CN114577032B - 换热方法和换热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及换热技术领域，具体涉及一种换热方法和换热系统。该换热方法包括：将降温前热介质和预热前混合冷介质通入换热器，以便降温前热介质和预热前混合冷介质在换热器中进行换热后，形成降温后热介质和预热后混合冷介质，其中预热前混合冷介质包括预热前主冷介质和预热前辅冷介质，换热器的壁温处于预设安全温度区间；将预热后混合冷介质和预定反应物通入热化学反应装置进行热化学反应；其中，受热化学反应的反应条件改变的影响，预热前混合冷介质中的预热前主冷介质的含量发生变化，预热前辅冷介质的含量相应进行变化，以便换热器的壁温维持在预设安全温度区间。

Description

换热方法和换热系统

技术领域

本发明涉及换热技术领域，具体涉及一种间壁式换热方法和换热系统。

背景技术

在热化学反应之后，反应产物的热量一般需要进行回收。例如富氧煤气化反应产物热煤气在输送给用户之前需要进行冷却。冷却介质一般采用空气或者蒸汽等。当富氧煤气化反应条件改变时，可能导致煤气和空气的量不同步变化。例如，煤气的产量保持不变，氧气用量增加，空气用量减少时，空气的量减少对热煤气的冷却效果减弱，换热器管壁温度升高，甚至管壁温度超过金属材料允许使用的最高温度，对设备的安全运行造成不利影响。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明提供了一种换热方法和换热系统，以至少部分解决上述技术问题。

(二)技术方案

本发明的一方面提供了一种换热方法，包括：

将降温前热介质和预热前混合冷介质通入换热器，以便降温前热介质和预热前混合冷介质在换热器中进行换热后，形成降温后热介质和预热后混合冷介质，其中预热前混合冷介质包括预热前主冷介质和预热前辅冷介质，换热器的壁温处于预设安全温度区间；

将预热后混合冷介质和预定反应物通入热化学反应装置参加热化学反应；其中，在热化学反应装置的反应条件发生变化，引起预热前混合冷介质中的预热前主冷介质的含量需要发生改变的情况下，改变预热前辅冷介质的含量，以便换热器的壁温维持在预设安全温度区间。

根据本发明的实施例，其中：热化学反应为富氧煤气化反应，降温前热介质包括降温前煤气，其中降温前煤气为热化学反应的产物。

根据本发明的实施例，其中：预热前主冷介质包括预热前空气，预热前辅冷介质包括预热前水蒸汽，预定反应物包括氧气。

根据本发明的实施例，其中，在热化学反应装置的反应条件发生变化，引起预热前混合冷介质中的预热前主冷介质的含量需要发生改变的情况下，改变预热前辅冷介质的含量，包括：

在热化学反应装置的反应条件发生变化，引起预热前混合冷介质中的预热前主冷介质的含量需要减少的情况下，增加预热前辅冷介质的含量。

根据本发明的实施例，还包括：在将降温前热介质和预热前混合冷介质通入换热器前，将预热前主冷介质和预热前辅冷介质通入预混室进行混合后形成预热前混合冷介质。

根据本发明的实施例，其中：预混室设有主冷介质入口、辅冷介质入口和混合冷介质出口，其中主冷介质入口处和辅冷介质入口处设有流量调节阀。

根据本发明的实施例，其中，改变预热前混合冷介质中的预热前主冷介质和预热前辅冷介质的含量包括：

通过调节主冷介质入口处和辅冷介质入口处的流量调节阀，改变预热前混合冷介质中的预热前主冷介质和预热前辅冷介质的含量。

根据本发明的实施例，其中：预热前辅冷介质包括至少一种辅冷介质。

本发明的另一方面提供了一种用于实现上述换热方法的换热系统，包括预混室、换热器、热化学反应装置。

其中，预混室，设有主冷介质入口、辅冷介质入口和混合冷介质出口，主冷介质入口用于通入预热前主冷介质，辅冷介质入口用于通入预热前辅冷介质，预混室用于将预热前主冷介质和预热前辅冷介质进行混合形成预热前混合冷介质后，通过混合冷介质出口排出；

换热器，与预混室的混合冷介质出口连通，换热器用于降温前热介质和预热前混合冷介质在换热器中进行换热后，形成降温后热介质和预热后混合冷介质，其中，换热器的壁温处于预设安全温度区间；

热化学反应装置，与换热器连通，热化学反应装置用于预热后混合冷介质和预定反应物在热化学反应装置中进行热化学反应；

其中主冷介质入口处和辅冷介质入口处设有流量调节阀，流量调节阀用于，在热化学反应装置的反应条件改变，主冷介质的流量改变的情况下，通过调节主冷介质入口处和辅冷介质入口处的流量调节阀，改变预热前混合冷介质中的预热前主冷介质和预热前辅冷介质的含量，以便换热器的壁温维持在预设安全温度区间。

根据本发明的实施例，其中：辅冷介质入口设有多个，不同辅冷介质入口分别用于通入不同种类的辅冷介质。

(三)有益效果

根据本发明的实施例，通过采用上述方法，主冷介质和辅助冷介质一起参加换热，提高了换热器的换热能力，降低了设备管材温度，降低管材的耐温要求，降低设备的成本。并且，在热化学反应装置的反应条件变化，主冷介质的含量改变的情况下，通过调整辅冷介质的含量，使得换热器中存在足够多的冷却介质，以便换热器的壁温维持在预设安全温度区间，解决了现有技术中，当冷介质与热介质的量不同步变化时，换热器的金属壁温超温、危害换热器安全运行的问题，并且主冷介质和辅冷介质的量可以根据反应条件调整，保证换热器设备在全工况下的安全运行。

附图说明

图1是用于实现本发明一实施例的换热方法的换热系统示意图；

图2是用于实现本发明另一实施例的换热方法的换热系统示意图。

附图标记说明：

1、换热器；2、热化学反应装置；3、预混室；31、流量调节阀；

G1、降温前热介质；G2、降温后热介质；M1、预热前混合冷介质；M2、预热后混合冷介质；N1、主冷介质；N2-Nn、辅冷介质。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

在热化学反应之后，反应产物的热量一般需要利用换热器进行回收。间壁式换热器是常用的一种换热器，在间壁式换热器中，冷热两流体间用一金属壁隔开，以使两种流体不相混合而进行热量传递，和其他间壁式换热器相比，管式换热器单位体积设备所提供的传热面积大的多，为常用的一种换热器。在本发明的应用场景下，换热器所用的冷介质为反应物，热介质为反应产物，冷介质和热介质的量由反应条件确定。与热介质相比，冷介质的量偏少(例如参加化学反应的反应物不仅仅包含冷介质，还有其他不参与换热反应的介质)，对换热器的冷却效果有限，换热器的金属壁温偏高。为保证换热器的安全使用，换热器材料的耐温等级、制造工艺要求较高。换热器在运行过程中，冷热介质的量会随着反应条件的变化而变化，绝大部分情况下，冷热介质的量发生同方向的变化，比如一起增大或者一起减小。少部分情况下，冷热介质的量不能同步发生变化，比如作为反应产物的热介质的量不变，预定反应物的量增大，冷介质的量减小，冷介质对换热器的冷却效果变差，换热器的金属壁温超温，换热器的运行情况出现恶化。

以循环流化床富氧煤气化装置的余热回收系统配置的空气换热器为例，空气换热器以空气为冷介质，回收热介质-高温煤气的热量。空气换热器中的空气是气化反应的反应物之一，预定反应物包括氧气等。空气的量、氧气的量由气化反应条件决定。煤气是气化反应的产物，煤气的量由气化装置的反应条件决定，两者并不一定同步变化。

进一步地，相比于空气气化反应，在富氧气化反应中，富氧气化所需的空气的量与煤气产量的比例比空气气化的小(富氧气化技术所用的气化剂，除空气和水蒸气外，还有相当一部分氧气)。一般来说，空气气化的空气用量/煤气产量为～0.5(体积比)，富氧气化的空气用量/煤气产量为～0.2(体积比)。在煤气的温度，体积基本相同的条件下，富氧气化配置的空气换热器的吸热量少，煤气出口温度高，空气出口温度高，换热器金属壁温高。

富氧气化的气体反应物包含空气、氧气、水蒸气等多种气体。实际使用中，通常会通过调整气体反应物的配比来应对煤种的变化和煤气组分要求的变化。例如，燃用煤种的活性变差，为保持煤气组分不变(下游工况的要求)，气体反应物中氧气量需增加。为保持煤气产量不变，需相应降低气体反应物中空气的量，在此种反应条件变化的情况下，煤气的量不变，空气的量减少，空气对空气换热器的冷却能力减弱，设备出口空气温度超温，出口煤气温度超温，换热器金属壁温超温。极端情况下，换热器管材会受到不可逆的破坏。

从以上分析可以看出，循环流化床富氧气化装置的余热回收系统配置的空气换热器，所用管材的耐温等级要比空气气化装置的高，设备的成本相应的有所增加。而且，富氧气化装置配置的空气换热器，换热量小，所需换热面积小，设备高度空间小，在结构设计上比空气气化配置的空气换热器困难(设备高度小，壳程相邻挡板之间间隔短，流体折流频繁，影响流体流动和换热)。当富氧气化装置反应条件变化，煤气和空气的量不同步变化，(具体的，煤气的量保持不变，氧气的量增加，空气的量减少)空气换热器管壁温度升高，极端时候，管壁温度超过金属材料允许使用的最高温度，对设备的安全运行造成极大的不利影响。

有鉴于此，本发明提供了一种换热方法，图1是用于实现本发明一实施例的换热方法的换热系统示意图。

以下结合图1，对本发明实施例的换热方法进行说明。

如图1所示，该方法包括：

首先，将降温前热介质G1和预热前混合冷介质M1通入换热器，以便降温前热介质G1和预热前混合冷介质M1在换热器1中进行换热后，形成降温后热介质G2和预热后混合冷介质M2，其中预热前混合冷介质M1包括预热前主冷介质和预热前辅冷介质，换热器1的壁温处于预设安全温度区间(根据换热器金属材料的耐温特性确定，依据材料的种类不同而不同)。

然后，将预热后混合冷介质M2和预定反应物通入热化学反应装置2进行热化学反应；其中，热化学反应条件变化，引起预热前混合冷介质M1中的预热前主冷介质含量变化的情况下，改变预热前辅冷介质的含量，以便换热器1的壁温维持在预设安全温度区间。

根据本发明的实施例，热化学反应装置2中热化学反应可以是利用气化剂和燃料进行的气化反应，例如富氧煤气化反应，也可以是其他类型的热化学反应。预热后混合冷介质M2由于经过预热，可强化热化学反应装置2中热化学反应，预定反应物不参加换热，仅参加热化学反应(预定反应物例如可以是氧气)。混合冷介质可包括主冷介质(例如空气)和辅冷介质(例如水蒸气、二氧化碳等)。

根据本发明的实施例，当热化学反应条件发生变化的情况下，例如在富氧气化反应中，增加氧气含量，减少空气含量的情况下，改变预热前混合冷介质M1中的预热前主冷介质的含量，例如在富氧气化反应中，降低空气的量。在此种情况下，由于主冷介质的量减少，若不加以调整冷却措施，主冷介质对换热器的冷却能力减弱，设备出口介质温度超温，会导致换热器金属壁温超温，因此，在本公开实施例中，在热化学反应装置的反应条件改变，导致主冷介质的含量改变的情况下，通过调整辅冷介质的含量(例如增加辅冷介质的含量)，使得换热器中存在足够多的冷却介质，以便换热器的壁温维持在预设安全温度区间。

根据本发明的实施例，通过采用上述方法，主冷介质和辅助冷介质一起参加换热，提高了换热器的换热能力，降低了设备管材温度，降低管材的耐温要求，降低设备的成本。并且，在热化学反应装置的反应条件改变导致主冷介质的含量改变的情况下，通过调整辅冷介质的含量，使得换热器中存在足够多的冷却介质，以便换热器的壁温维持在预设安全温度区间，解决了现有技术中，当冷介质与热介质的量不同步变化时，换热器的金属壁温超温、危害换热器安全运行的问题，并且主冷介质和辅冷介质的量可以根据工况调整，保证换热器设备在全工况下的安全运行。

根据本发明的实施例，进一步地，热化学反应装置2中热化学反应为富氧煤气化反应，降温前热介质G1包括降温前煤气，其中降温前煤气可以为热化学反应的产物。预热前主冷介质包括预热前空气，预热前辅冷介质包括预热前水蒸汽，该情形下，换热器1为空气换热器，煤气作为热介质，空气作为主冷介质，水蒸汽作为辅冷介质。富氧煤气化反应的气体反应物包括空气、水蒸汽和氧气，因为高温氧气对换热器管壁具有强氧化性，氧气不参与换热，不用作辅助冷介质。

根据本发明的实施例，上述方法还包括：在热化学反应装置的反应条件发生变化，引起预热前混合冷介质中的预热前主冷介质的含量需要减少的情况下，增加预热前辅冷介质的含量。具体地，例如在富氧煤气化反应条件变化，气化剂氧气浓度增加的情况下，减少预热前混合冷介质中的预热前空气的含量，并增加预热前混合冷介质中的预热前水蒸汽的含量。

根据本发明的实施例，在上述富氧煤气化反应的应用场景下，当反应条件发生变化，氧气的含量改变的情况下，例如氧气的含量增加，为了气化产物产量不变，需减少预热前混合冷介质中的空气的含量，在该反应条件变化的情况下，煤气的量不变，空气的量减少，若不加以调整冷却措施，空气对空气换热器的冷却能力减弱，换热设备出口空气温度超温，出口煤气温度超温，换热器金属壁温超温。因此，在本公开实施例中，在由于氧气的含量增加导致空气的含量减少的情况下，通过增加水蒸汽的含量，使得换热器中存在足够多的冷却介质，以便换热器的壁温维持在预设安全温度区间。

根据本发明的实施例，上述情形下，蒸汽与空气一起进入空气换热器，与煤气进行换热。蒸汽与煤气换热，提高了空气换热器的换热能力，降低了空气换热器出口煤气的温度，降低了换热器金属壁温，使空气换热器在不提高材料耐温等级的条件下安全运行，解决了现有技术中，当冷介质与热介质的量不同步变化时，换热器的金属壁温超温、危害换热器安全运行的问题，并且主冷介质和辅冷介质的量可以根据工况调整，保证换热器设备在全工况下的安全运行。

根据本发明的实施例，上述情形下，与单独空气换热相比，由于增加了辅冷介质蒸汽，换热介质体积增大，空气换热器的换热面积也需相应增加，在换热器截面积不变的条件下(由于煤气体积不变决定的)，空气换热器的长度也随之增加，增加了换热器壳程管板的布置空间，为壳程(空气和蒸汽所在的一侧)设置折流板留出了必需的空间，降低了空气换热器在结构设计上的难度(换热器太短，壳程折流板布置困难)。

图2是用于实现本发明另一实施例的换热方法的换热系统示意图。

如图2所示，实现该实施例的换热方法与图1所示实施例的方法大体相同，不同之处在于，该方法还包括：在将降温前热介质G1和预热前混合冷介质M1通入换热器1前，将预热前主冷介质和预热前辅冷介质通入预混室3进行混合后形成预热前混合冷介质M1。

其中，预混室3设有主冷介质入口、辅冷介质入口和混合冷介质出口，其中主冷介质入口处和辅冷介质入口处设有流量调节阀31。

根据本发明的实施例，改变预热前混合冷介质M1中的预热前主冷介质和预热前辅冷介质的含量包括：通过调节主冷介质入口处和辅冷介质入口处的流量调节阀31，改变预热前混合冷介质M1中的预热前主冷介质和预热前辅冷介质的含量。

根据本发明的实施例，仍以热化学反应装置2中热化学反应为富氧煤气化反应为例，气体反应物包括空气、水蒸汽和氧气，换热器1为空气换热器，反应产物煤气作为热介质，空气作为主冷介质N1，水蒸汽作为辅冷介质N2。空气和水蒸汽通入预混室3进行混合后形成预热前混合冷介质M1，之后再进入换热器1与高温煤气进行换热，当富氧气化反应条件发生变化时，富氧浓度提高，氧气的量增加，空气的量减少，煤气的体积基本不变，此时空气换热器内的冷介质(空气和蒸汽)对煤气的冷却能力不足，空气换热器出口煤气的温度与设计值偏差较大(超温)。这时，通过调节辅冷介质入口处的流量调节阀31以增大水蒸汽的量，直到空气换热器出口煤气温度和空气换热器金属壁温恢复到正常值。

根据本发明的实施例，预热前辅冷介质可以是包括至少一种辅冷介质。如图2所示，辅冷介质可以包括N2、N3……Nn，例如辅冷介质可以包括水蒸汽、二氧化碳、氮气……，具体采用哪些种类的辅冷介质，可依据热化学反应的种类的目标产品确定。

根据本发明的实施例，上述实施例的应用场景例如是，辅冷介质包括N2、N3，辅冷介质N2、N3和主冷介质N1在预混室3中经过混合后，共同与降温前热介质G1进行换热。当运行工况发生变化，主要冷介质N1的量减少，辅冷介质N2的量调节增加至上限仍无法满足换热要求的情况下，辅冷介质N3投入运行，参与和热介质的换热，弥补主冷介质N1换热量的减少。

本发明的另一方面提供了一种用于实现上述换热方法的换热系统，以下结合图2，对该实施例的换热系统进行说明。

如图2所示，该系统包括预混室3、换热器1、热化学反应装置2。

其中，预混室1，设有主冷介质入口、辅冷介质入口和混合冷介质出口，主冷介质入口用于通入预热前主冷介质，辅冷介质入口用于通入预热前辅冷介质，预混室3用于将预热前主冷介质和预热前辅冷介质进行混合生成预热前混合冷介质M1后，通过混合冷介质出口排出。

换热器1，与预混室3的混合冷介质出口连通，换热器1用于降温前热介质G1和预热前混合冷介质M1在换热器中进行换热后，形成降温后热介质G2和预热后混合冷介质M2，其中，换热器1的壁温处于预设安全温度区间。

热化学反应装置2，与换热器1连通，热化学反应装置2用于预热后混合冷介质M2和预定反应物在热化学反应装置2中进行热化学反应。

其中主冷介质入口处和辅冷介质入口处设有流量调节阀31，流量调节阀31用于，在热化学反应装置2的反应条件改变情况下，通过调节主冷介质入口处和辅冷介质入口处的流量调节阀31，改变预热前混合冷介质M1中的预热前主冷介质和预热前辅冷介质的含量，以便换热器1的壁温维持在预设安全温度区间。

根据本发明的实施例，进一步地，辅冷介质入口可设有多个，每个辅冷介质入口处均设有流量调节阀31。主冷介质入口用于通入主冷介质N1，不同辅冷介质入口分别用于通入不同种类的辅冷介质。例如，多个辅冷介质入口分别用于通入辅冷介质N2、N3……Nn，辅冷介质N2、N3……Nn和主冷介质N1在预混室3中经过混合后，共同与降温前热介质G1进行换热。当运行工况发生变化，需要通过调节主要冷介质N1入口处的调节阀31减少主冷介质N1的量，为了换热器1的壁温维持在预设安全温度区间，调节辅冷介质N2入口处的调节阀31增加辅冷介质N2的量，当辅冷介质N2的量调节增加至上限仍无法满足换热要求的情况下，调节辅冷介质N3入口处的调节阀31增加辅冷介质N3的量……，通过增加辅冷介质N2、N3……Nn的量，弥补主冷介质N1换热量的减少。

根据本发明的实施例，通过上述系统，主冷介质和辅助冷介质一起参加换热，提高了换热器的换热能力，降低了设备管材温度，降低管材的耐温要求，降低设备的成本。并且，在热化学反应装置的反应条件改变导致主冷介质的含量改变的情况下，通过预混室介质入口处的流量调节阀调整辅冷介质的含量，使得换热器中存在足够多的冷却介质，以便换热器的壁温维持在预设安全温度区间，保证换热器设备在全工况下的安全运行。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种换热方法，包括：

将降温前热介质和预热前混合冷介质通入换热器，以便所述降温前热介质和所述预热前混合冷介质在所述换热器中进行换热后，形成降温后热介质和预热后混合冷介质，其中所述预热前混合冷介质包括预热前主冷介质和预热前辅冷介质，所述预热前主冷介质包括预热前空气，所述预热前辅冷介质包括预热前水蒸汽，所述换热器的壁温处于预设安全温度区间；

将所述预热后混合冷介质和预定反应物通入热化学反应装置进行热化学反应；其中，所述预定反应物包括氧气，所述热化学反应为富氧煤气化反应，所述降温前热介质包括降温前煤气，所述降温前煤气为所述热化学反应的产物；在热化学反应装置的反应条件发生变化但所述热化学反应的产物产量不变，引起所述预热前混合冷介质中的所述预热前主冷介质的含量需要发生改变的情况下，改变所述预热前辅冷介质的含量，以便所述换热器的壁温维持在所述预设安全温度区间。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在热化学反应装置的反应条件发生变化，引起所述预热前混合冷介质中的所述预热前主冷介质的含量需要发生改变的情况下，改变所述预热前辅冷介质的含量，包括：

所述在热化学反应装置的反应条件发生变化，引起所述预热前混合冷介质中的所述预热前主冷介质的含量需要减少的情况下，增加所述预热前辅冷介质的含量。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所述将降温前热介质和预热前混合冷介质通入换热器前，将所述预热前主冷介质和所述预热前辅冷介质通入预混室进行混合后形成所述预热前混合冷介质。

4.根据权利要求3所述的方法，其中：

所述预混室设有主冷介质入口、辅冷介质入口和混合冷介质出口，其中所述主冷介质入口处和所述辅冷介质入口处设有流量调节阀。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述改变所述预热前混合冷介质中的所述预热前主冷介质和所述预热前辅冷介质的含量包括：

通过调节所述主冷介质入口处和所述辅冷介质入口处的所述流量调节阀，改变所述预热前混合冷介质中的所述预热前主冷介质和所述预热前辅冷介质的含量。

6.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述预热前辅冷介质包括至少一种辅冷介质。

7.一种用于实现权利要求1-6任一项所述的换热方法的换热系统，包括：

预混室，设有主冷介质入口、辅冷介质入口和混合冷介质出口，所述主冷介质入口用于通入预热前主冷介质，所述辅冷介质入口用于通入预热前辅冷介质，所述预混室用于将所述预热前主冷介质和所述预热前辅冷介质进行混合形成预热前混合冷介质后，通过所述混合冷介质出口排出；

换热器，与所述预混室的所述混合冷介质出口连通，所述换热器用于降温前热介质和所述预热前混合冷介质在所述换热器中进行换热后，形成降温后热介质和预热后混合冷介质，其中，所述换热器的壁温处于预设安全温度区间；

热化学反应装置，与所述换热器连通，所述热化学反应装置用于所述预热后混合冷介质和预定反应物在所述热化学反应装置中进行热化学反应；

其中所述主冷介质入口处和所述辅冷介质入口处设有流量调节阀，所述流量调节阀用于，在所述热化学反应装置反应条件变化时，所述主冷介质的含量改变的情况下，通过调节所述主冷介质入口处和所述辅冷介质入口处的所述流量调节阀，改变所述预热前混合冷介质中的所述预热前主冷介质和所述预热前辅冷介质的含量，以便所述换热器的壁温维持在所述预设安全温度区间。

8.根据权利要求7所述的换热系统，其中：

所述辅冷介质入口设有多个，不同所述辅冷介质入口分别用于通入不同种类的辅冷介质。