CN109443016B - 一种钛白粉煅烧转窑尾气余热的梯级利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及尾气余热利用技术领域，具体是一种钛白粉煅烧转窑尾气余热的梯级利用系统，包括一级余热利用系统、二级余热利用系统、蒸汽包中转系统、尾气流动管道系统以及水路管道系统，蒸汽包中转系统包括蒸汽包，蒸汽包的下部连接有蒸汽包出水管道，蒸汽包的顶部分别连接有蒸汽包进水管道及蒸汽出气管。本发明采用的换热器效率高，温度均匀，避免了各段温度不均产生温度应力对设备的损害，同时由于换热器为内外两层管，更适于腐蚀性环境。

Description

一种钛白粉煅烧转窑尾气余热的梯级利用系统

技术领域

本发明涉及尾气余热利用技术领域，具体是一种钛白粉煅烧转窑尾气余热的梯级利用系统。

背景技术

硫酸法生产钛白粉转窑煅烧产生的尾气通常含有硫氧化物、水蒸气、粉尘等混合物，尾气中因为含有硫氧化物，使其露点温度升高，一般在200℃左右，露点温度的升高使尾气中硫氧化物容易与水蒸气结合成酸雾，导致金属设备的加剧腐蚀。

现有的尾气处理系统，考虑对金属设备的腐蚀问题，将尾气直接通入废酸，利用废酸将尾气中的硫氧化物吸收，同时利用尾气热量将废酸浓缩，降温后的尾气经过除雾装置进行排放。上述处理方式将尾气余热用于浓缩废酸，经济价值不大，热量浪费严重。

另外，考虑钛白粉生产工艺需要的大量的蒸汽，企业开始尝试利用煅烧尾气余热产生蒸汽。其主要采用导热油工质换热技术与重力热管换热技术：

导热油工质换热技术是利用尾气余热加热导热油，控制尾气温度降至210℃，进入后续工艺，加热后的导热油再将热量用于产生水蒸气；由于导热油工质换热技术换热能力有限，开始尝试重力单层管热管相变换热技术，换热效率大大提高，但是重力热管相变换热中相变工质的迁移方向沿管道轴线方向，所以各段温度均匀性差，温度应力影响管道寿命，同时一旦生产过程中尾气温度波动低于其露点温度，这种单层管重力热管相变换热容易遭受尾气酸蚀影响寿命，对尾气温度的稳定性要求高。

另外，导热油工质换热技术中有限的换热技术导致设备体积庞大，重力单层热管相变换热技术由于自身缺陷，各段温度均匀性差，使尾气余热回收难以达到理想效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种钛白粉煅烧转窑尾气余热的梯级利用系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种钛白粉煅烧转窑尾气余热的梯级利用系统，包括一级余热利用系统、二级余热利用系统、蒸汽包中转系统、尾气流动管道系统以及水路管道系统。蒸汽包中转系统包括蒸汽包，蒸汽包的下部连接有蒸汽包出水管道，蒸汽包的顶部分别连接有蒸汽包进水管道及蒸汽出气管。

所述一级余热利用系统包括套管式热管相变换热器，套管式热管相变换热器包括壳体，壳体两端分别设有尾气进口及尾气出口，尾气进口及尾气出口分别与尾气流动管道连接，尾气进口接入煅烧转窑的尾气。壳体内部设置有一级或多级换热管装置，换热管装置的布置方向与尾气进出气方向垂直。换热管装置包括多个依次排列的外管，外管两端开口，多个外管的内部穿设有一个内管，内管依次穿过各个外管，内管内通入水。内管与外管之间设有相变工质，相变工质包括气态相变工质及液态相变工质，相变工质沿管道径向迁移。内管的输入端通过水路管道连接二级余热利用系统，二级余热利用系统通过水路管道连接蒸汽包出水管道，内管的输出端通过水路管道连接蒸汽包进水管道，蒸汽包内的水经过二级余热利用系统加热后进入套管式热管相变换热器，通过与尾气换热，回收500℃～210℃的尾气余热，加热后的热水送回蒸汽包内制造水蒸气。

所述套管式热管相变换热器的尾气进口连接第一尾气进气管，第一尾气进气管上设有第一阀门，套管式热管相变换热器的尾气出口通过尾气流动管道连接硫氧化物吸收器，硫氧化物吸收器通过尾气流动管道连接除雾器，除雾器输出端的尾气流动管道分为两个分支，第一尾气流动管道分支连接再生器内的换热管道，再生器内的换热管道输出端连接烟囱排放口，第一尾气流动管道分支上设有第一风道阀门，第二尾气流动管道分支连接烟囱排放口，第二尾气流动管道分支上设有第二风道阀门。

所述套管式热管相变换热器的尾气进口处设置有第一热电偶，尾气出口处设置有第二热电偶，套管式热管相变换热器与硫氧化物吸收器之间的尾气流动管道上设有尾气流量计。为了检测尾气温度，在套管式热管相变换热器尾气进出口布置热电偶，同时安装尾气流量计测试尾气流量。

所述第一尾气进气管连接第二尾气进气管，第二尾气进气管连接在硫氧化物吸收器的输入端，第二尾气进气管上设有第二阀门。

所述二级余热利用系统包括吸收器，吸收器壳程内设有吸收液，吸收器内设有换热管道，吸收器换热管道输入端通过水路管道连接蒸汽包出水管道，吸收器换热管道输出端通过水路管道连接套管式热管相变换热器的内管输入端。

所述吸收器内设有喷淋装置，喷淋装置通过管道连接蒸发器管程，吸收器通过第一吸收液管道连接吸收液预热器内的换热管的，吸收液预热器换热管道通过第二吸收液管道连接再生器壳程，再生器壳程连接回液管道，回液管道通过吸收液预热器换热后连接吸收器壳程，第二吸收液管道及回液管道上分别设有循环泵。

所述再生器上部通过管道连接冷凝器壳程，冷凝器内的换热管道输入端连接通过水路管道连接蒸汽包出水管道，冷凝器换热管道输出端连接套管式热管相变换热器的内管输入端，套管式热管相变换热器的内管输入端的水路管道上设有第三阀门，冷凝器壳程通过管道连接蒸发器管程，蒸发器外部设有风机。

所述蒸汽包出水管道连接两条出水管道分支，第一出水管道分支连接吸收器管程，第二出水管道分支连接冷凝器管程，蒸汽包出水管道上设有第一循环泵，蒸汽包进水管道连接两条进水管道分支，第一进水管道分支连接套管式热管相变换热器的内管输出端，第二进水管道分支分别连接吸收器管程及冷凝器管程，第二进水管道上设有第四阀门。

所述蒸汽包连接水箱，蒸汽包与水箱之间的水路管道上设有补水泵，蒸汽包与水箱上均设有液位计。

本发明的运行过程是：

两级余热利用系统正常运行时是串联使用的，来自钛白粉煅烧转窑尾气经相应阀门通过分支风道进入一级余热利用系统，尾气垂直横掠套管式热管相变换热器，将热量传递给套管式热管相变换热器内管的水，内管的水来自蒸汽包，蒸汽包输出的水经过二级余热利用系统后进入内管，被套管式热管相变换热器加热后的水通过内管出口流出，回流入蒸汽包，最终产生工艺用蒸汽。

经过一级余热利用系统后的210℃左右的尾气经过硫氧化物吸收装置除酸性气态、除雾装置除去水蒸气后变为温度70℃左右尾气，进入二级余热利用系统，即低品位余热吸收式热泵回收系统。尾气将再生器内的含水吸收液浓缩，将含水吸收液中的水加热蒸发成水蒸气，水蒸气通过管道进入冷凝器成水，并向外界提供热量用于加热冷凝器管程内的水；冷凝器内凝结成的水通过循环泵打入蒸发器，在蒸发器内完成水的蒸发，同时向外界供冷，这部分冷量可用于夏季控制室、办公室的空调制冷，蒸发器内蒸发的水蒸气通过管道、喷淋装置进入吸收器吸收，在吸收液吸收水蒸气、被稀释的过程中向外放出热量，放出的热量可以用于加热吸收器管程内的水，吸收器内吸收水蒸气被稀释后的吸收液，逐渐丧失吸收水蒸气的能力，通过管道、吸收液预热器、循环泵打入再生器浓缩，不断循环，二级余热回收系统不仅可以将尾气余热用于产生产工艺所需的水蒸气，而且可以向外界供冷。

本发明所达到的有益效果是：

(1)本发明中一级余热利用系统包括套管式热管相变换热器，套管式热管相变换热器内外管套装在一起，内管内流动水，内外管之间为相变工质，工质的迁移方向沿径向，水的流动方向为轴向，尾气沿径向横掠外管，这种换热器效率高，温度均匀，避免了各段温度不均产生温度应力对设备的损害，同时由于换热器为内外两层管，更适于腐蚀性环境，对尾气温度的控制，可以通过控制套管式热管相变换热器的换热管装置的层数来实现。

(2)本发明的管道系统，既可以满足一级余热利用系统、二级余热利用系统的串联运行，也可以满足各系统检修时的独立运行，同时可以满足两余热利用系统同时检修时的钛白粉煅烧尾气通过烟囱直排，灵活方便，不影响生产钛白粉工艺。

(3)本发明的二级余热利用系统中，既可以提供热量用于加热生产工艺中的水，蒸发器还可以向外界供冷，用于夏季空调制冷。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明结构示意图；

图2是套管式热管相变换热器的换热管装置的结构示意图；

图3是图2中A-A的剖视图。

图中：1、水箱；2、补水泵；3、液位计；4、蒸汽包；5、蒸汽出气管；6、蒸汽包进水管道；7、蒸汽包出水管道；8、第五阀门；9、第六阀门；10、第七阀门；11、吸收器；12、喷淋装置；13、第四阀门；14、第三阀门；15、风机；16、蒸发器；17、尾气流量计；18、第二热电偶；19、吸收液预热器；20、循环泵；21、再生器；22、冷凝器；23、烟囱排放口；24、第一风道阀门；25、第二风道阀门；26、除雾器；27、硫氧化物吸收器；28、第二阀门；29、第一阀门；30、套管式热管相变换热器；31、第一热电偶；32、内管；33、外管；34、外管翅片；35、气态相变工质；36、液态相变工质；37、第一循环泵。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

如图1至图3所示，一种钛白粉煅烧转窑尾气余热的梯级利用系统，包括一级余热利用系统、二级余热利用系统、蒸汽包中转系统、尾气流动管道系统以及水路管道系统。

蒸汽包中转系统包括蒸汽包4，蒸汽包4的下部连接有蒸汽包出水管道7，蒸汽包的顶部分别连接有蒸汽包进水管道6及蒸汽出气管5。蒸汽包4连接水箱1，水箱1为蒸汽包补充水，蒸汽包4与水箱1之间的水路管道上设有补水泵2，蒸汽包4与水箱1上均设有液位计3。

如图2、图3所示，所述一级余热利用系统包括套管式热管相变换热器30，套管式热管相变换热器30包括壳体，壳体两端分别设有尾气进口及尾气出口，尾气进口及尾气出口分别与尾气流动管道连接，尾气进口接入煅烧转窑的尾气。壳体内部设置有一级或多级换热管装置，换热管装置的布置方向与尾气进出气方向垂直。换热管装置包括多个依次紧密排列的外管33，多个外管33由外管翅片34支撑。外管33两端开口，多个外管33的内部穿设有一个内管32，内管32依次穿过各个外管33，内管32内通入水，内管32包括直管段及弯头，与尾气换热段在直管段，安装时尾气横扫需要避开弯头部分。内管32与外管33之间设有相变工质，相变工质包括气态相变工质35及液态相变工质36，相变工质沿管道径向迁移。内管32的输入端通过水路管道连接二级余热利用系统，二级余热利用系统通过水路管道连接蒸汽包出水管道7，内管32的输出端通过水路管道连接蒸汽包进水管道6。

所述套管式热管相变换热器30的尾气进口连接第一尾气进气管，第一尾气进气管上设有第一阀门29，套管式热管相变换热器30的尾气出口通过尾气流动管道连接硫氧化物吸收器27，硫氧化物吸收器27通过尾气流动管道连接除雾器26，除雾器26输出端的尾气流动管道分为两个分支，第一尾气流动管道分支连接再生器21内的换热管道，再生器21内的换热管道输出端连接烟囱排放口23，第一尾气流动管道分支上设有第一风道阀门24，第二尾气流动管道分支连接烟囱排放口23，第二尾气流动管道分支上设有第二风道阀门25。所述套管式热管相变换热器30的尾气进口处设置有第一热电偶31，尾气出口处设置有第二热电偶18，套管式热管相变换热器30与硫氧化物吸收器27之间的尾气流动管道上设有尾气流量计17。

所述第一尾气进气管连接第二尾气进气管，第二尾气进气管连接在硫氧化物吸收器27的输入端，第二尾气进气管上设有第二阀门28。

所述二级余热利用系统包括吸收器11，吸收器11壳程内设有吸收液，吸收器11内设有换热管道，吸收器11换热管道输入端通过水路管道连接蒸汽包出水管道7，吸收器11换热管道输出端通过水路管道连接套管式热管相变换热器30的内管32输入端。所述吸收器11内设有喷淋装置12，喷淋装置12通过管道连接蒸发器16管程，吸收器11通过第一吸收液管道连接吸收液预热器19内的换热管道，吸收液预热器19换热管道通过第二吸收液管道连接再生器21壳程，再生器21壳程连接回液管道，回液管道通过吸收液预热器19换热后连接吸收器11壳程，第二吸收液管道及回液管道上分别设有循环泵20。

所述再生器21上部通过管道连接冷凝器22壳程，冷凝器22内的换热管道输入端连接通过水路管道连接蒸汽包出水管道7，冷凝器22换热管道输出端连接套管式热管相变换热器30的内管32输入端，套管式热管相变换热器30的内管输入端的水路管道上设有第三阀门14，冷凝器22壳程通过管道连接蒸发器16管程，蒸发器16外部设有风机15。

所述蒸汽包出水管道7连接两条出水管道分支，第一出水管道分支连接吸收器11管程，第二出水管道分支连接冷凝器22管程，蒸汽包出水管道7上设有第一循环泵37，蒸汽包进水管道6连接两条进水管道分支，第一进水管道分支连接套管式热管相变换热器30的内管输出端，第二进水管道分支分别连接吸收器11管程及冷凝器22管程，第二进水管道上设有第四阀门13。

本发明的具体工作过程为：

一、在一级余热利用系统与二级余热利用系统均正常运行时，两级余热利用系统处于串联状态，两级余热利用系统串联运行时，水路系统及尾气流动系统分别如下：水从蒸汽包4经过连接管道、第一循环泵37后，水分成两路，一路水经过第六阀门9进入吸收器11，与吸收器11内吸收液吸收来自蒸发器16的水蒸气释放的热量以及吸收液被稀释放出的稀释热换热，从而加热水；另一路水经过第七阀门10进入冷凝器22，将来自再生器21的水蒸气凝结释放的热量通过换热取出用于加热自身，然后两路水汇合后通过第三阀门14经由管道进入一级余热利用系统。此过程中，由于吸收器11不断的通过喷淋装置12吸收来自蒸发器16的水蒸气向外释放热量的同时，吸收器11内的吸收液不断被稀释，逐步失去吸收功能，被稀释后的吸收液通过吸收液预热器19预热后，通过循环泵20打入再生器21，利用尾气的余热将吸收液浓缩，浓缩后的吸收液通过循环泵20打入吸收液预热器19进行初步降温后，进入吸收器11，重新吸收水蒸气，完成吸收液的吸收水蒸气被稀释、被浓缩重新用于循环过程，而从再生器21浓缩蒸发出的水蒸气进入冷凝器22，冷凝成液态水后通过循环泵20打入蒸发器16，在蒸发器16内变成水蒸气通过喷淋装置12进入吸收器11重新被吸收，完成吸收液中浓缩出的水分循环过程，液态水在蒸发器16内变为水蒸气时，吸收来自外界的热量，可以通过风机15驱动环境风横扫蒸发器16为外界供冷。

由二级余热利用系统送出的两路水汇合后，通过第三阀门14经由管道进入一级余热利用系统，进入一级余热利用系统后，先通过管道入口进入套管式热管相变换热器30，水通过套管式热管相变换热器30被加热后，通过套管式热管相变换热器30出口流出，经过连接管道回流入蒸汽包4，完成一次两级余热利用系统的加热过程，后循环往复，直至蒸汽包4不断外供蒸汽，蒸汽送去厂区。其中，对应的气路系统为，来自钛白粉煅烧转窑的高硫高湿的尾气经过第一阀门29、第一热电偶31后垂直横掠套管式热管相变换热器30，经过换热后，进入硫氧化物吸收器27除去酸性气体，经过除雾器26除去尾气水蒸气，进入二级余热利用系统的主要设备再生器21用于浓缩吸收液，后经过管道进入烟囱排放。

二、一级余热利用系统正常工作、二级余热系统处于检修时运行流程为：水在蒸汽包4经过连接管道、第一循环泵37后，经过第五阀门8、第三阀门14、连接管道进入套管式热管相变换热器30，经过套管式热管相变换热器30换热后，由套管式热管相变换热器30的出口经过管道回流入蒸汽包4。其中，对应的气路系统为，来自钛白粉煅烧转窑的高硫高湿的尾气经过第一阀门29、第一热电偶31后垂直横掠套管式热管相变换热器30，经过换热后，进入硫氧化物吸收器27除去酸性气体，经过除雾器26除去尾气水蒸气，后经过第二风道阀门25以及连接管道进入烟囱排放。

三、二级余热利用系统正常工作、一级余热系统处于检修时的运行流程为：水在蒸汽包4经过连接管道、第一循环泵37后，水分成两路，一路水经过第六阀门9进入吸收器11，吸收来自吸收器11内的热量，另一路水经过第七阀门10进入冷凝器22，吸收来自冷凝器22的热量后与另一路水路汇合，汇合后通过第四阀门13、连接管道回流入蒸汽包4，完成水的加热过程。此过程对应的尾气流动系统为：来自钛白粉煅烧转窑的高硫高湿尾气经过第二阀门28后，进入硫氧化物吸收器27除去酸性气体，经过除雾器26除去尾气水蒸气后，经过第一风道阀门24以及连接管道后进入再生器21，利用其中的热量将再生器21内的吸收液浓缩后通过管道进入烟囱进行排放。

四、两级余热利用系统均处于检修状态时，来自钛白粉煅烧转窑的高硫高湿尾气经过第二阀门28后，进入硫氧化物吸收器27除去酸性气体，经过除雾器26除去尾气水蒸气后，经过第二风道阀门25通过管道进入烟囱进行排放。

Claims (8)

1.一种钛白粉煅烧转窑尾气余热的梯级利用系统，其特征在于，包括一级余热利用系统、二级余热利用系统、蒸汽包中转系统、尾气流动管道系统以及水路管道系统，蒸汽包中转系统包括蒸汽包，蒸汽包的下部连接有蒸汽包出水管道，蒸汽包的顶部分别连接有蒸汽包进水管道及蒸汽出气管，所述一级余热利用系统包括套管式热管相变换热器，套管式热管相变换热器包括壳体，壳体两端分别设有尾气进口及尾气出口，尾气进口及尾气出口分别与尾气流动管道连接，壳体内部设置有一级或多级换热管装置，换热管装置包括多个依次排列的外管，外管两端开口，多个外管的内部穿设有一个内管，内管依次穿过各个外管，内管与外管之间设有相变工质，内管的输入端通过水路管道连接二级余热利用系统，二级余热利用系统通过水路管道连接蒸汽包出水管道，内管的输出端通过水路管道连接蒸汽包进水管道，换热管装置的布置方向与尾气进出气方向垂直，相变工质包括气态相变工质及液态相变工质，相变工质沿管道径向迁移，所述二级余热利用系统包括吸收器，吸收器壳程内设有吸收液，吸收器内设有换热管道，吸收器换热管道输入端通过水路管道连接蒸汽包出水管道，吸收器换热管道输出端通过水路管道连接套管式热管相变换热器的内管输入端。

2.根据权利要求1所述的钛白粉煅烧转窑尾气余热的梯级利用系统，其特征在于，所述套管式热管相变换热器的尾气进口连接第一尾气进气管，第一尾气进气管上设有第一阀门，套管式热管相变换热器的尾气出口通过尾气流动管道连接硫氧化物吸收器，硫氧化物吸收器通过尾气流动管道连接除雾器，除雾器输出端的尾气流动管道分为两个分支，第一尾气流动管道分支连接再生器内的换热管道，再生器内的换热管道输出端连接烟囱排放口，第一尾气流动管道分支上设有第一风道阀门，第二尾气流动管道分支连接烟囱排放口，第二尾气流动管道分支上设有第二风道阀门。

3.根据权利要求2所述的钛白粉煅烧转窑尾气余热的梯级利用系统，其特征在于，所述套管式热管相变换热器的尾气进口处设置有第一热电偶，尾气出口处设置有第二热电偶，套管式热管相变换热器与硫氧化物吸收器之间的尾气流动管道上设有尾气流量计。

4.根据权利要求2所述的钛白粉煅烧转窑尾气余热的梯级利用系统，其特征在于，所述第一尾气进气管连接第二尾气进气管，第二尾气进气管连接在硫氧化物吸收器的输入端，第二尾气进气管上设有第二阀门。

5.根据权利要求1所述的钛白粉煅烧转窑尾气余热的梯级利用系统，其特征在于，所述吸收器内设有喷淋装置，喷淋装置通过管道连接蒸发器管程，吸收器通过第一吸收液管道连接吸收液预热器内的换热管道，吸收液预热器换热管道通过第二吸收液管道连接再生器壳程，再生器壳程连接回液管道，回液管道通过吸收液预热器换热后连接吸收器壳程，第二吸收液管道及回液管道上分别设有循环泵。

6.根据权利要求5所述的钛白粉煅烧转窑尾气余热的梯级利用系统，其特征在于，所述再生器上部通过管道连接冷凝器壳程，冷凝器内的换热管道输入端通过水路管道连接蒸汽包出水管道，冷凝器换热管道输出端连接套管式热管相变换热器的内管输入端，套管式热管相变换热器的内管输入端的水路管道上设有第三阀门，冷凝器壳程通过管道连接蒸发器管程，蒸发器外部设有风机。

7.根据权利要求6所述的钛白粉煅烧转窑尾气余热的梯级利用系统，其特征在于，所述蒸汽包出水管道连接两条出水管道分支，第一出水管道分支连接吸收器管程，第二出水管道分支连接冷凝器管程，蒸汽包出水管道上设有第一循环泵，蒸汽包进水管道连接两条进水管道分支，第一进水管道分支连接套管式热管相变换热器的内管输出端，第二进水管道分支分别连接吸收器管程及冷凝器管程，第二进水管道上设有第四阀门。

8.根据权利要求7所述的钛白粉煅烧转窑尾气余热的梯级利用系统，其特征在于，所述蒸汽包连接水箱，蒸汽包与水箱之间的水路管道上设有补水泵，蒸汽包与水箱上均设有液位计。

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