Котел-утилизатор и способ утилизации отходящего тепла горячих газов

 

Изобретение относится к устройствам котла-утилизатора отходящего тепла горячих газов печи для плавления материала во взвешенном слое, в частности, плавильной печи с псевдоожиженным слоем. Устройство содержит радиационную и конвенционную секции, свод переднего конца радиационной секции выполнен с возвышением, за которым расположен поперечный канал, сформированный двумя панельными стенками и соединяющей их донной пластиной. Поток горячих газов, поступающих в радиационную секцию, отклоняют от ее свода и образуют по меньшей мере, два отдельных контролируемых турбулентных потока с дополнительными слабыми турбулентными течениями, обеспечивая повышение общего времени пребывания горячих газов в радиационной секции и отделения пылеобразных частиц в основном из переднего конца радиационной секции. 2 с. и 7 з. п. ф-лы., 2 ил.

Изобретение касается устройства котла-утилизатора отходящего тепла горячих газов, сбрасываемого печью для плавления материала во взвешенном слое, в частности, печью с псевдоожиженным слоем.

Содержащие пыль газы, образовавшиеся в печи для плавления материала во взвешенном слое, не могут непосредственно попадать из радиационной части котла-утилизатора отходящего тепла в его конвективную часть, чем обеспечивается возможность подавления тенденции к накоплению пыли, обусловленному действием газов, и полезной утилизации всего объема котла-утилизатора отходящего тепла, а также повышение времени пребывания. Изобретение также касается способа утилизации отходящего тепла горячих газов плавильной печи.

Обычно котел-утилизатор отходящего тепла, стоящий после печи для плавления материала во взвешенном слое, представляет собой котел туннельного типа, действующий в условиях прямого прохождения газов, где котел делится на две секции - радиационную и конвекционную. Назначение радиационной секции состоит в том, чтобы охладить газы до температуры, при которой происходит отверждение расплавленных частиц, содержащихся в газе, и которая оказывается ниже температуры спекания частиц, после чего газы поступают в конвекционную секцию котла-утилизатора отходящего тепла. В конвекционной секции конечное тепло, уносимое содержащими пыль газами, регенерируется посредством охлаждающих пучков труб.

Однако в котлах-утилизаторах отходящего тепла туннельного типа высокое содержание пыли в газах, образовавшихся при плавлении материала во взвешенном слое, часто является причиной накапливания пыли, что затрудняет как работу котла-утилизатора отходящего тепла, так и протекание всего процесса плавления материала во взвешенном слое. Потери производителей из-за возможных остановок процесса плавления во взвешенном слое, обусловленных этими трудностями, являются значительными.

Тенденцию к накоплению пыли усиливают, к примеру, следующие факторы. В радиационной секции котла-утилизатора отходящего тепла эффективно используются только свод и верхние участки стенок и то только тогда, когда они являются чистыми. Поскольку большая часть тепловой нагрузки приходится на небольшую часть котла, трудно поддерживать котел-утилизатор отходящего тепла в чистом состоянии. Далее, горячие газы, содержащие пыль, непосредственно поступают, будучи частично неохлажденными, в конвекционную секцию котла, где расплавленные частицы пыли прилипают к охлаждающему их пучку труб и охлажденные частицы спекаются. Более того, нижняя часть котла-утилизатора отходящего тепла является слабым приемником радиационной энергии, но характеризуется высоким временем пребывания для части уносящих пыль газов, чем создаются условия для нежелательного взаимодействия с окислением диоксида серы в триоксид. На стадии мокрой очистки газов на сернокислотной установке триоксид серы образует серную кислоту, так называемую скрубберную кислоту, концентрация которой в сточных водах часто оказывается близкой к опасной.

Многими различными способами делались попытки удалить пыль, накапливающуюся в котле-утилизаторе отходящего тепла; очистку котла с достижением положительных результатов интенсифицировали посредством использования остукивающих устройств, но при этом все сводилось к удалению пыли, а не к устранению самой причины ее появления. Недостатки применения слишком интенсивного остукивания очевидны: сокращается срок службы котла-утилизатора отходящего тепла. В радиационной секции котла-утилизатора отходящего тепла также устанавливают щиты охлаждения, идущие параллельно котлу, в результате чего газ может свободно протекать между щитами; известно, что эти щиты действуют хорошо, если они правильно сконструированы. Более того, в радиационной секции котла испытывали возможность применения поперечных панелей охлаждения, т.е. панелей, идущих в поперечном направлении по отношению к движению газа. Результаты опытов, однако, оказались разочаровывающими из-за существования сильной тенденции к образованию шлаковых наростов. Предпринимались также попытки воспрепятствовать прямому прохождению газа вдоль свода радиационной секции котла- утилизатора отходящего тепла посредством расположения конвекционной секции на более низком уровне в сравнении с радиационной секцией, в результате чего задняя часть свода радиационной секции оказывалась наклонно расположенной в направлении движения потока.

Известен котел-утилизатор отходящего тепла горячих газов печи для плавления материала во взвешенном слое, в частности, плавильной печи с псевдоожиженным слоем, включающий радиационную и конвенционную секции, при этом свод переднего конца радиационной секции выполнен с возвышением (патент США N 4530311). Этот котел-утилизатор отходящего тепла выполнен с модифицированной радиационной секцией, изменения в которой направлены на устранение недостатков, отмеченных в описанных выше конструкциях. В сравнении с передним концом радиационной секции конвекционная секция у котла-утилизатора отходящего тепла располагается существенно ниже, чем предотвращается прямое прохождение содержащих пыль газов вдоль свода радиационной секции. Свод радиационной секции сконструирован так, что радиационная секция оказывается ступенчато опущенной по отношению к переднему концу конвекционной секции, и одновременно на стенку воздействуют остукивающие устройства, известные в этой области техники. Таким образом, оказывается возможным использовать низ радиационной секции, который в существующих конструкциях использовался недостаточным образом. Кроме того, у свода радиационной секции устанавливаются щиты, идущие параллельно направлению движения газа, в результате чего в отделениях, образованных поперечными стенками радиационной секции, щит последующего отделения всегда делит газовый поток, выходящий из предыдущего отделения, более или менее, на две части.

Известен также (патент США N 4530311) способ утилизации отходящего тепла горячих газов печи для плавления материала во взвешенном слое, в частности, плавильной печи с псевдоожиженным слоем, включающий подачу потока горячих газов в радиационную секцию котла- утилизатора.

Известный котел-утилизатор по существу непригоден для охлаждения содержащих пыль газов, образующихся при проведении процесса плавления во взвешенном слое, а также для сбора пыли, обладает недостаточно высокой производительностью.

Известный способ утилизации отходящего тепла горячих газов не обеспечивает эффективного перемешивания газов и характеризуется сравнительно малым суммарным временем пребывания их в радиационной секции котла.

В основу изобретения поставлена задача создать котел-утилизатор, конструкция которого гарантировала бы безопасность при его эксплуатации и который позволял бы охлаждать содержащие пыль газы и собирать эту пыль, а также создать безопасный и высокопроизводительный способ утилизации отходящего тепла горячих газов с использованием такого котла.

Поставленная задача решается тем, что котел-утилизатор отходящего тепла горячих газов печи для плавления материала во взвешенном слое, в частности, плавильной печи с псевдоожиженным слоем, включает радиационную и конвекционную секции, при этом свод переднего конца радиационной секции выполнен с возвышением, а за возвышением свода переднего конца радиационной секции выполнен поперечный относительно потока газа канал, сформированный двумя панельными стенками и соединяющей их донной пластиной, причем канал выполнен открытым сверху и по сторонам, донная пластина поперечного канала смонтирована ниже свода радиационной секции на расстоянии не больше половины высоты радиационной секции, причем возвышение свода переднего конца радиационной секции составляет 5-20% от ее высоты, предпочтительное возвышение свода переднего конца радиационной секции составляет преимущественно 15% от высоты радиационной камеры, при этом в поперечном канале расположены остукивающие устройства и тепловая изоляция, а радиационная секция снабжена охлаждающими трубчатыми панелями, расположенными параллельно потоку газов.

Поставленная задача решается также и тем, что в способе утилизации отходящего тепла горячих газов печи для плавления материала во взвешенном слое, в частности, плавильной печи с псевдоожиженным слоем, включающем подачу потока горячих газов, отклоняют от свода радиационной секции и образуют по меньшей мере два отдельных контролируемых турбулентных потока: у переднего конца радиационной секции и у заднего конца этой секции с дополнительными слабыми турбулентными течениями, обеспечивая повышение общего времени пребывания горячих газов в радиационной секции и отделение пылеобразных частиц в основном у переднего конца радиационной секции, при этом площадь поперечного сечения потока горячих газов уменьшают в месте расположения поперечного канала не больше, чем вдвое, а удаление пыли из радиационной секции котла-утилизатора производят при помощи остукивающих устройств.

В соответствии с изобретением свод у переднего конца радиационной секции стандартного котла-утилизатора отходящего тепла туннельного типа поднимают на 5-20%, лучше всего на 15%, в результате чего у переднего конца образуется полостеподобное пространство, в которое горячий газ, выходящий из плавильной печи, поступает в условиях обратного течения без прямого соударения в виде "резкой" и горячей струи с пучком труб свода. Свод поднимают только у переднего конца радиационной секции, т.е., самое большое, до половины пути следования газа.

Сразу за задней стенкой поднятой части конструкция котла согласно изобретению включает в себя опущенную часть свода, идущую поперек потока газов, которая следует в направлении движения потока от свода радиационной секции нормальной высоты и образует канал в радиационной секции котла, причем этот канал в свою очередь ограничивается двумя стенками, образованными трубчатыми щитами и дном. Канал содержит изоляцию и остукивающие устройства и характеризуется наличием достаточного пространства, необходимого для эксплуатационного обслуживания оборудования. Поперечный относительно потоков газа сходящий канал должен быть открыт по бокам и у верха радиационной секции. Назначение опущенной части состоит в том, чтобы в свою очередь направить вниз горячий основной газовый поток, выходящий из печи, и затем повернуть его вверх из-под газохода и образовать восходящий поток, направленный в конвекционную секцию.

Посредством настоящего изобретения оказывается возможным увеличить охлаждающую поверхность в радиационной секции, причем как в приподнятой части, так и в поперечном относительно потока газов канале. Повышается степень наполнения радиационной секции, и, следовательно, возрастает время пребывания, причем как в абсолютном, так и в относительном смысле. В соответствии с изобретением поступающий поток горячих газов отклоняется от свода радиационной секции, и пыль в основном собирается у переднего конца радиационной секции.

У выходящего из плавильной печи газа температура примерно составляет 1300^oC. При охлаждении газа до 800-600^oC пылевидные частицы сульфатизируются и содержащие металл частицы, находящиеся в газе, окисляются под воздействием, к примеру, избыточного воздуха, поступающего из донного конца радиационной секции, и падают в воронкообразные желоба, находящиеся на дне радиационной секции. С точки зрения обработки газа сульфатизация пылевидных частиц представляется желательным явлением, однако, если произошло падение температуры газа до 600-500^oC, преимущественной газофазной реакцией оказывается реакция окисления диоксида серы в триоксид, что представляется вредным явлением, как уже отмечали выше.

В радиационной секции стандартной конструкции при соударении основного потока со сводом в его нижней части возникает сильный неэффективный газовый поток обратного направления, где газ пребывает в турбулентном течении и охлаждается ниже до нежелательных температур. В конструкции, отвечающей изобретению, слишком быстрый основной поток и большой поток обратного течения, оба они делятся на несколько небольших и эффективно перемешиваемых за счет турбулентного течения газовых потоков, в случае которых газ, однако, успевает продвинуться дальше, прежде чем его температура оказывается ниже температурной области, в которой протекают нежелательные реакции. Таким образом, возрастает суммарное время пребывания газа, но при этом время оказывается недостаточным для падения температуры с достижением нежелательной области.

Управляемые направленные вверх завихрения, возникающие в приподнятой части радиационной секции, обеспечивают возможность оптимизации движения довольно многочисленных циркуляционных газовых потоков и их смешивания с поступающим газовым потоком.

Газы, пребывающие в состоянии восходящего вихревого движения, охлаждаются более эффективно, чем горячее газовое пламя, соударяющееся со сводом обычного котла. В предложенной конструкции достигается оптимальная температура сульфатизации в канале, т.е. температура величиной 700±100^oC, в который поступает кислородсодержащий циркулирующий газ, в результате чего предотвращается попадание сульфидной пыли в конвекционную секцию.

Настоящее изобретение позволяет также с выгодой использовать протяженные охлаждающие трубчатые экраны, располагаемые параллельно существующему течению, в результате чего возрастает охлаждающая поверхность. Экраны могут быть расположены либо в приподнятой части и за ней, либо после поперечной опущенной части. Все сказанное оказывается возможным в силу того, что остукивание может быть произведено как со стороны свода, так и изнутри газохода, образованного поперечным опущенным участком. На фиг. 1 представлено изображение в поперечном сечении, сделанном в вертикальном направлении, обычной существующей конструкции котла-утилизатора отходящего тепла; на фиг. 2 - изображение в поперечном, сечении, сделанном в вертикальном направлении, конструкции котла-утилизатора отходящего тепла согласно настоящему изобретению.

На фиг.1 показан основной газовый поток 5 и его обратные течения 6 и 7, который поступает из плавильной печи 1 в радиационную секцию 3, затем в конвекционную секцию 4 котла-утилизатора отходящего тепла 2. Обратное течение 6 является большим и медленным. Его степень обмена и, следовательно, эффективность перемешивания являются небольшими. На фиг. также отмечена точка соударения горячего газового потока со сводом 8 радиационной секции.

На фиг.2 показан основной газовый поток 11 с турбулентными обратными течениями 12, 13, 14 и 15, выходящий из плавильной печи 1 и поступающий в радиационную секцию 9, а затем в конвекционную секцию 10. На фиг.2 показаны также приподнятая часть 16 переднего конца радиационной секции, отвечающая изобретению, и поперечное канальное устройство, изменяющее направление движения потока, которое образовано двумя в существенной мере вертикальными двойными панельными стенками 17 и 18 и донной пластиной 19, расположенной между ними, в результате чего появляется промежуточное пространство, необходимое для размещения остукивающих устройств, тепловой изоляции и даже для проведения операций обслуживающим персоналом. Панельные стенки и донная пластина, расположенная между ними, проходят поперек всей радиационной секции котла. В приподнятой части 16 показано также широко используемое циркуляционное газовое сопло 20. Продольные стенки регенерации тепла, изготовленные из трех или большего числа параллельно расположенных тепловых трубчатых панелей, расположенных в направлении движения потока, имеются как в передней части 21, так и в задней части 22.

Окончательная регенерация тепла происходит в конвекционной секции котла-утилизатора отходящего тепла, куда газы поступают преимущественно очищенными от основной части твердых примесей. Большая часть этих примесей падает в воронкообразные желоба 23, имеющиеся на дне радиационной секции, и они могут быть удалены из них. Твердый материал, налипающий на панели, также, в конечном итоге, поступает в желоба, поскольку панели снабжены остукивающими устройствами, широко используемыми в этой области техники, и эти остукивающие устройства время от времени сбрасывают накопившиеся твердые материалы. Дно конвекционной секции также снабжено воронкообразными участками, чем обеспечивается возможность извлечения и удаления твердых веществ, дополнительно отделившихся от газов. В конвекционной секции извлечение тепла производится охлаждающим пучком труб, по которым циркулирует пар или жидкость (одновременно или по отдельности).

Газы, сбрасываемые котлом-утилизатором отходящего тепла, уже являются довольно чистыми и могут быть тем самым направлены на окончательную очистку в электрофильтр перед подачей их, к примеру, на следующую технологическую стадию.

Формула изобретения

1. Котел-утилизатор отходящего тепла горячих газов печи для плавления материала во взвешенном слое, в частности плавильной печи с псевдоожиженным слоем, включающий радиационную и конвенционную секции, при этом свод переднего конца радиационной секции выполнен с возвышением, отличающийся тем, что за возвышением свода переднего конца радиационной секции выполнен поперечный относительно потока газа канал, сформированный двумя панельными стенками и соединяющей их донной пластиной, причем канал выполнен открытым сверху и по сторонам.

2. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что донная пластина поперечного канала смонтирована ниже свода радиационной секции на расстоянии не больше, чем половина высоты радиационной секции.

3. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что возвышение свода переднего конца радиационной секции составляет 5 - 20% от ее высоты.

4. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что возвышение свода переднего конца радиационной секции составляет преимущественно 15% от высоты радиационной камеры.

5. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что в поперечном канале расположены остукивающие устройства и тепловая изоляция.

6. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что радиационная секция снабжена охлаждающими трубчатыми панелями, расположенными параллельно потоку газов.

7. Способ утилизации отходящего тепла горячих газов печи для плавления материала во взвешенном слое, в частности плавильной печи с псевдоожиженным слоем, включающий подачу потока горячих газов в радиационную секцию котла-утилизатора, отличающийся тем, что поток горячих газов отклоняют от свода радиационной секции и образуют по меньшей мере два отдельных контролируемых турбулентных потока: у переднего конца радиационной секции и у заднего конца этой секции с дополнительными слабыми турбулентными течениями, обеспечивая повышение общего времени пребывания горячих газов в радиационной секции и отделение пылеобразных частиц в основном у переднего конца радиационной секции.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения потока горячих газов уменьшают в месте расположения поперечного канала не больше, чем вдвое.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что удаление пыли из радиационной секции котла-утилизатора производят при помощи остукивающих устройств.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2