DK166333B

DK166333B - Varmeveksler til genvinding af varme fra roeggasser samt rensning heraf

Info

Publication number: DK166333B
Application number: DK605287A
Authority: DK
Inventors: Gunnar Ymse
Original assignee: Alfa Laval Thermal Ab
Priority date: 1986-03-19
Filing date: 1987-11-18
Publication date: 1993-04-05
Also published as: DK605287A; EP0298976B1; WO1987005686A1; FI884266A0; FI91443C; US4909318A; JPS63502924A; FI91443B; FI884266L; DK166333C; DK605287D0; EP0298976A1

Description

DK 166333 B

Opfindelsen angår en varmeveksler til genvinding af varme og udskillelse af substanser fra en røggas.

Ved forbrænding af olie og andre fossile brændstoffer 5 dannes der røggasser, som indeholder carbonoxider, svovloxider, nitrogenoxider, vanddampe og sodpartikler. Andre gasformige kemiske forbindelser kan være til stede i røggasserne fra andre typer brændstoffer. Disse røggasser udledes normalt til atmosfæren gennem en skorsten. Røg-10 gasser fra forbrænding af brændstof medvirker til forurening af atmosfæren og øger surhedsgraden i søer og floder. For at reducere denne forurening af atmosfæren, kan svovlindholdet i brændstof f.eks. reduceres, eller røggasserne kan renses. Næsten al svovl i brændstoffet oxi-15 deres til SO2 under forbrændingen, hvor en lille del oxideres videre til SO^. Ved afkøling af røggasserne reagerer SOg med vanddamp og danner svovlsyre. SO2 kan delvis opløses i kondenseret vanddamp, især ved tilstedeværelse af svovlsyre, hvorved der dannes svovlsyrling. Kølingen 20 af røggasserne medfører korrosion i varmevekslere og skorstene, hvorved muligheden for genvinding af varme fra brændstofforbrændingen reduceres. Den kondenserede syre medfører herudover en sammenblanding af olie- og sodpartikler i røggasserne.

25

Det er kendt at nedkøle røggasserne i en varmeveksler, hvorved svovlsyren kondenseres og udskilles fra røggasserne. Ved kølingen af røggasserne kan varmen genvindes, så at brændstofmængden til kedlen reduceres.

30

Ved kendte anlæg (se fig. 1) føres røggasserne fra et forbrændingskammer til en røggaskøler, som omfatter en lodretstående varmeveksler med lange, lige rør 10, som er fremstillet af et korrosionsbestandigt materiale. Røggas-35 serne strømmer indvendigt i røret ved en· høj hastighed (mere end 5 m pr. sekund), dels for at soden ikke skal sætte sig på den indvendige side af røret, dels for at

DK 166333B

2 opnå en stor varmeoverførsel. En væske, f.eks. vand, strømmer mellem rørene for at blive opvarmet af røggasserne, der passerer gennem rørene 10.

5 Det kendte anlæg er dog forbundet med en væsentlig ulempe. Udformningen af anlægget og den høje gashastighed medfører, at udskillelsesgraden for svovl er lav. Kun mellem 10 og 30% af svovlindholdet i brændstoffet kan fjernes fra røggasserne.

10

Fra DE-A-33 20 632 kendes en varmeveksler med et flertal af horisontalt stablede moduler. Hvert modul har en ydre ramme og en vertikal række af skrueformede rør, hvis akser forløber i horisontal retning. Skruegangene på nabo-15 rør er sammenflettede og låst indbyrdes med et element, der kan være et yderligere, lige varmeveksler rør, der strækker sig gennem de sammenflettede skruegange. Hvert rør er ved sine ender forbundet med to samlingsrør, der er indlejret i rammens respektive sidedele for at føre et 20 medium til og fra rørene. Forskellige materialer, inklusive plast, foreslås anvendt som varmevekslerrør. Varmeveksleren angives at være anvendelig inden for alle tekniske områder, men dens udformning gør den mindre egnet til behandling af røggas.

25

Den foreliggende opfindelse har til formål at angive en forbedret varmeveksleranordning til genvinding af energi fra røggasser og til at muliggøre en forbedret rensningseffekt af røggasserne, i særdeleshed med henblik på at 30 reducere svovlindholdet i samme.

Ifølge opfindelsen tilvejebringes der en varmeveksler til genvinding af varme og udskillelse af substanser fra en røggas, og som har et hus omfattende indløbs- og udløbs-35 moduler med tilslutninger for et første medium, sidemoduler og bund- og topmoduler, og i huset anbragte varmevekslerelementer i form af plastrør for et andet medium,

DK 166333 B

3 hvor hvert rør har skrueform og er udformet med to ender for tilslutning til respektive indløbs- og udløbsorganer for det andet medium, hvor plastrørene og tilslutningerne for det første medium er anbragt således, at dette medium 5 strømmer i det væsentlige vinkelret på rørenes længdeakse, hvilke skrueformede rør er anbragt således i forhold til hinanden, at afstanden mellem to naborørs akser er mindre end summen af radierne for de cirkler, der omskriver de to skrueformede rør, hvorved de skrueformede rør 10 omslutter et fælles mellemrum, og hvor de nævnte to naborør er indbyrdes låst i forhold til hinanden af et yderligere rør, der strækker sig gennem det fælles mellemrum, hvor varmeveksleren udmærker sig ved, at det yderligere rør, der låser de to naborør i forhold til hinanden, ud-15 gøres af en ende af et af de andre skrueformede rør, at hvert plastrørs to ender er ført tætnet gennem respektive huller i en plade på husets topmodul, og at hvert sidemodul omfatter en metalplade og en isolering, der indvendig er beklædt med et plastlag.

20

En varmeveksler opbygget ifølge opfindelsen gør varme-overførselen og rensningen af røggassen mere effektiv, og fremstillingen bliver enklere og mere økonomisk.

25 Ifølge en foretrukken udførelsesform for opfindelsen er plastrørene anordnet i rækker i huset, så at plastrørene i det væsentlige udfylder det indre af huset i såvel tværgående som langsgående retning. Gennem dette arrangement udnyttes husets indre meget effektivt, og der anven-30 des mange plastrør, hvorved varmeoverførselen forbedres yderligere.

Plastrørene i rækkerne er fortrinsvis udformet med skiftevis venstre- og højre skruegang. Ved at to forskellige 35 vridningstendenser forekommer i plastrørene med henholdsvis venstre- og højre skruegang, modvirkes disse forskellige tendenser og udbalancerer hinanden, hvorved den geo-

DK 166333B

4 metriske form af varmefladen for plastrørene kan opretholdes både i kold og varm tilstand.

Isoleringen i hvert sidemodul er luft- og væsketæt inde-5 sluttet i plastlaget. Isoleringen beskytter plastrørene mod at komme i kontakt med metalfladen, der udviser en høj temperatur, hvor denne temperatur er over plastmaterialets smeltepunkt. Herved sikres det, at huset ikke vil skade plastrørene.

10

Sidemodulerne kan hensigtsmæssigt have rammer på ydersiden af metalpladen, og modulerne holdes sammen af bolte, der strækker sig gennem rammerne, hvorved tætningen mellem modulerne tilvejebringes ved pakninger tilvirket af 15 plastmateriale. Gennem denne konstruktion reduceres omkostningerne ved montering af huset, og varmevekslerelementerne kan let udskiftes.

Opfindelsen vil i det følgende blive forklaret i forbin-20 delse med foretrukne udførelsesformer og under henvisning til tegningen, hvor: fig. 1 viser en kendt varmeveksler til køling og rensning af røggasser; 25 fig. 2 skematisk viser et apparat til rensning af røggasser ifølge opfindelsen, hvor apparatet omfatter en varmeveksler i en røggaskanal samt udstyr til rensning af var-meveksleren; 30 fig. 3 skematisk viser i tværsnit en varmeveksler med varmevekslerelementer i form af skrueformede rør til anvendelse i det i fig. 2 viste apparat; 35 fig. 4 i snitbillede langs linien IV-IV viser den i fig.

3 viste varmeveksler;

DK 166333 B

5 fig. 5 viser et husmodul for en varmeveksler ifølge opfindelsen; fig. 6 i snit langs linien VI-VI viser det i fig. 5 viste 5 husmodul; fig. 7 viser en foretrukken udførelsesform for rørarrangementet i en af varmevekslerens rækker; og 10 fig· 8 i et vandret snit langs linien VIII-VIII viser det i fig. 7 viste rørarrangement.

Det i fig. 1 viste apparat er blevet omtalt i beskrivelsesindledningen og skal derfor ikke omtales yderligere.

15 I fig. 2 er der skematisk vist et apparat til rensning af gasser, og det omfatter en varmeveksler og udstyr til rensning af denne, hvor apparatet tilvejebringer en meget god udskillelse af svovl fra røggasserne. Desuden er var-20 meveksleren meget effektiv i forbindelse med genvinding af varme fra røggasserne.

Apparatet omfatter et hus 20, som er forsynet med et indløb og et udløb til røggassen fra en ikke vist forbræn-25 dingsstation. Inden i huset findes der et antal varmevekslerelementer i form af skrueformede rør, hvori mediet fremføres, så at varmen absorberes fra røggassen, der derved køles ned.

30 Rørene er placeret således i huset, at røggasstrømmen i det væsentlige forløber vinkelret på hver spiralformet rørs længdeakse. Varmen i røggassen overføres til mediet i røret, hvilket medie har en temperatur, som e.r mindre end kondenseringstemperaturen for svovlsyre.

Rørene er fortrinsvis fremstillet af plast, som er resistent over for svovlsyre. Plastmaterialet gør rørene bil- 35

DK 166333 B

6 lige at fremstille og nemme at bøje i skrueform.

En anden vigtig faktor ved opfindelsen er, at røggassernes hastighed i varmeveksleren er lav, maksimalt 3 meter 5 pr. sekund. Dette betyder i kombination med placeringen af rørene og disses materialebeskaffenhed, at den ønskede effekt opnås, d.v.s. en høj udskillelsesgrad af svovl (ca. 50%) fra røggasserne. Begrundelsen er som følger.

10 Røggassen fra olie og fossile brændstoffer indeholder som tidligere nævnt sodpartikler og svovloxid blandt andre kemiske forbindelser, hvor oxiderne omfatter svovldioxid og få procentdele svovltrioxid. Ved nedkøling af røggassen i varmeveksleren, dannes der svovlsyre ved kondense-15 ring af vanddamp og svovltrioxid på de kolde rørvægge, som herved vædes med svovlsyre. Den kondenserede syre fremkalder en ansamling af olie og sodpartikler, hvorved røggassen, der strømmer gennem varmeveksleren, renses. Da røggassens hastighed er meget lav, vil der fæstne sig me-20 get sod på rørvæggen. Den vædede sod kan opløse og/eller absorbere gasformige kemiske forbindelser, såsom svovldioxid. Samtidig vil udsendelsen af kemiske forbindelser og partikler fra røggassen reduceres, hvorved den atmosfæriske forurening mindskes.

25

En forklaring på, at mængden af gasformige kemiske forbindelser i røggasserne reduceres er dels, at svovldioxid opløses i kondenseret vanddamp, især ved tilstedeværelse af svovlsyre, dels at sod er en carbonholdig kemisk for-30 bindelse, der besidder samme egenskab som aktivt kul ved absorption af kemiske forbindelser fra en gas. Absorptionsmekanismen reduceres dog efter nogen tid, samt ved temperaturer over 110°C. For at retablere absorptionseffekten fjernes sodlaget fra rørene, og et nyt sodlag vil 35 gradvis dannes som ovenfor beskrevet. Fjernelsen af sodlaget reducerer ligeledes tilsmudsningen, der har en negativ effekt på varmeoverførselen. Fjernelsen af sod ud-

DK 166333B

7 føres ved vandskylning, hvor vand fra en slange 25 via dyser 26 sprøjtes over varmevekslerrørene 23. Soden med svovlsyre og svovldioxid føres til en opsamlingstank 27, der er beliggende under varmeveksleren. Efter skylning er 5 varmeveksleren klar til brug igen.

Fig. 3 viser et snit gennem en foretrukken udførelsesform for en varmeveksler til anvendelse som røggaskøler i det i fig. 2 viste apparat. Varmeveksleren omfatter et antal 10 plastrør 30, i dette tilfælde ti rør placeret ved siden af hinanden i en række, hvor alle plastrørene er skrueformede. Fra hvert rør strækker der sig to rørender 31, 32, hvor den ene rørende 31 er forbundet til en fordelingsanordning 33 til forsyning af mediet til røret, og 15 hvor den anden rørende 32 er forbundet til en opsamlingsanordning 34, hvortil mediet føres for videre transport efter at have strømmet gennem røret 30. Rørenderne 31, 32 er ført gennem huller 35 tilvejebragt i pladen 36 på husets topmodul i varmeveksleren. Plastrørene er således 20 forbundet med anordninger 33 og 34, der er beliggende uden for varmevekslerens korroderende miljø. Toppladen 36 er modstandsdygtig over for det korroderende miljø, trykket, samt temperaturen i varmeveksleren. Et passende materiale for toppladen er plast.

25

Tolerancerne for plastrøret 30 og hullet 35 i pladen 36 må være så små, at røret kan tvinges gennem pladen med en vis kraft. Pladen har en given tykkelse foreskrevet af temperaturen og trykket inden i varmeveksleren. Der indre 30 tryk i plastrørene sammen med temperaturen af den indvendige strømning resulterer i en øgning af plastrørenes udvendige diameter, hvorved der opnås en passende tætning mellem røret og pladen.

35 Toppladen 36 udgør den ene væg, der afgrænser varmevekslerens hus. I fig. 3 er der vist tre yderligere begrænsningsvægge, d.v.s. to sidevægge 37, 38 og en bundplade

DK 166333 B

8 39, som er forsynet med et·udløbsdræn 40. Udover disse to sidevægge 37, 38 findes der et indløbsmodul 41 og et udløbsmodul 42 (se fig. 4) i varmeveksleren, hvilke moduler er placeret vinkelret på sidevæggene 37, 38. De to modu-5 ler 41, 42 er udformet med forbindelser 21, 22 for tilførsel, henholdsvis fjernelse af mediet (i dette tilfælde røggas), der forefindes i varmeveksleren. Dette medie er i fig. 4 angivet med pilen 43. Plastrørene og forbindelserne for mediet, der passerer gennem plastrørene, er an-10 bragt således, at mediet strømmer i det væsentlige vinkelret på de skrueformede plastrørs akser.

Som det fremgår af fig. 4 omfatter varmeveksleren et antal skrueformede plastrør 30, som er placeret i rækker 15 efter hinanden inden i et hus 20, så at plastrørene udfylder husets indvendige rum i såvel tvær- som længderetningen.

De skrueformede plastrør er herudover anbragt ved siden 20 af hinanden, så at de danner rækker med en udstrækning, der i det væsentlige svarer til bredden af varmevekslerens hus, idet naborør er anbragt, så at afstanden mellem to sådanne skrueformede rørs centre er mindre end summen af radierne for de cirkler, der omskriver de to rør. De 25 skrueformede plastrør hviler således mod hinanden. Plastrørene i rækkerne eller hver anden i hver række kan herudover skiftevis være venstre- eller højreskruet, hvorved forskellige vridningstendenser forekommende i plastrørene kan modvirkes. Det bør bemærkes, at vridningstendensen 30 for de højreskruede plastrør er af én type, medens vridningstendensen for de venstreskruede plastrør er af en modsat type, så at disse vridningstendenser udbalancerer hinanden. Som det ovenfor er nævnt omfatter huset to sidevægge 37, 38, et indløbsmodul 41 og et udløbsmodul 42, 35 samt et bund- og et topmodul 39, 36. Hver sidevæg er op-bygget af et eller flere moduler af den i fig. 5 og 6 viste art.

DK 166333 B

9

Hvert modul omfatter en metalplade 50, som er fremstillet af stål, og som har en i det væsentlige samme størrelse som modulet. Den ene side af pladen 50 er udformet med en ramme 51, der strækker sig rundt om pladen langs dennes 5 omkreds. Den anden side af pladen 50 er forsynet med en isolering 52, som er fremstillet af et materiale, der er resistent over for det aggressive miljø, og som ligeledes er dækket med et plastlag 53, såsom polytetrafluorethy-len. Isoleringen 52 beskytter plastrørene mod kontakt med 10 metalpladen 50, hvorved plastrørene ikke vil blive beskadiget af den varme metalplade. Laget 53 holdes på plads på passende måde, d.v.s. er fastgjort til rammen 51. Pladen 50 er indrettet til at kunne anvendes på en sådan måde, at rammen 51 befinder sig på varmevekslerens ydersi-15 de, medens isoleringsmaterialet med plastlaget følgelig befinder sig på indersiden af varmeveksleren i det korroderende miljø. Laget 53 er indrettet til at beskytte isoleringen 52 og stålpladen 50 mod korrosion. I rammen 51 er der tilvejebragt huller 54 med ens indbyrdes afstand, 20 idet der i hullerne kan anbringes bolte ved fastgørelse af flere moduler til hinanden eller ved fastgørelse af et modul til bundpladen eller toppladen. Til dette sidste formål er toppladen og bundpladen ligeledes forsynet med en ramme 55 henholdsvis 56, der strækker sig rundt om 25 pladerne (se fig. 3).

Tætningen mellem to moduler og mellem et modul og en top-/bundplade tilvejebringes fortrinsvis ved hjælp af en pakning, der er anbragt mellem rammerne for de respektive 30 elementer.

Fordelen ved arrangementet, hvor modulet og top-/bundpladen har rammer, er, at disse elementer er nemme at samle, adskille og samle igen.

I fig. 7 og 8 er der vist en foretrukken udførelsesform for opfindelsen, hvor beliggenheden af de forskellige rør 35 10

DK 166333B

i rækker i varmeveksleren fremgår.

Figurerne viser, at to naborør 71, 72 er i indbyrdes indgreb, så at afstanden mellem rørenes centre 76, 77 er 5 mindre end summen af radierne for de cirkler, som omskriver de to rør 71, 72. Hvert rør har to ender 78, 79, hvor enden 78 er indrettet til forsyning af et medie til fremføring gennem røret, og hvor enden 79 er indrettet til bortledning af mediet efter passage gennem røret. I den 10 forbindelse omfatter røret 71's ende 79 en rørstamme 71 U, der strækker sig fra bunden af varmeveksleren og op gennem toppladen 80 til den udvendige side af denne.

Der findes et fælles mellemrum mellem to naborør. Det 15 fremgår således af fig. 7 og 8, at der findes et fælles mellemrum 81 mellem røret 71, 72. Igennem dette mellemrum og videre op gennem toppladen 80 (ikke vist), strækker røret 73's rørstamme 73U sig.

20 To naborør 71, 72 er således indbyrdes låst af røret 73's rørstamme 73U. Det næste rørpar 72, 73 er på samme måde låst af rørstammen 74U for næste rør, d.v.s. røret 74 o.s.v.. Ved denne sammenkædning kobles to naborør sammen, hvorved rørene bliver selvunderstøttende og udgør en me-25 get stabil enhed, som ikke behøver anden understøtning· eller fastgørelsesindretning.

30 35 f

Claims

1. Varmeveksler til genvinding af varme og udskillelse af 5 substanser fra en røggas, og som har et hus (20) omfattende indløbs- og udløbsmoduler (41, 42) med tilslutninger (21, 22) for et første medium (43), sidemoduler (37, 38. og bund- og topmoduler (39, 36), og i huset anbragte varmevekslerelementer i form af plastrør (30) for et an-10 det medium, hvor hvert rør har skrueform og er udformet med to ender (31, 32) for tilslutning til respektive indløbs- og udløbsorganer (33, 34) for det andet medium, hvor plastrørene (30) og tilslutningerne (21, 22) for det første medium er anbragt således, at dette medium strøm-15 mer i det væsentlige vinkelret på rørene (30)'s længdeakse, hvilke skrueformede rør (30) er anbragt således i forhold til hinanden, at afstanden mellem to naborør (30)'s akser er mindre end summen af radierne for de cirkler, der omskriver de to skrueformede rør, hvorved de 20 skrueformede rør omslutter et fælles mellemrum (81), og hvor de nævnte to naborør (71, 72) er indbyrdes låst i forhold til hinanden af et yderligere rør, der strækker sig gennem det fælles mellemrum (81), kende teg -net ved, at det yderligere rør, der låser de to nabo-25 rør (71, 72) i forhold til hinanden, udgøres af en ende (73U) af. et (73) af de andre skrueformede rør, at hvert plastrør (30)'s to ender (31, 32) er ført tætnet gennem respektive huller (35) i en plade på huset (20)'s topmodul (36), og at hvert sidemodul omfatter en metalplade 30 (50) og en isolering (52), der indvendig er beklædt med et plastlag (53).

2. Varmeveksler ifølge krav 1, kendetegnet ved, at plastrørene (30) er anbragt i rækker indvendig i 35 huset (20), så at plastrørene i det væsentlige udfylder husets indre i såvel tvær- som længderetning. DK 166333 B 12

3. Varmeveksler ifølge krav 2, kendetegnet ved, at rørene (30) i hver række er udformet med en skruegang, der skiftevis er venstre- og højreskruet.

4. Varmeveksler ifølge krav 1-3, kendetegnet ved, at isoleringen (52) omfatter skumglas.

5. Varmeveksler ifølge krav 1-4, kendetegnet ved, at topmodulets plade (36) og plastlaget (53) er 10 fremstillet af polytetrafluorethylen. 15 20 25 30 35