JP2013539006A - Waste heat boiler - Google Patents

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Abstract

廃熱ボイラーは、比較的高温のプロセスガスと冷却媒体との間接的熱交換のための熱交換管、及び該プロセスガスの一部を迂回させるためのバイパス管を有し、プロセスガス収集器は、熱交換されたプロセスガス及び迂回させたプロセスガスの少なくとも一部を収集し、そして混合物が、熱交換されたプロセスガスの残部と一緒に、制御弁を介して廃熱ボイラーのプロセスガスアウトレットへ誘導される前に混合する。  The waste heat boiler has a heat exchange pipe for indirect heat exchange between a relatively hot process gas and a cooling medium, and a bypass pipe for bypassing a part of the process gas. Collecting at least a portion of the heat exchanged process gas and the bypassed process gas, and the mixture, together with the remainder of the heat exchanged process gas, through a control valve to the process gas outlet of the waste heat boiler Mix before being induced.

Description

本発明は、化学反応からの廃熱の回収に関する。より詳細には、本発明は、冷却効果の改善された制御を備える廃熱ボイラーに関する。   The present invention relates to the recovery of waste heat from chemical reactions. More particularly, the present invention relates to a waste heat boiler with improved control of the cooling effect.

廃熱ボイラーは、高温プロセス流から回収された排熱により蒸気を発生させるのに最も一般的に使用されている。典型的に、それらのボイラーは、円筒状シェル内に配置された複数の熱交換管を備えた、シェルアンドチューブ型熱交換器として設計される。   Waste heat boilers are most commonly used to generate steam from exhaust heat recovered from high temperature process streams. Typically, these boilers are designed as shell and tube heat exchangers with a plurality of heat exchange tubes arranged in a cylindrical shell.

産業界においては二つの基本的な型のシェルアンドチューブ型熱交換器が採用されており、水／蒸気混合物が管（チューブ）を通って流れる、水−管型、及び加熱プロセス流を管の内側に有する、煙−管型である。   There are two basic types of shell-and-tube heat exchangers used in industry, where water / steam mixtures flow through tubes (tubes), water-tube types, and heated process streams. Smoke-tube type inside.

ボイラーの特徴的構成要素とは、シェル内の前端頭部及び後端頭部における管板中に取り付けられた管である。煙管ボイラーにおいては、蒸気生成は、ボイラー管を通って流れる高温プロセス流の間接的熱交換により管のシェル側で達成される。シェル側は、多数の上昇管及び下降管を介して蒸気ドラムに接続され、該蒸気ドラムは、ボイラーシェルの上方に配置されるか又はボイラーシェルの一体部分として設けられ得る。   The boiler's characteristic components are tubes mounted in tube sheets at the front and back heads in the shell. In a smoke tube boiler, steam generation is achieved on the shell side of the tube by indirect heat exchange of the hot process stream flowing through the boiler tube. The shell side is connected to a steam drum via a number of risers and downcomers, which can be arranged above the boiler shell or provided as an integral part of the boiler shell.

シェルアンドチューブ型熱交換器タイプのボイラーにおける熱交換面の機械的設計、及び、特に、寸法形状は、いくつかの問題を示す。煙管型ボイラーの使用は、シェルの片側又は両側への高圧、及びシェル側と管側との間の著しい温度差を含む。プロセス流の汚染特性及び腐食特性について特別な考慮をすべきである。   The mechanical design of the heat exchange surface in a shell and tube heat exchanger type boiler, and in particular the dimensions, presents several problems. The use of a smoke tube boiler involves high pressure on one or both sides of the shell and a significant temperature difference between the shell side and the tube side. Special consideration should be given to the contamination and corrosion characteristics of the process stream.

汚染及び／又は腐食プロセス流を処理するボイラーは、深刻な汚染条件及び／又は腐食条件下での寿命を満足させるために、清浄時に要求されるよりも高い効率のために設計されなければならない。ボイラー管の熱伝達面は、さらに、流中の予期される腐食因子及び汚染因子に適合させなければならない。ボイラーの長期間運転の間、所望の、かつ、実質的に一定の冷却効果を提供するために、適当な熱伝達及び温度制御が要求される。   Boilers that handle contaminated and / or corrosive process streams must be designed for higher efficiency than required during cleaning in order to satisfy life under severely contaminated and / or corrosive conditions. The heat transfer surface of the boiler tube must also be adapted to the expected corrosion and contamination factors in the flow. Appropriate heat transfer and temperature control are required to provide a desired and substantially constant cooling effect during the long term operation of the boiler.

従来設計されているボイラーは、（熱交換管の径と比較して）比較的大径の管のバイパスを備えており、それは、ボイラーシェルの内部又は外部であってよい。バイパスは、通常、流れ制御弁を設けた断熱管として構成される。ボイラーの初期運転の間、高温プロセス流の一部は熱伝達管を迂回して、熱伝達を要求レベル内に制限する。   Conventionally designed boilers have a relatively large diameter pipe bypass (compared to the diameter of the heat exchange pipe), which can be internal or external to the boiler shell. The bypass is usually configured as a heat insulating pipe provided with a flow control valve. During initial boiler operation, a portion of the hot process stream bypasses the heat transfer tube to limit heat transfer to the required level.

一定時間後、操業中、管の汚染及び／又は腐食は増加して熱伝達を減少させる。それゆえ、迂回されるプロセス流の量を低減し、それにより、要求される冷却効果を維持するべく、熱伝達管を通るプロセス流の流れをより大きくすることができる。   After a certain time, during operation, tube fouling and / or corrosion increases and reduces heat transfer. Therefore, the flow of process flow through the heat transfer tube can be increased to reduce the amount of bypassed process flow and thereby maintain the required cooling effect.

上述の型の公知のボイラーの主な欠点とは、バイパスの金属表面、特に、１，０００℃あるいはそれよりも高い温度の、冷却されていないプロセス流と接触するバイパスアウトレット及び制御弁の金属表面に対する活発な腐食である。公知技術においては、この問題を解決するために様々な方法、例えば、制御弁を冷却流体で冷却すること、又は高温のバイパス流を避けて、代わりに熱交換器を異なる熱交換レベルの別々の区域に、そしてそれにより異なるプロセスガスアウトレット温度に分割することが試みられている。公知技術の例は、米国特許第５４５２６８６Ａ号明細書（特許文献１）、米国特許出願第２００７１２５３１７Ａ号明細書（特許文献２）、米国特許第４９９３３６７Ａ号明細書（特許文献３）、英国特許第１３０３０９２Ａ号（特許文献４）、米国特許第１９１８９６６Ａ号明細書（特許文献５）及び欧州特許第０３５７９０７Ａ号（特許文献６）に開示されている。   The main disadvantages of known boilers of the type described above are that the metal surface of the bypass, in particular the bypass outlet and the control valve metal surface in contact with an uncooled process stream at a temperature of 1000 ° C. or higher. It is an active corrosion against. In the prior art, various methods are available to solve this problem, for example, cooling the control valve with a cooling fluid, or avoiding hot bypass flow, and instead using separate heat exchangers with different heat exchange levels. Attempts have been made to divide into zones and thereby different process gas outlet temperatures. Examples of known techniques include US Pat. No. 5,452,686A (Patent Document 1), US Patent Application No. 2007125317A (Patent Document 2), US Pat. No. 4,993,367A (Patent Document 3), and British Patent No. 1303092A. (Patent Document 4), US Patent No. 1918966A (Patent Document 5) and European Patent No. 0357907A (Patent Document 6).

米国特許第５４５２６８６Ａ号明細書US Pat. No. 5,452,686A 米国特許出願第２００７１２５３１７Ａ号明細書U.S. Patent Application No. 2007125317A 米国特許第４９９３３６７Ａ号明細書US Pat. No. 4,993,367A 英国特許第１３０３０９２Ａ号British Patent No. 1303092A 米国特許第１９１８９６６Ａ号明細書US Patent No. 1918966A 欧州特許第０３５７９０７Ａ号European Patent No. 0357907A

本発明の目的は、改善された熱伝達及び温度制御を備えたシェルアンドチューブ型熱交換器タイプのボイラーを提供することによって、公知の廃熱ボイラーの欠点を回避することである。   It is an object of the present invention to avoid the disadvantages of known waste heat boilers by providing a shell and tube heat exchanger type boiler with improved heat transfer and temperature control.

本発明のさらなる目的は、公知技術の廃熱ボイラーよりも簡単で、かつ、それほど高価でない設計を有する廃熱ボイラーを提供することである。   It is a further object of the present invention to provide a waste heat boiler that has a simpler and less expensive design than prior art waste heat boilers.

本発明の別の目的は、プロセスガスバイパス管、及び、バイパスプロセスガス流及びそれに伴ってプロセスガスアウトレット温度を簡単に制御するための制御弁を備える廃熱ボイラーであって、腐食をもたらす過剰な温度に該制御弁を曝すことのない、該ボイラーを提供することである。   Another object of the present invention is a waste heat boiler comprising a process gas bypass pipe and a control valve for easily controlling the bypass process gas flow and concomitant process gas outlet temperature, which causes excessive corrosion. Providing the boiler without exposing the control valve to temperature.

本発明の一実施形態によれば、比較的高温のプロセスガスを冷却媒体と熱交換するための廃熱ボイラーによってこれは達成され、その際、該廃熱ボイラーは、少なくとも一つのシェル部（熱交換区域第二のシェル部）、及び該熱交換区域第二のシェル部のインレット端及びアウトレット端に配置される少なくとも二つの管板を含み、それにより、この第二のシェル部及び二つの管板が、廃熱ボイラーの熱交換区域を取り囲む。複数の熱交換管及び少なくとも一つのプロセスガスバイパス管は熱交換区域中に配置され、そして各管の第一の端部付近で第一の管板中に固定され、かつ、各管の第二の端部付近で第二の管板中に固定される。少なくとも一つの冷却媒体インレット及び少なくとも一つの冷却媒体アウトレットは、冷却媒体が管のシェル側上の熱交換区域中へ流れ、そしてそこを出て行くことができるように、該廃熱ボイラー上に位置する。それゆえ、冷却媒体は、第二のシェル部及び第一及び第二の管板によって取り囲まれる。プロセスガスインレット区域は、該第一の管板の近くで、冷却媒体の反対側に位置する。インレット区域は、プロセスガスインレット端において第一のシェル部によってさらに取り囲まれてもよい。プロセスガスアウトレット区域は、第二の管板の近くで、これも冷却媒体の反対側に位置する。また、アウトレット区域は、第三のシェル部によってさらに取り囲まれてもよい。第三のシェル部におけるプロセスガスアウトレット端では、アウトレットプロセスガス収集器が、少なくとも一つのバイパス管を出る少なくともプロセスガスの一部を収集し、そして熱交換管の一部を出る冷却されたプロセスガスも収集するように位置する。   According to one embodiment of the invention, this is achieved by a waste heat boiler for heat exchange of a relatively hot process gas with a cooling medium, wherein the waste heat boiler has at least one shell part (heat A second shell part of the exchange zone) and at least two tube plates disposed at the inlet and outlet ends of the second shell part of the heat exchange zone, whereby the second shell part and the two pipes A plate surrounds the heat exchange area of the waste heat boiler. A plurality of heat exchange tubes and at least one process gas bypass tube are disposed in the heat exchange section and secured in the first tube sheet near the first end of each tube, and the second of each tube Fixed in the second tubesheet near the end of the tube. At least one cooling medium inlet and at least one cooling medium outlet are located on the waste heat boiler so that the cooling medium can flow into and out of the heat exchange zone on the shell side of the tube. To do. Therefore, the cooling medium is surrounded by the second shell portion and the first and second tube sheets. A process gas inlet zone is located on the opposite side of the cooling medium near the first tubesheet. The inlet area may be further surrounded by a first shell at the process gas inlet end. The process gas outlet area is located near the second tube sheet, which is also on the opposite side of the cooling medium. The outlet area may be further surrounded by a third shell portion. At the process gas outlet end in the third shell, an outlet process gas collector collects at least a portion of the process gas exiting at least one bypass tube and a cooled process gas exiting a portion of the heat exchange tube Also located to collect.

プロセスガスは、第一のシェル部、プロセスガスインレット端から、熱交換管インレット及びバイパス管インレットへ流れ、熱交換管及び少なくとも一つのバイパス管を通って、熱交換管アウトレット及び少なくとも一つのバイパスプロセスガスアウトレットを出て、第三のシェル部、プロセスガスアウトレット端へと流れる。冷却媒体は、冷却媒体インレットを介して熱交換区域中へ流れ、そして熱交換管のシェル側と接触し、そして、冷却媒体は冷却媒体アウトレットを通って熱交換区域を出る前に、少なくとも一つのバイパス管のシェル側と接触することができる。プロセスガスは、第一の温度でプロセスガスインレット区域に進入し、そして第二の比較的低温で熱交換管を出る。バイパス管を出るプロセスガスは、第一の温度より低いか又は同じであるが、第二の温度よりは高い、第三の温度を有する。アウトレットプロセスガス収集器は、バイパスプロセスガスの少なくとも一部及び熱交換されたプロセスガスの一部を混合する。したがって、混合されたプロセスガス温度は、第二の温度よりも高いが第三の温度よりも低い、第四の温度を有する。この混合物中の熱交換されたプロセスガスの量及びバイパスガスの量は、この第四の温度が、収集されたバイパスプロセスガス及び熱交換されたプロセスガスの下流に位置する制御弁の過剰な腐食を防止するのに十分低いように構成される。制御弁は、廃熱ボイラーを出る全プロセスガス流中の混合されたプロセスガスの量を制御する。廃熱ボイラーを出る全プロセスガス流は、第二の温度より高いか又は該温度と同じであるが、第四の温度よりも低い、一定の第五の温度であるべきである。制御弁は、混合されたプロセスガスの体積流量を、出て行く全プロセスガスの体積流量と比較して制御することができ、そしてそれにより、変動する第二及び第四の温度、及びそれらの体積流量に伴ってさえ、第五の温度を制御することができる。したがって、一定の高い第一の温度及び一定の低い第五の温度を目的とすることにより、熱交換管の汚染／腐食に起因して第二の温度は上昇するが、第四の温度を有するバイパスプロセスガスの体積流量を低減する制御弁の使用によって第五の温度を一定に維持することができる。   Process gas flows from the first shell portion, process gas inlet end to the heat exchange pipe inlet and the bypass pipe inlet, through the heat exchange pipe and at least one bypass pipe, to the heat exchange pipe outlet and at least one bypass process. Exits gas outlet and flows to third shell, end of process gas outlet. The cooling medium flows through the cooling medium inlet into the heat exchange zone and contacts the shell side of the heat exchange tube, and the cooling medium passes through the cooling medium outlet before at least one of the heat exchange areas. Can contact the shell side of the bypass pipe. Process gas enters the process gas inlet zone at a first temperature and exits the heat exchange tube at a second relatively low temperature. The process gas exiting the bypass pipe has a third temperature that is lower or the same as the first temperature, but higher than the second temperature. The outlet process gas collector mixes at least a portion of the bypass process gas and a portion of the heat exchanged process gas. Thus, the mixed process gas temperature has a fourth temperature that is higher than the second temperature but lower than the third temperature. The amount of heat exchanged process gas and the amount of bypass gas in this mixture is due to excessive corrosion of the control valve where this fourth temperature is located downstream of the collected bypass process gas and heat exchanged process gas. Configured to be low enough to prevent The control valve controls the amount of mixed process gas in the total process gas stream exiting the waste heat boiler. The total process gas stream exiting the waste heat boiler should be at a constant fifth temperature that is higher than or equal to the second temperature, but lower than the fourth temperature. The control valve can control the volume flow rate of the mixed process gas compared to the volume flow rate of all outgoing process gases, thereby varying the second and fourth temperatures, and their Even with the volume flow rate, the fifth temperature can be controlled. Thus, by aiming at a constant high first temperature and a constant low fifth temperature, the second temperature will rise due to contamination / corrosion of the heat exchange tubes, but will have a fourth temperature. The fifth temperature can be kept constant through the use of a control valve that reduces the volumetric flow rate of the bypass process gas.

本発明のさらなる実施形態によれば、アウトレットプロセスガス収集器中での熱交換されたプロセスガスと、迂回したプロセスガスとの混合は、収集器中の制御弁の上流に位置する混合手段によって強化することができる。該混合手段は、いずれかの公知の機能及び材料のものであることができる。   According to a further embodiment of the invention, the mixing of the heat exchanged process gas and the bypassed process gas in the outlet process gas collector is enhanced by a mixing means located upstream of the control valve in the collector. can do. The mixing means can be of any known function and material.

本発明のさらなる実施形態において、一つのバイパス管が存在し、そして収集器は、該一つのバイパス管を出るプロセスガス及び少なくとも一つの熱交換管を出る熱交換されたプロセスガスを収集する。   In a further embodiment of the invention, there is one bypass pipe and the collector collects process gas exiting the one bypass pipe and heat exchanged process gas exiting at least one heat exchange pipe.

本発明の他の実施形態において、プロセスガスインレット区域は、第一のシェル部を比較的高温のプロセスガスから保護するために、セラミックライナーでライニングされる。   In other embodiments of the invention, the process gas inlet section is lined with a ceramic liner to protect the first shell portion from relatively hot process gases.

本発明のさらなる実施形態において、バイパス管、混合手段及びプロセスガス収集器をセラミックライナーでライニングすることもできる。   In a further embodiment of the invention, the bypass pipe, mixing means and process gas collector can also be lined with a ceramic liner.

本発明の一実施形態において、冷却媒体は水であるか、又は蒸気であることができる。熱交換区域に進入する際、冷却媒体は水であることができ、そしてその水の一部又は全部は、冷却媒体アウトレットを介して熱交換区域を出る冷却媒体の全部又は一部が蒸気であるように、比較的高温のプロセスガスとの間接的熱交換によって加熱することができる。   In one embodiment of the invention, the cooling medium can be water or steam. Upon entering the heat exchange zone, the cooling medium can be water, and some or all of the water is steam, all or part of the cooling medium exiting the heat exchange zone via the cooling medium outlet. As such, it can be heated by indirect heat exchange with a relatively hot process gas.

本発明のさらなる実施形態において、第二のシェル部、又は第一、第二及び第三のシェル部のいずれもが、実質的に円筒状であることができる。円筒形状は、圧力耐性であり、かつ、材料を節約する形状であるため、有利であり得る。実質的に、とは、ある断面において楕円であり、かつ、別の断面において円形からかけ離れていない、例えば、円形、長円形、正方形、五角形、六角形等である、いずれかの形状を意味する。   In further embodiments of the present invention, the second shell portion or any of the first, second and third shell portions can be substantially cylindrical. The cylindrical shape may be advantageous because it is pressure resistant and saves material. By substantially is meant any shape that is oval in one cross section and not far from a circle in another cross section, for example, a circle, oval, square, pentagon, hexagon, etc. .

本発明のさらなる実施形態において、複数の熱交換管は、管板中において実質的に円形配列に配置され、そしてその円形配列の実質的中央に、バイパス管又は少なくとも一つのバイパス管が配置される。実質的に、とは、位置が数学的に正確である必要はなく、熱交換効率及び材料コストを考慮する限り、広い範囲で形状は可変である。   In a further embodiment of the invention, the plurality of heat exchange tubes are arranged in a substantially circular arrangement in the tube sheet, and a bypass pipe or at least one bypass pipe is arranged substantially in the center of the circular arrangement. . Substantially, the position does not need to be mathematically accurate, and the shape is variable in a wide range as long as heat exchange efficiency and material cost are considered.

本発明の一実施形態において、廃熱ボイラーは、湿式硫酸を生産するプロセスプラントにおいて使用される。   In one embodiment of the invention, the waste heat boiler is used in a process plant that produces wet sulfuric acid.

本発明の特徴は次のとおりである。   The features of the present invention are as follows.

１．比較的高温のプロセスガスを、冷却媒体と熱交換するための廃熱ボイラーであって、
・シェル部、
・少なくとも二つの管板、
・複数の熱交換管、
・少なくとも一つのバイパス管、
・該シェル部及び該少なくとも二つの管板で取り囲まれた熱交換区域、
・プロセスガスインレット区域、
・プロセスガスアウトレット区域、
・少なくとも一つの冷却媒体インレット、
・少なくとも一つの冷却媒体アウトレット、を含み、
該比較的高温のプロセスガスは、該プロセスガスインレット区域において、該熱交換管及び該少なくとも一つのバイパス管に進入し、該熱交換管中を流れる少なくともプロセスガスが該冷却媒体と間接的に熱交換される、該熱交換区域を通って流れ、そして該プロセスガスアウトレット区域へ出、その際、該廃熱ボイラーは、制御弁及びアウトレットプロセスガス収集器をさらに含み、該制御弁は、該アウトレットガス収集器を通って流れる該プロセスガスの体積流量の制御を可能にし、該プロセスガス収集器は、該少なくとも一つのバイパス管を出るプロセスガス及び該熱交換管の一部を出る冷却されたプロセスガスの少なくとも一部を収集する、上記の廃熱ボイラー。 1. A waste heat boiler for exchanging heat of a relatively hot process gas with a cooling medium,
・ Shell part,
At least two tube sheets,
・ Multiple heat exchange tubes,
At least one bypass pipe,
A heat exchange area surrounded by the shell portion and the at least two tube sheets,
・ Process gas inlet area,
・ Process gas outlet area,
At least one cooling medium inlet,
At least one coolant outlet,
The relatively hot process gas enters the heat exchange tube and the at least one bypass tube in the process gas inlet zone, and at least the process gas flowing through the heat exchange tube indirectly heats the cooling medium. To be exchanged, flowing through the heat exchange zone and exiting to the process gas outlet zone, wherein the waste heat boiler further comprises a control valve and an outlet process gas collector, the control valve comprising the outlet Allowing control of the volumetric flow rate of the process gas flowing through the gas collector, the process gas collector being a cooled process exiting the at least one bypass pipe and a portion of the heat exchange pipe The waste heat boiler described above that collects at least a portion of the gas.

２．上記のアウトレットプロセスガス収集器が、該制御弁の上流に位置し、該少なくとも一つのバイパス管を出る比較的高温のプロセスガスを、該熱交換管の一部を出る冷却されたプロセスガスと混合するための混合手段をさらに含む、上記の特徴１に記載の廃熱ボイラー。 2. The outlet process gas collector is located upstream of the control valve and mixes the relatively hot process gas exiting the at least one bypass pipe with the cooled process gas exiting a portion of the heat exchange pipe The waste heat boiler of claim 1, further comprising a mixing means for

３．一つのバイパス管を含み、該アウトレットプロセスガス収集器が、該バイパス管を出るプロセスガス及び該熱交換管の少なくとも一つを出るプロセスガスを収集する、上記の特徴１又は２に記載の廃熱ボイラー。 3. The waste heat according to feature 1 or 2, comprising a bypass pipe, wherein the outlet process gas collector collects process gas exiting the bypass pipe and process gas exiting at least one of the heat exchange pipes boiler.

４．該プロセスガスインレット区域が、セラミックライナーでライニングされる、上記の特徴１〜３のいずれか一つに記載の廃熱ボイラー。 4). The waste heat boiler according to any one of the preceding features, wherein the process gas inlet section is lined with a ceramic liner.

５．さらに、セラミックライナーにより、該バイパス管の内壁がライニングされ、そして該アウトレットプロセスガス収集器の少なくとも一部がライニングされる、上記の特徴４に記載の廃熱ボイラー。 5. The waste heat boiler of claim 4, further comprising a ceramic liner lining the inner wall of the bypass pipe and lining at least a portion of the outlet process gas collector.

６．該冷却媒体が水または蒸気又は水と蒸気の両方である、上記の特徴１〜５のいずれか一つに記載の廃熱ボイラー。 6). The waste heat boiler according to any one of the above features 1 to 5, wherein the cooling medium is water or steam or both water and steam.

７．該シェルが実質的に円筒形状を有し、そして該少なくとも二つの管板が実質的に円形状を有する、上記の特徴１〜６のいずれか一つに記載の廃熱ボイラー。 7). The waste heat boiler according to any one of the preceding features 1-6, wherein the shell has a substantially cylindrical shape and the at least two tubesheets have a substantially circular shape.

８．該熱交換管が、該管板中に円形配列に配置され、そして該バイパス管が、実質的に、該配列の中央に配置される、上記の特徴１〜７のいずれか一つに記載の廃熱ボイラー。 8). 8. The feature of any one of the preceding features 1-7, wherein the heat exchange tubes are arranged in a circular array in the tube sheet, and the bypass tubes are arranged substantially in the center of the array. Waste heat boiler.

９．上記の特徴１〜８に記載の廃熱ボイラーにおいて、比較的高温のプロセスガスを冷却媒体と熱交換する方法であって、次の工程、
・該比較的高温のプロセスガスを該プロセスガスインレット区域に提供する工程、
・該冷却媒体を該廃熱ボイラーの熱交換区域に提供する工程、
・該熱交換区域に位置する熱交換管中で、該比較的高温のプロセスガスの第一の部分を、該冷却媒体と間接的に熱交換する工程、
・該プロセスガスインレット区域からの該比較的高温のプロセスガスの第二の部分を、該熱交換区域を通って、該プロセスガスアウトレット区域へと、該冷却媒体と実質的に熱交換することなく迂回させる工程、
・該迂回させたプセスガスの少なくとも一部及び該冷却されたプロセスガスの一部を、アウトレットプロセスガス収集器中に収集し、そして混合する工程、
・該収集され、そして混合されたプロセスガスの体積流量を、制御弁で制御する工程、
を含む、上記の方法。 9. In the waste heat boiler according to any one of the above features 1 to 8, a method for heat exchange of a relatively high temperature process gas with a cooling medium, the following steps:
Providing the relatively hot process gas to the process gas inlet area;
Providing the cooling medium to a heat exchange zone of the waste heat boiler;
Indirect heat exchange of the first portion of the relatively hot process gas with the cooling medium in a heat exchange tube located in the heat exchange zone;
The second portion of the relatively hot process gas from the process gas inlet zone passes through the heat exchange zone to the process gas outlet zone without substantially exchanging heat with the cooling medium. Detouring process,
Collecting and mixing at least a portion of the bypassed process gas and a portion of the cooled process gas in an outlet process gas collector;
Controlling the volume flow of the collected and mixed process gas with a control valve;
Including the above method.

１０．上記の特徴１〜８のいずれか一つに記載の廃熱ボイラーの、硫酸製造プロセスプラントにおける使用。 10. Use of the waste heat boiler according to any one of the above features 1 to 8 in a sulfuric acid production process plant.

本発明の実施形態による廃熱ボイラー１００の断面図である。1 is a cross-sectional view of a waste heat boiler 100 according to an embodiment of the present invention. 温度を記した、図１の廃熱ボイラーを示す図である。It is a figure which shows the waste-heat boiler of FIG. 1 which described temperature.

図１は、本発明の実施形態による廃熱ボイラー１００の断面図である。廃熱ボイラーは、第一のシェル部、プロセスガスインレット端１１０；第二のシェル部、熱交換区域１２０及び第三のシェル部、プロセスガスアウトレット端１３０を含み、それら全てが実質的に円筒形状及び実質的に同じ径を有するが、図からわかるように、同じ材料厚である必要はない。材料厚並びに材料の選択は、プロセス条件に応じて変えることができる。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a waste heat boiler 100 according to an embodiment of the present invention. The waste heat boiler includes a first shell portion, a process gas inlet end 110; a second shell portion, a heat exchange zone 120 and a third shell portion, a process gas outlet end 130, all of which are substantially cylindrical in shape. And have substantially the same diameter, but need not be the same material thickness, as can be seen from the figure. Material thickness as well as material selection can vary depending on process conditions.

第一の管板、プロセスガスインレット端１１５は、第一のシェル部を第二のシェル部から分離する。同様に、第二の管板、プロセスガスアウトレット端１２５は、第二のシェル部を第三のシェル部から分離する。そのため、第一のシェル部及び第一の管板は、プロセスガスインレット区域１１２を取り囲み；第二のシェル部は第一及び第二の管板に沿って、熱交換区域１２６を取り囲み；そして第三のシェル部及び第二の管板は、プロセスガスアウトレット区域１３２を取り囲む。プロセスガスインレット区域の内面は、該内面をインレットプロセスガスの高温から保護するために、例えば、セラミックライナーなどのライナー１１１を有することができる。   A first tube sheet, process gas inlet end 115 separates the first shell portion from the second shell portion. Similarly, the second tube sheet, process gas outlet end 125 separates the second shell portion from the third shell portion. Thus, the first shell portion and the first tube sheet surround the process gas inlet zone 112; the second shell portion surrounds the heat exchange zone 126 along the first and second tube plates; The three shell portions and the second tube sheet surround the process gas outlet area 132. The inner surface of the process gas inlet zone can have a liner 111, such as a ceramic liner, to protect the inner surface from the high temperature of the inlet process gas.

第一及び第二の管板は、熱交換管１２３を受容するための相当する穴を有する。熱交換管は、少なくとも第一の管板から熱交換区域を介して少なくとも第二の管板まで延びている。各熱交換管と、管板との間の接続は、気密かつ液密に行われる。各熱交換管は、プロセスガスインレット区域中に位置する熱交換管インレット１１４、及びプロセスガスアウトレット区域中に位置する熱交換管アウトレット１３４を有する。   The first and second tube sheets have corresponding holes for receiving the heat exchange tubes 123. The heat exchange tube extends from at least the first tube sheet through the heat exchange area to at least the second tube sheet. The connection between each heat exchange tube and the tube sheet is made airtight and liquid tight. Each heat exchange tube has a heat exchange tube inlet 114 located in the process gas inlet zone and a heat exchange tube outlet 134 located in the process gas outlet zone.

第一及び第二の管板はまた、少なくとも一つのプロセスガスバイパス管１２４のための少なくとも一つの相当する穴を有する。図１による本発明の実施形態においては、一つのプロセスガスバイパス管がある。該プロセスガスバイパス管と、第一及び第二の管板との間の接続は、気密かつ液密に行われる。プロセスガスバイパス管は、プロセスガスインレット区域中に位置するバイパスプロセスガスインレット１１３及びプロセスガスアウトレット中に位置するバイパスプロセスガスアウトレット１３３を有する。比較的高温のプロセスガス温度から管を保護でき、そしてまた、冷却媒体と迂回させたプロセスガスとの間での間接的熱交換を低減することもできるライニング（図示せず）をプロセスガスバイパス管に設けることもできる。   The first and second tube sheets also have at least one corresponding hole for at least one process gas bypass tube 124. In the embodiment of the invention according to FIG. 1, there is one process gas bypass pipe. The connection between the process gas bypass pipe and the first and second tube sheets is made airtight and liquidtight. The process gas bypass pipe has a bypass process gas inlet 113 located in the process gas inlet area and a bypass process gas outlet 133 located in the process gas outlet. A process gas bypass pipe with a lining (not shown) that can protect the pipe from relatively high process gas temperatures and can also reduce indirect heat exchange between the cooling medium and the bypassed process gas It can also be provided.

熱交換区域では、冷却媒体インレット１２１が、冷却媒体を熱交換区域へ流体的に接続する。少なくとも一つの冷却媒体インレットは、熱交換区域への流体的接続がもたらされる限り、第二のシェル部のいずれかの位置か、又は第一又は第二の管板上にさえ位置させることができる。熱交換区域のシェル部上での位置を図１に示す。熱交換区域へ流体的に接続した状態で位置する冷却媒体アウトレット１２２は、熱交換区域からの冷却媒体のアウトレットを提供する。   In the heat exchange zone, the coolant inlet 121 fluidly connects the coolant to the heat exchange zone. The at least one cooling medium inlet can be located anywhere on the second shell, or even on the first or second tube sheet, so long as a fluid connection to the heat exchange zone is provided. . The position of the heat exchange zone on the shell is shown in FIG. A cooling medium outlet 122 located in fluid connection to the heat exchange area provides an outlet for the cooling medium from the heat exchange area.

それゆえ、各熱交換管及びプロセスガスバイパス管は、プロセスガスインレットから、熱交換区域を介して、プロセスガスアウトレット区域まで流体的接続を提供することによって、プロセスガスが、冷却媒体に直接接触することなく熱交換区域を通って流れるのを可能にする。熱交換管中を流れるプロセスガスは、冷却媒体と間接的に熱交換されるが、迂回させた、すなわち、プロセスガスバイパス管中を流れるプロセスガスの一部は、ほとんど又は比較的低く又は実質的に冷却媒体と間接的に熱交換されない。バイパス管がライニングされていない場合、迂回させたプロセスガスは、いくぶん冷却媒体と熱交換されるが、バイパス管の体積の表面積に対する比が大きいことに起因して、バイパス管中での熱交換は、熱交換管中での熱交換と比較して低い。バイパス管が、例えば、セラミックライナーでライニングされている場合、バイパス管中を流れる迂回させたプロセスガスと、冷却媒体との間の間接的熱交換は、比較的低いか、又は０に近いものとなる。いずれかの場合において、熱交換管アウトレットを出る熱交換されたプロセスガスの温度は、バイパスプロセスガスアウトレットを出る迂回させたプロセスガスの温度よりもかなり低い。   Thus, each heat exchange tube and process gas bypass tube provides direct fluid connection to the cooling medium by providing a fluid connection from the process gas inlet, through the heat exchange zone, to the process gas outlet zone. Allowing it to flow through the heat exchange area without any problems. The process gas flowing through the heat exchange pipe is indirectly heat exchanged with the cooling medium, but is diverted, i.e., a portion of the process gas flowing through the process gas bypass pipe is almost or relatively low or substantially Indirect heat exchange with the cooling medium. If the bypass pipe is not lined, the diverted process gas is somewhat heat exchanged with the cooling medium, but due to the large ratio of bypass pipe volume to surface area, heat exchange in the bypass pipe is Low compared to heat exchange in heat exchange tubes. If the bypass pipe is lined with, for example, a ceramic liner, the indirect heat exchange between the bypassed process gas flowing through the bypass pipe and the cooling medium is relatively low or close to zero. Become. In either case, the temperature of the heat exchanged process gas exiting the heat exchange tube outlet is significantly lower than the temperature of the diverted process gas exiting the bypass process gas outlet.

プロセスガスアウトレット区域中にはアウトレットプロセスガス収集器１３６が位置する。それは、迂回させたプロセスガス及び熱交換されたプロセスガスの一部を収集する。図１による実施形態において、プロセスガス収集器は、迂回させたプロセスガス及びバイパス管の周囲で円形配列にある、バイパス管に最も近い位置の熱交換管を出る熱交換されたプロセスガスを収集する。アウトレットプロセスガス混合手段はプロセスガス収集器の内側に位置して、迂回させたプロセスガス及び熱交換されたプロセスガスを、制御弁、バイパス管アウトレット１３５が、制御弁の相当な腐食をもたらすほど高い温度のプロセスガスの臨界量に曝されない程度にまでに確実に混合する。   An outlet process gas collector 136 is located in the process gas outlet area. It collects a portion of the diverted process gas and the heat exchanged process gas. In the embodiment according to FIG. 1, the process gas collector collects the diverted process gas and the heat exchanged process gas exiting the heat exchange tube closest to the bypass tube in a circular arrangement around the bypass tube. . The outlet process gas mixing means is located inside the process gas collector, so that the bypassed process gas and the heat exchanged process gas are so high that the control valve, bypass pipe outlet 135 causes considerable corrosion of the control valve. Mix reliably to the extent that it is not exposed to a critical amount of temperature process gas.

上述の制御弁は、アウトレットプロセスガス収集器からプロセスガスアウトレット区域へ出る、混合されたプロセスガスの量を制御する。それゆえ、熱交換されたプロセスガスの温度が、混合されたプロセスガスアウトレット１３８を出る、迂回させた及び熱交換されたプロセスガスの混合物の温度よりも低いため、制御弁は、プロセスガスアウトレット区域を出るプロセスガスの温度を、熱交換されたガスの温度と、混合されたバイパスガスの温度との間の間隔内で変化させることができる。あるいはより重要なのは、例えば、熱交換管中の汚染のために例えば低減された間接的熱交換に起因して、熱交換されたプロセスガスの温度が様々な場合でさえ、制御弁は、プロセスガスアウトレット区域を出るプロセスガスの温度を一定レベルで維持できることである。   The control valve described above controls the amount of mixed process gas exiting the outlet process gas collector to the process gas outlet area. Therefore, because the temperature of the heat exchanged process gas is lower than the temperature of the diverted and heat exchanged process gas mixture exiting the mixed process gas outlet 138, the control valve is in the process gas outlet area. The temperature of the process gas exiting can be varied within an interval between the temperature of the heat exchanged gas and the temperature of the mixed bypass gas. Or, more importantly, the control valve can be used even if the temperature of the heat exchanged process gas varies, for example due to reduced indirect heat exchange due to contamination in the heat exchange tubes. The temperature of the process gas exiting the outlet area can be maintained at a constant level.

図２は、温度を記した、図１の廃熱ボイラーを示している。温度は次の関係を有する。
ｔ１≧ｔ３＞ｔ４＞ｔ２
ｔ４＞Ｔ５≧ｔ２ FIG. 2 shows the waste heat boiler of FIG. 1 with the temperature noted. The temperature has the following relationship:
t1 ≧ t3>t4> t2
t4> T5 ≧ t2

１００ 廃熱ボイラー、ＷＨＢ
１１０ 第一のシェル部、プロセスガスインレット端
１１１ ライニング
１１２ プロセスガスインレット区域
１１３ バイパスプロセスガスインレット
１１４ 熱交換管インレット
１１５ 第一の管板、プロセスガスインレット端
１２０ 第二のシェル部、熱交換区域
１２１ 冷却媒体インレット
１２２ 冷却媒体アウトレット
１２３ 熱交換管
１２４ プロセスガスバイパス管
１２５ 第二の管板、プロセスガスアウトレット端
１２６ 熱交換区域
１３０ 第三のシェル部、プロセスガスアウトレット端
１３２ プロセスガスアウトレット区域
１３３ バイパスプロセスガスアウトレット
１３４ 熱交換管アウトレット
１３５ 制御弁、バイパス管アウトレット
１３６ アウトレットプロセスガス収集器
１３７ アウトレットプロセスガス混合手段
１３８ 混合されたプロセスガスアウトレット 100 Waste heat boiler, WHB
110 First shell part, process gas inlet end 111 Lining 112 Process gas inlet area 113 Bypass process gas inlet 114 Heat exchange pipe inlet 115 First tube sheet, process gas inlet end 120 Second shell part, heat exchange area 121 Cooling medium inlet 122 Cooling medium outlet 123 Heat exchange pipe 124 Process gas bypass pipe 125 Second tube plate, process gas outlet end 126 Heat exchange zone 130 Third shell portion, process gas outlet end 132 Process gas outlet zone 133 Bypass process Gas outlet 134 Heat exchange pipe outlet 135 Control valve, bypass pipe outlet 136 Outlet process gas collector 137 Outlet process gas mixing means 138 Mixed Russia Seth gas outlet

Claims (10)

比較的高温のプロセスガスを、冷却媒体と熱交換するための廃熱ボイラーであって、
・シェル部、
・少なくとも二つの管板、
・複数の熱交換管、
・少なくとも一つのバイパス管、
・該シェル部及び該少なくとも二つの管板で取り囲まれた熱交換区域、
・プロセスガスインレット区域、
・プロセスガスアウトレット区域、
・少なくとも一つの冷却媒体インレット、
・少なくとも一つの冷却媒体アウトレット、を含み、
該比較的高温のプロセスガスは、該プロセスガスインレット区域において、該熱交換管及び該少なくとも一つのバイパス管に進入し、該熱交換管中を流れる少なくともプロセスガスが該冷却媒体と間接的に熱交換される、該熱交換区域を通って流れ、そして該プロセスガスアウトレット区域へ出、その際、該廃熱ボイラーは、制御弁及びアウトレットプロセスガス収集器をさらに含み、該制御弁は、該アウトレットガス収集器を通って流れるプロセスガスの体積流量の制御を可能にし、該プロセスガス収集器は、該少なくとも一つのバイパス管を出る該プロセスガス及び該熱交換管の一部を出る冷却されたプロセスガスの少なくとも一部を収集する、上記の廃熱ボイラー。 A waste heat boiler for exchanging heat of a relatively hot process gas with a cooling medium,
・ Shell part,
At least two tube sheets,
・ Multiple heat exchange tubes,
At least one bypass pipe,
A heat exchange area surrounded by the shell portion and the at least two tube sheets,
・ Process gas inlet area,
・ Process gas outlet area,
At least one cooling medium inlet,
At least one coolant outlet,
The relatively hot process gas enters the heat exchange tube and the at least one bypass tube in the process gas inlet zone, and at least the process gas flowing through the heat exchange tube indirectly heats the cooling medium. To be exchanged, flowing through the heat exchange zone and exiting to the process gas outlet zone, wherein the waste heat boiler further comprises a control valve and an outlet process gas collector, the control valve comprising the outlet Allowing control of the volumetric flow rate of the process gas flowing through the gas collector, the process gas collector being a cooled process exiting the at least one bypass pipe and a portion of the heat exchange pipe The waste heat boiler described above that collects at least a portion of the gas. 前記アウトレットプロセスガス収集器が、前記制御弁の上流に位置し、前記少なくとも一つのバイパス管を出る比較的高温のプロセスガスを、前記熱交換管の一部を出る冷却されたプロセスガスと混合するための混合手段をさらに含む、請求項１に記載の廃熱ボイラー。   The outlet process gas collector is located upstream of the control valve and mixes the relatively hot process gas exiting the at least one bypass pipe with the cooled process gas exiting a portion of the heat exchange pipe. The waste heat boiler according to claim 1, further comprising a mixing means. 一つのバイパス管を含み、前記アウトレットプロセスガス収集器が、該バイパス管を出るプロセスガス及び前記熱交換管の少なくとも一つを出るプロセスガスを収集する、請求項１又は２に記載の廃熱ボイラー。   The waste heat boiler according to claim 1 or 2, comprising a bypass pipe, wherein the outlet process gas collector collects a process gas exiting the bypass pipe and a process gas exiting at least one of the heat exchange pipes. . 前記プロセスガスインレット区域が、セラミックライナーでライニングされる、請求項１〜３のいずれか一つに記載の廃熱ボイラー。   The waste heat boiler according to any one of claims 1 to 3, wherein the process gas inlet section is lined with a ceramic liner. さらに、セラミックライナーにより、前記バイパス管の内壁がライニングされ、そして前記アウトレットプロセスガス収集器の少なくとも一部がライニングされる、請求項４に記載の廃熱ボイラー。   The waste heat boiler of claim 4, further comprising a ceramic liner lining an inner wall of the bypass pipe and lining at least a portion of the outlet process gas collector. 前記冷却媒体が水または蒸気又は水と蒸気の両方である、請求項１〜５のいずれか一つに記載の廃熱ボイラー。   The waste heat boiler according to any one of claims 1 to 5, wherein the cooling medium is water, steam, or both water and steam. 前記シェルが実質的に円筒形状を有し、そして前記少なくとも二つの管板が実質的に円形状を有する、請求項１〜６のいずれか一つに記載の廃熱ボイラー。   The waste heat boiler according to any one of claims 1 to 6, wherein the shell has a substantially cylindrical shape and the at least two tube sheets have a substantially circular shape. 前記熱交換管が、前記管板中に円形配列に配置され、そして前記バイパス管が、実質的に、前記配列の中央に配置される、請求項１〜７のいずれか一つに記載の廃熱ボイラー。   A waste according to any one of the preceding claims, wherein the heat exchange tubes are arranged in a circular array in the tube sheet and the bypass tubes are arranged substantially in the center of the array. Thermal boiler. 請求項１〜８のいずれか一つに記載の廃熱ボイラーにおいて、比較的高温のプロセスガスを冷却媒体と熱交換する方法であって、次の工程、
・該比較的高温のプロセスガスをプロセスガスインレット区域に提供する工程、
・該冷却媒体を該廃熱ボイラーの熱交換区域に提供する工程、
・前記熱交換区域中に位置する熱交換管中で、前記比較的高温のプロセスガスの第一の部分を、前記冷却媒体と間接的に熱交換する工程、
・前記プロセスガスインレット区域からの前記比較的高温のプロセスガスの第二の部分を、該熱交換区域を通って、前記プロセスガスアウトレット区域へと、前記冷却媒体と実質的に熱交換することなく迂回させる工程、
・迂回させたプセスガスの少なくとも一部及び冷却されたプロセスガスの一部を、アウトレットプロセスガス収集器中に収集し、そして混合する工程、
・前記収集され、そして混合されたプロセスガスの体積流量を、制御弁で制御する工程、
を含む、上記の方法。 The waste heat boiler according to any one of claims 1 to 8, wherein the heat exchange is performed between a relatively high-temperature process gas and a cooling medium, the following steps:
Providing the relatively hot process gas to a process gas inlet area;
Providing the cooling medium to a heat exchange zone of the waste heat boiler;
Indirect heat exchange of the first portion of the relatively hot process gas with the cooling medium in a heat exchange tube located in the heat exchange zone;
The second portion of the relatively hot process gas from the process gas inlet zone passes through the heat exchange zone to the process gas outlet zone without substantially exchanging heat with the cooling medium. Detouring process,
Collecting and mixing at least a portion of the bypassed process gas and a portion of the cooled process gas in an outlet process gas collector;
-Controlling the volume flow of the collected and mixed process gas with a control valve;
Including the above method. 請求項１〜８のいずれか一つに記載の廃熱ボイラーの、硫酸製造プロセスプラントにおける使用。   Use of the waste heat boiler according to any one of claims 1 to 8 in a sulfuric acid production process plant.
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