SE506894C2 - Rörvärmeväxlare med dubbelväggig mantel och förfarande och anläggning för tillverkning av kimrök - Google Patents

Description

15 20 25 30 506 894 väderinverkan.

Med undantag för balkplattan 15 visar figurerna 1 och 2 en konventionell anläggning för framställning av kimrök (alltså av typen ugnssvart). Inkommande förbränningsluft strömmar genom en rörledning 1 in i den övre delen av en rörvärmeväxlare 2, i vilken den förvärms inför den därpå följande förbränningen av olja i brännaren 9 och förbränningsreaktorn 3. Den således förvärmda luften leds in i förbränningskammaren via en ledning 5. Olja tillförs till nämnda reaktor genom en rörledning 4. Mängden luft motsvarar ungefär 50% av den stökiometriska mängden syrgas för fullständig förbränning av oljan, varvid kimrök bildas. Éventuellt tillsätts även vatten i reaktorn 3, vilket har inverkan pà slutproduktens kvalité. Blandningen av suspenderad kimrök i förbrukad förbränninsluft avleds från värmeväxlarens topp via en ledning 6, genom en vanligen vattenkyld kylare 7 till en filteranläggning 8, vanligen utrustad med textila spärrfilter. I denna filteranläggning filtreras kimröken bort från gasflödet, vilket sedan leds ut via en backventil 16 för vidare rening i en anläggning 11, innan den släpps ut i fria luften genom en skorsten 12.

Värmeväxlarens 2 konstruktion framgår närmare ur figur 2. Värmeväxlaren är av rörtyp med ett flertal genomgående, väsentligen lodräta rör 13. Inuti dessa stiger de heta gaserna från förbränningen, varvid de kyls av luften som kommer in via inloppet 1 och passerar utanför rören 13 nedåt mot utloppet 5, inneslutna av manteln 14. Temperaturen vid värmeväxlarens inlopp 1 kan vara ungefär 1000°C och luften i rören 13 kan förvärmas till ungefär 800°C. Dessa förhållanden innebär ytterst svåra påfrestningar pà materialen i Värmeväxlaren. Den del av värmeväxlaren som är utsatt för de högsta mekaniska belastningarna är den nedre delen av manteln, där metalltemperaturen kan uppgå till ungefär 900°C. En uppmätt temperaturprofil i manteln 14 visas i diagrammet i figur 4. Vid samtidigt inre tryck av cza 1 bar och manteldiametrar på omkring 2000 mm, samt en tornhöjd på ungefär 13 m, innebär detta att mycket tjocka metallväggar mäste användas eftersom materialets hàllfasthet vid dessa temperaturer endast är i 10 15 20 25 30 35 506 894 3 storleksordningen 5 N/mm=. Instabilitet kan lätt uppstå i manteln vid stillestànd, varvid risken för buckling är överhängande. Ett flertal haverier p.g.a. buckling har också inträffat, med betydande kostnader som följd. Det finns alltså starka skäl för att kunna sänka mantelns temperatur och därmed att arbeta vid förhållanden där hállfastheten i manteln är tillräckligt hög för att undvika problem med avseende på instabilitet.

Ett oönskat processfenomen som uppträder i värmeväxlaren är att rören 13 kan sättas igen av kol. Den inkommande luften av omgivningstemperatur eller något högre, kyler nämligen rörväggen och de förbrända gaserna, som är i fämvikt vid rörens 13 inlopp och därför kommer atf underkylas på rörets insida, varvid kol kan bildas enligt Boudoir- reaktionen 2CO + C + C02. Det pá detta sätt bildade kolet bidrar tillsammans med de kolpartiklar som finns i gasen till att igensättning sker. Ett sätt att minska tendensen till igensättning vore att minska graden av underkylning av gasen, dvs att arbeta med varmare rörväggar. Detta skulle i så fall kunna ske genom att förvärma luften som strömmar in genom ledningen l. Dà skulle emellertid mantelns nedre del bli ännu hetare och belastningen av denna skulle således ytterligare accentueras.

Ett första syfte med föreliggande uppfinning är således att minska värmebelastningen pà en rörvärmeväxlares mantel, i synnerhet vid tillverkning av kimrök.

Ett andra syfte med föreliggande uppfinning är att förhindra igensättningar av kol pà värmeväxlarrörens insidor.

Ytterligare syften för föreliggande uppfinning är att förlänga livslängden för värmeväxlaren vid kimrökstillverkning samt minimera antalet driftsstörningar i nämnda växlare. Ännu ett syfte för föreliggande uppfinning är att förbättra värmeväxlarens effektivitet.

Dessa och ytterligare syften har lyckats uppnås genom att utforma värmeväxlaren med dubbla mantelväggar i enlighet med de självständiga patentkravens kännetecknande delar.

I àskàdliggörande men icke begränsande syfte kommer nu uppfinningen att närmare beskrivas under hänvisning till de 10 15 20 25 30 35 506 894 4 bifogade ritningarna. Dessa presenteras kort härmed: Figur 1 visar schematiskt en konventionell anläggning för tillverkning av kimrök, såsom redan beskrivits ovan.

Figur 2 visar en värmeväxlare enligt teknikens ståndpunkt (så när som på balkplattan 15), såsom redan beskrivits ovan.

Figur 3 visar en värmeväxlare enligt föreliggande uppfinning.

Figur 4 visar manteltemperaturen i värmeväxlaren enligt figur 2 respektive enligt figur 3.

Värmeväxlaren enligt uppfinningen upptar samma plats i principschemat enligt figur 1 som den tidigare-kända värmeväxlaren. Den uppvisar nedtill ett inlopp 1'"för inströmmande förbränningsluft. Dennas temperatur ligger lämpligen mellan omgivningstemperatur och ungefär 100°C.

Värmeväxlaren omfattar en mantel 14' av i huvudsak cirkulärt tvärsnitt, vilken innesluter ett rum 16. Den har ofta ansenliga dimensioner, såsom en diameter på ungefär 2 m och en höjd på mellan 10 och 15 m, samt innesluta mellan 50 och 150 rör. I likhet med värmeväxlarens övriga delar är konstruktionsmaterialet lämpligen ett eldhärdigt rostfritt stål. Upptill och nedtill begränsas värmeväxlaren av väsentligen cirkelrunda tätningsväggar 17 resp 18 av ett lämpligt isolermaterial, såsom exempelvis en keramisk massa. I enlighet med en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning uppbär den nedre tätningsväggen 18 en balkplatta 15 med ett inlopp 19 och ett utlopp 20 för kylmedium, lämpligen luft, som låtes passera genom balkplattan, detta för att i möjligaste mån värmeisolera värmeväxlaren från den mycket heta (Cza lOOO°C).

Väsentligen lodrätt och genom hela rummet 16 sträcker indunstningskammaren 10 sig värmeväxlarrör 13'. Dessa har exempelvis en diameter på mellan 5 och 10 cm. De är nedtill insvetsade i manschetter 21, medan de upptill löper i tätande kompensatorer eller manschetter 22, vilka senare tillåter en viss rörlighet med hänsyn till återkommande kontraktioner resp värmeutvidgningar av rören. Gaserna som strömmar in nedtill i rören 13' har en temperatur på mellan 900 och l100°C, medan de vid rörens utlopp 10 15 20 25 30 506 894 5 svalnat till mellan 500 och 800°C, vanligen omkring 650°C.

Det väsentliga kännetecknet för föreliggande uppfinning är att värmeväxlaren uppvisar en andra mantelvägg 23 placerad innanför och koncentriskt med den yttre mantelväggen l4'. Denna inre mantelvägg ställes lämpligen pà balkplattan 15, eller om den senare undvaras, direkt pà ändväggen 18. Upptill slutar den strax intill den övre ändväggen 17, varigenom en spalt 24 bildas mellan ändväggens 17 undre yta och den inre mantelväggens överkant. I syfte att staga och stabilisera den inre mantelväggen, kan lämpliga stag placeras mellan de två mantelväggarna. Denna stagning möjliggör dessutom erhàllandet av en väsentligen likformig spalt mellan de tvä mantelväggarna längs hela dessas höjd. ” Monterat nedtill i den inre mantelväggen, förefinnes ett utloppsrör 25 för de förvärmda förbränningsgaserna, vilket utloppsrör ansluter till ledningen 5. Dessa har nu en temperatur pä mellan 600 och l000°C, vanligen omkring 800°C.

I syfte att sprida den inkommande förbränningsluften runt hela ringspalten, förefinnes i jämnhöjd med inloppet 1' en skärm 26, vilken är väsentligen cylindrisk. Radiellt utanför denna skärm uppvisar yttermanteln 14' ett utvidgat parti 27 för att bereda plats för de inkommande gaserna genom inloppet 1'.

Den inkommande luften genom inloppet 1' fördelas runt skärmens 26 yttersida och strömmar genom ringöppningen 28 in i det cylindriska spaltutrymmet 29, vilket lämpligen kan vara mellan 3 och 10 cm brett. Samtidigt som luften därvid kyler de två mantelväggarna, hettas den upp av den inre mantelväggen.

När luften når spalten 24 kan den ha en temperatur pà mellan 150 och 400°C, exempelvis omkring 250°C. Den yttre mantelväggen kan upptill utformas med en vidgad del 30 för att minska tryckfallsförlusten när luften omlänkas till en_nedåtriktad strömning. När luften nu när rören l3', är den redan till viss del förvärmd och därigenom blir gaserna inne i rören inte underkylda i samma utsträckning. Tack vare detta undviks de problematiska igensättningarna av kol inne i rören. Vidare uppnàs den överraskande fördelen att värmeöverföringen på rörens utsida förbättras genom att luften där, som sagt, förvärmts och därigenom tilltagit väsentligt i volym, vilket i 10 15 506 894 6 sin tur resulterar i högre hastighet. Slutligen passerar den förvärmda luften ut genom utloppet 25, för vilket ett hål är uttaget i skärmen 26.

I jämförelse med värmeväxlaren enligt figur 2, har växlaren enligt uppfinningen möjliggjort en väsentligt förbättrad värmeekonomi. Med identiska flöden och temperaturer har således produktgasens temperatur i ledningen 6 sänkts väsentligt. Vidare har behovet av isolering på värmeväxlarens utsida reducerats drastiskt.

Vidare har de termiska påfrestningarna på den belastade yttermantels väsentligt reducerats. I figur 4 visas hur enligt teknikens ståndpunkt (figur 2) mantelns temperatur vid botten uppgår till hela 900°C, för att sedan sjunka uppåt till ungefär l0O°C vid 13 m höjd. Dessa temperaturer har nu väsentligt reducerats tack vare den obelastade innermanteln, så att en maximitemperatur på ungefär 640°C erhålles närmast botten, se återigen figur 4.

Claims (6)

10 l5 20 25 30 506 894 PATENTKRAV

1. Rörvärmeväxlare avsedd att användas vid tillverkning av kimrök, innefattande ett väsentligen cylindriskt rum (16) inneslutet av en väsentligen cylinderformad yttre mantelvägg (14') och en övre och en undre ändvägg (17, 18), samt en mångfald rör (l3') vilka sträcker sig genom hela det väsentligen cylinderformade rummet (16), från den ena ändväggen till den andra, varvid till värmeväxlaren är anordnade ett inlopp (l') och ett utlopp (25) förigas avsedd att strömma på rörens (l3') utsida, k ä n n e t e c k n a d därav, att värmeväxlaren innefattar ytterligare en mantelvägg (23), vilken är väsentligen cylindrisk och placerad innanför och i huvudsak koncentriskt med den yttre mantelväggen (l4') så att ett i båda ändarna öppet, huvudsakligen cylinderformat spaltutrymme (29) bildas mellan de två mantelväggarna, varvid den genom inloppet (l') inströmmande gasen passerar detta (l3'), (29) innan den kommer i kontakt med rören (16) spaltutrymme att mellan det väsentligen cylinderformade rummet och den undre ändväggen (18) är anordnad en balkplatta med inlopp (19) och utlopp (20) för genomströmning av ett kylmedium, samt av att rören (l3') upptill löper i kompensatorer, manschett- eller hylsrör (22), vilka medgiver en kontraktion respektive en värmeutvidgning av rören.

2. Värmeväxlare enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att i jämhöjd med gasinloppet (l') är anordnad en skärm (26) i syfte att fördela den inkommande gasen i det cylinderformade spaltutrymmet (29). 10 15 25 506 894

3. Värmeväxlare enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att rören (l3') nedtill är inspända eller insvetsade i manschett- eller hylsrör (21).

4. Anläggning för tillverkning av kimrök innefattande (9), värmeväxlare för förvärmning av inkommande luft till en oljebrännare en förbränningsreaktor (3) och en förbränningsreaktorn med hjälp av produktgasströmmen från nämnda förbränningsreaktor, k ä n n e t e c k n a d därav, *att värmeväxlaren är konstruerad enligt något av-kraven l-3.

5. Förfarande för tillverkning av kimrök enligt vilket olja förbränns i en brännare (9) och i en förbränninsreaktor (3) med luft som förvärmts genom att värmeväxla den med den heta produktgasströmmen från förbränningsreaktorn i en rörvärmeväxlare, varefter produktgasströmmen leds från värmeväxlaren genom en ledning till en separationsanläggning i vilken den bildade kimröken tillvaratas, k ä n n e t e c k n a t därav, att den i värmeväxlaren inströmmande luften först bringas att kyla innan den kommer i värmeväxlarens yttre mantelvägg (l4') kontakt med värmeväxlarrören (l3'), varvid en värmeväxlare enligt något av kraven l-3 används.

6. Förfarande enligt krav 5, vari den i värmeväxlaren inströmmande luften först bringas att passera genom ett i båda ändarna öppet, väsentligen cylinderformat spaltutrymme (29), vilket är bildat av den yttre mantelväggen (l4') och en innanför denna anordnad inre mantelvägg (23).