СПОСОБ НАГРЕВА И/ИЛИ ИСПАРЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ СРЕДЫ И ТЕПЛООБМЕННЫЙ БЛОК ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ТЕПЛОТЫ ОТ ПОТОКА ГОРЯЧЕГО ГАЗА
METHOD FOR HEATING AND/OR EVAPORATION OF ORGANIC MEDIUM AND HEAT EXCHANGING UNIT FOR EXTRACTION OF HEAT FROM FLOW OF HOT GAS

Настоящее изобретение относится к способу нагрева и/или испарения органической среды путем пропускания теплоты от потока горячего газа в органическую среду, при котором органическую среду пропускают через несколько последовательных теплообменников, расположенных в потоке газа, и поток газа охлаждают от начальной температуры до конечной температуры.
Настоящее изобретение также относится к теплообменному блоку по пункту 6 формулы для извлечения теплоты от потока горячего газа в поток среды, при этом теплообменный блок содержит охватывающую конструкцию, впуск для потока газа, через который газ может течь по существу в вертикальном направлении, и выпуск для газа, при этом в теплообменном блоке охватывающая конструкция охватывает несколько теплообменников, снабженных по существу газонепроницаемой стенкой и расположенных по меньшей мере частично один в другом относительно продольной оси охватывающей конструкции так, что поток газа проходит соответственно в кольцевом пространстве, сформированном из двух теплообменников, расположенных один в другом.
Настоящее изобретение особенно относится к испарителю для органической среды и способу испарения и/или нагрева органической среды.
Одним из вариантов применения настоящего изобретения является процесс Ренкина, основанный на циркулирующей органической среде, то есть процесс ОЦР (ОЦР - органический цикл Ренкина). В процессе ОЦР подходящую органическую среду, например толуол, изобутан или изопентан, используют вместо воды как циркулирующую среду. Процесс ОЦР особенно применим при относительно низких температурах, позволяя утилизировать отходящую теплоту даже при низкой температуре.
В процессе ОЦР между горячими топочным газом и испаряемой средой часто используют промежуточный контур горячего масла. Когда используется промежуточный контур горячего масла, теплота переносится из топочного газа в горячее масло в отдельном теплоаккумулирующем сосуде, содержащем масло, откуда нагретое жидкое горячее масло закачивают в испаритель для органической циркулирующей среды, где теплота переносится далее из жидкого горячего масла в органическую циркулирующую среду. Поддерживая достаточно сильный поток горячего масла в промежуточном контуре можно предотвратить перегрев и масла, и органической циркулирующей среды. Такое решение, однако, сложно и дорого, связано с лишним перепадом температур из-за контура горячего масла, и прокачка горячего масла особенно требует существенных эксплуатационных затрат.
В публикации FI 86464 раскрывается на принципиальном уровне электростанция, работающая по органическому циклу Ренкина, в которой испаритель для органической среды находится в прямом соединении, переносящем теплоту, с горячим газом. Проблема, связанная с испарением органической среды непосредственно горячим газом, особенно топочным газом бойлера и т.п., который медленно реагирует на воздействия, регулирующие мощность, заключается в том, как избежать чрезмерного нагрева материла испарителя и перегрева органической среды, что привело бы к химическим изменениям в веществе, таким как крекинг углеводородов, особенно в переходных ситуациях. В таком случае перегрев органической среды, в частности, привел бы к ухудшению ее свойств текучести и теплопереноса.
Целью настоящего изобретения является создание способа нагрева и/или испарения органической среды, в котором отсутствуют проблемы, присущие предшествующему уровню техники. Особой целью настоящего изобретения является создание способа нагрева и/или испарения органической среды, при котором можно избежать перегрева органической среды. Целью настоящего изобретения также является создание теплообменного блока, который пригоден для испарения и/или нагрева органической среды горячим газом, особенно топочным газом, полученным в результате сжигания биомассы.
Цели настоящего изобретения достигаются, в основном, как описано в приложенных пунктах 1 и 6 формулы и как более подробно изложено в других пунктах формулы.
В способе по настоящему изобретению нагрева и/или испарения органической среды путем переноса теплоты от потока горячего газа в органическую среду органическую среду пропускают через несколько последовательных теплообменников, которые расположены в потоке газа, и поток газа охлаждается от начальной температуры до конечной температуры. Способ отличается тем, что теплота переносится в первый теплообменник в направлении потока органической среды, охлаждая поток газа до его конечной температуры. Этим способом предотвращается перегрев органической среды и первого теплообменника.
Далее, согласно предлагаемому способу, теплота переносится во второй теплообменник, для начала охлаждения потока газа от его начальной температуры, благодаря чему органическая среда сначала течет через первый теплообменник, а затем через второй теплообменник.
Теплообменный блок по настоящему изобретению для утилизации теплоты из потока горячего газа в поток среды содержит охватывающую конструкцию, впуск для газа, в котором газ может течь по существу в вертикальном направлении, и выпуск для потока газа, при этом охватывающая конструкция теплообменного блока охватывает несколько теплообменников, снабженных по существу газонепроницаемой стенкой и расположенных, по меньшей мере, частично один в другом относительно продольной оси охватывающей конструкции так, что газ течет соответственно в пространстве, сформированном двумя расположенными друг в друге теплообменниками. Настоящее изобретения отличается тем, что охватывающая конструкция содержит донный участок, на который в основном опираются теплообменники через опорную конструкцию, а опорная конструкция содержит поверхность с отверстиями, по меньшей мере, в одном из теплообменников для пропускания потока газа с первой стороны теплообменника на его вторую сторону.
Опорная конструкция теплообменников выполнена из охлаждающей конструкции, в которой может течь поток среды теплообменника. Предпочтительно, теплообменники являются теплообменниками в форме спиральной трубы, а охлаждающая конструкция опорной конструкции содержит отвод, выполненный как коленчатый патрубок, сформированный из спиральной трубы. Посредством отвода сформирована поверхность с отверстиями, расположенная на расстоянии от внутренней поверхности донного участка охватывающей конструкции, благодаря чему над донным участком сформировано зольное пространство, проходящее от внутренней поверхности донного участка до нижней кромки поверхности с отверстиями.
Размер зольного пространства таков, что оно также служит сервисным пространством, через которое можно также производить необходимый ремонт. Кроме того, размер этого пространства таков, что у рабочего достаточно места для работы в нем. Необходимо выполнить несколько отверстий, типично, например, четыре, для формирования поверхности с отверстиями. Кроме того, имеются соответствующие служебные дверцы и зольные заслонки.
Поверхность с отверстиями в каждом теплообменнике определена так, что общая сумма сечений отдельных (радиальных) отверстий больше, чем площадь проходного сечения кольцевого пространства теплообменника (пространства между теплообменниками, расположенными один в другом), благодаря чему падение давления в потоке газа в отверстиях меньше или равно падению давления в кольцевом пространстве между теплообменниками, расположенными один в другом. Отношение высоты к радиальной ширине зольного пространства составляет больше 1, и зола, осевшая в зольном пространстве во время работы, повторно не захватывается газом.
Теплообменный блок предпочтительно содержит несколько труб для удаления золы, которые могут открываться в зольное пространство. Труба удаления золы содержит по существу газонепроницаемый канал, герметично проходящий в опорную конструкцию теплообменника, благодаря чему при нормальном использовании он не вносит возмущения в поток газа в теплообменном блоке.
Теплообменный блок выполнен с возможностью нагревать и/или испарять органическую среду, и, по меньшей мере, один из теплообменников, расположенных один внутри другого, выполнен с возможностью выполнять функции первого теплообменника в потоке среды, а первый из теплообменников, расположенных один внутри другого, выполнен с возможностью выполнять функции второго теплообменника в потоке среды.
Настоящее изобретение дает большое число преимуществ:
- В испарителе по настоящему изобретению теплота переносится от горячих топочных газов непосредственно в поток среды, благодаря чему не требуется отдельный теплоаккумулирующий сосуд для масла. Следовательно, конструкции и компоненты промежуточного масляного контура, такие как трубы, сосуды, системы безопасности и предохранительные системы, исключаются, и устройство становится более простым и менее дорогим.
- Повышается эффективность теплопереноса, поскольку перепад температур между топочным газом и потоком среды больше, чем между газом и масляным теплоносителем, когда используется промежуточный масляный контур, и газ выходит из испарителя при более низкой температуре, что уменьшает потери на топочный газ.
- Повышается эффективность работы, поскольку не нужны отдельные масляные насосы, что сокращает стоимость прокачки. Кроме того, устраняются тепловые потери в промежуточном масляном контуре.
- Теплообменный блок по настоящему изобретению более надежен и содержит меньше компонентов, которые могут отказать.
- Пространство, требуемое для теплообменного блока по настоящему изобретению, меньше по сравнению с испарителем, имеющим промежуточный масляный контур, что позволяет сформировать компактную конструкцию, образованную печью и испарителем.
Далее следует более подробное описание примера настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, где:
фиг.1 - схематический вид применения способа по настоящему изобретению в сочетании со сжиганием биомассы;
фиг.2 - показывает теплообменный блок по настоящему изобретению;
фиг.3 и 4 - детали теплообменника по фиг.2;
фиг.5 - детали одного варианта теплообменников в теплообменном блоке по настоящему изобретению;
фиг.6 - сечение по линии А-А на фиг.5; и
фиг.7 - диаграмма температуры и соответствующего потока теплоты в одном варианте применения способа по настоящему изобретению.
Как показано на диаграмме процесса ОЦР, схематически представленного на фиг.1, теплообменный блок 1 производит перегретый пар для турбины 5, которая приводит в действие высокооборотный генератор 4, соединенный с электрической сетью 2 через преобразователь 3 частоты. Из применимых в настоящем изобретении органических сред в настоящее время особо предпочтительным является толуол. Поскольку настоящее изобретение направлено, в том числе, и на применение в бойлере, в котором в качестве топлива используется биомасса, горячий газ или поток газа в дальнейшем также может именоваться топочным газом. Из турбины 5 пар толуола подается в рекуператор 6, в котором жидкий толуол, подаваемый в теплообменном блоке 1, предварительно подогревается паром толуола. С другой стороны, задачей рекуператора 6 является устранение перегрева в паре, выходящем из турбины, поскольку пар толуола характеризуется тем, что после расширения в турбине остается перегретым. Из рекуператора пар толуола подается в конденсатор 7, в котором он конденсируется в жидкость и в котором также устраняется остаточный перегрев, если после рекуператора пар остается перегретым. Далее, жидкий толуол подается в бак 8 для конденсата, откуда он поступает далее при повышенном давлении, через предварительный питающий насос 9 и питающий насос 10 в рекуператор 6. В рекуператоре 6 пар толуола нагревает жидкий толуол и после этого подается в теплообменный блок 1, в котором толуол нагревается, испаряется и пар перегревается. Теплообменный блок 1 установлен непосредственно в потоке 11 газа, которым в данном случае является топливный газ, полученный при сжигании биомассы, и теплообменный блок, таким образом, соединен с бойлером 13, работающим на биомассе.
Конструкция самого теплообменного блока по настоящему изобретению более подробно описана со ссылками на другие чертежи, но в том варианте применения, который связан с сжиганием биомассы, пространство теплообменника, которое впервые встречается с газом в теплообменном блоке, также отчасти служит дожигающей камерой, поэтому установка также содержит подающие элементы 12, подающие воздух (или содержащий кислород газ) в горячий газ непосредственно перед входом в теплообменном блоке 1 или одновременно с таким входом. На фиг.1 также показан теплообменный блок 1 по настоящему изобретению, в котором теплота переносится в первом по направлению потока органической среды теплообменнике, тем самым охлаждая поток газа до его конечной температуры.
На фиг.2-6 одинаковые компоненты обозначены одинаковыми позициями и в дальнейшем описании ссылки на позиции относятся к фиг.2-6. На фиг.2 показан один вариант теплообменного блока 1 по настоящему изобретению. На фиг.2 показано сечение теплообменного блока 1 так, что на чертеже сторона слева от продольной оси 26 представляет в основном опору теплообменников и пути прохождения газа, а на правой стороне на чертеже показаны соединения теплообменников. Теплообменный блок состоит из теплообменников 21, 22, 23, 24, расположенных один в другом и сформированных спиральной трубой 20. Теплообменники выполнены предпочтительно симметрично относительно сечения по продольной оси, и спирали, образованные трубой, могут быть цилиндрическими. Такой тип теплообменника по настоящему изобретению является прямоточным испарителем. Органическую среду пропускают по трубам теплообменников, а газ - снаружи труб теплообменников.
На фиг.2 показан теплообменный блок, сформированный охватывающей конструкцией, состоящей из внешнего кожуха 30, крышки 31' и данной секции 31. Теплообменный блок содержит впускное отверстие 25' для потока газов, которое проходит параллельно продольной оси 26 теплообменного блока и расположено посередине теплообменного блока. Самый внутренний относительно продольной оси 26 теплообменник 22 образует дожигающее пространство 25, которое расположено над топкой бойлера 13 (фиг.1). В дожигающем пространстве 25 происходит дожигание топливного газа и твердых частиц, поступающих туда из топки, и поэтому в дожигающем пространстве расположены подающие элементы 12, подающие в горячий газ воздух (или содержащий кислород газ). После дожигающего пространства 25 топочные газы поступают в кольцевые каналы, сформированные между теплообменниками 12-24, расположенными один в другом параллельно продольной оси. В дожигающем пространстве 25 теплота переносится в теплообменник в основном тепловым излучением, тогда как после этого, в менее горячих секциях в направлении потока газа, преимущественно происходит конвекционный теплообмен. За счет описанной выше конструкции сводятся к минимуму недостатки, являющиеся следствием загрязняющего эффекта топочного газа, а с другой стороны, обеспечивается адекватный теплоперенос в различных частях теплообменного блока на стороне топочного газа. Поток газа направляется в каналы, сформированные теплообменниками, расположенными один в другом, так, что основным направлением является направление от центральной части к внешним секциям, поочередно вверх и вниз. Предпочтительно, каждый второй теплообменник 21, 23 в нижней части содержит поверхность 28 с отверстиями, которая позволяет потоку газа перетекать с первой стоны теплообменника на его вторую сторону, то есть перемещаться радиально ближе к внешней секции. Поток газа сквозь эту поверхность с отверстиями достаточно слаб, чтобы предотвратить какой-либо существенный захват золы, имеющейся на дне зольных пространств. Опора содержит охлаждающие опорные конструкции, выполненные из труб и коленных патрубков так, что топочный газ может проходить между ними из одного канала, образованного спиралями 20 из труб, в следующий канал в радиальном направлении теплообменного блока. Органическая среда, текущая по трубам и коленчатым патрубкам, образующим конструкцию, используется для охлаждения опорной конструкции. На практике поверхность с отверстиями может быть сформирована так, чтобы теплообменник опирался на донную секцию 31 охватывающей конструкции теплообменного блока через трубу или трубы теплообменника за счет расположения отводов как u-образных коленных патрубков в трубе, расположенной в нижней секции. Это показано также на фиг.5 и 6. С другой стороны, эти конструкции также позволяют формировать пути, необходимые для очистки поверхностей теплообменников и дымоходов между спиралями 20 из трубы, а также зольных пространств 39 под ними.
Между теплообменниками, снабженными поверхностями с отверстиями, установлен теплообменник, который содержит поверхность 28′ с отверстиями в своей верхней части, у крышки 31′ охватывающей конструкции. Такой тип в своей нижней части теплообменника выполнен по существу газонепроницаемым, например, за счет огнеупорной футеровки или кирпичной кладки, которая, тем не менее, предпочтительно является охлаждающей конструкцией. Топочные газы выводятся из теплообменного блока через выпуск 36, который в варианте по фиг.1 расположен у внешнего обода блока.
Взаимное соединение потока органической среды и потока топочного газа, согласно настоящему изобретению, осуществляется следующим образом. По существу теплообменный блок является промежуточной формой между противоточным теплообменником и теплообменником с параллельными потоками, поскольку направления потоков топочного газа наружу (два кольцевых пространства) и нагреваемой среды (в спиральной трубе) противоположны.
Органическую среду сначала подают через трубопровод 35 в первый теплообменник 21, в котором органическая среда нагревается горячими топочными газами, тем самым охлаждая поток газов до его конечной температуры. Жидкая органическая среда, входящая в теплообменный блок, проходит в менее горячую часть стороны топочного газа. В этой части органическая среда течет в основном в противоток относительно газа, чтобы сделать теплообменные поверхности как можно меньше. При такой конструкции устраняется проблема перегрева органической среды и теплообменника 21, которая возникла бы в противном случае, например, в переходных ситуациях. Первый теплообменник 21, который является внешним из теплообменников, расположенных один в другом, соединен со вторым теплообменником 22 соединительной трубой 21′, которая соединяет их нижние части (фиг.2). Второй теплообменник 22 далее соединен с третьим теплообменником 23 соединительной трубой 22′. Предпочтительно третий теплообменник действует в основном как испаритель. Он далее соединен с четвертым теплообменником 24 соединительной трубой 23′, и в этом четвертом теплообменнике происходит перегрев пара. В теплообменном блоке все остальные теплообменники расположены радиально в пространстве между первым и вторым теплообменниками, симметрично относительно продольной оси 26.
Чтобы избежать перегрева органической среды и материала теплообменников, перегретый пар выводится из той секции на стороне топочного газа, в которой топочный газ имеет не самую высокую температуру. Пар в первую очередь перегревается в четвертом теплообменнике 24, который расположен между внутренним 22 и внешним 21 теплообменниками, расположенными один внутри другого. Четвертый теплообменник 24 снабжен выпускным отверстием 37 для органической среды, расположенным в верхней части спирали 20 из трубы. Тогда, особенно в переходных ситуациях, например при снижении мощности, несмотря на изменение массовых потоков газа и органической среды конечная температура пара органической среды не повышается слишком высоко. При такой конструкции размер требуемой теплообменной поверхности можно уменьшить, поскольку средний перепад температур между топочным газом и органической средой больше, чем в ситуации, когда используется теплообменный блок с параллельными потоками.
Нижняя часть внешнего кожуха 30 теплообменного блока и конструкции 28, 33, направляющие топочный газ, снабжены дверцами 38 для удаления золы, которые используются для очистки стороны топочного газа теплообменного блока. Нижние части спиралей 20 из трубы образуют в вертикальном направлении расположенную в шахматном порядке конструкцию так, чтобы через дверцы 38, действующие как труба для удаления золы, можно было чистить каналы, образованные внутренними спиралями из труб. Это более подробно показано на фиг.3 и 4. В варианте по фиг.3 дверца для удаления золы снабжена по существу газонепроницаемым каналом 38′, который проходит в самое дальнее внутреннее зольное пространство 39. На фиг.4 показан вариант, в котором дверца 38′′, которую можно открывать и закрывать, связана с конструкциями, направляющими поток топочного газа из теплообменника 24 для очистки зольного пространства. Дверцы для удаления золы расположены так, чтобы позволить эффективную очистку.
Очистка теплообменного блока необходима и во время работы, и во время простоев. Очистка производится путем сбрасывания загрязнений и других компонентов дыма, накопившихся на поверхностях теплообменников на стороне топочного газа, в нижнюю часть стороны топочного газа, способом, подходящим для конкретной ситуации. Зольные пространства 39 сформированы конструкциями в нижней части стороны топочного газа, и в эти пространства могут собираться загрязнения при очистке во время остановки теплообменника, откуда они удаляются через дверцы 38. Зольное пространство сформировано в нижней части конструкций 28, 33, направляющих топочный газ так, чтобы поверхность 28 с отверстиями рядом с донной секцией 31 теплообменного блока приходила от донной секции по меньшей мере так, чтобы сумма сечений отверстий соответствовала площади проходного сечения между спиралями трубы.
На фиг.5 и 6 показана преимущественная трубчатая конструкция, в которой, согласно настоящему изобретению, обеспечивается поддержка теплообменников 21-24 и охлаждение конструкций 28, 33, направляющих поток топочного газа. В нижних частях спиралей труб теплообменников 21-24 имеется u-образная деталь 32, проходящая вниз от нижней поверхности спирали, и эта u-образная деталь работает как охлаждающая и опорная конструкции для теплообменников.
На фиг.7 показан способ по настоящему изобретению нагрева и/или испарения органической среды, например толуола. На чертеже по вертикальной оси представлена температура Т, а по горизонтальной оси относительный тепловой поток q газа. Кривая 71 иллюстрирует, как температура газа, действующего как источник теплоты, падает от ситуации, когда относительный тепловой поток составляет 100% до величины 0%, другими словами при охлаждении газа от начальной температуры (q=100%) до конечной температуры (q=0%). Кривая 72 иллюстрирует температуру толуола и ее динамику, когда толуол проходит через несколько последовательных теплообменников. Числовые величины температуры, приведенные ниже, являются величинами для одного конкретного случая и представлены лишь для облегчения понимания настоящего изобретения. Органическая среда, в данном случае толуол, поступает в первый теплообменник 21 при температуре 156°С, которая в данном примере соответствует конечной температуре 350°С выходящего газа. Толуол нагревается в первом теплообменнике 21 до температуры 196°С, тогда как температура поступающего газа составляет 475°С. Это осуществляется главным образом теплопереносом противоточного типа, благодаря чему площадь поверхности теплообменника, необходимая для нагрева, минимальна. Далее, толуол нагревается дальше во втором теплообменнике 22 до температуры 300°С, но теперь источником теплоты является газ, который начал охлаждаться от своей первоначальной температуры потока, в данном случае 1100°С, и охлаждается до температуры 755°С. Здесь теплообменник является в первую очередь теплообменником с параллельными потоками. Далее толуол вводится в испарительную секцию, которая состоит в основном из третьего теплообменника 23. Испарение опускает температуру газа до 570°С. В четвертом теплообменнике 24 пар перегревается, в данном случае, до температуры 326°С, благодаря чему температура потока топочного газа становится равной 475°С, то есть он находится в состоянии, при котором начинается теплообмен в первом теплообменнике.
С помощью способа по настоящему изобретению требуемую общую площадь поверхности теплообмена можно существенно уменьшить, чем при использовании только теплообменника с параллельными потоками.
Настоящее изобретение не ограничено показанными вариантами, и в объем приложенной формулы входят различные изменения. Например, спираль из трубы может быть изготовлена, в отличие от того, что описано выше, из пары труб или из нескольких смежных труб, а не из одной трубы.