变换的阀门。
所述的换热管束采用正六边布置，外壳采用与换热管束相匹配的圆柱形结构。
所述的三对烟气进、出口分别布置在以中心换热管为中心的正六边形的对角线与壳体的交点上。
所述的换热管管间距S与换热管管径D之比的无量纲为2.0～3.0。
所述的最外侧换热管与壳体3间距L与换热管管径D之比的无量纲为2.0～4.0。
所述的换热管束采用螺旋翅片、环形翅片、针肋或丁胞结构。
本发明换热器用于烟气余热回收的自清灰方法，包括以下步骤：
1)首先，获得换热管束内流体的密度ρ、比热容Cp及体积流量V的数据；
2)在系统开机运行稳定后，读取换热管束进、出口流体的初始温度Ti0和To0，得到初始换热量Q0＝ρVCp(To0-Ti0)；
3)在换热器运行中继续监测换热管束进出口流体的即时温度Ti和To，得到换热量Q＝ρVCp(To-Ti)；
4)根据获得的初始换热量Q0和即时换热量Q，得到换热效率η＝Q/Q0；
5)若换热效率η小于换热器洁净工况下效率的80-90％时，控制系统周期性地开闭相关的进、出口阀门，调节烟气的进口角度。
所述步骤5)的具体过程为：通过控制第一组进出口支路上阀门(8、11)打开，其余阀门闭合，此状态作为换热器运行的初始状态；换热器运行过程中如果换热效率η小于换热器洁净工况下效率的80-90％时，控制系统开始执行相关命令，打开第二组进出口支路上阀门(9、12)，其余阀门闭合，换热器继续运行；如果换热效率η小于换热器洁净工况下效率的80-90％时，控制系统同样执行相关命令，打开第三组进出口支路上阀门(10、13)，其余阀门闭合，换热器继续运行；如此通过控制系统对阀门的周期性控制，实现换热器的正常持续运行。
本发明在壳体上开设有三个进口和与之对应的三个出口，构成了自清灰通道。与现有技术相比，具有以下优点：由于本发明根据换热效率的计算值，通过控制系统自动调节各支路上阀门的开闭，周期性控制烟气的进风角度，实现烟气的自清灰效果；由于该烟气换热器壳体上的烟气进口正对于烟气颗粒高沉积率的位置，因而可以实现高效清灰的效果，节约泵功消耗。
进一步的由于换热管束采用正六边形布置，且烟气流向与正六边形对角线相平行，能够显著强化烟气换热器的换热性能，减小其流动阻力，降低飞灰颗粒在烟气换热器受热面上的沉积；
采用圆柱形壳体与正六边形管束布置相匹配，能够明显减小流动和换热死区，实现高效换热；
通过对不同该装置不同结构参数的数值计算，得出了管间距S、最外侧换热管与壳体壁面间距L的最佳无量纲取值范围。
附图说明
图1是本发明烟气换热器的示意图。
图2是图1中烟气进口截面的剖面图。
图3是图1中沿任意一对进出口方向的轴向剖面图。
图4是本发明正六边形布置与常规顺排、错排布置方式单位泵功换热量的对比图。
图5是本发明正六边形布置与常规顺排、错排布置方式不同管排沉积率的对比图。
图中1、烟气进口管道，2、烟气出口管道，3、壳体，4、冷却流体进口管箱，5、冷却流体出口管箱，6、冷却流体进口，7、冷却流体出口，8、第一支路进口，9、第二支路进口，10、第三支路进口，11、第一支路出口，12、第二支路出口，13、第三支路出口，14、第一支路进口阀，15、第二支路进口阀，16、第三支路进口阀，17、第一支路出口阀，18、第二支路出口阀，19、第三支路出口阀，20、换热管束，21、进口端热电偶，22、出口端热电偶，23、进口端流量计。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的作进一步详细说明。
参见图1，2，本发明的换热器包括换热器壳体3以及设置在壳体3内的换热管束20，参见图3，本发明的换热管束20采用正六边布置，外壳3采用与换热管束20相匹配的圆柱形结构，在壳体3两侧分别设置有相互连通的带有冷却流体进口6、冷却液体出口7的冷却液体进口管箱4和冷却液体出口管箱5，冷却液体进口管箱4和冷却液体出口管箱5分别与换热管束20的两端相连通，在壳体3上设置有三对烟气进、出口，其中第一、二、三三个烟气进口8、9、10在圆周上相隔120°，第一、二、三三个烟气出口11、12、13与第一、二、三三个烟气进口8、9、10相对应；三对烟气进、出口分别布置在以中心换热管为中心的正六边形的对角线与壳体3的交点上，烟气进气管道1分为三支管路与第一、二、三三个烟气进口8、9、10相连接，烟气出口管道2分为三支管路与第一、二、三三个烟气出口11、12、13相连接；在烟气进气管道1、烟气出口管道2上分别安装有监测流体进出口温度的进、出口端热电偶21、22；在烟气进气管道1上还安装有检测流体体积流量的流量计23，烟气进气管道1的三支管路、烟气出口管道2的三支管路上分别安装有控制烟气通道变换的第一、二、三支路进口阀门14、15、16和第一、二、三支路出口阀门17、18、19。
本发明的换热管管间距S与换热管管径D之比的无量纲为2.0～3.0；最外侧换热管与壳体3间距L与换热管管径D之比的无量纲为2.0～4.0；换热管束采用螺旋翅片、环形翅片、针肋或丁胞结构。
烟气经烟气进口管道1，沿某一进口支路进入换热器内，对正六边形换热管束20进行冲刷换热，其流向与该支路入口对应的正六边形的对角线相平行，经与进口支路相对应的烟气支路汇于烟气出口管道2流出烟气换热器。冷却介质流体从流体进口6流入进口管箱4，后进入换热管束20与管外流体进行换热，汇于出口管箱5，经流体出口7流出烟气换热器。
本发明的进口端热电偶21用于监测流体的进口温度Ti；出口端热电偶22用于监测流体的出口温度To；进口端流量计23用于检测流体的体积流量V；在三个烟气进口支路上加设阀门，控制烟气进入通道；在三个烟气出口支路上加设阀门控制烟气的排出通道。
本发明所提供的用于烟气余热回收的自清灰方法，包括以下步骤：
1)首先，获得换热管束内流体的密度ρ、比热容Cp及体积流量V的数据；
2)在系统开机运行稳定后，利用进口端热电偶21和出口处热电偶22分别读取换热管束进出口流体的初始温度Ti0和To0，利用流量监测计23检测流体的体积流量V，得到初始换热量Q0＝ρVCp(To0-Ti0)；
3)在换热器运行中利用进口端热电偶21和出口处热电偶22继续监测换热管束进出口流体的即时温度Ti和To，得到换热量Q＝ρVCp(To-Ti)；
4)根据获得的初始换热量Q0和即时换热量Q，得到换热效率η＝Q/Q0；
5)若换热效率η小于换热器洁净工况下效率的80-90％时，控制系统周期性地开闭相关的进、出口阀门，调节烟气的进口角度。
本发明的具体过程为：通过控制第一组进出口支路上阀门8、11打开，其余阀门闭合，此状态作为换热器运行的初始状态；换热器运行过程中如果换热效率η小于换热器洁净工况下效率的80-90％时，控制系统开始执行相关命令，打开第二组进出口支路上阀门9、12，其余阀门闭合，换热器继续运行；如果换热效率η小于换热器洁净工况下效率的80-90％时，控制系统同样执行相关命令，打开第三组进出口支路上阀门10、13，其余阀门闭合，换热器继续运行；如此通过控制系统对阀门的周期性控制，实现换热器的正常持续运行。
采用上述用于烟气余热回收的自清灰方法及采用该方法的高效烟气换热器，与现有技术中顺排、错排布置单位泵功的换热量和沉积率的对比如图4和图5所示。从图4可以看出，与常用的顺排布置换热器相比，新型管排布置单位泵功的换热量增加了12％左右。从图5可以看出，新型管排布置的沉积率明显低于顺排和错排布置，与常用的顺排布置换热器相比，沉积率下降32％左右。
采用上述用于烟气余热回收的自清灰方法及采用该方法的高效烟气换热器，一方面通过控制系统自动调节各支路上阀门的开闭，周期性控制烟气的进风角度，实现烟气的自清灰效果；另一方面该高效烟气换热器外壳上的烟气进口正对于烟气颗粒高沉积率的位置，且换热管束采用正六边形布置，烟气流向与正六边形对角线相平行，能够实现高效清灰的效果，显著强化烟气换热器的换热性能，减小其流动阻力，节约泵功消耗。因此采用上述用于烟气余热回收的自清灰方法及采用该方法的高效烟气换热器，具有显著的经济和环境效益，可以推广应用到工业余热回收的各种场合，具有良好的推广应用前景，产业化规模极其巨大。

Claims (6)

1.一种用于烟气余热回收的自清灰换热器，其特征在于：包括换热器壳体(3)以及设置在换热器壳体(3)内的换热管束(20)，在换热器壳体(3)两侧分别设置有相互连通的带有冷却流体进口(6)、冷却液体出口(7)的冷却液体进口管箱(4)和冷却液体出口管箱(5)，冷却液体进口管箱(4)和冷却液体出口管箱(5)分别与换热管束(20)的两端相连通，在换热器壳体(3)上设置有三对烟气进、出口，其中三个烟气进口(8、9、10)在圆周上相隔120°，三个烟气出口(11、12、13)与三个烟气进口(8、9、10)相对应，三对烟气进、出口分别布置在以中心换热管为中心的正六边形的对角线与换热器壳体(3)的交点上；烟气进气管道(1)分为三支管路与三个烟气进口(8、9、10)相连接，烟气出口管道(2)分为三支管路与三个烟气出口(11、12、13)相连接；在烟气进气管道(1)、烟气出口管道(2)上分别安装有监测流体进出口温度的进、出口端热电偶(21、22)；在烟气进气管道(1)上还安装有检测流体体积流量的流量计(23)，烟气进气管道(1)的三支管路、烟气出口管道(2)的三支管路上分别安装有控制烟气通道变换的阀门；所述的换热管束(20)采用正六边布置，换热器壳体(3)的外壳采用与换热管束(20)相匹配的圆柱形结构。
2.根据权利要求1所述的用于烟气余热回收的自清灰换热器，其特征在于：所述的换热管管间距S与换热管管径D之比的无量纲为2.0～3.0。
3.根据权利要求1所述的用于烟气余热回收的自清灰换热器，其特征在于：最外侧换热管与换热器壳体(3)间距L与换热管管径D之比的无量纲为2.0～4.0。
4.根据权利要求1所述的用于烟气余热回收的自清灰换热器，其特征在于：所述的换热管束采用螺旋翅片、环形翅片、针肋或丁胞结构。
5.一种基于权利要求1所述的换热器用于烟气余热回收的自清灰方法，其特征在于包括以下步骤：
1)首先，获得换热管束内流体的密度ρ、比热容Cp及体积流量V的数据；
2)在系统开机运行稳定后，读取换热管束进、出口流体的初始温度Ti0和To0，得到初始换热量Q0＝ρVCp(To0-Ti0)；
3)在换热器运行中继续监测换热管束进出口流体的即时温度Ti和To，得到换热量Q＝ρVCp(To-Ti)；
4)根据获得的初始换热量Q0和即时换热量Q，得到换热效率η＝Q/Q0；
5)若换热效率η小于换热器洁净工况下效率的80-90％时，控制系统周期性地开闭相关的进、出口阀门，调节烟气的进口角度。
6.根据权利要求5所述的用于烟气余热回收的自清灰方法，其特征在于：所述步骤5)的具体过程为：通过控制第一组进出口支路上阀门(8、11)打开，其余阀门闭合，此状态作为换热器运行的初始状态；换热器运行过程中如果换热效率η小于换热器洁净工况下效率的80-90％时，控制系统开始执行相关命令，打开第二组进出口支路上阀门(9、12)，其余阀门闭合，换热器继续运行；如果换热效率η小于换热器洁净工况下效率的80-90％时，控制系统同样执行相关命令，打开第三组进出口支路上阀门(10、13)，其余阀门闭合，换热器继续运行；如此通过控制系统对阀门的周期性控制，实现换热器的正常持续运行。
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