EP2820367A1 - Rotation heat exchanger having heat exchanger plates or heat exchanger tubes made of carbon and graphite materials - Google Patents

Rotation heat exchanger having heat exchanger plates or heat exchanger tubes made of carbon and graphite materials

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Publication number
EP2820367A1
EP2820367A1 EP13702995.5A EP13702995A EP2820367A1 EP 2820367 A1 EP2820367 A1 EP 2820367A1 EP 13702995 A EP13702995 A EP 13702995A EP 2820367 A1 EP2820367 A1 EP 2820367A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
rotary
plates
gas
rotary heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13702995.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Lotfi Chouba
Thomas GRÜNBERGER
Marcus Franz
Adam Schulz
Josef Paula
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SGL Carbon SE
Original Assignee
SGL Carbon SE
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Filing date
Publication date
Application filed by SGL Carbon SE filed Critical SGL Carbon SE
Publication of EP2820367A1 publication Critical patent/EP2820367A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D19/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium
    • F28D19/04—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium using rigid bodies, e.g. mounted on a movable carrier
    • F28D19/041—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium using rigid bodies, e.g. mounted on a movable carrier with axial flow through the intermediate heat-transfer medium
    • F28D19/042—Rotors; Assemblies of heat absorbing masses
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/02—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of carbon, e.g. graphite

Definitions

  • the invention relates to a rotary heat exchanger for the recovery of heat from the exhaust air according to the preamble of the main claim.
  • Such rotary heat exchangers transfer the heat from a warm raw gas stream to a colder clean gas stream using a suitable storage mass.
  • a plurality of heating elements form the storage mass of a regenerative heat exchanger.
  • the heat exchanger plates or heat exchanger tubes representing the storage mass are arranged in such a way that they form a rotor (1). The heat is removed from the warm gas stream and released to the colder one.
  • the heat exchanger plates or heat exchanger tubes may consist of metallic materials, mostly of carbonaceous steels.
  • metallic materials mostly of carbonaceous steels.
  • it is customary to provide them with an enamel layer.
  • the aging of enamel panels is based on the material combination of steel and enamel, which are unsuitable for frequent load changes due to the different thermal expansion coefficients. Due to this unavoidable aging and concomitant porosity of the enamel layer, the underlying steel sheet is subject to severe corrosion.
  • the protection of existing metallic material heat exchanger plates or heat exchanger tubes is given only conditionally and therefore their regular renewal required.
  • Such heat exchanger plates or heat exchanger tubes have experience to be completely replaced after an operating time of about four years.
  • the storage mass required for regenerative heat transfer is subjected to further operational stresses when used in dusty gas streams.
  • This applies for example, to the storage mass of air preheaters on boiler systems or gas preheaters on flue gas cleaning systems, where the temperatures of the storage mass at least locally and / or temporarily below the Rauchgastauliens and in conjunction with flue dust and / or other smoke ingredients (additives, means for flue gas cleaning) Make deposits on the storage mass or the heating surfaces of the heating elements. The latter increase the pressure loss for the flow through the storage mass and lead in the worst case to complete obstruction / blockage of the regenerative heat exchanger.
  • Regenerative heat exchangers consist of a multiplicity of heating elements or heat accumulators which are heated by a hot gas, for example flue gas, and which subsequently release the stored heat to a colder fluid, for example air or gas.
  • a hot gas for example flue gas
  • a colder fluid for example air or gas.
  • Such regenerative heat exchangers can be used, for example, as air preheaters or gas preheaters in boiler systems and flue gas purification systems.
  • Air preheaters are designed according to the prior art so that the cold end temperature is above the so-called pollution temperature.
  • the soiling temperature is the temperature at which deposits can no longer be controlled with economically justifiable expense as a consequence of dew point discrimination and the inclusion of flue dust (ash) in the smoke condensate (sulfuric acid and / or sulfurous acid and / or other acids).
  • DE 4 337 895 discloses the use of heat exchanger plates made of carbon fibers reinforced polyarylketone or polybenzimidazole.
  • Plastic storage masses are expensive and disadvantageous because they have a low heat capacity and heat conduction.
  • WO 2001/045825 again discloses a method and an associated heat exchange device for treating a gas, wherein the application is designed especially for the energy production and for the removal of CO2 from exhaust gas or combustion gas.
  • US 2001/0047862 A1 discloses special plate heat exchangers for use as gas / gas or gas / liquid heat exchangers whose fins and plates are generally made of carbon.
  • the lowest possible flue gas outlet temperature (temperature of the flue gas after flowing through the regenerative heat exchanger) and thus also the lowest possible cold end temperature of the regenerative heat exchanger is aimed at with air preheaters.
  • limits have hitherto been set for the depth of the cold end temperature because of too rapid formation of deposits and poor cleanability.
  • the exhaust gas temperature in the air preheater should be lowered as far as possible, which is only possible with the help of corrosion-resistant and dirt-repellent heating surfaces.
  • this task is not limited to corrosive flue gases from coal combustion plants, but extends mutatis mutandis to other corrosive gases regenerative heat exchanger, as they occur for example in steel mills.
  • a rotary heat exchanger with a storage mass consisting of in a rotor (1) arranged heat exchanger plates or heat exchanger tubes, which absorb the heat from a warm gas stream and deliver to a colder gas stream, which is characterized in that the heat exchanger plates or the heat exchanger tubes consist of carbon composite materials and / or of graphite and / or of hard carbon.
  • the rotary heat exchanger according to the invention consists of graphite or hard coal or graphite and hard coal.
  • the heat exchanger plates or the heat exchanger tubes of the rotary heat exchanger according to the invention can also be coated.
  • a particularly preferred coating on the otherwise rather rough surfaces of the heating elements extremely liable is to raise.
  • Very thin layers are sufficient, preferably 20 to 200 ⁇ m.
  • a preferred coating matehal is the class of PFA (perfluoroalkoxy polymers).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • FEP polytetrafluoroethylene-perfluoroethylene copolymer
  • ETFE ethylene-tetrafluoroethylene copolymer
  • the new material combination now fulfills the required properties according to the invention: anti-adhesion properties and maximum corrosion resistance, that is to say the permeability known for plastics no longer plays a role because of the use of the carbon substrate, since carbon is inherently stable.
  • a deposit formation is either prevented even at extreme dew point undershoot or at least it is much better controllable, which ultimately allows a lowering of the flue gas temperature below the usual level.
  • a lower flue gas temperature means a higher boiler efficiency and thus a lower specific CO2 emission (emitted amount of CO2 per unit produced electrical energy) and the downstream of the air preheater plants (electrostatic precipitator, flue gas cleaning system) can be built smaller (lower investment, lower operating costs).
  • Another advantage is that the dew point below (sulfuric acid expansions) is accompanied by a reduction of SO3 / H 2 SO 4 concentration in the flue gas and thus the risk of corrosion in downstream systems and the risk of aerosol formation is reduced.
  • the carbon materials used according to the invention and / or carbon composite materials eg carbon thermoplastics or carbon resin compounds
  • / or the materials graphite and / or hard carbon have a high temperature resistance and a resistance to aggressive media. Due to the low surface energy of these materials, no or only very few dust particles settle on the surface of such heat exchanger plates or heat exchanger tubes, so that the rinsing processes with hot water necessary for generic heat exchangers have to be carried out much less frequently to remove the added residues.
  • the rinsing process can also be carried out much more frequently, since the materials according to the invention or plates or tubes, which are used here as storage nests, also withstand frequent temperature changes in practice without damage, since, for example, spalling of enamel layers or others Protective layers is not to be feared.
  • the material according to the invention is much lighter than the generic rotary heat exchanger, whereby smaller drives are required for the heat exchanger and from which a lower energy consumption results.
  • the conductivity of the materials used according to the invention is higher than the thermal conductivity of the conventional materials for the same area.
  • Such rotary heat exchangers are thus more resilient, i. It is possible a higher throughput of the respective exchange medium.
  • Another aspect of the present invention relates to the use of the rotary heat exchanger according to the invention.
  • the rotary heat exchanger according to the invention is used because of its material for the recovery of heat from the exhaust air of power plants, in particular of flue gas desulphurisation plants
  • the rotary heat exchanger according to the invention is therefore not limited solely to the gas / gas heat exchange due to its material nature in its use.
  • the rotary heat exchanger according to the invention is advantageously produced in the plug-in method and connected in a form-fitting or frictionally engaged manner, it also being possible to use, for example, clamping methods.
  • the individual heat exchanger plates or heat exchanger tubes are combined with each other to plate packs (2) or tube packages, from which the rotor (1) is constructed.
  • the profiling of the plates which is necessary for some fields of application, can be carried out by customary shaping processes which are suitable for carbon products, for example near net shape by extrusion.
  • the adaptation of the panel profile to the given heat exchanger can be done "on site".
  • the life of a memory element according to the invention is up to 10 years due to the described properties of the materials used.
  • the heat exchanger plates are subjected to a rinsing process every 0.5 to 8 hours.
  • the materials according to the invention can preferably be produced in a per se known extrusion process. Very economical press-to-size processes with binder / carbon mixtures or polymer / carbon compounds or graphite compounds are also preferred.

Abstract

A rotation heat exchanger is described for the recovery of heat with a storage mass. The rotation heat exchanger consists of heat exchanger plates or heat exchanger tubes arranged as a rotor (1) which accepts the heat from a hot gas flow and releases the heat to a colder gas flow, wherein the heat exchanger plates or heat exchanger tubes may consist of carbon composite materials and/or graphite and/or hard-baked carbon.

Description

Rotationswärmetauscher mit Wärmetauscherplatten oder Wärmetauscherrohren aus Kohle- und Graphitwerkstoffen  Rotary heat exchanger with heat exchanger plates or heat exchanger tubes made of carbon and graphite materials
Die Erfindung betrifft einen Rotationswärmetauscher zur Rückgewinnung von Wärme aus der Abluft gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Derartige Rotationswärmetauscher übertragen unter Verwendung einer geeigneten Speichermasse die Wärme von einem warmen Rohgasstrom an einen kälteren Reingasstrom. Eine Vielzahl von Heizelementen bilden dabei die Speichermasse eines Regenerativ-Wärmetauschers. Bei diesen Wärmetauschern sind die die Speichermasse darstellenden Wärmetauscherplatten oder Wärmetauscherrohre so angeord- net, dass sie einen Rotor (1 ) bilden. Die Wärme wird dem warmen Gasstrom entzogen und an den kälteren abgegeben. The invention relates to a rotary heat exchanger for the recovery of heat from the exhaust air according to the preamble of the main claim. Such rotary heat exchangers transfer the heat from a warm raw gas stream to a colder clean gas stream using a suitable storage mass. A plurality of heating elements form the storage mass of a regenerative heat exchanger. In these heat exchangers, the heat exchanger plates or heat exchanger tubes representing the storage mass are arranged in such a way that they form a rotor (1). The heat is removed from the warm gas stream and released to the colder one.
Bei den meisten Wärmetauschern wird ebenfalls ein Feuchte-Austausch bewirkt, was durch die Kondensation von Wasserdampf auf der einen Seite und das Verdampfen auf der anderen Seite bedingt ist. In most heat exchangers also a moisture exchange is effected, which is due to the condensation of water vapor on one side and the evaporation on the other side.
Bedingt durch den Feuchtigkeitseinfluss, den Gehalt an aggressiven Gasen wie beispielsweise SO2, SO3, HCl, Stickoxiden (NOx) sowie Stäuben und durch die meist hohen Temperaturen (bis über 200 °C), herrscht im Bereich der Wärmetauscherplat- ten oder Wärmetauscherrohre eine für Korrosionsvorgänge besonders begünstigende Atmosphäre. Due to the influence of moisture, the content of aggressive gases such as SO2, SO3, HCl, nitrous oxides (NO x) as well as dust and by the usually high temperatures (above 200 ° C), there is in the area of Wärmetauscherplat- th or heat exchanger tubes one for Corrosive processes particularly favorable atmosphere.
Bei bekannten Wärmetauschern können die Wärmetauscherplatten oder Wärmetauscherrohre aus metallischen Werkstoffen, meistens aus kohlenstoffhaltigen Stäh- len bestehen. Um die Wärmetauscherplatten oder Wärmetauscherrohre gegen Korrosion zu schützen, ist es üblich, diese mit einer Emailleschicht zu versehen. Die Alterung von Emailleplatten begründet sich aus der Werkstoffkombination von Stahl und Emaille, welche aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten für häufige Lastwechsel ungeeignet sind. Bedingt durch diese unvermeidbare Alterung und damit einhergehende Porosität der Emailleschicht unterliegt das darunter liegende Stahlblech einer starken Korrosion. Damit ist der Schutz der aus metallischem Werkstoff bestehenden Wärmetauscherplatten oder Wärmetauscherrohren nur bedingt gegeben und demzufolge deren regelmäßige Erneuerung erforderlich. Derartige Wärmetauscherplatten oder Wärme- tauscherrohre müssen erfahrungsgemäß nach einer Betriebszeit von etwa vier Jahren vollständig ausgetauscht werden. In known heat exchangers, the heat exchanger plates or heat exchanger tubes may consist of metallic materials, mostly of carbonaceous steels. In order to protect the heat exchanger plates or heat exchanger tubes against corrosion, it is customary to provide them with an enamel layer. The aging of enamel panels is based on the material combination of steel and enamel, which are unsuitable for frequent load changes due to the different thermal expansion coefficients. Due to this unavoidable aging and concomitant porosity of the enamel layer, the underlying steel sheet is subject to severe corrosion. Thus, the protection of existing metallic material heat exchanger plates or heat exchanger tubes is given only conditionally and therefore their regular renewal required. Such heat exchanger plates or heat exchanger tubes have experience to be completely replaced after an operating time of about four years.
Die zur regenerativen Wärmeübertragung benötigte Speichermasse ist beim Einsatz in staubhaltigen Gasströmen weiteren betrieblichen Beanspruchungen unterworfen. Dies trifft zum Beispiel für die Speichermasse von Luftvorwärmern an Kesselanlagen oder Gasvorwärmern an Rauchgasreinigungsanlagen zu, wo die Temperaturen der Speichermasse zumindest lokal und/oder zeitweise unterhalb des Rauchgastaupunktes liegt und sich in Verbindung mit Flugstaub und/oder sonstigen Rauchinhaltsstoffen (Additive, Mittel zur Rauchgasreinigung) Beläge auf der Speichermasse bzw. den Heizflächen der Heizelemente bilden. Letztere erhöhen den Druckverlust für die Durchströmung der Speichermasse und führen im schlimmsten Fall zur vollständigen Versperrung/Verstopfung des Regenerativ-Wärmetauschers. The storage mass required for regenerative heat transfer is subjected to further operational stresses when used in dusty gas streams. This applies, for example, to the storage mass of air preheaters on boiler systems or gas preheaters on flue gas cleaning systems, where the temperatures of the storage mass at least locally and / or temporarily below the Rauchgastaupunktes and in conjunction with flue dust and / or other smoke ingredients (additives, means for flue gas cleaning) Make deposits on the storage mass or the heating surfaces of the heating elements. The latter increase the pressure loss for the flow through the storage mass and lead in the worst case to complete obstruction / blockage of the regenerative heat exchanger.
Zur Verbesserung der schmutzabweisenden Eigenschaften und Erhöhung der Korro- sionsbeständigkeit wurde vorgeschlagen, die Oberfläche emaillierter Heizelemente mit einer Beschichtung aus Fluorkunststoff zu versehen (US6,648,061 ). Die Antihaft- eigenschaften von Fluorkunststoffen, wie z.B. PTFE, sind bekannt, nachteilig ist aber die relativ geringe Erosionsfestigkeit solcher Beschichtungen. Wegen der beschränkten Erosionsfestigkeit können Heizelemente mit Fluorkunststoffbeschichtung nicht mit befriedigender Standzeit in mit partikelhaltigem Rauchgas beaufschlagten Regenerativ-Wärmetauschern, beispielsweise Luftvorwärmern an kohlegefeuerten Dampferzeugern, eingesetzt werden. Der Flugstaubgehalt im Rauchgas kann bei einer Strömungsgeschwindigkeit von über 10m/s mehr als 20g Staub/Nm3 betragen. Regenerativ-Wärmetauscher bestehen aus einer Vielzahl von Heizelementen bzw. Wärmespeichern, die durch ein heißes Gas, beispielsweise Rauchgas aufgeheizt werden und die anschließend die gespeicherte Wärme an ein kälteres Fluid, beispielsweise Luft oder Gas abgeben. Derartige Regenerativ-Wärmetauscher können beispielsweise als Luftvorwärmer oder Gasvorwärmer in Kesselanlagen und Rauchgasreinigungsanlagen eingesetzt werden. To improve the dirt-repellent properties and increase the corrosion resistance, it has been proposed to provide the surface of enamelled heating elements with a coating of fluoroplastic (US Pat. No. 6,648,061). The non-stick properties of fluoroplastics, such as PTFE, are known, but the disadvantage is the relatively low erosion resistance of such coatings. Because of the limited erosion resistance heating elements with fluoroplastic coating can not be used with satisfactory service life in charged with particulate flue gas regenerative heat exchangers, such as air preheaters on coal-fired steam generators. The flue gas content in the flue gas can be more than 20g dust / Nm 3 at a flow velocity of more than 10m / s. Regenerative heat exchangers consist of a multiplicity of heating elements or heat accumulators which are heated by a hot gas, for example flue gas, and which subsequently release the stored heat to a colder fluid, for example air or gas. Such regenerative heat exchangers can be used, for example, as air preheaters or gas preheaters in boiler systems and flue gas purification systems.
Luftvorwärmer werden nach dem Stand der Technik so ausgelegt, dass die Kaltendtemperatur oberhalb der sogenannten Verschmutzungstemperatur liegt. Als Ver- schmutzungstemperatur bezeichnet man die Temperatur, ab der in Folge von Taupunktunterscheidung und Einbindung von Flugstaub (Asche) in das Rauchkondensat (Schwefelsäure und/oder Schweflige Säure und/oder andere Säuren) Belagsbildungen nicht mehr mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand beherrschbar sind. Speicherelemente, die beispielsweise mit Hilfe von Fluorkunststoffbeschichtungen antiadhä- sive Eigenschaften besitzen oder Speichermasse aus Kunststoff, konnten wegen der erosiven Bedingungen in Luftvorwärmern, die zudem über eine Kriechneigung verfügen und ein ungünstiges Kriechverhalten zeigen, nicht mit befriedigender Standzeit eingesetzt werden. Bei Kunststoffen kommt noch nachteilig eine relativ niedrige zulässige Dauerbetriebstemperatur hinzu, was deren Einsatz weiter einschränkt und im Störfall ein Sicherheitsrisiko darstellt. Ein weiteres Sicherheitsrisiko ist darüber hinaus Brandgefahr. Trotzdem wird diese relativ niedrige Dauerbetriebstemperatur aus wirtschaftlichen Gründen einer Taupunktunterschreitung vorgezogen. Dies führt aber zu einem noch größeren Temperaturunterschied und einer zusätzlichen Verschmutzungsneigung, die weitere Reinigungsmaßnahmen erfordert. Aus der EP 1 475 597 ist zum Schutz von Rauchgasentschwefelungsanlagen vor Korrosion vorgeschlagen worden, das profilierte Stahlblech eines Heizelements für einen Regenerativ-Wärmetauscher mit einer säurefesten Grundemailschicht und deren Oberfläche mit einer Antihaft-Email-Beschichtung zu versehen. Dadurch wird allerdings das Problem der Korrosion des unter der Emailleschicht liegenden Stahlblechs noch nicht gelöst. Zudem sind Antihaft-Emails teuer. Air preheaters are designed according to the prior art so that the cold end temperature is above the so-called pollution temperature. The soiling temperature is the temperature at which deposits can no longer be controlled with economically justifiable expense as a consequence of dew point discrimination and the inclusion of flue dust (ash) in the smoke condensate (sulfuric acid and / or sulfurous acid and / or other acids). Storage elements which have anti-adhesive properties, for example with the aid of fluoroplastic coatings, or plastic storage material, could not be used satisfactorily because of the erosive conditions in air preheaters, which also have a creeping tendency and unfavorable creep behavior. In the case of plastics, a relatively low permissible continuous operating temperature is disadvantageously added, which further restricts their use and represents a safety risk in the event of a malfunction. Another security risk is fire risk. Nevertheless, this relatively low continuous operating temperature is preferred for economic reasons dew point. However, this leads to an even greater temperature difference and an additional tendency to fouling, which requires further cleaning measures. It has been proposed from EP 1 475 597 to protect flue gas desulphurization systems against corrosion by providing the profiled steel sheet of a heating element for a regenerative heat exchanger with an acid-resistant base enamel layer and its surface with a non-stick enamel coating. This will However, the problem of corrosion of lying under the enamel layer steel sheet not yet solved. In addition, non-stick emails are expensive.
Daneben ist aus der DE 4 337 895 die Verwendung von Wärmetauscherplatten aus mit Kohlenstofffasern verstärktem Polyarylketon oder Polybenzimidazol bekannt. Speichermassen aus Kunststoff sind teuer und insofern nachteilig, weil diese eine geringe Wärmekapazität und Wärmeleitung aufweisen. Selbst bei Wärmetauscherplatten, die aus mit Kohlenstofffasern verstärktem Polyarylketon oder Polybenzimidazol hergestellt sind, ist die Wärmeleitfähigkeit und die Speicherwärmekapazität derart begrenzt, dass sie nur bedingt als Speichermasse zum Einsatz in Rotationswärmetauschern geeignet sind. In addition, DE 4 337 895 discloses the use of heat exchanger plates made of carbon fibers reinforced polyarylketone or polybenzimidazole. Plastic storage masses are expensive and disadvantageous because they have a low heat capacity and heat conduction. Even with heat exchanger plates made of carbon fiber reinforced polyaryl ketone or polybenzimidazole, the thermal conductivity and the storage heat capacity are limited so that they are only limitedly suitable as a storage mass for use in rotary heat exchangers.
WO 2001/045825 offenbart wiederum ein Verfahren sowie eine dazugehörige Wärmeaustauschvorrichtung für das Behandeln eines Gases, wobei die Anwendung speziell für die Energiegewinnung sowie für das Entfernen von CO2 aus Abgas oder Verbrennungsgas ausgelegt ist. WO 2001/045825 again discloses a method and an associated heat exchange device for treating a gas, wherein the application is designed especially for the energy production and for the removal of CO2 from exhaust gas or combustion gas.
US 2001/0047862 A1 offenbart hingegen spezielle Plattenwärmetauscher für die Anwendung als Gas/Gas- oder Gas/Flüssigkeitswärmetauscher, dessen Rippen und Platten allgemein aus Carbon sind. On the other hand, US 2001/0047862 A1 discloses special plate heat exchangers for use as gas / gas or gas / liquid heat exchangers whose fins and plates are generally made of carbon.
Aus Gründen der besseren Wirtschaftlichkeit (höherer Wirkungsgrad) einer Kesselanlage wird bei Luftvorwärmern eine möglichst tiefe Rauchgasaustrittstemperatur (Temperatur des Rauchgases nach Durchströmen des Regenerativ-Wärmetau- schers) und damit auch eine möglichst tiefe Kaltendtemperatur des Regenerativwärmetauschers angestrebt. Bei SO3 und staubhaltigen Rauchgasen waren bisher wegen zu schneller Belagsbildung und schlechter Abreinigbarkeit für die Tiefe der Kaltendtemperatur Grenzen gesetzt. Für einen wirtschaftlichen Kraftwerksbetrieb mit hohem Wirkungsgrad und niedrigen Emissionen sollte daher die Abgastemperatur im Luftvorwärmer möglichst weit abgesenkt werden, was nur mit Hilfe von korrosionsbeständigen und schmutzabweisenden Heizflächen möglich ist. Es ist somit Aufgabe dieser Erfindung, einen Rotationswärmetauscher zu entwickeln, der bei einer preisgünstigen Bauform auch bei hohen Temperaturen und in einer aggressiven Umgebung verbesserten Korrosionsschutz und eine längere Lebensdauer aufweist und dessen Heizelemente schmutzabweisende Eigenschaften besitzen, korrosions- und erosionsbeständig sind und zudem gute Wärmespeicherkapazität und Wärmeleitfähigkeit aufweisen, hinreichend temperaturbeständig und tempera- turwechselbeständig sind und außerdem zu wirtschaftlich vertretbaren Kosten hergestellt werden können. Selbstverständlich ist diese Aufgabe nicht auf korrosive Rauchgase aus Kohlefeuerungsanlagen beschränkt, sondern erstreckt sich sinngemäß auf andere korrosive Gase regenerativer Wärmeübertrager, wie sie beispielsweise in Stahlwerken vorkommen. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung Heizelemente zu schaffen, durch deren Einsatz es in kohlegefeuerten Dampferzeugern ermöglicht wird, die Abgastemperatur im Vergleich zum Stand der Technik noch weiter abzusenken. For reasons of better economy (higher efficiency) of a boiler system, the lowest possible flue gas outlet temperature (temperature of the flue gas after flowing through the regenerative heat exchanger) and thus also the lowest possible cold end temperature of the regenerative heat exchanger is aimed at with air preheaters. In the case of SO3 and dusty flue gases, limits have hitherto been set for the depth of the cold end temperature because of too rapid formation of deposits and poor cleanability. For an economical power plant operation with high efficiency and low emissions, therefore, the exhaust gas temperature in the air preheater should be lowered as far as possible, which is only possible with the help of corrosion-resistant and dirt-repellent heating surfaces. It is therefore an object of this invention to develop a rotary heat exchanger which has improved corrosion protection and a longer life at a low cost design even at high temperatures and in an aggressive environment and whose heating elements have dirt-repellent properties are corrosion and erosion resistant and also good heat storage capacity and Have thermal conductivity, sufficiently temperature-resistant and temperaure change resistant and also can be produced at an economically acceptable cost. Of course, this task is not limited to corrosive flue gases from coal combustion plants, but extends mutatis mutandis to other corrosive gases regenerative heat exchanger, as they occur for example in steel mills. It is a further object of the invention to provide heating elements, by the use of which it is possible in coal-fired steam generators to reduce the exhaust gas temperature even further compared to the prior art.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Bereitstellung eines Rotationswärmetauschers mit einer Speichermasse, bestehend aus in einem Rotor (1 ) angeordneten Wärmetauscherplatten oder Wärmetauscherrohren, welche die Wärme von einem warmem Gasstrom aufnehmen und an einen kälteren Gasstrom abgeben, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Wärmetauscherplatten oder die Wärmetauscherrohre aus Kohlenstoffverbundwerkstoffen und/oder aus Graphit und/oder aus Hartbrandkohle bestehen. This object is achieved by the provision of a rotary heat exchanger with a storage mass consisting of in a rotor (1) arranged heat exchanger plates or heat exchanger tubes, which absorb the heat from a warm gas stream and deliver to a colder gas stream, which is characterized in that the heat exchanger plates or the heat exchanger tubes consist of carbon composite materials and / or of graphite and / or of hard carbon.
Bevorzugt besteht der erfindungsgemäße Rotationswärmetauscher aus Graphit oder aus Hartbrandkohle oder Graphit und Hartbrandkohle. Die Wärmetauscherplatten oder die Wärmetauscherrohre des erfindungsgemäßen Rotationswärmetauschers können auch beschichtet sein. Preferably, the rotary heat exchanger according to the invention consists of graphite or hard coal or graphite and hard coal. The heat exchanger plates or the heat exchanger tubes of the rotary heat exchanger according to the invention can also be coated.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass eine besonders bevorzugte Beschichtung auf den ansonsten eher rauen Oberflächen der Heizelemente extrem haftbar aufzubringen ist. Dabei reichen sehr dünne Schichten aus, vorzugsweise 20 bis 200 μηη . Ein bevorzugtes Beschichtungsmatehal stellt die Klasse der PFA (Perfluoralkoxy-Polymere) dar. Ebenso geeignet sind Beschichtungen aus PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Polytetrafluorethylen-Perfluorethylen-Copolymer) oder ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer). It has surprisingly been found that a particularly preferred coating on the otherwise rather rough surfaces of the heating elements extremely liable is to raise. Very thin layers are sufficient, preferably 20 to 200 μm. A preferred coating matehal is the class of PFA (perfluoroalkoxy polymers). Also suitable are coatings of PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (polytetrafluoroethylene-perfluoroethylene copolymer) or ETFE (ethylene-tetrafluoroethylene copolymer).
Die neue Werkstoffkombination erfüllt nun die geforderten erfindungsgemäßen Eigenschaften: Antiadhäsionseigenschaften und höchste Korrosionsbeständigkeit, das heißt die bei Kunststoffen bekannte Permeabilität spielt wegen der Verwendung des Kohlenstoffsubstrats keine Rolle mehr, da Kohlenstoff an sich beständig ist. The new material combination now fulfills the required properties according to the invention: anti-adhesion properties and maximum corrosion resistance, that is to say the permeability known for plastics no longer plays a role because of the use of the carbon substrate, since carbon is inherently stable.
Mit einem Regenerativ-Wärmetauscher, der mit den erfindungsgemäßen Heizelementen ausgebildet ist, wird eine Belagsbildung selbst bei extremer Taupunktsunter- schreitung entweder verhindert oder sie ist zumindest wesentlich besser beherrsch- bar, was letztlich eine Absenkung der Rauchgastemperatur unter das bisher übliche Niveau zulässt. Eine tiefere Rauchgastemperatur bedeutet einen höheren Kesselwirkungsgrad und damit eine geringere spezifische CO2-Emission (emittierte Menge CO2 pro Einheit produzierte elektrische Energie) und die dem Luftvorwärmer nachgeschalteten Anlagen (Elektrofilter, Rauchgasreinigungsanlage) können kleiner ge- baut werden (geringere Investitionen, niedrigere Betriebskosten). Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die Taupunktsunterschreitung (Austauen von Schwefelsäure) eine Reduzierung der SO3/H2SO4-Konzentration im Rauchgas einher geht und damit die Korrosionsgefahr in nachgeschalteten Anlagen und die Gefahr der Aerosolbildung gemindert wird. With a regenerative heat exchanger, which is formed with the heating elements according to the invention, a deposit formation is either prevented even at extreme dew point undershoot or at least it is much better controllable, which ultimately allows a lowering of the flue gas temperature below the usual level. A lower flue gas temperature means a higher boiler efficiency and thus a lower specific CO2 emission (emitted amount of CO2 per unit produced electrical energy) and the downstream of the air preheater plants (electrostatic precipitator, flue gas cleaning system) can be built smaller (lower investment, lower operating costs). Another advantage is that the dew point below (sulfuric acid expansions) is accompanied by a reduction of SO3 / H 2 SO 4 concentration in the flue gas and thus the risk of corrosion in downstream systems and the risk of aerosol formation is reduced.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Kohlenstoffmaterialien und/oder Kohlenstoffverbundwerkstoffe (z.B. Kohlenstoffthermoplasten oder Kohlenstoffharzcompounds) und/oder die Werkstoffe Graphit und/oder Hartbrandkohle weisen eine hohe Temperaturbeständigkeit sowie eine Beständigkeit gegen aggressive Medien auf. Durch die niedrige Oberflächenenergie dieser Werkstoffe setzen sich an der Oberfläche derartiger Wärmetauscherplatten oder Wärmetauscherrohre keine oder nur sehr wenige Staubpartikel an, so dass die bei gattungsgemäßen Wärmetauschern notwendigen Spülprozesse mit heißem Wasser zur Entfernung der angesetzten Rückstände viel seltener durchgeführt werden müssen. Überraschenderweise kann aber, falls erforderlich, der Spülprozess auch viel öfter durchgeführt werden, da die erfindungsgemäßen Werkstoffe beziehungsweise Platten oder Rohre, die hier als Speichernnasse verwendet werden, auch häufige Tempe- raturwechsel in der Praxis schadlos überstehen, da beispielsweise ein Abplatzen von Emailleschichten oder sonstigen Schutzschichten nicht zu befürchten ist. The carbon materials used according to the invention and / or carbon composite materials (eg carbon thermoplastics or carbon resin compounds) and / or the materials graphite and / or hard carbon have a high temperature resistance and a resistance to aggressive media. Due to the low surface energy of these materials, no or only very few dust particles settle on the surface of such heat exchanger plates or heat exchanger tubes, so that the rinsing processes with hot water necessary for generic heat exchangers have to be carried out much less frequently to remove the added residues. Surprisingly, however, if necessary, the rinsing process can also be carried out much more frequently, since the materials according to the invention or plates or tubes, which are used here as storage nests, also withstand frequent temperature changes in practice without damage, since, for example, spalling of enamel layers or others Protective layers is not to be feared.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass gegenüber dem gattungsgemäßen Rotationswär- metauscher das erfindungsgemäße Material wesentlich leichter ist, wodurch kleinere Antriebe für den Wärmetauscher benötigt werden und woraus ein niedrigerer Energieaufwand resultiert. Darüber hinaus ist die Leitfähigkeit der erfindungsgemäß eingesetzten Werkstoffe bei gleicher Fläche höher als die Wärmeleitfähigkeit der herkömmlichen Werkstoffe. Derartige Rotationswärmetauscher sind somit höher belastbar, d.h. es ist ein höherer Durchsatz des jeweiligen Austauschmediums möglich. Furthermore, it is advantageous that the material according to the invention is much lighter than the generic rotary heat exchanger, whereby smaller drives are required for the heat exchanger and from which a lower energy consumption results. In addition, the conductivity of the materials used according to the invention is higher than the thermal conductivity of the conventional materials for the same area. Such rotary heat exchangers are thus more resilient, i. It is possible a higher throughput of the respective exchange medium.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen Rotationswärmetauschers. Another aspect of the present invention relates to the use of the rotary heat exchanger according to the invention.
So wird der erfindungsgemäße Rotationswärmetauscher aufgrund seines Materials zur Rückgewinnung von Wärme aus der Abluft von Kraftwerken, insbesondere von Rauchgasentschwefelungsanlagen verwendet Thus, the rotary heat exchanger according to the invention is used because of its material for the recovery of heat from the exhaust air of power plants, in particular of flue gas desulphurisation plants
Er kann als Reingasvorwärmgerät oder als Luftvorwärmgerät oder sogar als Gas/Wasser oder Gas/Wasserdampf Rotationswärmetauscher verwendet werden. Der erfindungsgemäße Rotationswärmetauscher ist also aufgrund seiner Materialbeschaffenheit in seiner Verwendung nicht einzig auf den Gas/Gas Wärmeaustausch beschränkt. It can be used as a pure gas preheater or as an air preheater or even as a gas / water or gas / steam rotary heat exchanger. The rotary heat exchanger according to the invention is therefore not limited solely to the gas / gas heat exchange due to its material nature in its use.
Der erfindungsgemäße Rotationswärmetauscher wird vorteilhafterweise im Steck- verfahren hergestellt und formschlüssig oder reibschlüssig verbunden, wobei darüber hinaus auch beispielsweise Klemmverfahren eingesetzt werden können. Die einzelnen Wärmetauscherplatten oder Wärmetauscherrohre werden miteinander zu Plattenpaketen (2) oder Rohrpaketen kombiniert, aus denen der Rotor (1 ) aufgebaut ist. Die für manche Einsatzgebiete notwendige Profilierung der Platten kann durch übliche Formgebungsverfahren erfolgen, die für Kohlenstoffprodukte geeignet sind, zum Beispiel endformnah durch Extrusion. Das Anpassen des Plattenprofils an den gegebenen Wärmetauscher kann„vor Ort" vorgenommen werden. The rotary heat exchanger according to the invention is advantageously produced in the plug-in method and connected in a form-fitting or frictionally engaged manner, it also being possible to use, for example, clamping methods. The individual heat exchanger plates or heat exchanger tubes are combined with each other to plate packs (2) or tube packages, from which the rotor (1) is constructed. The profiling of the plates, which is necessary for some fields of application, can be carried out by customary shaping processes which are suitable for carbon products, for example near net shape by extrusion. The adaptation of the panel profile to the given heat exchanger can be done "on site".
Die Lebensdauer eines erfindungsgemäßen Speicherelements beträgt aufgrund der geschilderten Eigenschaften der eingesetzten Werkstoffe bis zu 10 Jahren. Vorzugsweise werden die Wärmetauscherplatten alle 0,5 bis 8 Stunden einem Spül- prozess unterzogen. The life of a memory element according to the invention is up to 10 years due to the described properties of the materials used. Preferably, the heat exchanger plates are subjected to a rinsing process every 0.5 to 8 hours.
Die erfindungsgemäßen Werkstoffe können bevorzugt in einem an sich bekannten Extrusionsverfahren hergestellt werden. Auch sehr wirtschaftliche Press-to-Size- Verfahren mit Binder-Kohlenstoff-Mischungen oder Polymer-Kohlenstoff-Compounds oder Graphit-Compounds sind bevorzugt. The materials according to the invention can preferably be produced in a per se known extrusion process. Very economical press-to-size processes with binder / carbon mixtures or polymer / carbon compounds or graphite compounds are also preferred.
Die nachfolgenden Figuren dienen beispielhaft zur Verdeutlichung der Erfindung. Es zeigen: The following figures serve as an example to illustrate the invention. Show it:
Fig. 1. Fig. 1.
1 Rotor  1 rotor
2 Plattenpaket  2 plate pack
3 Platte vertikal zu der Richtung des Gasstroms angeordnet  3 plate arranged vertically to the direction of the gas flow
Fig. 2 Fig. 2
2 Plattenpaket (2) (4. Kassette vom Zentrum des Rotor (1 ) s der Figur 1 dargestellt) Bezugszeichenliste  2 plate pack (2) (4th cassette from the center of the rotor (1) s of Figure 1 shown) List of Reference Signs
1 Rotor 1 rotor
2 Plattenpaket  2 plate pack
3 Platte vertikal zu der Richtung des Gasstroms angeordnet  3 plate arranged vertically to the direction of the gas flow

Claims

Patentansprüche claims
1 . Rotationswärmetauscher mit einer Speichernnasse, bestehend aus in einenn Rotor (1 ) angeordneten Warnnetauscherplatten oder Wärmetauscherrohren, welche die Wärme von einem warmem Gasstrom aufnehmen und an einen kälteren Gasstrom abgeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten oder die Wärmetauscherrohre aus Kohlenstoffverbundwerkstoffen und/oder aus Graphit und/oder aus Hartbrandkohle bestehen. 1 . Rotary heat exchanger with a storage wet, consisting of in a rotor (1) arranged Warnetauscherplatten or heat exchanger tubes, which absorb the heat from a warm gas stream and deliver to a colder gas stream, characterized in that the heat exchanger plates or the heat exchanger tubes of carbon composites and / or graphite and or consist of hard coal.
2. Rotationswärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten oder Wärmetauscherrohre aus Graphit bestehen. 2. Rotary heat exchanger according to claim 1, characterized in that the heat exchanger plates or heat exchanger tubes consist of graphite.
3. Rotationswärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten oder Wärmetauscherrohre aus Hartbrandkohle bestehen. 3. Rotary heat exchanger according to claim 1, characterized in that the heat exchanger plates or heat exchanger tubes made of hard coal.
4. Rotationswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten oder Wärmetauscherrohre miteinander zu Platten- und/oder Rohrpaketen kombiniert werden, aus denen der Rotor (1 ) aufgebaut ist. 4. Rotary heat exchanger according to one of claims 1 to 3, characterized in that the heat exchanger plates or heat exchanger tubes are combined with each other to plate and / or tube packages from which the rotor (1) is constructed.
5. Rotationswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten oder Wärmetauscherrohre beschichtet werden. 5. Rotary heat exchanger according to one of claims 1 to 4, characterized in that the heat exchanger plates or heat exchanger tubes are coated.
6. Rotationswärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe der Perfluoralkoxy- Polymere. 6. Rotary heat exchanger according to claim 5, characterized in that the coating material is selected from the group of perfluoroalkoxy polymers.
7. Rotationswärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polytetrafluorethylen, Polytetrafluorethylen-Perfluorethylen-Copolymer und Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer. 7. Rotary heat exchanger according to claim 5, characterized in that the coating material is selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, polytetrafluoroethylene-perfluoroethylene copolymer and ethylene-tetrafluoroethylene copolymer.
8. Verwendung eines Rotationswärmetauschers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Rückgewinnung von Wärme aus der Abluft von Kraftwerken, insbesondere Rauchgasentschwefelungsanlagen. 8. Use of a rotary heat exchanger according to one of claims 1 to 7 for the recovery of heat from the exhaust air of power plants, in particular flue gas desulphurisation plants.
9. Verwendung eines Rotationswärmetauschers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 als Reingasvorwärmgerät oder Luftvorwärmgerät. 9. Use of a rotary heat exchanger according to one of claims 1 to 7 as pure gas preheating or Luftvorwärmgerät.
Verwendung eines Rotationswärmetauschers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 als Gas/Wasser oder Gas/Wasserdampf Rotationswärmetauscher. Use of a rotary heat exchanger according to one of claims 1 to 7 as a gas / water or gas / steam rotary heat exchanger.
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