用于從熱工藝流回收熱的殼管式裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適合于通過蒸發(fā)例如水的介質(zhì)來從工藝流回收熱的殼管式熱交換器。這種熱交換器通常稱為廢熱鍋爐(waste heat boiler, WHB)0
【背景技術(shù)】
[0002]在化學(xué)和石化工廠中的通常需求是從熱氣體(例如燃燒過程或強(qiáng)烈放熱反應(yīng)的流出物)回收熱。熱通常通過在適當(dāng)?shù)膲毫ο滤恼舭l(fā)和產(chǎn)生熱蒸汽來回收；蒸汽可以內(nèi)部地用在該過程中，在適當(dāng)?shù)那闆r下，來產(chǎn)生電力或驅(qū)動(dòng)輔助設(shè)備(例如壓縮機(jī))。
[0003]豎直殼管式蒸汽鍋爐廣泛地用在現(xiàn)有技術(shù)中以滿足這一需求。例如在典型的現(xiàn)有技術(shù)的豎直蒸汽鍋爐中，熱氣體在U形管束中流動(dòng)，該U形管束向上布置并在底部處連接到管板；水的蒸發(fā)發(fā)生在殼側(cè)中，其以用于蒸汽分離的集成式蒸汽鼓筒(steam drum)為特征。
[0004]這一設(shè)計(jì)相對緊湊并且不需要外部的蒸汽鼓筒；然而，它暴露了腐蝕的問題，該腐蝕問題主要是由于水懸浮體在管的外面和管板上的沉積引起的。另外，通過重力的自然沉積，已經(jīng)注意到，通過水在殼側(cè)中的不均勻分布而引起水懸浮體的沉積。更高程度的固體沉積已經(jīng)在殼側(cè)的多個(gè)區(qū)域中觀察到，在該多個(gè)區(qū)域中供水更加困難且蒸發(fā)較劇烈，伴隨有可能發(fā)生的干透。術(shù)語“干透”表示違反核態(tài)沸騰和熱交換系數(shù)的突然降低，這還可以引起管的過熱。另一問題由在制造的過程中可能發(fā)生的沉積和氧化給出，并且由于該區(qū)域的難以接近而不能被最終用戶去除。
[0005]這一設(shè)計(jì)的另一個(gè)缺點(diǎn)是由于以下事實(shí):當(dāng)熱氣體進(jìn)入管中時(shí)，管的在管板內(nèi)側(cè)的第一部分并未通過蒸發(fā)介質(zhì)而被冷卻，因此該第一部分比管的浸入蒸發(fā)介質(zhì)中的部分熱得多。當(dāng)入口氣體溫度對于管材料太高、或者超過將引起管材料腐蝕的限度時(shí)，對于管的入口部需要特殊的設(shè)計(jì)。所述特殊的設(shè)計(jì)可以包括內(nèi)保護(hù)套管(ferrule)、將所述管在后側(cè)上接合到的管板、在通道中對管板的保護(hù)特征。這些特征增加了該構(gòu)造的成本和復(fù)雜度并降低了其可靠性和可維修性。
[0006]在水平布置中也拒絕考慮了上述設(shè)計(jì)。即使利用該布置避免了在管板上的沉積的問題，但其它的缺點(diǎn)仍然存在。
[0007]殼管式廢熱鍋爐的一個(gè)可替選的現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)提供了水在管中循環(huán)，但是在該情況下，總是設(shè)置有用于蒸汽分離的外部蒸汽鼓筒。所述外部蒸汽鼓筒和相關(guān)的管路(piping)增加了設(shè)備成本、安裝成本和空間需求。
[0008]從熱工藝流回收熱是提高許多化學(xué)工廠和化學(xué)過程的整體能量效率的重要途徑。另一方面，對于廢熱鍋爐的高的投資成本或故障風(fēng)險(xiǎn)(例如，由于腐蝕)可能阻止該能量的回收。由于常規(guī)的廢熱鍋爐的上述缺點(diǎn)，現(xiàn)有技術(shù)沒有提供完全令人滿意的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供了一種用于廢熱鍋爐的新穎設(shè)計(jì)，其克服了現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)。該新穎設(shè)計(jì)結(jié)合了在管側(cè)中蒸發(fā)和蒸發(fā)部分的集成分離而無需外部鼓筒的優(yōu)點(diǎn)。
[0010]這些目的通過殼管式裝置來實(shí)現(xiàn)，該殼管式裝置包括具有交換部和分離部的容器，其中:
[0011]所述交換部包含U形管的束和圍繞所述管的熱腔室，所述管具有各自的管入口端部和管出口端部，所述熱腔室與用于熱工藝流的輸入口連通，
[0012]所述分離部包括收集腔室，所述收集腔室與管的所述出口端部連通，
[0013]所述裝置還包括用于可蒸發(fā)的液體介質(zhì)的輸入口，所述輸入口與所述管入口端部連通，
[0014]從而，在操作的過程中，所述管在穿過所述熱腔室時(shí)暴露于所述熱工藝流，同時(shí)可蒸發(fā)的介質(zhì)在所述管的里面流動(dòng)時(shí)而被加熱并至少部分蒸發(fā)，并且至少部分蒸發(fā)的介質(zhì)在離開所述管之后被允許進(jìn)入到所述收集腔室，
[0015]所述分離部還被布置成提供來自所述至少部分蒸發(fā)的介質(zhì)的蒸汽部分和液體部分的分尚。
[0016]該裝置的分離部可以被布置成提供可能借助于合適的分離器通過重力將蒸汽部分與液體部分(例如蒸汽與水)分離，該分離器優(yōu)選位于收集腔室的頂部中。例如，該分離器可以為除霧器或旋風(fēng)分離器。
[0017]優(yōu)選地，該分離部被布置成提供通過重力分離的蒸汽具有在重量上至少98%的純度。更優(yōu)選地，所述分離部被布置成提供通過重力分離的蒸汽具有在重量上99.5%或更大的純度。蒸汽的純度可以利用合適的機(jī)構(gòu)(例如在適當(dāng)?shù)那闆r下利用蒸汽干燥器)來進(jìn)一步增加。
[0018]優(yōu)選地，該裝置包括用于保持在所述收集腔室中所控制的液位的控制機(jī)構(gòu)。液位的調(diào)節(jié)可以包括潔凈水的控制進(jìn)給和未蒸發(fā)的液體部分的部分再循環(huán)。相應(yīng)地，該裝置可以包括對應(yīng)的機(jī)構(gòu)來檢測收集腔室里面的液位，并調(diào)節(jié)允許進(jìn)入到管的潔凈液體的量和再循環(huán)液體的量。
[0019]在收集腔室中的液位可被調(diào)節(jié)成在該液位上方留下合適的自由體積。例如，確定所述自由體積以允許通過重力分離所述蒸汽部分(或其至少相關(guān)部分)。該液位還可以被調(diào)節(jié)成為再循環(huán)的未蒸發(fā)的液體部分的自然循環(huán)提供足夠的壓力。鍋爐進(jìn)給壓力還可以用來便于再循環(huán)。
[0020]未蒸發(fā)的液體部分的再循環(huán)可以通過重力來驅(qū)動(dòng)，或者在一些實(shí)施方式中，通過一個(gè)或多個(gè)例如栗或噴射器的循環(huán)設(shè)備來驅(qū)動(dòng)。再循環(huán)的未蒸發(fā)的液體部分與潔凈液體的混合可以在該裝置的里面或外面進(jìn)行。未蒸發(fā)的液體的部分優(yōu)選地從收集器排出，以維持所期望的純凈度。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式，該裝置可以豎直或水平地布置。
[0022]在豎直布置中，分離部優(yōu)選在交換部上方。
[0023]在豎直布置中，所述U形管的束優(yōu)選地面向下。根據(jù)該優(yōu)選的實(shí)施方式，每一根管具有起始于所述入口端部的第一直線部、第二直線部以及連接所述第一直線部和所述第二直線部的U形部，所述可蒸發(fā)的介質(zhì)在所述第一直線部中向下流動(dòng)，所述介質(zhì)在所述第二直線部中向上流動(dòng)直到所述介質(zhì)到達(dá)所述管的所述出口端部。
[0024]在水平布置中，所述U形管的束為水平的且優(yōu)選在下部中具有入口部。因此，每一根管具有起始于入口端部的第一下直線部，其中，可蒸發(fā)的介質(zhì)流向U形部，該U形部將所述第一下部連接到第二上直線部，所述介質(zhì)在所述第二上直線部中流動(dòng)直到所述介質(zhì)到達(dá)管的出口端部。
[0025]在大多數(shù)實(shí)施方式中，可蒸發(fā)的介質(zhì)為水，其部分地轉(zhuǎn)化成蒸汽以回收熱。因此，以下將參照水/蒸汽進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0026]本發(fā)明具有以下的主要優(yōu)點(diǎn):由于液體的蒸發(fā)發(fā)生在管側(cè)中，因此懸浮體的沉積的死點(diǎn)和相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)得以減小。所有的管被同樣地進(jìn)給并加熱，因此沒有可能出現(xiàn)上述提到的干透現(xiàn)象的區(qū)域。蒸汽部分在收集腔室中的分離避免了對外部的分離器的需求，因此降低了總成本。上述管的在管板里面的第一部分的過熱的風(fēng)險(xiǎn)也得以避免。
[0027]參考附圖，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)通過下文的示例性且非限制性目的而提供的說明書將更加明顯。
【附圖說明】
[0028]圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的豎直殼管式裝置的示意性截面圖。
[0029]圖2為根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的水平殼管式裝置的示意性截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的豎直殼管式廢熱鍋爐1。
[0031]鍋爐1被設(shè)計(jì)成通過加熱并蒸發(fā)給水W而從熱氣體G回收熱，從而在合適壓力下產(chǎn)生蒸汽S。
[0032]所述鍋爐1基本上包括體現(xiàn)為殼管式熱交換器的下交換部2和從管接收混合的汽水流出物的上分離部3，并且上分離部3被設(shè)計(jì)成將蒸汽與未蒸發(fā)的水分離。
[0033]更詳細(xì)地，下部2包括管4的束和圍繞所述管4的熱腔室7，所述管4的束具有各自的管入口端部5和管出口端部6。該下部2大體上操作為殼管式熱交換器，其中管被供給有水W，并且熱氣體G穿過殼側(cè)(即，熱腔室7)。
[0034]管的束以示意性方式示出。每一根管4為具有以下部分的U形管:第一直線部4a、第二直線部4b和連接所述直線部的U形部4c。管由管板32支撐。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，在豎直布置(圖1)中，在豎直鍋爐中，管面向下，即U形連接部4c位于豎直束的底部處。
[0036]熱腔室7與用于熱氣體G的入口 8連通。所述氣體G例如可以為燃燒、再成形或放熱化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。
[0037]用于冷卻的氣體Gc的氣體出口 9也與熱腔室7連通。冷卻的氣體經(jīng)由圍繞所述腔室7的環(huán)形區(qū)域10離開腔室7。圖1還示出了用于熱氣體G的分配器11和防沖板12，以及允許熱氣體G進(jìn)入腔室7的導(dǎo)管13。
[0038]管4的入口端部5經(jīng)由進(jìn)給腔室15與用于潔凈給水W的入口 14連通。在一些實(shí)施方式中，潔凈水W在其進(jìn)入管4之前，可以與從分離部3回收的合適量的未蒸發(fā)的水混入口 ο
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