利用可变部分旁路的方法和热交换系统的利记博彩app
【专利说明】利用可变部分旁路的方法和热交换系统
[0001]对相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请要求2013年6月28日提交的美国临时专利申请N0.61/841，252和2013年7月31日提交的美国专利申请N0.13/955,923的权益。
[0003]罝量
[0004]?赖于通过燃料燃烧将大量热能输入炉中的工艺中，特别重要的是实现尽可能高的能量效率。因此常见做法是回收烟气中的过量热，例如通过用其加热燃烧空气。改进效率的另一方式是通过富氧燃烧，其通过用富氧料流替代燃烧中常用的空气而避免加热空气的氮组分。尽管在富氧燃烧中降低损失到烟气中的热(因为烟气体积较小)，但损失的热量仍然显著，回收这种热是有利的。
[0005]US 5，807，418公开了通过氧化剂(至少50%02)与烟气的“并流间接热交换”回收热，接着使用部分冷却的烟气预热批料和/或碎玻璃。如US 5，807，418所用，“并流间接热交换”简单地是指其中氧化剂和热交换器被墙隔开的热交换器，其中氧化剂和烟气同向流动。尽管提供了梗概，但没有细节，如热交换器的构造材料，仅注解了“使用使其适合并可安全地操作富氧氧化剂和高温的材料和方式构造”该热交换器。考虑到构造这样的热交换器的实际困难，这一说明不足以供技术人员实际执行。这一方案具有明显的缺点，即热燃烧气体中的未燃燃料可能与泄漏的或在交流换热器处的氧接触，由此造成灾难性无控燃烧的风险高得不可接受。
[0006]US 2009/0084140使用类似于US 5，807，418的方案，但批料/碎玻璃预热与氧化剂预热并行，并另外公开了与批料/碎玻璃热交换器有关的内容。仍然没有公开关于氧化剂热交换器的构造的细节，只说其可能是再生式或同流换热式热交换器。将单个氧化剂料流送往热交换器，在此通过与热燃烧气体的热交换将其加热。三个燃料流与来自热交换器的三个预热氧化剂料流一起被三个相应的燃烧器燃烧。因此，在每种情况下，将单个氧化剂料流送往各热交换器。没有提到控制热交换器的内部组件的温度。这种方法也具有热燃烧气体中的未燃燃料可能与泄漏的或在交流换热器处的氧接触由此造成灾难性无控燃烧的风险高得不可接受的缺点。
[0007]US 2009/029800公开了一种热交换器，其中通过中间惰性气体在烟气和氧化剂或燃料之间换热。因此，一个壁将烟气与惰性气体隔开且另一个壁将惰性气体与氧化剂或燃料隔开。尽管这降低了发生灾难性无控燃烧的几率，但这种类型的热交换器在构造和维护上相对更复杂。在每种情况下，将单个氧化剂料流送往各热交换器。另外，没有提到控制热交换器的内部组件的温度，只说该中间气体充当热缓冲以抑制(dampen)氧化剂或燃料的温度变化。
[0008]US 2010/0258263公开了预热炉用氧化剂，其中代替使用一个大型热交换器预热许多氧化剂料流，其提出对相对少数的燃烧器使用几个尺寸更小的热交换器。没有提到控制热交换器的内部组件的温度。
[0009]US 2011/0104625公开了预热炉用氧化剂，其中首先通过与热烟气的同流换热式热交换预热传热流体，接着通过在另一热交换器处与该热传热流体的热交换预热氧化剂。在每种情况下，将单个氧化剂料流送往各热交换器。没有提到控制热交换器的内部组件的温度。
[0010]us 2011/0104628类似地公开了预热炉用氧化剂，其中首先通过与热烟气的同流换热式热交换预热传热流体，接着通过在另一热交换器处与该热传热流体的热交换预热氧化剂。在每种情况下，仍将单个氧化剂料流送往各热交换器。其具体公开了应相对于燃烧器的数量增加热交换器的数量以使从热交换器到燃烧器的热氧化剂线路的长度最小化以避免热损失。没有提到控制热交换器的内部组件的温度。
[0011]us 6，250，916也公开了预热炉用氧化剂，其中首先通过与热烟气的同流换热式热交换预热传热流体，接着通过在另一热交换器处与该热传热流体的热交换预热氧化剂。在每种情况下，仍将单个氧化剂料流送往各热交换器。没有提到控制热交换器的内部组件的温度。
[0012]许多文献已提出用管壳式热交换器进行热交换的设计，其中使用用于使一定量的流体绕过热交换器的旁路管理管程或壳程流体的温度(即US 7，234，512;US 4,593,757,US6,003,954；US 5,615,738；US 4,991,643；US 2009/0320642；US 6,302,191；US 6,003,594，US，5，615，738)。在图1中图解了这些设计的基本概念，其中将管程流体的进料流量分成主流量和旁路流量。通过热交换器HE内的壳程流体加热或冷却该主流量，而旁路流量完全绕过其。在旁路后，合并各流体流量。测量合并流的温度。在通过壳程流体加热管程流体的情况下，如果温度高于预定设定点，控制器将信号发送到控制阀以命令其增加绕过热交换器的管程流体的量。由此可以在一定程度上管理合并流的温度。可以使用外部阀或机械控制挡板实现壳程旁路(即US 6，003，594和US 5，615，738)_后者看起来在构造上复杂。另一些提议(US 2009/0320642、US 4，991，643)显示管程内部旁路的方法，但它们需要复杂的阀门。
[0013]有另一些关于壳程内部旁路的提议，但在各情况中，旁路的用途是以更好的流量分布改进效率，而非用于控制温度。
[0014]图1中所示的提议确实提供一些优点。控制合并流的温度是重要的，因为可以实现相对恒定的工艺气体温度。也可以在使位于热交换器下游的任何工艺气体传送管道的温度保持在它们的材料极限以下的程度上控制工艺气体的温度。例如，就氧化性工艺气体而言，必须使下游管道保持在这些管道的材料极限以下以避免这些管道的过早或灾难性破坏。
[0015]但是，图1中所示的完全旁路技术也与一些缺点相关。当旁通量太大时，在热交换器内会发生温度超调。这是因为当提高旁路的流速时，流经热交换器的管程流体的流速相应降低。热交换器内的管程流体的降低的流速会提高管程流体与热壳程流体之间的热交换速率。因此，尽管在热交换器下游可能不超过合并流的设定点温度，但热交换器内的温度可能达到不令人满意地高的程度。当管程流体是反应性或氧化性(如氧气或富氧空气)时，不令人满意地高的温度会造成热交换器内的腐蚀和/或无控燃烧。这造成过早或灾难性破坏的风险高得不可接受。当反应性的氧化性管程流体经过具有引入局部高湍流的弯头/转弯的流径时，加剧这种高风险。高湍流提高该管程流体与紧邻该高湍流的热交换器的管程部分反应或将其氧化的速率。
[0016]因此，图1中所示的解决方案必须明显在实际极限温度(在此热交换器的内部组件可能失效)以下运行。例如，如果在热交换器内达到的最大内部温度仅为500°C(这低于580°C的极限温度)，可能可实现管程流体的多达20-30%的旁路而不担心达到580°C的极限温度。必须明显在热交换器内部组件的材料极限温度以下的温度运行热交换器的必要性显著限制可安全地实现的管程气体温度的范围。为了达到管程温度，必须由特殊和高昂的材料制造热交换器。
[0017]因此，需要没有表现出不可接受地高的过早和潜在灾难性破坏的风险的方法和热交换系统。还需要相对于从热交换器接收预热氧化剂或燃料的燃烧器的数量减少热交换器的数量的方法和热交换系统。还需要控制热交换器的内部组件的温度而不引起温度超调的方法和热交换系统。还需要可以以合理的成本安全地实现相对较宽的工艺气体温度范围的方法和热交换系统。还需要可以安全地实现相对较宽的工艺气体温度范围、同时仍允许用多种多样的材料制造热交换器的方法和热交换系统。
[0018]挺述
[0019]本发明用于满足上述需求。
[0020]提供了利用反应物流的可变部分旁路降低逆流管壳式热交换器的内部组件的过热的方法。该方法包括下列步骤。用第一控制阀(CV1)将冷反应物的第一进料流(FF1)分成冷反应物的第一主流(MF1)和冷反应物的第一旁路流(BF1),第一主流(MF1)在热交换器的管程上流经逆流管壳式热交换器。在管壳式热交换器处在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热并将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)W及冷却壳程流体流，第一合并流(CF1)在热交换器的第一反应物出口(RO1)离开热交换器。在第一反应物出口(RO1)处或下游测量第一合并流(CF1)的温度。基于第一合并流(CF1)的测量的温度用控制阀(CVi)控制由第一进料流(FF1)分割而得的第一主流(MF1)和第一旁路流(BF1)的相对比例，其中从壳程流体传递到第一旁路流(BF1)的热少于从壳程流体传递到第一主流(MF1)的热。
[0021]还提供利用反应物流的可变部分旁路降低其内部组件的过热的改进的逆流管壳式热交换系统，所述热交换系统包含:适合并配置为将冷反应物的第一进料流(FF1)分成冷反应物的第一主流(MF1)和冷反应物的第一旁路流(BFi)的第一控制阀(CV1);从第一控制阀(CV1)接收冷反应物的第一主流(MF1)的第一主流入口导管(27，67，106);从第一控制阀(CV1)接收冷反应物的第一旁路流(BF1)的第一旁路流入口导管(26，66，107);具有与包含热交换空间的壳(35)的内部流体连通的壳程流体入口和出口( SI，SO)的壳(35);用于在热交换空间中在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置；用于在热交换空间中在第一旁路流(BFi)和热壳程流体流之间换热的装置，其中所述用于在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间换热的装置配置为并适合于使在第一主流(MF1)和热壳程流体流之间交换的热多于通过用于在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间换热的装置在第一旁路流(BF1)和热壳程流体流之间交换的热；用于将第一主流(MF1)与第一旁路流(BF1)合并产生加热的反应物的第一合并流(CF1)的装置;至少一个接收第一合并流(CF1)并与第一反应物出口(RO1)流体连通的第一下游反应物管(92，112);与第一反应物出口(RO1)流体连通并由其接收第一合并流(CF1)的第一出口导管;在第一反应物出口(RO1)处或下游布置在出口导管中的第一温度传感器(T1);和适合并配置为控制由第一控制阀(CV1)分割冷反应物的第一进料流(FF1)产生的第一主流(MF1)和第一旁路流(BF1)的相对比例的可编程逻辑控制器(C)，所述控制基于第一温度传感器(T1)感知的第一合并流(CF1)的温度。
[0022]还提供一种利用预热的反应物的玻璃熔炉，其包含布置在包围适合并配置为容纳玻璃制造装料或熔融玻璃的燃烧空间的炉壁(22)上的第一和第二燃烧器(23a，23b)、气态燃料源(I9a，I9b)、选自工业纯氧和富氧空气的氧化剂源(IIa，IIb)和具有出口(6)的同流换热器(recuperator)或交流换热器(regenerator) (5)，和权利要求18的热交换系统。第一和第二冷反应物是从所述氧化剂源(11a，IIb)接收的相同冷氧化剂。燃烧器(23a，23b)从所述气态燃料源(I 9a，I9b )接收气态燃料。第一控制阀(CV1)从氧化剂源(I Ia)接收冷反应物的第一进料流(FF1)。第二控制阀(CV2)从氧化剂源(IIb)接收冷反应物的第二进料流(FF1)。热壳程流体是从同流换热器或交流换热器(5)的出口(6)接收的空气。第一和第二合并流(CFiCF2)分别在第一和第二燃烧器(23a，23b)处用气态燃料燃烧以产生用于加热所述装料或熔融玻璃的热。
[0023]提供另一种利用预热的反应物的玻璃熔炉，其包含布置在包围适合并配置为容纳玻璃制造装料或熔融玻璃的燃烧空间的炉壁(22)上的第一和第二燃烧器(23a，23b)、气态燃料源(I9a，I9b)、选自工业纯氧和富氧空气的氧化剂源(IIa，IIb)和具有出口(6)的同流换热器或交流换热器(5)，和权利要求18的热交换系统。第一和第二冷反应物是从所述气态燃料源(I 9a，I 9b )接收的相同气态燃料。燃烧器(23a，23b )从所述氧化剂源(11 a，I Ib )接收氧化剂。第一控制阀(CVi)从气态燃料源(I9a)接收冷反应物的第一进料流(FF1)。第二控制阀从气态燃料源(19b)接收冷反应物的第二进料流。热壳程流体是从同流换热器或交流换热器(5)的出口(6)接收的空气。第一和第二合并流(CF1,CF2)分别在第一和第二燃烧器(23a，23b)处用氧化剂燃烧以产生用于加热所述装料或熔融玻璃的热。
[0024]提供又一种利用预热的反应物的玻璃熔炉，其包含布置在包围适合并配置为容纳玻璃制造装料或熔融玻璃的燃烧空间的炉壁上的第一和第二燃烧器、气态燃料源(19a，19b)、选自工业纯氧和富氧空气的氧化剂源(11a，11b)和具有出口(6)的同流换热器或交流换热器(5)，和两个权利要求18的热交换系统。这两个热交换系统的第一个的第一和第二冷反应物是从所述气态燃料源(I9a，I9b)接收的相同气态燃料。这两个热交换系统的第二个的第一和第二冷反应物是从所述氧化剂源(11a，11b)接收的相同氧化剂。这两个热交换系统的第一个的第一控制阀(CV1)从氧化剂源(IIa)接收冷反应物的第一进料流(FF1)13这两个热交换系统的第一个的第二控制阀(CV2)从氧化剂源(IIb)接收冷反应物的第二进料流(FF2)。这两个热交换系统的第二个的第一控制阀(CVi)从气态燃料源(19a)接收冷反应物的第一进料流(FF1) ο这两个热交换系统的第二个的第二控制阀(CV2)从气态燃料源(I9b )接收冷反应物的第二进料流(FF2)。热壳程流体是从同流换热器或交流换热器(5)的出口(6)接收的空气。来自这两个热交换系统的第一个的第一合并流(CFi)和来自这两个热交换系统的第二个的第一合并流(CF1)在第一燃烧器(23a)处燃烧以产生用于加热所述装料或熔融玻璃的热。来自这两个热交换系统的第一个的第二合并流(CF2)和来自这两个热交换系统的第二个的第二合并流(CF2)在第二燃烧器(23b)处燃烧以产生用于加热所述装料或熔融玻璃的热。
[0025]任何一个或多个热交换系统、方法或玻璃熔炉可包括一个或多个下列方面:
[0026]-用第二控制阀(CV2)将冷反应物的第二进料流(FF2)分成冷反应物的第二主流(MF2)和冷反应物的第二旁路流(BF2),第二主流(MF2)在管程上流经管壳式热交换器。在管壳式热交换器处在第二主流(MF2)和热壳程流体流之间换热并将第二主流(MF2)与第二旁路流(BF2)合并产生加热的反应物的第二合并流(CF2)和冷却壳程流体流，第二合并流(CF2)在热交换器的第二反应物出口(RO2)离开热交换器。在第二反应物出口(RO2)处或下游测量第二合并流(CF2)的温度。基于第二合并流(CF2)的测量的温度用第二控制阀(CV2)控制由第二进料流(FF2)分割而得的第二主流(MF2)和第二旁路流(BF2)的相对比例。从壳程流体传递到第二旁路流(BF2)的热少于从壳程流体传递到第二主流(MF2)的热。第一进料流(FF1)分割成第一主流和旁路流(MF1, BF1)的相对比例的控制独立于第二进料流(FF2)分割成第二主流和旁路流(MF2，BF2)的相对比例的控制。
[0027]-所述反应物是氧浓度高于空气的氧化剂。
[0028]-所述反应物是工业纯氧。
[0029]-所述反应物是富氧空气。
[0030]-所述反应物是气态燃料。
[0031 ]-所述壳程流体是空气或惰性气体。
[0032]-所述壳程流体是空气并通过下列步骤获得热壳程空气:在预换热器处通过与冷壳程空气换热预热环境空气以产生中等热的空气;和在同流换热器或交流换热器处通过与热炉气换热加热所述中等热的空气以产生热壳程空气。
[0033]-所述管壳式热交换器包括:接收第一旁路流(BF1)的第一旁路进气室(28)，第一旁路进气室(28)在下游方向终结于第一管板(30);与第一旁路进气室(28)流体连通、从第一管板(30)下游延伸并终结于开放下游端(34)的第一组旁路管(33);接收第