CN117387094A - 一种用于余热锅炉的保温填料及制备方法 - Google Patents

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CN117387094A CN202311392664.2A CN202311392664A CN117387094A CN 117387094 A CN117387094 A CN 117387094A CN 202311392664 A CN202311392664 A CN 202311392664A CN 117387094 A CN117387094 A CN 117387094A
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Abstract

本发明公开了一种高效余热锅炉，包括设置于外壳一端的烟气入口，以及与烟气入口对立设置的烟气出口；烟气入口和烟气出口分别与外壳内的换热烟腔连通；换热烟腔包括结构相同的第一腔体和第二腔体；第一腔体与烟气入口连通，第二腔体与烟气出口连通；第一腔体和第二腔体均呈圆筒状，第一腔体包括两个对立的外环弧形板组成，且两个外环弧形板横切面的四个端点C1、C2、D1和D2构成矩形；弧形板对应的圆心角a为100°‑120°；位于第一腔体和第二腔体内分布有若干换热水管，换热水管沿着第一腔体和第二腔体内沿呈环形分布；换热水管上均匀安装有若干鳍片，两块位于同一竖直面上的鳍片构成一组H型鳍片；每个换热水管上焊接若干组H型鳍片。

Description

一种用于余热锅炉的保温填料及制备方法
本申请是申请日为2019年4月25日，申请号为2019103368323，发明名称为一种高效余热锅炉的分案申请。
技术领域
本发明属于锅炉的技术领域，具体涉及一种高效余热锅炉。
背景技术
硅铁炉在冶炼生产过程中，产生大量夹带微细尘粒的高温烟气。生产1吨75％硅铁，理论上大约产生1500～2000Nm3炉气，烟气中主要成分是N2、O2、CO2、H2O，由于空气过剩系数很大，因此基本接近空气成分。
烟气中SO2含量依据原料中带入的硫量而定，主要决定于还原剂的含硫量。1吨75％硅铁原料带入的硫量一般在5-10kg左右，其中90％燃烧成SO2后进入烟气，在半封闭电炉中烟气含硫量一般在0.1～lg/Nm3左右。
烟气中的烟尘主要由两部分组成，一部分是炉料的机械吹出物，主要是焦粉和煤粉；另一部分是硅石中的SiO2被还原形成的气态SiO，这些SiO本应继续被还原成硅，形成硅铁，但实际上总有一部分逸出料面，被空气中氧再氧化成SiO，形成无晶形的极细颗粒，被烟气带出炉外，这两部分烟尘前者约占10％～20％，后者约占80％-90％，硅铁的烟尘量取决于冶炼过程中硅的回收率，在正常情况下，硅回收率为85％-90％时，l吨硅铁约产生200～300kg粉尘，当电炉刺火时Si回收率下降，粉尘量就会急剧增加。粉尘平均粒径为0.1μm，都是无晶硅的氧化物。真比重仅为2.23g/cm3，比表面积达20m2/g，比电阻为1.3×1013Ω·cm。
烟气热含量大，1吨75％硅铁烟气中含热量相当于输入的电量，因此回收余热的潜在能量很大，而现有的锅炉预热交换效率低，不能最大程度的将热能转换，造成热量的浪费。除此，现有锅炉预热交换器均为金属材质，在烟气流入交换器时，7％-15％的烟气热量将通过交换器的金属板与外界空气进行热交换，而硅铁炉冶炼中的烟气量时巨大的，故造成的热量损失也是巨大的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种高效余热锅炉，以解决现有锅炉预热利用率低的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种高效余热锅炉，其包括设置于外壳一端的烟气入口，以及与烟气入口对立设置的烟气出口；烟气入口和烟气出口分别与外壳内的换热烟腔连通；
换热烟腔包括结构相同的第一腔体和第二腔体；第一腔体与烟气入口连通，第二腔体与烟气出口连通；第一腔体和第二腔体均呈圆筒状，第一腔体包括两个对立的外环弧形板组成，且两个外环弧形板横切面的四个端点C1、C2、D1和D2构成矩形；弧形板对应的圆心角a为100°-120°；位于第一腔体和第二腔体内分布有若干换热水管，换热水管沿着第一腔体和第二腔体内沿呈环形分布；换热水管上均匀安装有若干鳍片，两块位于同一竖直面上的鳍片构成一组H型鳍片；每个换热水管上焊接若干组H型鳍片；
换热烟腔与外壳之间的空隙均匀填充若干保温填料；外壳包括从内到外的保温层、隔热夹层和金属板；保温层均匀填充聚氨酯泡沫，隔热夹层为真空，金属板为钢板。
优选地，换热烟腔包括外环烟腔和内环烟腔；内环烟腔包括结构相同的第一内环烟腔和第二内环烟腔；第一内环烟腔和第二内环烟腔之间通过两块连接板连接；第一内环烟腔同一横截面上的断点A1、A2、B1和B2构成矩形。
优选地，外环烟腔包括第一外环烟腔和与第一外环烟腔连通的第二外环烟腔。
优选地，烟气出口顶部设置进水集箱，外壳顶部靠近烟气入口位置处设置出水集箱；进水集箱和出水集箱上均安装一个温度传感器和压力传感器；进水集箱上的进水管上安装电动阀门；外壳侧面安装控制面板，控制面板上设置显示屏；所述控制面板内嵌设AT89S51芯片；AT89S51芯片上的DI6和DI7引脚与温度传感器电连接，DI4和DI3引脚与压力传感器电连接，DI2引脚与蜂鸣器电连接；电动阀门与引脚DO1和24v电源端连接，显示屏与DO2和24v电源端连接。
优选地，温度传感器为24V PT100温度传感器；压力传感器为24V YB131型压力变送器；电动阀门为DN15 XY-02 DC24V水控阀门。
优选地，外壳底部开设有至少两个出灰口，出灰口处安装出灰口保护盖。
一种高效余热锅炉的保温填料，包括以下质量组份：
矿渣棉绒6-8份，无机硅酸盐颗粒9-12份，聚丙烯纤维4-6份，无机磷酸盐颗粒10-12份，聚酯多元醇30-36份，阻燃剂10-20份，聚碳酸酯10-12份，耐火粘土8-10份，热稳定剂14-16份，尿醛树脂15-17份，聚苯颗粒20-22份，发泡催化剂10-18份，发泡剂4-8份，固化剂7-8份，水80-100份。
一种高效余热锅炉保温填料的制备方法，包括：
S1、将聚丙烯纤维和水按照重量比导入搅拌机内，在800～1500rpm转速下搅拌10～20min，直至聚丙烯纤维搅拌至网状结构，再依次加入矿渣棉绒、聚酯多元醇、聚碳酸酯、发泡催化剂和耐火粘土，并在800～1500rpm转速下搅拌1～1.5小时，使物料混合均匀，得到混合组份A；
S2、将无机硅酸盐颗粒、无机磷酸盐颗粒、热稳定剂、尿醛树脂、聚苯颗粒、发泡剂、固化剂和阻燃剂按照重量比导入研磨机中，在研磨过程中加入水，并在1200～1500rpm研磨转速、温度90℃～120℃研磨温度下，研磨1～1.5小时，得到混合组份B；
S3、将混合组份A和B导入搅拌机中，在800～1500rpm转速、60℃～90℃温度下搅拌0.5～1.0小时，使物料混合均匀，得到混合组份C；
S4、将混合组份C放入离子去水机中，在频率为3000～4000HZ下进行去水处理20～30min，去除水分，得到保温填料。
优选地，步骤S2中混合组份在研磨过程中，每次间隔10～12min加入5～6份水。
优选地，步骤S3中具体包括：将混合组份A和B导入搅拌机中进行搅拌，当混合物搅拌至粘稠状时，加入10份高级脂肪酸继续搅拌
本发明提供的高效余热锅炉，具有以下有益效果：
本发明通过弧形状的换热烟腔、换热水管的环形分布和H型鳍片的配合，在烟气气流从烟气进口进入时，由于换热管道的排列方式为环形并非常规设置(整齐的方形)，烟气在H型鳍片组的扰流作用下，烟气将沿着多个方向流动，并充满整个换热烟腔；加之换热烟腔的环形分布，烟气冲击换热烟腔的内壁后，会进行折射，而折射的角度是多变、多向的，反射的烟气气流再次冲击换热水管，与换热水管进行热交换。即在换热烟腔、换热水管的环形分布和H型鳍片配合下，增加了换热水管与烟气的热交换角度和热交换面积，增大了热交换效率，避免了能源的浪费。
换热烟腔与外壳之间的空隙均匀填充若干保温填料，保温填料具有耐高温，隔热效果好，保温率高，具有耐火性质，化学性质稳定的特性，可有效减少余热与外部的热交换，增加换热器内部的保温效果，进而增加换热器的换热效率。
附图说明
图1为高效余热锅炉横剖图。
图2为高效余热锅炉包含内环烟腔的横剖图。
图3为高效余热锅炉内环烟腔和外环烟腔的结构图。
图4为高效余热锅炉结构图。
图5为高效余热锅炉控制面板内部电路图。
图6、图7为高效余热锅炉换热水管安装鳍片结构图。
其中，1、烟气入口；2、外壳；3、烟气出口；4、支撑柱；51、外环烟腔；52、内环烟腔；6、换热烟腔；7、出灰口保护盖；8、出水集箱；9、出水口；10、温度传感器；11、压力传感器；12、进水集箱；13、进水管；14、保温层；15、隔热夹层；16、金属板；17、换热水管；18、连接板；19、电动阀门；20、显示屏；21、控制面板；22、鳍片；23、保温填料；24、第一腔体；25、第二腔体；63、外环弧形板；64、第一内环烟腔；65、第二内环烟腔；66、第一外环烟腔；67、第二外环烟腔。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例，参考图1-图7，本方案的高效余热锅炉，包括设置于外壳2一端的烟气入口1，以及与烟气入口1对立设置的烟气出口3；烟气入口1和烟气出口3分别与外壳2内的换热烟腔6连通。
外壳2四周设置四个支撑柱4，用于支撑外壳2；外壳2底部开设两个出灰口，用于定时清理换热烟腔6内的积灰，出灰口处安装出灰口保护盖7，在不需要清理积灰时，嵌入(过盈配合)出灰口。
换热烟腔6包括结构相同的第一腔体24和第二腔体25，第一腔体24与烟气入口1连通，第二腔体25与烟气出口3连通。
第一腔体24和第二腔体25均呈圆筒状，第一腔体24包括两个对立的外环弧形板63组成，且两个外环弧形板63横切面的四个端点C1、C2、D1和D2构成矩形，弧形板对应的圆心角a为100°-120°，优选为120°。
位于第一腔体24和第二腔体25内分布有若干换热水管17，换热水管17沿着第一腔体24和第二腔体25内沿呈环形分布。相对于传统的矩形式分布，环形分布更加契合换热烟腔6的形状，除此，环形分布的换热水管17之间形成的气流通道更加复杂，且气流通道更多，能够增加气流的流动时间，增加气体冲击换热水管17的方向，相比传统一个方向式的冲击，本发明能够多个方向冲击换热水管17，增加换热水管17的换热接触面积，增加换热效率。
参考图6和图7，换热水管17上均匀分布有若干鳍片22，两块位于同一竖直线上的鳍片22焊接于换热水管17上。两块鳍片22一组焊接于换热水管17上，构成H型鳍片22，每个换热水管17上安装若干组H型鳍片22，若干鳍片22之间形成烟气通道，鳍片22和气流流动方向平行，灰粒无沉积，且鳍片22受烟气冲刷产生轻微扰动，改变烟气对换热水管17的直接冲刷角度，降低磨损，实现自清灰，降低烟气阻力，减少附着于换热水管17上的积灰，进而间接增大换热水管17的换热效率。
其中，H型鳍片22可以焊接于单个换热水管17上，也可以焊接于多个换热水管17上，具体根据实际情况而定，图7为H型鳍片22焊接于两个换热水管17上。
换热烟腔6、换热水管17的环形分布和H型鳍片22配合，在烟气气流从烟气进口进入时，由于换热管道的排列方式为环形并非常规设置(整齐的方形)，烟气在H型鳍片22组的扰流作用下，烟气将沿着多个方向流动，并充满整个换热烟腔6；加之换热烟腔6的环形分布，烟气冲击换热烟腔6的内壁后，会进行折射，而折射的角度是多变、多向的，反射的烟气气流再次冲击换热水管17，与换热水管17进行热交换。即在换热烟腔6、换热水管17的环形分布和H型鳍片22配合下，增加了换热水管17与烟气的热交换角度和热交换面积，增大了热交换效率，避免了能源的浪费。
根据本申请的一个实施例，换热烟腔6与外壳2之间的空隙均匀填充若干保温填料23；外壳2包括从内到外的保温层14、隔热夹层15和金属板16；保温层14均匀填充聚氨酯泡沫，隔热夹层15为真空，金属板16为钢板。
保温填料包括以下质量份组份：
矿渣棉绒6-8份，无机硅酸盐颗粒9-12份，聚丙烯纤维4-6份，无机磷酸盐颗粒10-12份，聚酯多元醇30-36份，阻燃剂10-20份，聚碳酸酯10-12份，耐火粘土8-10份，热稳定剂14-16份，尿醛树脂15-17份，聚苯颗粒20-22份，发泡催化剂10-18份，发泡剂4-8份，固化剂7-8份，水80-100份。
其中，矿渣棉绒能增加隔热热阻，降低传热系数，减少热量与换热烟腔6外部的热交换，增加保温效果。
耐火粘土选用具有耐高温的铝土矿，由于硅铁炉冶炼过程产生的烟气温度高于500摄氏度，故选用可做耐火材料的耐火粘土，增加保温填料的耐火温度。
无机硅酸盐颗粒为12份硅酸二钙或10份硅酸三钙颗粒，无机磷酸盐为正磷酸盐，选用无机硅酸盐和无机磷酸盐作为填料的基本材料，即使在高于600摄氏度时，其依然具有较高的硬度，且具有一定的保温功能，应用于换热烟腔6与外壳2之间的空隙，非常契合。
聚丙烯纤维密度小，质量轻，电阻率高(7×1019Ω.cm)，导热系数小，可有效保温。除此，本发明的保温填料利用聚丙烯纤具有好分散和强度高的特性，将其作为首要材料投入第一道工艺中，当将其搅拌至网状结构时，再加入其它材料，利用聚丙烯纤的好分散特性，便于与其它材料混合，增加搅拌效果。
聚酯多元醇具有较好的相溶性，可作为本保温填料的胶粘剂，增加保温填料的胶粘性能。
聚碳酸酯，主要利用其具有耐热、阻燃、和耐磨的特性，增加保温填料的耐高温和耐磨特性。
尿醛树脂，其分子结构中含有极性氧原子，对物面具有较强的附着力，利用该特性，使得保温填料具有一定的附着能力，更能附着于换热烟腔6外部表面，进而使得保温填料能够直接与物面作用，增大填料的保温效果。
聚苯颗粒，主要利用其膨胀和保温功能，利用其膨胀功能使整个保温填料具有一定膨胀和疏松特性，更易充满整个换热烟腔6与外壳2之间的空隙；利用其保温功能，减少热量损失。
阻燃剂，如硅系阻燃剂，由于混合材料内有些高分子材料燃点较低，如聚苯颗粒和聚丙烯纤维，故加入适量的阻燃剂赋予易燃聚合物难燃性的特性。
热稳定剂，热稳定剂包括钙锌稳定剂和稀土钙锌稳定剂组成的混合物，钙锌稳定剂和稀土钙锌稳定剂质量份的组份比为4:3，用于防止或延缓混合材料的热老化。
发泡剂，选择物理发泡剂，增加保温填料的疏松特性，使其更易于充满整个换热烟腔6与外壳2之间的空隙。
发泡催化剂，与发泡剂功能相同。
固化剂，用于加快保温填料的固化。
根据本申请的一个实施例，一种保温填料的制备方法，包括：
S1、将聚丙烯纤维和水按照重量比导入搅拌机内，在800～1500rpm转速下搅拌10～20min，直至聚丙烯纤维搅拌至网状结构，再依次加入矿渣棉绒、聚酯多元醇、聚碳酸酯、发泡催化剂和耐火粘土，并在800～1500rpm转速下搅拌1～1.5小时，使物料混合均匀，得到混合组份A；
S2、将无机硅酸盐颗粒、无机磷酸盐颗粒、热稳定剂、尿醛树脂、聚苯颗粒、发泡剂、固化剂和阻燃剂按照重量比导入研磨机中，在研磨过程中加入水，并在1200～1500rpm研磨转速、温度90℃～120℃研磨温度下，研磨1～1.5小时，得到混合组份B；
S3、将混合组份A和B导入搅拌机中，在800～1500rpm转速、60℃～90℃温度下搅拌0.5～1.0小时，使物料混合均匀，得到混合组份C；
S4、将混合组份C放入离子去水机中，在频率为3000～4000HZ下进行去水处理20～30min，去除水分，得到保温填料。
步骤S2中混合组份在研磨过程中，每次间隔10～12min加入5～6份水。
步骤S3中具体包括：将混合组份A和B导入搅拌机中进行搅拌，当混合物搅拌至粘稠状时，加入10份高级脂肪酸继续搅拌。
其中，高级脂肪酸选择带支链的高级脂肪酸，其具有高的热稳定性；
步骤S4还可替换为混合组份C放入烘烤室，在150℃～200℃下烘烤40min～50min，得到保温填料。
由于烟气温度属于高温，为避免或减少相当一部分烟气热量通过换热器壳体与外界空气发生热交换，将本发明的保温填料填充于换热烟腔6与外壳2之间的空隙，较少热量损失。
且保温填料具有耐高温，隔热效果好，保温率高，具有耐火性质，化学性质稳定的特性，可有效减少余热与外部的热交换，增加换热器内部的保温效果，进而增加换热器的换热效率。
根据本申请的一个实施例，换热烟腔6还可以为外环烟腔51和内环烟腔52的结构。
其中，内环烟腔52包括结构相同的第一内环烟腔64和第二内环烟腔65，第一内环烟腔64和第二内环烟腔65之间通过两块连接板18连接；第一内环烟腔64同一横截面上的断点A1、A2、B1和B2构成矩形。
外环烟腔51包括第一外环烟腔66和与第一外环烟腔66连通的第二外环烟腔67，外环烟腔51呈环形状，是由内环烟腔52和换热烟腔6之间的空间形成的。
烟气从烟气入口1进入，一部分烟气进入内环烟腔52，另一部分烟气进入外环烟腔51。
进入外环烟腔51的气体，在内环烟腔52外沿、外环烟腔51内沿冲击流动，并改变流动方向，增加换热水管17的接触面积；烟气继续流动，冲击连接板18，并发生反射，反射的烟气在H型鳍片22的扰流作用下，形成局部涡流，使烟气沿多个方向流动，促使更多的烟气到达第一外环烟腔66的内沿，减少第一外环烟腔66的死角，最大限度的利用烟气热能。即利用第二内环烟腔65和第一内环烟腔64的弧形结构，加之H型鳍片22，将规则进入的烟气气流，进行方向的改变，且改变方向为不规则的，多变的，可有效增加烟气在外环烟腔51中的流动时间，并增加换热水管17与烟气的接触面积，增大换热效率，减少能源损失。
进入内环烟腔52的气体，在环形换热管道，加之烟气在H型鳍片22组的扰流作用下，烟气将沿着多个方向流动，并充满整个第二内环烟腔65；烟气进入第一内环烟腔64时，由于进入第一内环烟腔64烟气的角度具有若干个，烟气冲击连接板18后，其反射角同样具有多个，促使烟气能够到达第一内环烟腔64的内沿部分(主要是内沿死角)，确保第一内环烟腔64内沿的各个换热水管17均能充分与烟气进行直接热交换，增大烟气的换热效率。
烟气冲击烟腔的内壁后，进行折射，而折射的角度是多变、多向的，反射的烟气气流再次冲击换热水管17，与换热水管17进行热交换。即在换热烟腔6、换热水管17的环形分布和H型鳍片22配合下，增加了换热水管17与烟气的热交换角度和热交换面积，增大了热交换效率，避免了能源的浪费。
根据本申请的一个实施例，外壳2采用三层设置，包括聚氨酯泡沫保温层14，用于减少换热烟腔6与外部的热交换；隔热夹层15为真空，没有传热介质，进一步减少热交换；金属板16为钢板用于支撑。
烟气出口3顶部设置进水集箱12，外壳2顶部靠近烟气入口1位置处设置出水集箱8；进水集箱12和出水集箱8上均安装一个温度传感器10和压力传感器11；进水集箱12上的进水管13上安装电动阀门19，用于控制水量的进入。
进水集箱12上的温度传感器10采集进水温度T1，出水集箱8的温度传感器10采集出水温度T2；进水压力为P1，出水压力为P2。
温度传感器10为24V PT100温度传感器10；压力传感器11为24V YB131型压力变送器；电动阀门19为DN15 XY-02 DC24V水控阀门。
参考图5，在外壳2侧面安装控制面板21，控制面板21上设置显示屏20；控制面板21内嵌设AT89S51芯片；AT89S51芯片上的DI6和DI7引脚与温度传感器10电连接，DI4和DI3引脚与压力传感器11电连接，DI2引脚与蜂鸣器电连接；电动阀门19与引脚DO1和24v电源端连接，显示屏20与DO2和24v电源端连接。显示屏20用于显示AT89S51芯片接收的压力和温度信息。
控制面板21的工作原理为：AT89S51芯片实时接收采集的进水温度T1和出水温度T2，同时接收对应的进水压力P1和P2，当出水温度T2和出水压力P2不在正常的预设范围值(其它条件相同时，包括进水温度和进水压力，通过在正常热交换时采集的数据进行数据的预设)内时，AT89S51芯片控制DO1断电，电动阀门19失电，阀门动作，关闭进水，同时蜂鸣器鸣叫报警，警示工作人员，并将报警信息和当前水温信息和压力信息显示在显示屏20上，便于工作人员及时发现。可能的故障为，换热水管17局部破裂或积灰过多。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于余热锅炉的保温填料，其特征在于，包括以下质量组份：
矿渣棉绒6-8份，无机硅酸盐颗粒9-12份，聚丙烯纤维4-6份，无机磷酸盐颗粒10-12份，聚酯多元醇30-36份，阻燃剂10-20份，聚碳酸酯10-12份，耐火粘土8-10份，热稳定剂14-16份，尿醛树脂15-17份，聚苯颗粒20-22份，发泡催化剂10-18份，发泡剂4-8份，固化剂7-8份，水80-100份。
2.一种用于余热锅炉的保温填料的制备方法，其特征在于，包括：
S1、将聚丙烯纤维和水按照重量比导入搅拌机内，在800～1500rpm转速下搅拌10～20min，直至聚丙烯纤维搅拌至网状结构，再依次加入矿渣棉绒、聚酯多元醇、聚碳酸酯、发泡催化剂和耐火粘土，并在800～1500rpm转速下搅拌1～1.5小时，使物料混合均匀，得到混合组份A；
S2、将无机硅酸盐颗粒、无机磷酸盐颗粒、热稳定剂、尿醛树脂、聚苯颗粒、发泡剂、固化剂和阻燃剂按照重量比导入研磨机中，在研磨过程中加入水，并在1200～1500rpm研磨转速、温度90℃～120℃研磨温度下，研磨1～1.5小时，得到混合组份B；
S3、将混合组份A和B导入搅拌机中，在800～1500rpm转速、60℃～90℃温度下搅拌0.5～1.0小时，使物料混合均匀，得到混合组份C；
S4、将混合组份C放入离子去水机中，在频率为3000～4000HZ下进行去水处理20～30min，去除水分，得到保温填料。
3.根据权利要求2所述的用于余热锅炉的保温填料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中混合组份在研磨过程中，每次间隔10～12min加入5～6份水。
4.根据权利要求2所述的用于余热锅炉的保温填料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中具体包括：将混合组份A和B导入搅拌机中进行搅拌，当混合物搅拌至粘稠状时，加入10份高级脂肪酸继续搅拌。
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