CN112595146B - 管道壳体由换热设备构成的高温流体运输管道、适用的换热设备以及换热方法 - Google Patents

管道壳体由换热设备构成的高温流体运输管道、适用的换热设备以及换热方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种整合了换热设备的高温流体运输管道，可以在高温流体的运输过程中回收其中的热量。所述的换热设备包含一个密闭的换热容腔和安装在其中的受热流体盘管。换热方法是高温流体通过与之相接触的换热容腔的换热基板加热容腔内的辅助流体，升温后的辅助流体再将热量传导给受热流体盘管中的受热流体。作为一个示例，高温流体为燃烧后产生的烟气，烟气运输管道的上部替换成本发明的换热设备，辅助流体是空气等惰性气体，被高温烟气间接加热后的空气将热量传导给在受热流体盘管中流动的燃料和/或富氧气体(作为氧化剂/助燃剂)。

Description

管道壳体由换热设备构成的高温流体运输管道、适用的换热 设备以及换热方法
技术领域
本发明涉及高温流体热回收领域，特别是从玻璃熔炉的热烟气中回收热量用于加热燃料和/或富氧气体。
背景技术
保护环境，节约能源、土地和成本是现代工业发展关注的问题。冶金、玻璃熔融、化工生产等多种工艺流程都需要消耗大量的能量，同时又会产生蕴含有大量热能的产品或副产品。例如，燃烧过程中产生的烟气或水蒸汽，天然气重整反应产生的合成气和水蒸汽等，都属于蕴含有大量热能的高温流体。如果这些高温流体中的热能得不到回收，则会造成很大的能源以及生产效能的浪费。
以平板玻璃的生产为例，现有技术中，许多窑炉通过富氧燃烧进行工作，这意味着，燃烧不再发生在燃料和空气之间(空气燃烧)，而是发生在燃料和氧气浓度高于空气的富氧气体之间。用来自燃烧产物的废气--即烟气预热燃料和/或富氧气体使得能够回收烟气中含有的部分能量，并能提高这种燃烧的能量效率。富氧燃烧情况下，烟气中含有的能量占所耗能量的30％。
CN100575788C公开了一种间接式热交换器。在一热交换区域中，热烟气先加热装在密闭装置内的惰性气体，再由热的惰性气体进一步加热位于其中另一密闭装置内的燃烧气体。这一设计需在工厂现有的烟气管道外添加新的热交换区域，由于增加占用空间，加大投资成本而导致实际应用不广。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，通过对工厂中已有的水平布置的高温流体管道--例如烟气管道本身进行改造，从而将换热设备与管道整合为一体，实现了最大限度地回收热能，节约空间，节约成本投入的技术效果。
在一方面，本发明提供了一种高温流体运输管道，其壳体的至少一部分由换热设备构成。
所述的换热设备包含与所述高温流体相接触的换热基板和与外界环境相接触的绝热层，所述绝热层与换热基板之间通过两个端面和两个承重板相连接，所述换热基板、绝热层、端面和承重板围成一个密闭的换热容腔，所述换热容腔中安装有受热流体盘管。
可选地，换热设备的绝热层包含内壁与外壁，所述绝热层内壁至少包含一部分热反射板。所述绝热层内、外壁之间填充有绝热材料或保持真空。所述绝热层外壁上设置有受热流体入口与受热流体出口，受热流体入口与位于换热容腔内部的受热流体入口分配器和受热流体盘管的入口依次连通，受热流体出口与位于换热容腔内部的受热流体出口分配器和受热流体盘管的出口依次相连通。可选地，在受热流体出口管道和/或受热流体出口分配器上设置温度传感器。
绝热层外壁上还设置有辅助流体入口和辅助流体出口，二者分别与换热容腔相连通。在所述辅助流体出口设置气体成分分析仪，用以确保所述换热容腔中没有泄露的受热流体。
可选地，换热基板为一个拱形或多个波浪形。所述运输管道水平布置，运输管道壳体包含下半部的耐火层和上半部的换热设备，所述换热设备的承重板在重力的作用下压紧在耐火层上，所述承重板和耐火层之间采用密封用耐火材料密封。当换热基板为波浪形时，换热基板和承重板之间设置有支撑结构。所述密封用耐火材料包含陶瓷纤维、玻璃纤维、耐火泥中的一种或几种的组合。
可选地，换热基板、绝热层的内、外壁、热反射板、端面、承重板和受热流体盘管的材质包含不锈钢和/或铝。
可选地，沿运输管道的轴向布置有若干个换热设备，若干个换热设备的端面互相靠紧，端面之间采用密封用耐火材料密封。
在另一方面，本发明还公开了一种换热方法，特征为受热流体在受热流体盘管中流动，辅助流体在换热容腔中流动或静止，受热流体通过辅助流体的热传导及换热基板的热辐射被高温流体加热。
可选地，高温流体包含燃烧和/或热裂解产生的烟气。辅助流体包含空气、N2,CO2、水蒸汽中的一种或几种的组合，受热流体包含O2,天然气或其它燃料气体。
可选地，烟气的温度范围为500～1200℃，受热流体的温度范围为300～600℃。受热流体的流速范围为5～100m/s，优选为20～60m/s；所述辅助流体的流速范围为0～50m/s，优选为20～30m/s。
采用本发明的技术方案会产生多个有益的技术效果。
其一，本发明中换热设备的设计使得对原有运输管道的改造与新设备的安装都非常方便，节省成本的同时可以增加换热面积，提高换热效率。
其二，多个换热设备可以平行安装，该多个换热设备可以加热同种受热流体或不同受热流体。
其三，换热设备采用间接加热方式，辅助流体、温度传感器、气体成分分析仪等的使用增加了换热设备的安全性和可操控性。
附图说明
本公开中的附图仅作为对本发明的示意，供理解和解释本发明的精神，但不在任何方面对本发明加以限定。
图1至图4是根据本发明的两个实施例，相同的标号在四个图中代表相对应的部分。图1和图3为相关实施例的立体构造图，图2和图4为相关实施例安装到高温流体运输管道上后的截面图。
附图标记如下：1-换热基板，2-承重板，3-绝热层，4-端面，5-受热流体入口，6-受热流体出口，7-温度传感器，8-受热流体入口分配器，9-受热流体出口分配器，10-辅助流体入口，11-辅助流体出口，12-受热流体盘管，13-绝热层外壁，14-绝热层内壁，15-绝热材料，16-热反射板，17-密封用耐火材料，18-耐火砖，19-气体成分分析仪，20-换热容腔，21-吊耳，22-运输管道壳体，25-支撑框架，26-支撑臂，27-支撑柱，28-横梁。
具体实施方式
在本发明中，需要理解的是，术语“上”“下”“前”“后”“垂直”“平行”“顶”“底”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，且以水平面为参考。
如无特别说明，本文中出现的类似于“一”的限定语并非是指对数量的限定，而是描述相区别的技术特征。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中既可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”“连通”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明中的高温流体可为多种形态和组成，既包含气体，也包含液体；既可以是单一组分，也可以是混合物。高温是指其温度高于受热流体的温度，变化的范围为100～1500℃。当高温流体是烟气等气体时，其运输管道通常由耐火砖组成；当高温流体为液体时，其运输管道的壳体往往是金属构成的。本发明适合于对大致为水平布置的各种高温流体运输管道的改造。在改造过程中，管道中轴线水平面以上的部分壳体被替换成具有换热功能的装置，即本发明中的换热设备。
如图1所示，本发明中的换热设备由至少六个面包围而成：与所述高温流体相接触的换热基板1和与外界环境相接触的绝热层3，换热基板和绝热层之间通过两个端面4和两个承重板2相连接。上述的面可以是平面、曲面或为了配合安装而包含转折、凸起或凹陷的面。可选地，换热基板1与绝热层3，两个端面4之间分别互相平行，两个承重板2位于同一平面内。换热基板、绝热层、端面和承重板围成一个大致密闭(除各流体的出、入口)的换热容腔20，换热容腔20中安装有受热流体盘管12。
绝热层3为包含内壁14与外壁13的中空结构。绝热层内壁14的至少一部分由热反射板16构成或被热反射板16所覆盖。绝热层内壁14和外壁13之间的空腔可以抽真空，也可以填充包含保温棉和/或珠光砂等的绝热材料15。绝热层外壁13上设置有多个流体出入口，包括受热流体入口5，其与位于换热容腔内的受热流体入口分配器8和受热流体盘管12的入口依次相连；还包括受热流体出口6，其与位于换热容腔内的受热流体出口分配器9和受热流体盘管12的出口依次相连。由于受热流体的温度，压力等变量在工业生产中是重要的参数，在与受热流体出口6相连的受热流体出口管道或受热流体出口分配器9上设置温度传感器7和/或压力传感器等测量装置。在换热设备的外部，受热流体入口5和出口6分别与受热流体输送系统可选地通过法兰相连，该系统包含能够调节受热流体流量的阀门、受热流体控制器等(图中未显示)。受热流体控制器可以接收来自测量装置测得的受热流体出口温度和/或压力，并据此对受热流体流量(或流速)、温度、压力等进行调节。
绝热层外壁13上还设置有辅助流体入口10和辅助流体出口11。在换热设备的外部，辅助流体入口10和出口11分别与辅助流体输送系统相连，该系统包含能够调节辅助流体流量的阀门、辅助流体控制器等(图中未显示)。辅助流体在换热容腔20中，受热流体盘管12之外的空间内流动。辅助流体控制器也可以接收来自上述测量装置测得的受热流体出口温度和/或压力，并据此对辅助流体流量(或流速)、温度、压力等进行调节。
本发明的换热设备采取间接换热的方式。运输管道中的高温流体首先通过传导、辐射、对流等方式加热换热基板1；换热基板1再通过传导、辐射等方式加热与之相接触的辅助流体。被加热的辅助流体在受热流体盘管12周围流动或静止，从而将热量进一步传导给盘管内的受热流体。绝热层内壁14的热反射板16和绝热材料15的使用将热量尽可能地保持在换热容腔20内。当受热流体包含高温下具有反应性、腐蚀性或其它危险性的物质时，例如O2、CH4等，使用间接换热的方式大大增加了换热过程的安全性。这是因为辅助流体可以选择惰性的空气、水蒸汽、N2、CO2等，而换热基板1在惰性氛围中受热不易产生腐蚀、老化等损坏，不会造成泄露等安全事故。换热基板、端面、承重板的材质可以选择不锈钢、铝、或者陶瓷纤维。
本发明的换热设备中各部分材质的选择(包括成分组成、厚度、强度、光洁度等)取决于与之相接触的流体的性质以及使用时的温度、压力等条件。例如，换热基板1需要优良的导热性能，且能耐受温度在大范围内的快速变化。承重板2和端面4需要足够的强度和对温度变化的耐受性。受热流体盘管12的管壁既需要有良好的导热性能，也需要在使用时可能达到的温度范围内与受热流体不发生反应。当受热流体为O2或富氧气体(即氧气含量高于空气中O2的含量，可选地高于50％，进一步高于80％的混合气体)时，与之相接触的材料需要在热的氧气氛围中不会发生燃烧，而且抗腐蚀，抗氧化。
换热设备的换热效率和受热流体出口的温度可以通过多种方式调控。当管道内的高温流体的温度，流速大致不变时，提高辅助流体的流量和流速，辅助流体受热后的温度会降低，相应地受热流体的温度也会降低；如果辅助流体为气体，增加其压力会使其密度增加，从而提高传热效率。类似的，在其它条件不变的前提下，增加受热流体的流速或流量，其出口处的温度也会降低。
为了防止受热流体盘管12在加热的条件下腐蚀、老化造成泄露，在辅助流体出口11设置气体成分分析仪19，如果测得的气体成分与辅助流体的成分不一致且受热流体的含量增加，则表示受热流体盘管出现了破损或泄露。此时应马上停止使用换热设备，并进行维修。
对于现有的高温流体管道，例如由耐火砖18构成的高温烟气管道，在安装换热设备时可以先移除管道上半部的耐火砖，再通过吊耳21将换热设备吊装到恰当的位置，换热设备的承重板2平压在管道剩余部分上。换热设备与运输管道各接触面之间用密封用耐火材料17，例如陶瓷纤维、玻璃纤维、耐火泥等进行密封。根据需要，多个换热设备以端面4大致平行的方式安装在管道上，接触面之间也采用耐火棉进行密封。多个换热设备中的辅助流体以及受热流体，可以相同或不同。
换热设备的换热基板1可选择各种形态。如图1、图2所示，换热基板1与绝热层3大致平行，且都为拱形，拱形两端横跨在运输管道壳体22上。拱形设计使得换热设备本身的重量可以均匀分布在底部的承重板2上，因而不需要额外的支撑结构。图3、图4公开了波浪形的换热基板1，即换热基板包含若干个突出并向运输管道内部延伸的部分，受热流体盘管12沿着这些波浪形的突出排布，这样的设计增加了换热基板与运输管道内的高温流体的接触面积，使得热传导更加充分。然而，由于波浪形部分的重量不能很好地分配到两端的承重板2上，需采用支撑结构25将这部分重量转移到承重板上。图3所示的支撑结构是一个金属框架，框架具有在两个端面上与各个突出的波浪相连的支撑臂26和与承重板相连的支撑柱27。支撑臂26和支撑柱27之间通过横梁28连接。
作为实例，一个根据本发明图1的换热设备按以下方式构成。它安装在内部宽度为0.6米的运输管道上部，换热基板1具有0.75m2的换热面积，受热流体盘管12具有3.0m2的换热总面积。换热设备中所有的金属元件都由不锈钢(SS310)材料构成。实验证明，这些材料在高温纯氧的条件下不会发生燃烧或腐蚀，具有很高的安全性。
在运输管道中通入燃烧后产生的烟气，烟气的主要成分为二氧化碳，水，一氧化碳，二氧化硫，氮氧化物等，温度变化范围为500～1200℃；受热流体为O2，预计O2受热后能达到的温度变化范围为300～600℃；辅助流体选择空气。
受热流体和辅助流体的流量、流速、压力等分别受各自的输送系统中的控制器控制。受热流体的流速变化范围为5～100m/s,优选为20～60m/s；辅助流体的流速变化范围为0～50m/s,优选为20～30m/s。
使用CFD软件针对本实例的换热设备进行模拟计算，当换热基板1的温度为850℃，空气流速为0.5m/s，O2流速为14m/s时，常温进入换热设备的O2在出口处的温度达到500℃。
在富氧燃烧的各个工艺流程中，例如玻璃熔炉的富氧燃烧中，将加热后的O2与燃料一起输送入燃烧器，可以得到更高的燃烧温度和烟气中较少的能量损失，提高燃烧的效率，降低氮氧化物和粉尘的产生。
本发明并不限于所述图例和实施例，本领域的技术人员根据本文所作的种种等同变型或替换，均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (29)

1.一种高温流体运输管道，其特征在于，所述运输管道大致为水平布置，所述运输管道中轴线水平面以上的至少部分壳体由换热设备构成，所述换热设备包含与所述高温流体相接触的换热基板和与外界环境相接触的绝热层, 所述绝热层与换热基板之间通过两个端面和两个承重板相连接，所述换热基板、绝热层、端面和承重板围成一个密闭的换热容腔，所述换热容腔中安装有受热流体盘管；受热流体在受热流体盘管中流动，辅助流体在换热容腔中流动或静止，受热流体通过辅助流体的热传导及换热基板的热辐射被高温流体加热；所述的辅助流体包含空气、N2, CO2、水蒸汽中的一种或几种的组合，所述的受热流体包含O2, 天然气或其它燃料气体。
2.如权利要求1所述的高温流体运输管道，其特征在于，所述两个端面互相平行。
3.如权利要求1所述的高温流体运输管道，其特征在于，所述绝热层包含内壁与外壁，所述绝热层内壁至少包含一部分热反射板。
4.如权利要求3所述的高温流体运输管道，其特征在于，所述绝热层外壁上设置有受热流体入口与受热流体出口，受热流体入口与位于换热容腔内部的受热流体入口分配器和受热流体盘管的入口依次连通，受热流体出口与位于换热容腔内部的受热流体出口分配器和受热流体盘管的出口依次相连通。
5.如权利要求4所述的高温流体运输管道，其特征在于，还包含温度传感器，所述温度传感器设置在受热流体出口管道和/或受热流体出口分配器上。
6.如权利要求3所述的高温流体运输管道，其特征在于，所述绝热层外壁设置有辅助流体入口和辅助流体出口，二者分别与换热容腔相连通。
7.如权利要求6所述的高温流体运输管道，其特征在于，在所述辅助流体出口设置气体成分分析仪，用以确保所述换热容腔中没有泄露的受热流体。
8.如权利要求3所述的高温流体运输管道，其特征在于，所述绝热层内、外壁之间填充有绝热材料或保持真空。
9.如权利要求8所述的高温流体运输管道，其特征在于，所述绝热材料包含保温棉和/或珠光砂。
10.如权利要求1所述的高温流体运输管道，其特征在于，所述的换热基板为一个拱形。
11.如权利要求10所述的高温流体运输管道，其特征在于，所述运输管道水平布置，运输管道壳体包含下半部的耐火层和上半部的换热设备，所述换热设备的承重板在重力的作用下压紧在耐火层上，所述承重板和耐火层之间采用密封用耐火材料密封。
12.如权利要求1所述的高温流体运输管道，其特征在于，所述的换热基板为多个波浪形。
13.如权利要求12所述的高温流体运输管道，其特征在于，所述运输管道水平布置，运输管道壳体包含下半部的耐火层和上半部的换热设备，所述换热设备的换热基板和承重板之间设置有支撑结构，承重板在重力的作用下压紧在耐火层上，所述承重板和耐火层之间采用密封用耐火材料密封。
14.如权利要求3所述的高温流体运输管道，其特征在于，换热基板、绝热层的内、外壁、热反射板、端面、承重板和受热流体盘管的材质包含不锈钢和/或铝。
15.如权利要求1所述的高温流体运输管道，其特征在于，所述的高温流体包含燃烧和/或热裂解产生的烟气。
16.如权利要求1所述的高温流体运输管道，其特征在于，沿运输管道的轴向布置有若干个换热设备，若干个换热设备的端面互相靠紧，端面之间采用密封用耐火材料密封。
17.如权利要求11、 13或16所述的高温流体运输管道，其特征在于，所述密封用耐火材料包含陶瓷纤维、玻璃纤维、耐火泥中的一种或几种的组合。
18.一种适用如权利要求1所述的高温流体运输管道的换热设备，其特征在于，所述换热设备包含与所述高温流体相接触的换热基板和与外界环境相接触的绝热层，所述绝热层与换热基板之间通过两个端面和两个承重板相连接，所述换热基板、绝热层、端面和承重板围成一个密闭的换热容腔，所述换热容腔中安装有受热流体盘管。
19.如权利要求18所述的换热设备，其特征在于，所述两个端面互相平行，所述绝热层包含内壁与外壁，所述绝热层内壁至少包含一部分热反射板。
20.如权利要求19所述的换热设备，其特征在于，所述绝热层内、外壁之间填充有绝热材料或保持真空。
21.如权利要求20所述的换热设备，其特征在于，所述绝热材料包含保温棉和/或珠光砂。
22.如权利要求18所述的换热设备，其特征在于，所述换热基板为一个拱形或多个波浪形。
23.如权利要求22所述的换热设备，其特征在于，当换热基板为多个波浪形时，在换热基板和承重板之间设置有支撑结构。
24.如权利要求19所述的换热设备，其特征在于，换热基板、绝热层的内、外壁、热反射板、端面、承重板和受热流体盘管的材质包含不锈钢和/或铝。
25.一种采用运输管道中的高温流体加热受热流体的方法，其特征在于：
a) 所述运输管道大致为水平布置，所述运输管道中轴线水平面以上的至少部分壳体由换热设备构成, 所述换热设备包含与所述高温流体相接触的换热基板和与外界环境相接触的绝热层，所述绝热层与换热基板之间通过两个端面和两个承重板相连接，所述换热基板、绝热层、端面和承重板围成一个密闭的换热容腔，所述换热容腔中安装有受热流体盘管；
b) 提供受热流体和辅助流体，受热流体在受热流体盘管中流动，辅助流体在换热容腔中流动或静止，受热流体通过辅助流体的热传导及换热基板的热辐射被高温流体加热；所述的辅助流体包含空气、N2, CO2、水蒸汽中的一种或几种的组合，所述的受热流体包含O2,天然气或其它燃料气体。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述的高温流体包含燃烧和/或热裂解产生的烟气。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，烟气的温度范围为500~1200℃，受热流体的温度范围为300~600℃。
28.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述受热流体的流速范围为5~100m/s，所述辅助流体的流速范围为0~50m/s。
29.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述受热流体的流速范围为20~60m/s，所述辅助流体的流速范围为20~30m/s。
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