CN202361355U - 用于锅炉烟气余热回收的复合相变换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于锅炉烟气余热回收的复合相变换热器，它包括锅炉原有的省煤器、空气预热器，设置在烟道内的流体加热器、复合相变换热器，以及烟道外的调温器、换热器、调频水泵和配套的管道、仪表阀门；复合相变换热器形成由内换热管管程、内换热管与套管之间的套管程、套管外的壳程三程一体式结构。本实用新型之复合相变换热器结构紧凑，可方便布置于竖直、水平或倾斜烟道，同时调节手段灵活，能有效避免低温腐蚀，使锅炉经济、安全、高热效率运行。与杨本洛先生开发的复合相变换热器技术相比，本实用新型中的复合相变换热器相当于第二代的复合相变换热器技术。

Description

用于锅炉烟气余热回收的复合相变换热器

技术领域

本实用新型涉及一种用于锅炉烟气余热回收的复合相变换热器，属锅炉烟气余热回收领域。 

背景技术

锅炉尾部烟道中通常设有省煤器和/或空气预热器，吸收部分烟气余热，但排烟温度通常在140℃～160℃或更高。由于烟气中硫化物的存在，空气预热器尾部受热面的烟气出口温度受到限制，排烟温度过低会导致受热面的壁面温度低于烟气酸露点而发生严重的结露腐蚀、堵灰甚至穿孔，这是继续利用烟气余热、降低排烟温度必须要克服的难题。 

专利91213113.6、92102776.1、99226380.8、99240424.X、01238824.6、200710046604.X、201010527948.4、201010528313.6、201110077458.3等提供了多种复合相变换热器技术，该系列技术的核心是相变换热器的蒸发器，采用翅片圆管换热器作为蒸发器的换热管。相变换热器可以在维持较低壁面温度的前提下回收利用余热、大幅度降低排烟温度，并将排烟温度控制在仅比最低壁面温度高15℃左右。但在实际应用中也必须处理好热平衡的限制，才有可能达到既避免结露又降低排烟温度的效果。 

该系列技术也有一定的缺点，即应用于竖直烟道极为困难，只宜在水平烟道布置，对于竖直烟道、倾斜烟道与引风机或烟囱之间距离太短、无布置空间的装置，则该技术实施极为困难。因为翅片圆管中饱和水吸热汽化时，竖直布置时饱和水蒸汽容易排出。烟气如竖直方向流动，因管道的翅片阻碍，将产生很大的阻力，不利于锅炉的运行，引风机的电耗增大。而且相变换热器的蒸发器和冷凝器采用分体式结构，两者之间必须保持一定的高度差才能保证冷凝器出来的冷凝液顺利回流到蒸发器的进口端。 

因此，如何克服上述技术的缺点，解决竖直烟道或倾斜烟道布置蒸发器的难题，以及蒸发器、冷凝器分体式布置的难题，实现蒸发、冷凝设备一体化紧凑布置，成为合理利用锅炉烟气余热、避免烟气低温腐蚀、降低排烟温度、达到节能降耗目的的研究热点。 

发明内容

本实用新型的目的就是解决上述现有技术存在的问题，解决竖直烟道或倾斜烟道管式相变换热器布置困难的问题，实现烟气余热的高效回收。本实用新型采用调温器根据烟气酸露点调节相变工质温度，进而控制相变换热器壁面温度，利用复合相变换热器有效避免烟气的低温腐蚀，实现烟气余热的高效回收。 

本实用新型的目的是通过以下措施实现的：

用于锅炉烟气余热回收的复合相变换热器，它包括锅炉原有的省煤器2、空气预热器3，其特征在于：它还包括设置在锅炉烟道1内的至少一个流体加热器10、至少一个复合相变换热器4，以及设置在烟道外的调温器7、换热器9、调频水泵8和配套的管道、仪表阀门；

所述的复合相变换热器4包括：至少一个内换热管4-1、至少一个套装于内换热管4-1外的套管4-2、第一管板4-3、第二管板4-4以及管板之间的箱体4-5；

该复合相变换热器形成由内换热管管程、内换热管与套管之间的套管程、套管外的壳程三程一体式结构。

根据需要，复合相变换热器4还设置管板之间的箱体4-6，以便壳程采用液体介质。 

其中复合相变换热器4的相变工质回路：由调频水泵8、复合相变换热器4的套管程、换热器9和调温器7，经管路连接形成回路。 

设置多个复合相变换热器4时，应配套各自独立运行的调温器，对各个独立相变换热单元控制不同的壁面温度，亦即控制内换热管与套管之间的套管程中的相变工质对应不同的饱和温度。 

所述的复合相变换热器4主要包括内换热管4-1、套管4-2、第一管板4-3、第二管板4-4以及管板之间的箱体4-5。 

所述的复合相变换热器4的套管与内换热管之间的工作介质为水或其他合适的工质（例如乙醇等），本实用新型中以水为例加以说明。饱和水经调频水泵8打入复合相变换热器4的套管与内换热管之间的腔体，与内换热管4-1的高温烟气进行换热产生蒸汽，此高温侧相当于蒸发器，汽水混和物与套管外的待加热工质进行热交换，起冷却作用，低温侧相当于冷凝器，借助内换热管与套管间的相变工质，在一台设备中实现了蒸发器和冷凝器的复合，从而实现了真正意义上的一体化的复合相变换热器。由于是沸腾换热，因此换热系数高，结构紧凑。与高温烟气进行热交换产生的蒸汽或汽水混和物，出来后进入换热器9冷却后，饱和冷凝水进入调温器7，再经过调频水泵8打入复合相变换热器4，从而形成相变工质循环回路。 

所述调温器7包括膨胀水箱7-4、加热器7-3以及调压部分；调压部分包括调压器7-2及氮气瓶7-1。当烟气酸露点变化时，例如增大，调节调压部分，使膨胀水箱7-4中的气压适当增大，启动加热器7-3，由于压力增大，原先的饱和水经加热后从不饱和状态变成饱和状态，调节温度值以饱和水温高于酸露点5℃～10℃为宜。 

所述的加热器7-3可以设置在膨胀水箱内，也可设置在换热器9与膨胀水箱或膨胀水箱与调频水泵之间的管道上。 

所述的复合相变换热器4如设计确定与烟气接触的金属壁面温度低于烟气酸露点运行时，其与烟气接触的金属壁面应采用可靠的防腐措施或防腐材料。 

所述的内换热管、套管作为优选可以采用成熟的强化传热的措施，比如采用带翅片的圆管、螺旋槽管等强化传热结构。 

所述的内换热管与套管间通过的是相变工质，高温烟气走内换热管管程或走套管外的壳程，实现一个设备、三种换热介质、高效传热的有机结合。 

所述的内换热管内工作介质是高温烟气时，套管外的壳程的工作介质为待加热的冷流体；所述的内换热管内工作介质是待加热的冷流体时，套管外的壳程的工作介质为高温烟气。 

所述的冷流体可以为空气、电厂凝汽器产生的冷凝水、导热油或其他合适的工艺介质。 

所述的复合相变换热器4出来的蒸汽经换热器9加热冷流体，产生的冷凝水回到调温器7，经换热器9加热的冷流体进入流体加热器10继续吸收烟气余热后，成为热流体12供后续工段使用。 

所述的流体加热器10可以根据情况设置一个或多个。 

本实用新型的核心设备之一是复合相变换热器4，由至少一个内换热管4-1、相配套的至少一个套管4-2、第一管板4-3、第二管板4-4，以及第一管板及第二管板之间的箱体4-5组成。所述的箱体4-5，4-6可以为圆筒型、矩形或其他曲面型的结构。 

所述的内换热管4-1与套管4-2之间可以设置相应的支撑结构，作为优选，支撑结构与两者的连接可以采用热的良导体材料。 

所述的内换热管4-1采用圆管或中空扁管或其他曲面腔体结构，相应地，套管4-2也采用与之匹配的结构。比如内换热管、套管采用薄壁中空扁管结构时，相当于平行流复合相变换热器。具体结构可参照ZL201020573126.5加以设计。 

所述的复合相变换热器4可以根据烟道结构及现场情况采用竖直、水平或倾斜结构布置。因此对锅炉系统实施节能改造的可操作性大大增强，可供选择的因地制宜的可行方案多。 

所述的内换热管4-1及套管4-2材料可选择金属或非金属材料或复合材料，材料应为热的良导体。可按常规选择碳钢或不锈钢材料。 

设有烟气排出温度自控装置6，自控装置6根据烟气侧的金属壁温（如通过壁温测试仪5测定）（或烟道出口处烟温）的高低，通过控制换热器9的旁路调节阀的开度等手段，特别地，可以通过调温器7方便调节饱和水的温度，在酸露点温度变化的时候能迅速调节排烟温度，可使排烟温度降低至仅高于或复合相变换热器4烟气侧壁面的烟气酸露点温度以上15℃左右。当设计壁面温度低于烟气酸露点时，则与烟气接触的金属应采用合适的防腐措施或防腐材料。 

所述复合相变换热器4参照管壳式换热器标准进行设计、制造。 

本实用新型的复合相变换热器4及流体加热器10应考虑采用成熟的防止烟气中灰尘磨损的措施。 

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型设计的利用复合相变换热器4实现烟气余热的高效回收，设备紧凑，布置方便，对锅炉系统实施节能改造的可操作性大大增强，可供选择的因地制宜的可行方案多。

2、该复合相变换热器采用空气作为热回收介质时，可以取消原有的暖风机，消除原有空预器的低温腐蚀危险。同时调节手段灵活，达到最大限度利用烟气废热的目的，使锅炉能经济、高热效率运行，达到节能、降耗、减排的目的。 

3、本实用新型的复合相变换热器形成由内换热管管程、内换热管与套管之间的套管程、套管外的壳程三程一体式结构，即蒸发器和冷凝器采用一体式结构，设计巧妙，传热效率高。 

4、本实用新型的复合相变换热器同时适用于各种烟道的余热回收，尤其适用竖直或水平烟道。 

5、本实用新型的复合相变换热器的内换热管内走烟气，与竖直烟道平行布置时，能有效减少受热面上的积灰，增强传热，减少热损失，降低设备布置难度。 

6、与杨本洛先生开发的复合相变换热器相比，本实用新型中的复合相变换热器相当于第二代的复合相变换热器技术。 

附图说明

图1至图5是本实用新型用于锅炉烟气余热回收的复合相变换热装置布置结构原理示意图。 

图中，1—锅炉烟道，2—省煤器，3-空气预热器，4—相变换热器，4-1内换热管，4-2套管，4-3第一管板，4-4第二管板，4-5管板之间的箱体，4-6第一管板之间的箱体，5—测温仪表，6—自控装置，7—调温器，7-1氮气瓶，7-2调压器，7-3加热器，7-4膨胀水箱，8—调频水泵，9—换热器，10—流体加热器， 11—冷流体，12—热流体，13—冷空气，14—热空气。 

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型创造作进一步详细描述。 

实施例1：

用于锅炉烟气余热回收的复合相变换热器（见附图1及附图标识说明），利用空气13及冷流体11如低温水（或导热油）等作为回收利用余热的工质，包含锅炉烟道1及烟道内、外设备及其连接管道、控制仪表阀门。烟道1内设有流体加热器10、复合相变换热器4，锅炉原有的省煤器2、空气预热器3以及原有锅炉的除尘、脱硫设备等。烟道外设置有调温器7、换热器9、调频水泵8及其配套的管道、仪表阀门等。

所述的复合相变换热器4主要包括内换热管4-1、套管4-2、第一管板4-3、第二管板4-4以及管板之间的箱体4-5。其中空气走套管外的壳程，高温烟气走内换热管，相变工质即水走内换热管与套管之间的腔体。饱和水经调频水泵8打入复合相变换热器4的套管与内换热管之间的腔体，与内换热管4-1的高温烟气进行换热产生蒸汽，此高温侧相当于蒸发器，汽水混和物与套管外的冷空气进行热交换，起冷却作用，低温侧相当于冷凝器，借助内换热管与套管间的相变工质，在一台设备中实现了蒸发器和冷凝器的复合，从而实现了真正意义上的一体化的复合相变换热器。由于是沸腾换热，因此换热系数高，结构紧凑。与高温烟气进行热交换产生的蒸汽或汽水混和物，出来后进入换热器9冷却后，饱和冷凝水进入调温器7，再经过调频水泵8打入复合相变换热器4，从而形成相变工质循环回路。经复合相变换热器4壳程加热后的空气再送入锅炉原有的空预器3继续加热后作为助燃气体14送入锅炉参与燃料的燃烧。 

所述调温器7包括膨胀水箱7-4、加热器7-3以及调压部分；调压部分包括调压器7-2及氮气瓶7-1。当烟气酸露点变化时，例如增大，调节调压器7-2，使膨胀水箱7-4中的气压适当增大，启动加热器7-3，由于压力增大，原先的饱和水经加热后从不饱和状态变成饱和状态，从而提高了饱和水的温度，最终达到调节排烟温度、避免低温腐蚀的目的。 

复合相变换热器4出来的蒸汽或汽水混合物经换热器9加热冷流体11，产生的冷凝水回到调温器7，经换热器9加热的冷流体进入流体加热器10继续吸收烟气余热后，成为热流体12供后续工段使用。 

设有烟气排出温度自控装置6，自控装置6根据烟气侧的金属壁温（如通过壁温测试仪5测定）（或烟道出口处烟温）的高低，通过控制换热器9的旁路调节阀的开度等手段，特别地，可以通过调温器7方便调节饱和水的温度，在酸露点温度变化的时候能迅速调节排烟温度，可使排烟温度降低至仅高于或复合相变换热器4烟气侧壁面的烟气酸露点温度以上15℃左右。当设计壁面温度低于烟气酸露点时，则与烟气接触的金属应采用合适的防腐措施或防腐材料。 

实施例2：

用于锅炉烟气余热回收的复合相变换热器（见附图2及附图标识说明），利用冷流体11如低温水（或导热油）等作为回收利用余热的工质，包含锅炉烟道1及烟道内、外设备及其连接管道、控制仪表阀门。烟道1内设有流体加热器10、复合相变换热器4，锅炉原有的省煤器2、空气预热器3以及原有锅炉的除尘、脱硫设备等。烟道外设置有调温器7、换热器9、调频水泵8及其配套的管道、仪表阀门等。

所述的复合相变换热器4主要包括内换热管4-1、套管4-2、第一管板4-3、第二管板4-4以及管板之间的箱体4-5及4-6。其中冷流体11走套管外的壳程，高温烟气走内换热管，相变工质即水走内换热管与套管之间的腔体。 

饱和水经调频水泵8打入复合相变换热器4的套管与内换热管之间的腔体，与内换热管4-1的高温烟气进行换热产生蒸汽，此高温侧相当于蒸发器，汽水混和物与套管外的冷流体11进行热交换，起冷却作用，低温侧相当于冷凝器，借助内换热管与套管间的相变工质，在一台设备中实现了蒸发器和冷凝器的复合，从而实现了真正意义上的复合相变换热器的一体化。由于是沸腾换热，因此换热系数高，结构紧凑。与高温烟气进行热交换产生的蒸汽或汽水混和物，出来后进入换热器9冷却后，饱和冷凝水进入调温器7，再经过调频水泵8打入复合相变换热器4，从而形成相变工质循环回路。经复合相变换热器4壳程加热后的冷流体11经换热器9加热后，进入流体加热器10继续吸收烟气余热后，成为热流体12供后续工段使用。 

所述调温器7包括膨胀水箱7-4、加热器7-3以及调压部分；调压部分包括调压器7-2及氮气瓶7-1。当烟气酸露点变化时，例如增大，调节调压器7-2，使膨胀水箱7-4中的气压适当增大，启动加热器7-3，由于压力增大，原先的饱和水经加热后从不饱和状态变成饱和状态，从而提高了饱和水的温度，最终达到调节排烟温度、避免低温腐蚀的目的。 

设有烟气排出温度自控装置6，自控装置6根据烟气侧的金属壁温（如通过壁温测试仪5测定）（或烟道出口处烟温）的高低，通过控制换热器9的旁路调节阀的开度等手段，特别地，可以通过调温器7方便调节饱和水的温度，在酸露点温度变化的时候能迅速调节排烟温度，可使排烟温度降低至仅高于或复合相变换热器4烟气侧壁面的烟气酸露点温度以上15℃左右。 

当设计壁面温度低于烟气酸露点时，则与烟气接触的金属应采用合适的防腐措施或防腐材料。 

实施例3：

本实用新型复合相变换热器4还可以在水平烟道中布置，如图3所示。套管外的壳程走烟气，内换热管管程走待加热的冷流体，具体实施方式同上。

实施例4：

本实用新型复合相变换热器4在水平烟道中布置的另一种结构，如图4所示，内换热管走烟气，套管外的壳程的工作介质是待加热的冷流体，具体实施方式同上。

实施例5：

本实用新型复合相变换热器4在倾斜烟道中布置的一种结构，具体实施方式同上。

实施例6：

设置多个复合相变换热器4时，应配套各自独立运行的调温器，对各个独立相变换热单元控制不同的壁面温度，亦即控制内换热管与套管之间的套管程中的相变工质对应不同的饱和温度。采用多个流体加热器10时，可采用串联、并联或混联方式进行连接。其余实施方式同上。

本实用新型未涉及部分如绝热夹板、夹板用螺栓、换热管的结构、安装方式均与现有的相变换热器相同或可采用现有技术加以实现。 

虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本实用新型，任何熟悉此技艺者，在不脱离本实用新型之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，同样属于本实用新型之保护范围。例如，本实用新型的复合相变换热器的结构及其回收余热方式同样可以应用于工业炉窑及加热炉等。因此本实用新型的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的为准。 

Claims (8)

1.用于锅炉烟气余热回收的复合相变换热器，它包括锅炉原有的省煤器（2）、空气预热器（3），其特征在于：它还包括设置在锅炉烟道（1）内的至少一个流体加热器（10）、至少一个复合相变换热器（4），以及设置在烟道外的调温器（7）、换热器（9）、调频水泵（8）和配套的管道、仪表阀门；

所述的复合相变换热器（4）包括：至少一个内换热管（4-1）、至少一个套装于内换热管（4-1）外的套管（4-2）、第一管板（4-3）、第二管板（4-4）以及管板之间的箱体（4-5）；

该复合相变换热器形成由内换热管管程、内换热管与套管之间的套管程、套管外的壳程三程一体式结构。

2.根据权利要求1所述的用于锅炉烟气余热回收的复合相变换热器，其特征在于：

所述的复合相变换热器（4）还设置管板之间的箱体（4-6）。

3.根据权利要求1所述的用于锅炉烟气余热回收的复合相变换热器，其特征在于：

其中复合相变换热器（4）的相变工质回路：由调频水泵（8）、复合相变换热器（4）的套管程、换热器（9）和调温器（7），经管路连接形成回路。

4.根据权利要求1所述的用于锅炉烟气余热回收的复合相变换热器，其特征在于：

所述的内换热管（4-1）采用圆管或中空扁管或曲面腔体结构，相应地，套管（4-2）也采用与之匹配的结构。

5.根据权利要求1所述的用于锅炉烟气余热回收的复合相变换热器，其特征在于：

所述调温器（7）包括膨胀水箱（7-4）、加热器（7-3）以及调压部分，调压部分包括调压器（7-2）及氮气瓶（7-1）；所述的加热器（7-3）设置在膨胀水箱内，或设置在换热器（9）与膨胀水箱或膨胀水箱与调频水泵之间的管道上。

6.根据权利要求1所述的用于锅炉烟气余热回收的复合相变换热器，其特征在于：所述的内换热管与套管间通过的是相变工质，高温烟气走内换热管管程或走套管外的壳程。

7.根据权利要求1所述的用于锅炉烟气余热回收的复合相变换热器，其特征在于：

所述的内换热管管程工作介质是高温烟气时，套管外的壳程的工作介质为待加热的冷流体；所述的内换热管管程工作介质是待加热的冷流体时，套管外的壳程的工作介质为高温烟气。

8.根据权利要求7所述的用于锅炉烟气余热回收的复合相变换热器，其特征在于：所述的冷流体采用空气、冷凝水或导热油工艺介质。

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