CN102798312B - 锅炉余热回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锅炉余热回收装置，包括换热元件，所述换热元件为人造石墨，本发明的锅炉余热回收装置充分回收锅炉烟气余热，显著提高锅炉给水温度，可以将烟气的排放温度降到酸露点以下，减少锅炉烟气中有害气体的排放，达到节能减排的双重目的。

Description

锅炉余热回收装置

技术领域

本发明涉及换热设备制造领域，特别涉及一种锅炉余热回收装置。 

背景技术

在工业锅炉运行过程中存在着排烟温度高、燃烧不充分、锅炉热效率低等问题。排烟热损失中的能源总量庞大，将这一部分能源充分利用来余热空气和水，提高空气温度以及给水温度，在一定程度上能够提高燃料利用效率。我国工业锅炉近五十年来一直使用铸铁省煤器回收烟气余热，其传热效率低、积灰难清理、不耐腐蚀。国内外针对工业锅炉余热回收利用课题也开发了几种类型的装置，低温腐蚀、积灰堵灰、制造及运行成本之间的矛盾。因此研发推广运行成本低、使用寿命长、使用范围广，能够运用于各种型号新装置以及在用的燃煤、燃油、燃天然气的蒸汽锅炉、热水锅炉和有机热载体锅炉，且可以应用于具有余热回收价值的化工装置的工业锅炉余热锅炉余热回收装置具有重要的实际意义。验证了锅炉烟气出口温度高达260℃-320℃；铸铁省煤器实际应用效率不到3%，锅炉排烟温度仍然超过200℃。 

锅炉余热回收装置中需要采用换热元件，传统石墨不能用于换热元件，温度超过110℃就开裂了，所以本领域技术人员存在技术偏见是认为人造石墨无法用于换热元件。 

发明内容

本发明提出一种锅炉余热回收装置，可以高效回收锅炉余热。本发明所采用的技术方案具体是这样实现的： 

本发明提供一种锅炉余热回收装置，其包括换热元件，所述换热元件为人造石墨。

优选地，所述锅炉余热回收装置位于烟道的入口和出口之间。 

优选地，所述换热元件中的人造石墨经过石墨浸渍、固化处理和热处理而形成。 

优选地，所述人造石墨的导热系数平均值为120.3 W/m·℃，热膨胀系数 6×10^-6/℃-11×10^-6/℃，热分解温度大于250℃，滑动摩擦系数低于0.2。 

优选地，还包括热水箱、冷水箱、循环泵、控制仪表以及它们之间的连接管路，烟道热量通过所述换热元件传递给位于其内部的循环水进行锅炉余热的回收。 

优选地，所述换热元件为圆块式、列管式、圆筒式或者其组合式。 

优选地，所述换热元件包括紧邻烟道入口的再热段和与所述再热段连接的换热段。 

优选地，所述再热段为圆筒形夹套结构，内部为耐腐蚀的石墨制双向翅片圆筒，烟气从内部通过，外面是不锈钢制外壳。 

优选地，所述换热段为圆筒形夹套结构，内部由四块石墨圆块组合为所述人造石墨换热元件，圆筒外壳为不锈钢，石墨圆块组件为可拆卸更换结构，石墨圆块纵向和横向开有相互交错的孔道。 

优选地，所述换热元件包括上管板、下管板和位于其间的若干人造石墨换热管，所述锅炉余热回收装置上部安装磁翻板液位计和液位报警联锁装置。 

本发明的锅炉余热回收装置，充分回收锅炉烟气余热，显著提高锅炉给水温度可达90℃-95℃；可以将烟气的排放温度降到酸露点以下，减少锅炉烟气中有害气体的排放，达到节能减排的双重目的。现场测试分析，锅炉余热回收装置实现了提高锅炉热效率8%-10%的预期目标。 

附图说明

图1是本发明第一实施例的锅炉余热回收装置的风冷流程框图。 

图2是本发明第一实施例的锅炉余热回收装置的水冷流程框图。 

图3是本发明第一实施例的锅炉余热回收装置的机构示意图。 

图4是本发明第一实施例的锅炉余热回收装置流程框图。 

图5是本发明第二实施例的锅炉余热回收装置的机构示意图。 

图6是本发明第二实施例的锅炉余热回收装置流程框图。 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。 

锅炉余热回收装置技术领域中，普遍存在人造石墨不能用于换热元件的技术偏见，因为传统的人造石墨处在110℃左右的高温环境下就会出现变脆或断裂，本发明申请人为了进一步掌握石墨材料综合性能，加工了大量的测试用试件，委托国内知名科研机构分别对石墨材料的线膨胀系数、导热系数、热稳定性、摩擦磨损、结构及力学性能进行了测试分析，综合评价结果为：①石墨除了强氧化性介质外，对其它化学药品均表现出化学惰性；②导热系数平均值为120.3 W/(m·℃)，是钢的三倍、不锈钢的七倍；③石墨热膨胀系数 6×10^-6-11×10^-6（1/℃），属于热膨胀较小的材料；④石墨热分解温度大于250℃，满足锅炉节能装置换热元件的要求；⑤在试验温度（200℃）以下，石墨滑动摩擦系数低于0.2，属于较低摩擦系数材料；⑥石墨粉是加工石墨换热管的主要原材料，从SEM图可知，石墨粉尺寸可达到几十微米。 

由于导热系数高的物质有优良的导热性能，在热流密度和厚度相同时，物质高温侧壁面与低温侧壁面间的温度差，随导热系数增大而减小。在锅炉烟气出口安装应用锅炉余热回收装置，充分回收高温烟气中的余热，用于加热锅炉的给水，最大限度地降低烟气排放温度，达到节能减排目的。 

本发明采用的人造石墨换热元件，其包括依次进行的石墨浸渍和固化处理工艺，具体地，其中石墨浸渍工艺包括步骤：a. 清洁石墨件,干燥处理。具体地，消除石墨件表面灰尘、油垢，并进行干燥处理；b. 装在浸渍釜内抽真空。具体地，将石墨件放在吊框中，将所述吊框放入浸渍釜中，将盖盖紧，接通管线，开始抽真空；抽真空的真空度不得低于0.095Mpa，时间不少于6小时，浸渍压力达0.96MPa，浸渍时间6-8小时。c. 真空下抽入树脂。具体地，在继续抽真空的条件下，开启阀门将树脂抽入所述浸渍釜中；本实施例中，树脂量将石墨件浸没10cm -15cm。d. 通入压缩空气，取出石墨件晾干。具体地，通入压缩空气，使所述树脂全部排空压回到储存罐内，打开所述浸渍釜盖，取出石墨件晾干；其中，具体地，固化处理工艺包括步骤：e. 装入固化釜、压缩空气加压。具体地，将浸渍好并晾干的石墨件装入聚合釜内，石墨件间隔开，固定好封盖,开启压缩机通入压缩空气，并进行气压保持；本发明具体实施例中，气压保持在0.93MPa。f. 通电加热固化、冷却。具体地，接通电路，在聚合釜夹套内缓慢进行加温，加温至所需温度后恒温保持，恒温完毕后，停止加热，排空卸压，使其自然冷却；缓慢加温每小时不超过20℃，加热结束保持保持4小时以上恒温。优选地，其中升温和降温采用分散控制***（DCS）进行控制。接着，取出石墨件，数次浸渍、固化。具体地，对石墨件重复进行三次所述石墨浸渍和所述固化处理工艺过程；之后，装入热处理箱，通电升温热处理、冷却，取出石墨件。具体地，将石墨件整齐地放入热处理箱中对石墨件进行热处理，待热处理箱内温度自然降至环境温度后打开箱门，取出石墨件；热处理温度在250-300℃范围内，保温时间15天。本发明的人造石墨换热元件生产方法中，石墨件采用液压施压的石墨管挤出机，压力为420×10³kg -450×10³kg。人造石墨换热元件生产方法中，热处理时每小时升温2℃-3℃，在温度上升至130℃左右保持恒温数小时，在温度上升至180℃左右保持恒温数小时，在温度上升至250℃左右保持恒温数小时，在温度上升至 300℃左右恒温保持150-300小时。 

本发明采用的人造石墨换热元件，经工艺改进特别是增加了热处理工艺后，使浸渍不透性石墨材料中的树脂彻底固化，期间极少部分树脂会碳化，在保证机械强度的前提下，提高了石墨材料的组织结构稳定性，抗热冲击能力大幅度提高，保证了人造石墨的使用性能。通过实践证明，采用新工艺制造的人造石墨材料能完全满足锅炉余热回收的需要，装置运行平稳、安全可靠、经久耐用。因此采用新工艺提高了人造石墨换热元件的综合性能。 

本发明采用的人造石墨换热元件，为了进一步提高石墨材料的机械强度，在浸渍参数和固化参数的工艺过程中在常规基础上进行了较大改进，包括延长抽真空时间，提高真空度；提高浸渍压力，延长浸渍时间；采用DCS控制手段，减小固化升温和降温的幅度并提高稳定性和准确性。 

另外，对于石墨管常规工艺进行了改进，传统的石墨管挤出机的施压装置为电动马达驱动螺旋杆进行机械施压，一般压力为170×10³kg-200×10³kg；本发明具体实施例的人造石墨换热元件生产方法中对施压装置进行了改造，由油压***进行液压施压，压力提高到420×10³kg -450×10³kg。经改造后，大大提高了石墨管挤出压力，使石墨管材质更加致密、强度显著提高、传热性能更佳，为研发装置的传热效果、可靠性及耐用性提供了保证。 

另外，本发明采用的人造石墨换热元件生产过程中，制作专用热处理釜，采用电加热方式，对锅炉余热回收装置用石墨圆块、石墨圆筒和石墨管，在浸渍和固化后，增加250℃-300℃热处理工艺，保温时间达到15天。常规固化处理时间一般为10小时，固化温度一般为180℃-200℃。通过热处理，使浸渍不透性石墨材料中的酚醛树脂彻底固化，期间极少部分酚醛树脂会碳化，热处理需在保证机械强度的前提下，提高石墨材料的组织结构和使用稳定性；因酚醛树脂的线膨胀系数大于石墨，热处理后进一步降低了浸渍不透性石墨材料的热膨胀系数；因酚醛树脂的传热系数小于石墨，热处理后进一步提高了研发石墨材料的综合性能。 

本发明采用的人造石墨换热元件，可以提高石墨元件的耐温、耐磨蚀，提高石墨元件的抗热冲击能力、机械强度、使用寿命和导热系数，降低石墨元件的膨胀系数，使其使用场合大大提高，适合用于制造锅炉余热回收装置中的换热元件。本发明采用人造石墨作为换热元件，克服了传统技术偏见，需要对人造石墨进行特殊处理工艺以得到技术支持，从而使得人造石墨可以用于锅炉中的余热回收装置。 

第一实施例 

图1是本发明第一实施例的锅炉余热回收装置的风冷流程框图，如图1所示，锅炉出口烟道出来的含有大量热量的烟气经过锅炉余热回收装置后，其中的部分热量传递给锅炉余热回收装置，从而实现锅炉余热的回收再利用，图1中，由送风机将冷空气输送通过锅炉余热回收装置后，冷风变成热风，之后热风通入锅炉进口风道，从而实现热量的回收再利用，节约能源。

图2是本发明第一实施例的锅炉余热回收装置的水冷流程框图，如图2所示，锅炉出口烟道出来的含有大量热量的烟气经过锅炉余热回收装置后，其中的部分热量传递给锅炉余热回收装置，从而实现锅炉余热的回收再利用，图2中，由水泵或循环泵将冷水输出通过锅炉余热回收装置后，热量通过该装置中的人造石墨换热元件传递给冷水，进而使得冷水变成蒸汽或热水，从而实现热量的回收再利用，节约能源。 

图3是本发明第一实施例的锅炉余热回收装置的机构示意图，图4是本发明第一实施例的锅炉余热回收装置流程框图。 

结合图3和图4，本实施例的锅炉余热回收装置位于烟道的入口I和出口O之间，锅炉余热回收装置包括热水箱10、冷水箱（未图示）、人造石墨换热元件20、循环泵30、控制仪表以及它们之间的连接管路40，烟道热量通过人造石墨换热元件传递给位于其内部的循环水进行锅炉余热的回收。 

本实施例的锅炉余热回收装置中，人造石墨换热元件20可以为圆块式、列管式、圆筒式或者其组合式；人造石墨换热元件包括紧邻烟道入口I的再热段100和与再热段100连接的换热段200；本实施例中，再热段100为圆筒形夹套结构，内部为耐腐蚀的石墨制双向翅片圆筒，烟气从内部通过，外面是不锈钢制外壳，优选地，所外壳与石墨翅片圆筒之间采用四氟填料密封；优选地，换热段200为圆筒形夹套结构，内部由四块石墨圆块组合为人造石墨换热元件，圆筒外壳为不锈钢，石墨圆块组件为可拆卸更换结构，石墨圆块纵向和横向开有相互交错的孔道。本实施例中，优选地，石墨圆块之间密封为四氟垫片，石墨圆块与壳体之间的密封为填料。 

如图3所示，本实施例中，燃煤工业锅炉所采用的人造石墨换热元件的锅炉余热回收装置主要由再热段100和换热段200组成。再热段100采用圆筒形夹套结构，内部为耐腐蚀的石墨制双向翅片圆筒，烟气从内部通过；外面是不锈钢制外壳，被换热段加热的锅炉软水在外壳与翅片管间流动，在高温烟气区回收更多的余热，继续被加热以获得更高温度的热水，然后流进热水箱的热水区作为锅炉给水；双向翅片大大增加了石墨圆筒的传热面积，外壳与石墨翅片圆筒之间采用四氟填料密封。换热段200采用圆筒形夹套结构，内部由四块石墨圆块组合为换热元件，不仅结构紧凑而且换热面积非常大;圆筒外壳为不锈钢；石墨圆块组件为可拆卸更换结构，便于检修和更换；石墨圆块纵向和横向开有相互交错的孔道，孔间壁厚只有6毫米，横向孔内通过锅炉软水，纵向孔内流过高温烟气，二者进行热量交换。石墨圆块之间密封为四氟垫片，石墨圆块与壳体之间的密封为填料。 

本实施例中，优选地，锅炉余热回收装置的分配箱顶部配有冲洗检查口，可以定期打开进入内部进行检查和除灰，也可以用水管***直接进行冲洗，解决了积灰堵灰的难题。锅炉余热回收装置后部的烟道，在烟气温度降低到酸露点以下时会产生腐蚀，烟道内表面需采用耐高温涂料（如有机硅涂料）进行喷涂防腐；水漠除尘器之后的设备和烟道的运行条件不会因为节能装置的使用而改变，故无需任何处理。 

如图4所示，锅炉余热回收装置中的热水箱10用于贮存锅炉给水，采用圆筒形或矩形结构，中间用带开孔的立板分隔为热水区和冷水区，容积根据水温和换热量计算确定，带有液位自动控制装置；循环水泵可以手动控制启停，也可以与引风机联锁，在锅炉启停炉时自动控制，锅炉运行期间微功率循环水泵连续运行，实现了锅炉烟气余热的不间断回收，使热水箱10中软水始终保持较高温度；锅炉余热回收装置上部安装磁翻板液位计和液位报警联锁装置50，液位过低时会报警并启动循环泵进行补水，确保了锅炉余热回收装置的安全使用。 

如图4，本发明的锅炉余热回收装置的流程图中由锅炉烟气流程和软水流程组成。锅炉排出的高温烟气直接进入再热段100，烟气被再热段100锅炉软水吸收部分热量后进入换热段200，在换热段200与锅炉软水进行充分热交换，烟气温度快速降低而锅炉软水温度快速上升，充分回收烟气的余热；紊流状态的烟气在换热段分布到上百个竖孔内向下稳速流动，烟气中的颗粒粉尘在自重和流动惯性作用下从烟气中分离，沉积到除灰箱后定期进行人工清理；烟气温度降到酸露点以下，部分SO₂ 、NO₂等有害介质凝结成雾状或液态从烟气中分离，在换热段及出口烟道中沉淀或带入水漠除尘器，减少了通过引风机及烟囱排放到大气的锅炉烟气中有害介质的含量，而且水漠除尘器沉淀池中本来就定期加石灰或碱进行中和处理，无需增加处理措施。 

对于锅炉软水流程，来自钠离子交换器的软水通过浮球阀的控制，使热水箱10中锅炉软水始终保持在正常范围内；微功率循环泵30一用一备，将热水箱10冷水区的软水从锅炉余热回收装置的换热段200下部送入，由内置折流板将软水进行七次折向，在每个石墨圆块组件的横孔内折向流通，较大的流程和足够多的换热时间，充分回收烟气余热后软水温度快速上升；通过软水流通管进入再热段继续与锅炉出口高温烟气进行热交换，软水温度再次提高后流进热水箱热水区，作为锅炉的补给水。 

本发明用于燃油（气）工业锅炉余热高效回收，实现了节能8%-10%，最高使用温度350℃，回收热水温度90℃-95℃。具有耐腐蚀性强、结构紧凑、占地面积小、操作维护方便、不影响锅炉安全运行等特点。 

本发明的锅炉余热回收装置，充分回收锅炉烟气余热，显著提高锅炉给水温度可达90℃-95℃；可以将烟气的排放温度降到酸露点以下，减少锅炉烟气中有害气体的排放，达到节能减排的双重目的。现场测试分析，锅炉余热回收装置实现了提高锅炉热效率8%-10%的预期目标。 

第二实施例 

图5是本发明第二实施例的锅炉余热回收装置的机构示意图。图6是本发明第二实施例的锅炉余热回收装置流程框图。

本实施例中与实施例一相同之处不再赘述，本实施例中，人造石墨换热元件包括上管板、下管板和位于其间的若干人造石墨换热管。如图3所示，锅炉余热回收装置为竖式列管结构，包括上储水筒1、下封头6、上管板2、下管板5、人造石墨换热管3等。装置内部以人造石墨管为换热元件，石墨换热管与石墨管板之间粘接密封；锅炉高温烟气直接进入装置烟气进口，在石墨换热管束间流过，从装置烟气出口排出；从装置下部进水，在下封头内发布到石墨换热管内；上储水筒用于储存来自石墨换热管的热水，并从出水口流出；上管板为水浮头密封结构，提高了锅炉余热回收装置的耐高温性能。上储水筒和下封头为不锈钢，装置外壳和烟气进出口分配环为钢壳。锅炉余热回收装置配有冲洗检查口4，可以定期打开进行内部检查和除灰，也可以用水管***直接进行冲洗，解决了积灰堵灰的难题。 

由于燃油（气）工业锅炉一般无引风机，锅炉余热回收装置的结构设计需考虑尽量减少烟气流通阻力；锅炉余热回收装置外壳、烟气出口分配环和装置后部的烟道，在烟气温度降低到酸露点以下时会产生腐蚀，内表面需采用耐高温涂料（如有机硅涂料）进行喷涂防腐。 

本实施例中，如图6所示，锅炉余热回收装置流程主要由锅炉烟气流程和软水流程组成。锅炉排出的高温烟气直接进入锅炉余热回收装置壳程，装置内石墨管束中间装有烟气隔板，烟气进入壳程后由上向下与石墨管束内软水进行逆流换热，再由下向上与烟气中隔板另一侧的石墨管束内软水换热，然后进入出口烟道。高温烟气在锅炉余热回收装置内进行充分热交换，烟气温度快速降低而锅炉软水温度快速上升，高温烟气被回收大量的余热后温度降到90℃以下；烟气温度降到酸露点以下，部分NO_X 、SO₂等凝结成雾状或液态从烟气中分离，在锅炉余热回收装置中沉淀，减少了锅炉排烟中有害介质的含量。 

来自钠离子交换器的软水通过浮球阀的控制，使热水箱中锅炉软水始终保持在正常范围内；热水箱用于贮存锅炉给水，圆筒形或矩形结构，中隔板带导流孔，分为热水区和冷水区，容积根据水温和换热量计算确定。微功率循环水泵一用一备，将热水箱冷水区的软水从锅炉余热回收装置下部送入，通过石墨管束进入上储水筒，充分回收高温烟气余热后软水温度快速升高到90℃-95℃，然后流进热水箱高温区，作为锅炉的补给水。 

循环水泵自动控制。锅炉运行期间微功率循环水泵连续运行，实现了锅炉烟气余热的不间断回收，使热水箱中软水始终保持较高温度；锅炉余热回收装置上部安装液位报警联锁装置，液位过低时报警并启动循环泵进行补水，确保了锅炉余热回收装置的安全使用。 

本发明充分回收锅炉烟气余热，显著提高锅炉给水温度可达90℃-95℃；可以将烟气的排放温度降到酸露点以下，减少锅炉烟气中有害气体的排放，达到节能减排的双重目的。现场测试分析，锅炉余热回收装置实现 了提高锅炉热效率8%-10%的预期目标。以热效率的提高值8.0%计算，每消耗万吨燃煤，可节约燃煤800吨，以每吨900元价格计算，经济效益预期达72万元，节能效果显著，社会经济效益显著。 

本发明克服了传统的人造石墨不能用于换热元件的技术偏见，通过对石墨改性，改进石墨制作工作，将石墨用于锅炉，取得了良好的效益。 

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。 

Claims (9)

1.一种锅炉余热回收装置，其特征在于，包括换热元件，所述换热元件为人造石墨，所述人造石墨的导热系数平均值为120.3 W/m·℃，热膨胀系数 6×10^-6/℃-11×10^-6/℃，热分解温度大于250℃，滑动摩擦系数低于0.2。

2.如权利要求1所述的锅炉余热回收装置，其特征在于，所述锅炉余热回收装置位于烟道的入口和出口之间。

3.如权利要求1所述的锅炉余热回收装置，其特征在于，所述换热元件中的人造石墨经过石墨浸渍、固化处理和热处理而形成。

4.如权利要求1所述的锅炉余热回收装置，其特征在于，还包括热水箱、冷水箱、循环泵、控制仪表以及它们之间的连接管路，烟道热量通过所述换热元件传递给位于其内部的循环水进行锅炉余热的回收。

5.如权利要求1所述的锅炉余热回收装置，其特征在于，所述换热元件为圆块式、列管式、圆筒式或者其组合式。

6.如权利要求1所述的锅炉余热回收装置，其特征在于，所述换热元件包括紧邻烟道入口的再热段和与所述再热段连接的换热段。

7.如权利要求6所述的锅炉余热回收装置，其特征在于，所述再热段为圆筒形夹套结构，内部为耐腐蚀的石墨制双向翅片圆筒，烟气从内部通过，外面是不锈钢制外壳。

8.如权利要求6所述的锅炉余热回收装置，其特征在于，所述换热段为圆筒形夹套结构，内部由四块石墨圆块组合为所述换热元件，圆筒外壳为不锈钢，石墨圆块组件为可拆卸更换结构，石墨圆块纵向和横向开有相互交错的孔道。

9.如权利要求1所述的锅炉余热回收装置，其特征在于，所述换热元件包括上管板、下管板和位于其间的若干人造石墨换热管，所述锅炉余热回收装置上部安装磁翻板液位计和液位报警联锁装置。

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