CS197860B1

CS197860B1 - Waste heat boiler

Info

Publication number: CS197860B1
Application number: CS782953A
Authority: CS
Inventors: Josef Lutcha; Jan Nemcansky
Original assignee: Josef Lutcha; Jan Nemcansky
Priority date: 1978-05-10
Filing date: 1978-05-10
Publication date: 1980-05-30

Description

Předmětem vynálezu je kotel na využití odpadního tepla horkých procesních plynů, a to zejména pro rychlé zchlazení plynů po předchozí reakci.The present invention relates to a boiler for utilizing the waste heat of hot process gases, in particular for rapid quenching of gases after a previous reaction.

Zchlazení horkého plynu, vystupujícího například z pyrolýzní štěpící pece, představuje závažný technický problém, a to proto, že zchlazení musí být dosti rychlé, aby se zabránilo nežádoucím sekundárním reakcím, způsobujícím případně i rozklad produktu. Zařízení je třeba konstruovat tak, aby při průchodu plynu byla tlaková ztráta eo nejnižší, a to vzhledem k požadovanému ssacímu tlaku kompresorů pro obvyklé následné dělení plynu; pracovní perioda zařízení by měla být co nejdelší, což je zpravidla dáno rychlostí tvoření úsad, například koksu, a konečně, vzhledem k potřebě vysokotlaké páry v další technologii, co nejlépe využít teplo.Cooling of the hot gas exiting, for example, from a pyrolysis fracturing furnace is a serious technical problem, since the cooling must be fast enough to avoid undesired secondary reactions, possibly causing decomposition of the product. The equipment shall be so designed that, when passing through the gas, the pressure drop eo is the lowest, given the required suction pressure of the compressors for the usual subsequent gas separation; the working period of the device should be as long as possible, which is usually due to the rate of formation of deposits, such as coke, and finally, given the need for high pressure steam in other technology, to make the best use of heat.

Jedno ze známých řešení výměníků je charakteristické tím, že nemá trubkovnici, sestává z více samostatných chladicích jednotek, z nichž každá obsahuje dvakrát ohnutou svislou trubku pro průtok horkého prostředí. Všechny topné trubky jsou z vnější i vnitřní strany v souproudu obtékány chladicím prostředím, které proudí souosými vnějšími i vnitřními trubkami zaústěnými horními i spodními konci do rozváděčích nebo sběrných potrubí. Do nétoku horkého prostředí je zařazena válcová nádrž, do níž horké prostředí vstupuje v tangenciálním směru, takže se před vstupem do výtlačného mezikusu uvádí do vířivého pohybu.One known exchanger solution is characterized in that it does not have a tube sheet, it consists of a plurality of separate cooling units, each comprising a double-bent vertical tube for the flow of a hot environment. All heating pipes are co-circulated from the outside and inside in coolant flow, which flows through coaxial outer and inner pipes, leading to the top and bottom ends of the manifolds or manifolds. A cylindrical tank is inserted into the hot runoff, into which the hot run enters in a tangential direction so that it moves in a swirling motion before entering the discharge adapter.

197 Q60197 Q60

197 800197 800

V jiném řešení je svazek přímých dvojitých trubek uspořádán systémem trubka v trubce, kde vnější trubky jsou protékány vodou a vnitřní topnými plyny. Vnější vodní trubky jsou na spodním konci zaústěny do prstencových, koncentricky uspořádaných sběračů. Spodní konce vnitřních topných trubek jsou sběrači plynotěsně prosazeny a jsou otevřeny do spodního prostoru výměníku, omezeného v úrovni sběračů kónicky se zužujícím dnem. Horní konce vodních trubek jsou zaústěny do rovné trubkovnice, kdežto horní konce topných trubek do tvarované protitrubkovnice, která spolu s rovnou trubkovnicí vymezuje zásobník napájecí vody, který je hrdlem spojen s nad ním umístěnou parovodni nádrží o menším průměru. V každé z koncentrických řad trubek je aspoň jedna dvojitá trubka provedena jako rozvodné, kdy obě souosé trubky jsou zavřeny do rovné trubkovnice a zaústěny do zásobníku napájecí vody, přičemž vnitřní trubky slouží vždy jako spádové a vnější jako stoupací.In another solution, the bundle of straight double pipes is arranged by a pipe-in-pipe system, wherein the outer pipes are flowing through the water and the internal fuel gases. The outer water pipes at the lower end open into annular, concentrically arranged collectors. The lower ends of the inner heating pipes are gastightly pushed through the collectors and are opened to the lower space of the exchanger, limited at the level of the collectors with a conically tapering bottom. The upper ends of the water pipes are connected to a straight tubesheet, while the upper ends of the heating pipes to a contoured tubesheet which together with the straight tubesheet defines a reservoir of feed water which is connected to the steam tank of smaller diameter above it. In each of the concentric rows of tubes, the at least one double tube is designed as a manifold, the two concentric tubes being closed into a straight tube sheet and connected to a feed water tank, the inner tubes serving as the downcomer and the outer tubes as the rising ones.

odlišné řešení přináší DOS 1,593 489, kde pec je opatřena v bočních stěnách hořáky, vyhřívající do pece zasazenou svislou válcovou nádrž, naplněnou tekutým kovem o nízké teplotě tání, například olovem, a v horní části je plynotěsně uzavřena spodní stupňovitě provedenou trubkovnicí trubkového výměníku, který obsahuje přímý svazek dvojitých trubek, uspořádaných systémem trubka v trubce. Plynné médium je zaváděno trubkou uloženou v ose trubkovného svazku, zasahuje do kovové lázně a je otevřena v prostoru nsd dnem nádrže s roztaveným kovem. Plyny probublávají roztaveným kovem a z prostoru nad jeho hladinou se odvádějí přímo do topných trubek výměníku. Přívodní trubka je ve výměníku uložena posuvně, takže výšku jejího vyústění nad dnem kovové lázně lze měnit, a tím ovlivnit dobu prodlení plynů v kovové lázni.a different solution is disclosed in DOS 1,593,489, wherein the furnace is provided with side burners in a side wall to heat a vertical cylindrical tank filled with liquid metal of low melting point, such as lead, and sealed in a gas-tight bottom step tube tube. it comprises a straight bundle of double tubes arranged by a tube-in-tube system. The gaseous medium is introduced through a tube arranged in the axis of the tube bundle, extends into the metal bath and is opened in the nd space of the bottom of the molten metal tank. The gases bubble through the molten metal and are discharged directly above the surface of the metal into the heat exchanger's heating pipes. The inlet pipe is displaceably mounted in the exchanger so that the height of its outlet above the bottom of the metal bath can be varied and thus affect the residence time of the gases in the metal bath.

Podle řešení z poněkud jiné oblasti v DOS 2,028 297, obsahující vynález na způsob a zařízení na výrobu olefinů a aromátů z alifatických uhlovodíků tepelným štěpením a navazujícím zchlazením štěpných plynů, zprostředkuje přívod potřebného množství tepla pro štěpný proces tekutý kov, který se poté, co předal teplo procesním plynům, využije ke zchlazení z reakce vystupujícího horkého plynného produktu. Recirkulující kov se přitom před zavedením do štěpného procesu vyhřívá v pomocném výměníku s hořáky na fosilní palivo.According to a solution from a somewhat different field in DOS 2,028,297, comprising an invention for a method and apparatus for producing olefins and aromatics from aliphatic hydrocarbons by thermal cracking and subsequent quenching of fission gases, it provides the necessary amount of heat for the fission process liquid metal process gas, utilizing the resulting hot gas product to cool off the reaction. The recirculating metal is heated in the auxiliary exchanger with the fossil fuel burners before being introduced into the fission process.

Doposud známé konstrukce jednochodých vertikálních trubkových výměníků ve spojení se separačními parními bubny nesplňují zpravidla požadavek oo nejdelší pracovní periody. Aparáty, kde horký plyn probublévá tekutým kovem, takže vytvářející se koks je atomizován a dále vynášen plynem, splňují sice dosti dobře požadavek co nejdelší pracovní periody, ale vzhledem ke značnému hydrostatickému tlaku tekutého kovu nad vyústěním plynu, nesplňují požadavek na co nejnižší tlakovou ztrátu při průchodu plynu.The prior art designs of single-pass vertical tubular exchangers in conjunction with separation steam drums generally do not meet the requirement for the longest working period. Apparatus where hot gas is bubbled through the liquid metal so that the forming coke is atomized and further discharged by the gas satisfies the requirement of the longest working period quite well, but due to the considerable hydrostatic pressure of the liquid metal above the gas outlet, gas passage.

Kotel na odpadní teplo ve svém řešení podle vynálezu splňuje shora popsané požadavky, a kromě toho, svou koncepcí vytváří kompaktní celek, bez potřeby propojovacího potrubí. Jeho podstata spočívá v tom, že v chladicí části kotle je soustředně uspořádán systém vertikálních vychlazovacích registrů, chladicích trubic, jejichž spodní konce jsou upevněny v horním kuželovém dnu, vymezujícím sběrný prostor tekutého kovu, a jejichž horní konce jsou otevřené pro nátok tekutého kovu, vytlačovaného čerpadly ze sběrného prostoru a pře197 860 véděcím potrubím do celého prostoru chladicí části kotle, spolu s cirkulačním okruhem parovodní směsi, jehož centrálně umístěná hlavní zavodňovací trouba zasahuje do těsné blízkosti spodních konců chladicích trubic, přičemž pomocné zavodňovací trubky jsou připojeny na anuloidové rozdělovače ve dnovém prostoru chladicí části kotle a tvoří chladicí registry lázně tekutého kovu.The waste heat boiler in its solution according to the invention meets the above-described requirements and, in addition, by its conception it forms a compact unit, without the need for a connecting pipe. Its essence consists in that in the cooling part of the boiler there is a concentric arrangement of vertical cooling registers, cooling tubes, whose lower ends are fixed in the upper conical bottom defining the liquid metal collection space, and whose upper ends are open for inflow of liquid metal, extruded Pumps from the collecting space and through the lead piping into the entire cooling compartment of the boiler, together with a steam-water circulation circuit, whose centrally located main irrigation pipe extends in close proximity to the lower ends of the cooling tubes, cooling parts of the boiler and form cooling registers of the liquid metal bath.

Chladicí trubice jsou s výhodou opatřeny šroubovité zkroucenými kovovými pásky.The cooling tubes are preferably provided with helically twisted metal strips.

Konstrukce kotle je koncipována tak, že jeho vstupní část, chladicí část a dochlazovací a separační část jsou vůči sobě navzájem rozebíratelné.The design of the boiler is designed so that its inlet part, cooling part and cooling and separation part can be dismounted from each other.

Řešení kotle na odpadní teplo podle vynálezu je charakterizováno řadou podstatných výhod oproti známým řešením, z nichž nejpodstatnější jsou tyto. Vysokým přestupem tepla do splývajícího filmu tekutého kovu, podporovaný zkroucenými pásky, se dosahuje rychlé zchlazení, čímž se zabraňuje sekundárním reakcím a umožňuje řízení výstupní teploty procesního plynu. Splývající film vytváří volný průtočný průřez pro plyn, čímž vzniká jen malá tlaková ztráta na straně procesního média. Další velkou výhodou navrhovaného zařízení je, že stykem plynu s tekutým kovem se zabraňuje tvorbě úsad na teplosměnných plochách, což pro provoz kotle má nemalý význam. Tekutý kov atomizuje eventuálně vytvořený koks a tento je plynem vynášen. Další výhodou podélně žebrovaných trubek v dochlazovaeí části kotle je, že dále využívají teplo obsažené v plynu na výrobu páry.The waste heat boiler solution according to the invention is characterized by a number of significant advantages over the known solutions, the most important of which are. The high heat transfer to the flowing liquid metal film, supported by the twisted strips, achieves rapid cooling, thereby avoiding secondary reactions and allowing the process gas outlet temperature to be controlled. The flowing film creates a free flow cross-section for the gas, resulting in only a small pressure loss on the process medium side. Another great advantage of the proposed device is that the contact of the gas with the liquid metal prevents the formation of deposits on the heat exchange surfaces, which is of considerable importance for the operation of the boiler. The liquid metal atomizes eventually formed coke and is discharged by the gas. Another advantage of the longitudinally finned tubes in the aftercooling portion of the boiler is that they further utilize the heat contained in the gas to produce steam.

Oproti známým řešením, kde je nutno řídit teplotu stěny teplosměnných trubek v podstatě tlakem na parní straně, kdy jde zpravidla o vysoký tlak o hodnotě vyšší než 10 MPa, v řešení podle vynálezu je ještě prostředníkem tekutý kov, a je tudíž možno volit tlaky nižší, řádově cca 5 MPa.In contrast to the known solutions where the wall temperature of the heat exchange tubes has to be controlled substantially by the pressure on the steam side, which is generally high pressure of more than 10 MPa, in the solution according to the invention the liquid metal is still mediated. about 5 MPa.

Příklad konstrukčního provedení kotle na odpadní teplo podle vynálezu je znázorněn na výkresech, kde na obr. 1 je znázorněn kotel schematicky jako integrální celek a na obr. 2 je v půdorysu znázorněno uspořádání chladicích trubic 2» vychlazovacích registrů 14, hlavní zavodňovací trouby 12 a převáděcího potrubí 10 tekutého kovu.An exemplary embodiment of a waste heat boiler according to the invention is shown in the drawings, in which Fig. 1 shows the boiler schematically as an integral unit and Fig. 2 shows a plan view of the cooling tubes 2 of cooling registers 14, main irrigation tube 12 and transfer tube. the liquid metal pipe 10.

Kotel na odpadní teplo v příkladném provedení podle vynálezu, znázorněném na uvedených výkresech, je v podstatě rozdělen na tři, vůči sobě rozebíratelné části, které svou koncepcí vytvářejí integrální celek. Vstupní část 1, sloužící k rozvedení procesního plynu do jednotlivých vychlazovacích prvků, je vytvořena vstupním hrdlem 2 a rozvodnými trubkami J, které procesní plyn rozvádějí do vertikálních, soustředně uspořádaných chladicích trubic 2 v chladicí části 15 kotle. V chladicích trubicích 2, jejichž spodní konoe jsou upevněny v horním kuželovém dně g a jejichž horní konce jsou otevřené, jsou uspořádány Sroubovitě zkroucené kovové pásky 8, zajištující dobrý styk horkého procesního plynu se splývajícím filmem tekutého kovu, který stéká do sběrného prostoru 6, vymezeného spodním £ a horním kuželovým dnem 5 pod chladicí částí lg kotle. Tekutý kov je čerpadly 9 a převáděcím potrubím 10 přečerpáván ze sběrného prostoru 6 a vytlačován celým prostorem chladicí části 15 kotle až k otevřeným koncům chladicích trubic 2» přes jejichž okrajeThe waste heat boiler of the exemplary embodiment of the invention shown in the drawings is essentially divided into three parts which can be disassembled with respect to one another, which by their concept form an integral whole. The inlet part 1, which serves to distribute the process gas to the individual cooling elements, is formed by the inlet neck 2 and the distribution pipes J, which distribute the process gas to the vertical, concentrically arranged cooling tubes 2 in the cooling part 15 of the boiler. In the cooling tubes 2, whose lower ends are fixed in the upper conical bottom g and whose upper ends are open, helically twisted metal strips 8 are provided, ensuring good contact of the hot process gas with the flowing liquid metal film flowing into the collecting space 6 delimited by the lower 5 and an upper conical bottom 5 below the cooling part 18 of the boiler. The liquid metal is pumped from the collecting space 6 by the pumps 9 and the transfer line 10 and forced through the entire space of the boiler cooling part 15 to the open ends of the cooling tubes 2 over the edges of which

197 890 přepadá a na jejich vnitřních stěnách vytváří splývající film, který trubicemi J v protiproudu proudící procesní plyn rychle zchlazuje pod teplotu sekundárních reakcí. V chladicí části 15 kotle jsou případné úsady, jako například koks, obsažené v procesním plynu, splavovány splývajícím filmem tekutého kovu, a po atomizaci v kovové lázni jsou procesním plynem vyneseny. Teplo z tekutého kovu současně přestupuje do vertikálních, soustředně uspořádaných chladicích registrů 14. které jsou součástí cirkulačního okruhu parovodní směsi.The 197,890 overflows and forms a confluent film on their inner walls, which rapidly cools the process gas flowing through the tubes (J) below the secondary reaction temperature. In the cooling part 15 of the boiler, any deposits such as coke contained in the process gas are purged with a flowing liquid metal film and are discharged by the process gas after atomization in the metal bath. At the same time, the heat from the liquid metal is transferred to the vertical, concentrically arranged cooling registers 14 which are part of the circulation circuit of the steam-water mixture.

Po výstupu částečně zchlazeného procesního plynu z chladicích trubic 2 přijde plyn do styku s konvekční plochou, která je tvořena podélně žebrovanými trubkami 16, které jsou součástí cirkulačního okruhu parovodní směsi.Upon leaving the partially cooled process gas from the cooling tubes 2, the gas comes into contact with a convection surface formed by longitudinally finned tubes 16 which are part of the circulation circuit of the steam-water mixture.

V dochlazovací a separační části 17 kotle se plyn doehlazuje na žádanou teplotu a otvory 25 v plášti vystupuje do sběrače 18, z něhož je potom odveden hrdlem 19 k dalěímu zpracování.In the aftercooling and separating part 17 of the boiler, the gas is cooled to the desired temperature and the openings 25 in the jacket exit into the collector 18, from which it is then discharged through the neck 19 for further processing.

Cirkulační okruh parovodní směsi je vytvořen dochlazovací a separační částí 17 kotle a zasahuje i do chladicí části 15 kotle. Jeho posláním je zužitkovat veěkeré teplo převedené z procesního plynu, tedy vyvíjením vysokotlaké páry, která se z tohoto okruhu kontinuálně odebírá. Cirkulační okruh sestává z tlakové nádoby 20 s udržovanou konstantní hladinou vody, která je přiváděna potrubím 22. Z tlakové nádoby 20 je vyvedena centrálně umístěná hlavní zavodňovaoí trouba 12, zasahující do těsné blízkosti spodních konců verti· kálně uspořádaných chladicích trubic 7. K dnové části hlavní zavodňovací trouby 12 jsou napojeny pomocné zavodňovací trubky 13, jimiž je voda přivedena do anuloidových rozdělova· čů 11, které spolu se soustavou vertikálních trubek tvoří chladicí registry 14 k vychlazo· vání lázně tekutého kovu.The circulation circuit of the steam-water mixture is formed by a cooling and separation part 17 of the boiler and extends into the cooling part 15 of the boiler. Its mission is to utilize all of the heat transferred from the process gas by generating high pressure steam, which is continuously removed from this circuit. The circulation circuit consists of a pressure vessel 20 with a constant level of water being supplied through line 22. A centrally located main irrigation tube 12 extends from the pressure vessel 20, extending in close proximity to the lower ends of the vertically arranged cooling tubes 7. To the bottom of the main The irrigation tubes 12 are connected to auxiliary irrigation tubes 13, by means of which water is supplied to the torus manifolds 11, which together with the set of vertical tubes form cooling registers 14 for cooling the liquid metal bath.

Chladicí registry 14 jsou plynule napojeny na podélně ožebrované trubky 16, tvořící konvekční plochu v dochlazovací a separační části 17 kotle k dochlazení procesního plynu. Parovodní směs, postupně vytvořená v chladicích registrech 14 a v ožebrovaných trubkách 16, je přivedena převáděcími trubkami 21, napojenými na ožebrované trubky 16, nad hladinu vody v tlakové nádobě 20. Vyvinutá pára je odváděna přes odlučovač 23 vodních kapek do výstupního hrdla 24 a dále do provozu, přičemž voda se vrací zpět do cirkulačního okruhu.The cooling registers 14 are continuously connected to the longitudinally ribbed tubes 16 forming a convection surface in the aftercooling and separating part 17 of the boiler to cool down the process gas. The steam mixture, successively formed in the cooling registers 14 and in the finned tubes 16, is brought through the transfer tubes 21 connected to the finned tubes 16 above the water level in the pressure vessel 20. The generated steam is discharged via the water drop separator 23 to the outlet neck 24 and The water is returned to the circulation circuit.

Claims

1. Waste heat boiler, consisting of a process gas distribution part into individual vertically arranged annealing elements in a cooling section with a liquid metal bath and vertically arranged cooling registers forming part of a steam-water circulation circuit, and 3 cooling and separation sections with a pressure vessel and a water drop separator, characterized in that a system of vertical cooling registers (14), cooling tubes (7) is arranged concentrically in the boiler cooling part (15),

197 890, the lower ends of which are fixed in the upper conical bottom (5) defining the liquid metal collection space (6), and whose upper ends are open for liquid metal inlet displaced by the pumps (9) from the collection space (6) and transfer line (10) into the entire space of the boiler cooling part (15), together with the steam-water circulation circuit, whose centrally located main irrigation tube (12) extends in close proximity to the lower ends of the cooling tubes (7), the auxiliary irrigation tubes (13) being connected on the torus manifolds (11) in the bottom space of the boiler cooling part (15) and form cooling registers (14) of the liquid metal bath.

Waste heat boiler according to claim 1, characterized in that the cooling tubes (7) are provided with helically twisted metal strips (8).

Waste heat boiler according to Claims 1 and 2, characterized in that the inlet part (1), the cooling part (15) and the cooling part (17) of the boiler are removable from each other.