СПОСОБ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАГРЕВАНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ВЫШЕ ПО ПОТОКУ ОТНОСИТЕЛЬНО ПЕЧИ Российский патент 2020 года по МПК F23L15/04 F28D15/06 F23N3/00 

Настоящее изобретение относится к предварительному нагреванию текучей среды выше по потоку относительно печи посредством теплообмена с дымовыми газами, отводимыми из печи.

Компания «Air Liquide» разработала и внедряет в промышленности технологию кислородно-топливного сгорания в печи, согласно которой кислород для сгорания и, если необходимо, также топливо предварительно нагревают выше по потоку относительно печи посредством непрямого теплообмена с дымовыми газами, отводимыми из печи.

Между прямым теплообменом и непрямым теплообменом существует различие.

При прямом теплообмене текучую среду нагревают более горячей текучей средой посредством теплообмена через стенку, которая отделяет текучую среду, которую необходимо нагреть, от более горячей текучей среды.

Под непрямым теплообменом подразумевают теплообмен, выполняемый в два этапа прямого обмена посредством промежуточной текучей среды.

Таким образом, в известной технологии кислородно-топливного сгорания компании «Air Liquide»:

- промежуточную текучую среду нагревают посредством прямого теплообмена с дымовыми газами через первую стенку на первом этапе и

- на втором этапе кислород для сгорания (и, если необходимо, также топливо) предварительно нагревают посредством прямого теплообмена с промежуточной текучей средой, нагретой на первом этапе, через вторую стенку.

Такая технология, в частности, описана в заявке WO 2006/054015 в контексте теплообменника для пламенной печи.

Применение этой технологии продемонстрировало, что она обеспечивает значительную полезную экономию в случае печей, которые работают непрерывно и без частых значительных модификаций в режиме работы печи и которые непрерывно образуют поток горячих дымовых газов, достаточный для предварительного нагревания кислорода и/или топлива до желаемой температуры. Следовательно, расход и температура дымовых газов, образованных посредством такой печи, как правило, не изменяются значительно или внезапно во время работы печи.

Непрямой теплообмен также известен в области водогрейных котлов с горелкой, см. документ EP-A-0231962, а также в области теплообменников для извлечения остаточного тепла дымовых газов котла, см. документ CN-U-201680745.

Целью настоящего изобретения является предоставление технологии непрямого предварительного нагревания на основе принципов, упомянутых выше, которая больше подходит для печей, которые образуют горячие дымовые газы, расход и/или температура которых значительно изменяется во время работы печи.

Это, в частности, относится к печам периодического действия, в которых горение и, следовательно, производство горячих дымовых газов прерывают во время фазы выключения печи между двумя активными фазами печи и изменяют в соответствии с активными фазами печи.

Для этой цели в настоящем изобретении предлагается усовершенствованный способ предварительного нагревания текучей среды выше по потоку относительно печи посредством теплообмена с дымовыми газами, отводимыми из печи через канал.

Согласно этому способу жидкость или газообразная среда проходит через камеру с первым расходом. Эту среду используют в качестве среды теплопередачи между горячими дымовыми газами и текучей средой, которую необходимо предварительно нагреть.

Дымовые газы в канале нагревают промежуточную среду в камере посредством теплообмена через стенку, которую называют «первой стенкой», отделяющую промежуточную среду, которая находится в камере, от дымовых газов, которые находятся в нагнетательном канале, с получением нагретой среды.

Текучая среда, которую необходимо предварительно нагреть, проходит через по меньшей мере один трубопровод со вторым расходом. Стенка, которую называют «второй стенкой», отделяет текучую среду, которую необходимо предварительно нагреть и которая находится по меньшей мере в одном трубопроводе, с одной стороны, от среды внутри камеры, с другой стороны.

Текучая среда, которую необходимо предварительно нагреть, таким образом, может проходить через один такой трубопровод или пучок таких трубопроводов. Если текучая среда, которую необходимо предварительно нагреть, проходит через несколько таких трубопроводов, второй расход соответствует общему расходу текучей среды, которую необходимо предварительно нагреть, т. е. сумме расходов текучей среды, которую необходимо предварительно нагреть, проходящей через различные трубопроводы.

По меньшей мере один трубопровод, через который прошла текучая среда, которую необходимо предварительно нагреть, может, например, быть расположен внутри камеры. В этом случае наружная стенка по меньшей мере одного трубопровода внутри камеры составляет вторую стенку.

Нагретая среда, которая находится в камере, предварительно нагревает текучую среду, которая находится в по меньшей мере одном трубопроводе, посредством теплообмена через вторую стенку. Таким образом получают предварительно нагретую текучую среду, которую доставляют к печи с целью ее введения в печь.

Согласно настоящему изобретению первым расходом, т. е. расходом среды (теплопередающей текучей среды) в камере управляют как функцией по меньшей мере одной из следующих температур:

- температуры дымовых газов в канале,

- температуры нагретой среды,

- температуры предварительно нагретой текучей среды и

- температуры первой стенки.

Согласно настоящему изобретению первым расходом можно управлять как функцией только одной из указанных температур. Также возможно и, как правило, это является преимущественным, управлять первым расходом как функцией нескольких указанных температур, например, как функцией:

- температуры дымовых газов в канале и температуры нагретой среды;

- температуры дымовых газов в канале и температуры предварительно нагретой текучей среды;

- температуры дымовых газов в канале и температуры первой стенки;

- температуры нагретой среды и температуры предварительно нагретой текучей среды;

- температуры нагретой среды и температуры первой стенки;

- температуры предварительно нагретой текучей среды и температуры первой стенки;

- температуры дымовых газов в канале, температуры нагретой среды и температуры предварительно нагретой текучей среды;

- температуры дымовых газов в канале, температуры нагретой среды и температуры первой стенки;

- температуры дымовых газов в канале, температуры предварительно нагретой текучей среды и температуры первой стенки;

- температуры нагретой среды, температуры предварительно нагретой текучей среды и как функции и температуры первой стенки;

- температуры дымовых газов в канале, температуры нагретой среды, температуры предварительно нагретой текучей среды и температуры первой стенки.

Следовательно, в способе согласно настоящему изобретению используют переменный расход среды в камере. Это делает возможным приспособление рекуперации тепла и предварительного нагревания текучей среды для работы печи.

Если печь, например, представляет собой печь периодического действия, настоящее изобретение обеспечивает управление рекуперацией тепла и предварительным нагреванием текучей среды как функции рабочего этапа или состояния печи.

Текучая среда, которую необходимо предварительно нагреть, может представлять собой окислитель для горения, и, в частности, содержание кислорода в таком окислителе составляет от 50 об.% до 100 об.%; топливо или любую другую текучую среду, которую необходимо поставлять в печь с высокой температурой. Настоящее изобретение является особенно преимущественным для предварительного нагревания окислителя для горения. В этом случае содержание кислорода в окислителе для горения преимущественно составляет по меньшей мере 80 об.% и предпочтительно по меньшей мере 90 об.%.

Благодаря настоящему изобретению также возможно предварительное нагревание нескольких текучих сред, которые необходимо предварительно нагреть, например, окислителя для горения и топлива, причем каждая текучая среда, которую необходимо предварительно нагреть, затем проходит через по меньшей мере один трубопровод, предназначенный для указанной текучей среды, которую необходимо предварительно нагреть.

Среда, которая проходит через камеру (теплопередающая текучая среда), предпочтительно представляет собой газообразную среду такую как, например, воздух, азот, CO₂ или пар. Использование воздуха как среды часто является предпочтительным вследствие его доступности и безвредности.

Ниже по потоку относительно камеры среду, температура которой, как правило, все еще выше температуры окружающей среды, можно использовать для других целей (например, в качестве источника тепла для нагревания установок или зданий, в установке для сушки, для получения электроэнергии в цикле Ренкина или, если среда является окислителем, в качестве окислителя для горения). Другая возможность представляет собой возвращение текучей среды в камеру.

В отсутствие определенных мер, таких как введение холодного воздуха в канал выше по потоку относительно камеры, температуру и расход отводимых дымовых газов определяют посредством процесса, который происходит в печи.

Расход текучей среды, которую необходимо предварительно нагреть, в по меньшей мере одном трубопроводе, как правило, также определяют с помощью требований процесса, происходящего в печи.

Температура нагретой среды, температура предварительно нагретой текучей среды и температура первой стенки, с другой стороны, могут быть модифицированы посредством изменения расхода среды в камере (первого расхода). В частности, при идентичных расходах и температурах (a) дымовых газов в канале и (b) текучей среды, которую необходимо предварительно нагреть, увеличение первого расхода (расхода среды в камере) приводит к падению температуры первой стенки, которая отделяет дымовые газы от среды, падению температуры предварительно нагретой среды, а также падению температуры предварительно нагретой текучей среды. Аналогично, при идентичных расходах и температурах дымовых газов в канале и текучей среды, которую необходимо предварительно нагреть, снижение первого расхода приводит к увеличению температуры первой стенки, увеличению температуры предварительно нагретой среды, а также увеличению температуры предварительно нагретой текучей среды.

Процентная доля тепловой энергии, высвобождающейся из печи посредством дымовых газов, которая попадает обратно в печь посредством предварительно нагретой текучей среды, увеличивается с температурой Tf предварительного нагревания указанной текучей среды.

Благодаря настоящему изобретению обеспечивается возможность достижения высокой температуры Tf предварительного нагревания, при этом с обеспечением высокого уровня безопасности.

В общем, первым расходом управляют так, что предварительно нагретая текучая среда имеет температуру Tf, по меньшей мере равную заранее определенной минимальной температуре Tfmin. Если температура Tf падает ниже Tfmin, первый расход уменьшают, чтобы увеличивать температуру нагретой среды и, следовательно, также температуру Tf предварительно нагретой текучей среды. Эта минимальная температура Tfmin может быть постоянной или может изменяться со временем (Tfmin(t)) как функция изменений / протекания процесса, происходящего в печи. Tfmin, как правило, определяют так, чтобы гарантировать определенную степень повышения энергоэффективности благодаря предварительному нагреванию текучей среды.

Согласно первому варианту осуществления первым расходом управляют так, что температура Tpp первой стенки остается меньшей, чем первая заранее определенная максимальная температура Tppmax, или равной ей. Эта температура Tppmax, как правило, является постоянной. Tppmax обычно зависит от свойств материала (-ов), из которых выполнена первая стенка. Более конкретно, если температура Tpp первой стенки превышает это значение Tppmax, первый расход увеличивают, чтобы уменьшать температуру первой стенки Tpp. Действительно, целесообразно гарантировать, чтобы температура камеры, и в частности первой стенки, не достигала температуры, при которой существует риск нарушения физической целостности этой конструкции.

Согласно второму варианту осуществления первым расходом управляют так, чтобы поддерживать температуру Tf предварительно нагретой текучей среды ниже второй заранее определенной максимальной температуры Tfmax.

Если температура Tf предварительно нагретой текучей среды достигает этой максимальной температуры Tfmax, первый расход увеличивают так, чтобы уменьшать температуру Tf предварительно нагретой текучей среды. Эта вторая максимальная температура Tfmax также, как правило, является постоянной. Она обычно зависит от свойств текучей среды, которую необходимо предварительно нагреть.

Таким образом, если текучая среда, которую необходимо предварительно нагреть, представляет собой окислитель с содержанием кислорода от 50 об.% до 100 об.%, существует возможность управления первым расходом так, чтобы поддерживать температуру Tox (=Tf) предварительно нагретого окислителя ниже заранее определенной максимальной температуры Toxmax окислителя. Это является особенно полезным для защиты по меньшей мере одного трубопровода/второй стенки, а также элементов, находящихся в контакте с предварительно нагретым окислителем ниже по потоку относительно по меньшей мере одного трубопровода, от структурных изменений, которые могут вызвать ускоренную коррозию посредством предварительно нагретого окислителя или даже самовозгорание при определенных условиях давления. Toxmax может составлять, например, 550°C, если трубопровод(-ы), по которым протекает предварительно нагретый окислитель, выполнены из материала, обладающего высокой устойчивостью к окислению, такого как, в частности, инконель, или 400°C, если материал является менее устойчивым к окислению, как, например, нержавеющая сталь. Как указано выше, содержание кислорода в окислителе, который необходимо предварительно нагреть, может, в частности, составлять по меньшей мере 80 об.% или даже по меньшей мере 90 об.%.

Если текучая среда, которую необходимо предварительно нагреть, является топливом, существует возможность управлять первым расходом, чтобы поддерживать температуру Tcomb (=Tf) предварительно нагретого топлива ниже заранее определенной максимальной температуры Tcombmax топлива, как функцией свойств топлива. Таким образом можно избежать термической деградации топлива, например из-за расщепления. Для природного газа, например, Tcombmax может составлять порядка 450°C, во избежание любых рисков разложения природного газа при более высокой температуре, из-за которого образуется слой копоти.

Управление первым расходом предпочтительно выполняется автоматизированно посредством блока управления.

Если первым расходом управляют так, что температура Tf предварительно нагретой текучей среды выше или равна Tfmin и/или меньше Tfmax (такой как Toxmax для окислителя или Tcombmax для топлива), целесообразно измерять температуру Tf предварительно нагретой текучей среды и управлять первым расходом, как описано выше, посредством сравнения измеренной температуры Tf с предварительно определенной температурой Tfmin или Tfmax соответственно.

Подобным образом, если первым расходом управляют так, чтобы поддерживать температуру Tpp первой стенки ниже первой максимальной температуры Tppmax, можно измерять температуру первой стенки и управлять первым расходом, как описано выше, посредством сравнения измеренной температуры Tpp с первой максимальной температурой Tppmax.

Учитывая, что текучая среда является предварительно нагретой посредством теплообмена со средой в камере, также можно измерять температуру Tmil нагретой среды в камере и управлять первым расходом так, чтобы температура Tf предварительно нагретой текучей среды была равна по меньшей мере Tfmin и/или меньше Tfmax, как функцией измеренной температуры Tmil. Например, если измеренная температура Tmil нагретой среды превышает третью заранее определенную максимальную температуру Tmilmax, первый расход увеличивают для уменьшения температуры Tmil нагретой среды и, следовательно, температуры Tf предварительно нагретой текучей среды, и/или если измеренная температура Tmil нагретой среды падает ниже заранее определенной минимальной температуры Tmilmin, первый расход снижают, чтобы увеличивать температуру Tmil нагретой среды и увеличивать температуру Tf предварительно нагретой текучей среды.

Для управления первым расходом также можно определять температуру Tfum дымовых газов в канале, находящихся в контакте с первой стенкой.

В частности, как указано ранее, температуры нагретой среды и предварительно нагретой текучей среды для данной установки определяют посредством температуры отводимых дымовых газов, находящихся в контакте с первой стенкой, и посредством температуры и расхода (первого расхода) среды теплопередачи, вводимой в камеру.

Таким образом, можно гарантировать, что температура Tf предварительно нагретой текучей среды равна по меньшей мере Tfmin и/или меньше Tfmax, и/или что температура Tpp первой стенки не превышает Tppmax, посредством управления первым расходом как функцией измеренной величины температуры Tfum отводимых дымовых газов, находящихся в контакте с первой стенкой.

Например, если температура Tfum отводимых дымовых газов, находящихся в контакте с первой стенкой, превышает четвертую заранее определенную максимальную температуру Tfummax, первый расход увеличивают, чтобы уменьшать температуру Tpp первой стенки, уменьшать температуру Tmil нагретой среды и/или уменьшать температуру Tf предварительно нагретой текучей среды.

Как уже указано, также можно объединить различные варианты осуществления, описанные выше, например, посредством измерения различных температур и управления первым расходом как функцией различных температур, так, чтобы удовлетворять всем ранее выбранным прикладным критериям.

Из предшествующего уровня техники известно, что, если существует риск перегрева первой стенки отводимыми дымовыми газами, необходимо охладить дымовые газы, отводимые из печи выше по потоку относительно теплообменника, посредством введения окружающего воздуха в указанные отводимые дымовые газы.

Согласно одному варианту осуществления способа согласно настоящему изобретению температуру дымовых газов в нагнетательном канале печи измеряют и температурой дымовых газов, находящихся в контакте с первой стенкой, управляют посредством введения охлаждающего газа в дымовые газы выше по потоку относительно первой стенки, которая отделяет отводимые дымовые газы от среды в камере. Охлаждающий газ может поступать из того же источника, что и среда, которая вводится в камеру. Такое охлаждение отводимых дымовых газов представляет собой альтернативный способ обеспечения того, что температура Tpp первой стенки поддерживается ниже заранее определенной температуры Tppmax.

Как уже указано, управление первым расходом предпочтительно выполняется автоматизированно посредством блока управления. Если управление первым расходом осуществляют на основе одной или нескольких измеренных температур, данные об измеренной температуре(-ах) передают на указанный блок управления.

Если способ согласно настоящему изобретению включает этап охлаждения отводимых дымовых газов посредством введения охлаждающего газа в дымовые газы выше по потоку относительно первой стенки, расходом охлаждающего газа или даже распределением между расходом среды, отправляемой в камеру, и расходом охлаждающего газа, вводимого в дымовые газы, если среда и охлаждающий газ поступают из того же источника, также предпочтительно управляют с помощью указанного блока управления.

Первым расходом и/или расходом охлаждающего газа преимущественно управляют не только, как указано выше, для поддержания температуры Tf и/или температуры Tpp в пределах желаемого температурного диапазона, но и для предотвращения тепловых ударов в камере (и, в частности, в первой стенке).

Расходом среды в камере (первым расходом) можно управлять различными способами, в частности:

- посредством регулирования скорости насоса или вентилятора с переменной скоростью, обеспечивающего поток среды через камеру, или

- посредством регулирования открытия регулирующего клапана, например, регулирующего клапана на канале, доставляющем среду в камеру, регулирующего клапана на канале, выпускающем нагретую среду из камеры, или другого клапана, непосредственно или опосредовано определяющего расход среды в камеру.

Печь, из которой отводят дымовые газы и к которой отправляют предварительно нагретую текучую среду, может представлять собой печь непрерывного действия. Как указано выше, настоящее изобретение, в частности, предназначено для использования в печах/способах, которые создают горячие дымовые газы, расход и/или температура которых значительно изменяется / изменяются во время работы печи. В случае печей непрерывного действия эти изменения могут быть характерны для процесса, применяемого в печи, могут быть связны с изменениями в производстве (расход, свойства обрабатываемого или создаваемого продукта) и/или могут быть результатом прогрессирующих явлений, таких как износ, загрязнение и т. д. установки.

Печь также может представлять собой печь периодического действия, например:

- карусельную печь для плавления чугуна,

- карусельную печь для плавления и переработки цветных металлов,

- качающуюся печь для плавления и переработки цветных металлов,

- карусельную или качающуюся печь для плавления эмали,

- печь для плавления и переработки металлов типа дуговой сталеплавильной печи (ДСП).

Способ согласно настоящему изобретению и его преимущества описаны более подробно в нижеприведенных примерах, в которых производятся ссылки на фигуры 1 и 2, которые представляют собой два частичных схематических представления способа согласно настоящему изобретению и установки (в поперечном разрезе) для его реализации.

Согласно примеру, представленному на фиг. 1, горячие дымовые газы 10, образованные в печи (не представлена), отводят из печи через канал 11.

Камера 20 окружает нагнетательный канал 11 для дымового газа.

Вентилятор 30 окружающего воздуха с переменной скоростью вводит окружающий воздух 31 с регулируемым расходом в камеру 20 так, чтобы создавать поток воздуха в камере 20, который сопутствует потоку дымовых газов 10 в канале 11.

Первая стенка 21 физически отделяет дымовые газы 10 в канале 11 от воздуха в камере 20 с обеспечением возможности теплообмена между дымовыми газами 10 в канале 11 и воздухом в камере 20 через эту первую стенку 21. Следовательно, воздух в камере 20 поглощает часть тепла, которое было отведено из печи с дымовыми газами. Таким образом получают нагретый воздух в камере 20.

Текучую среду 40, которую необходимо предварительно нагреть, вводят в пучок трубопроводов 41, которые проходят через камеру 20. Наружная стенка указанных трубопроводов 41 (называемая второй стенкой) физически отделяет текучую среду в трубопроводах 41 от среды (воздуха) в камере 20. Эта вторая стенка выполняет функцию поверхности теплообмена между воздухом и текучей средой, которую необходимо предварительно нагреть, для получения предварительно нагретой текучей среды 42. Воздух в камере 20, следовательно, выполняет функцию теплопередающей текучей среды между горячими дымовыми газами 10 в канале 11 и текучей средой, которую необходимо предварительно нагреть, в трубопроводах 41.

Затем предварительно нагретую текучую среду 42 выводят из пучка трубопроводов 41 и доставляют в печь.

Когда предварительно нагретая текучая среда 42 представляет собой окислитель для горения или топливо, предварительно нагретый окислитель или топливо, как правило, доставляют в одну или несколько горелок печи и/или инжекторов, через которые предварительно нагретую текучую среду вводят в печь.

После предварительного нагревания текучей среды воздух 32 выводят из камеры 20, как правило, для использования в качестве источника тепла или окислителя топлива в установке ниже по потоку.

Как описано выше, в определенных случаях температура горячих дымовых газов 10, находящихся в контакте с первой стенкой 21, настолько высока, что существует возможность перегрева первой стенки 21, и для предотвращения такого перегрева должны приниматься меры (в частности, введение охлаждающего газа в горячие дымовые газы 10 и/или увеличение первого расхода).

В других случаях, тепловой энергии, имеющейся в горячих дымовых газах 10 и доступной для предварительного нагревания текучей среды, которую необходимо предварительно нагреть, недостаточно для предварительного нагревания текучей среды до оптимальной температуры выше по потоку относительно печи. Нагретый воздух 32, выходящий из камеры 20, затем может быть введен в горячие дымовые газы 10 в камере 20 для запуска горения (называемого досжиганием) CO и/или других несгоревших материалов и/или частичных продуктов горения в горячих дымовых газах 10. Такое дожигание обеспечивает возможность увеличения температуры дымовых газов 10 в камере 20 и, следовательно, нагревания текучей среды 40 (например, кислорода или природного газа) до более высокой температуры.

В примере, проиллюстрированном на фиг. 1, текучая среда, которую необходимо предварительно нагреть, является окислителем для горения (окислителем топлива), содержание кислорода в котором составляет 97 об.%, по меньшей мере, который протекает по трубопроводу 41 в противотоке с воздухом в камере 20.

Первый датчик температуры (термопара) 50 определяет температуру Tfum горячих дымовых газов 10 в канале 11 непосредственно выше по потоку относительно камеры 20.

Второй датчик 51 определяет температуру Tmil нагретого воздуха в непосредственной близости от выпускного отверстия для нагретого воздуха камеры 20. В проиллюстрированном варианте осуществления второй датчик 51 определяет более конкретно температуру Tg стенки камеры 20, находящейся в контакте с нагретым воздухом в этом положении, следовательно, температура Tg является измерением температуры Tmil этого нагретого воздуха.

Третий датчик 52 определяет температуру Tf предварительно нагретой текучей среды на выпускном отверстии пучка трубопроводов 41.

Каждый из трех датчиков 50, 51 и 52 соединен с блоком 60 управления, которая управляет скоростью вентилятора 30, и, следовательно, также расходом окружающего воздуха 31, с которым его поставляют в камеру 20.

Программное обеспечение блока 60 вычисляет, по меньшей мере приблизительно, температуру первой стенки на основе температуры горячих дымовых газов 10, определенной первым датчиком 50, и известных расхода и температуры окружающего воздуха. Блок 60 управления затем проверяет, является ли расход окружающего воздуха, создаваемый вентилятором 30, таким, что температура Tpp первой стенки 21 не будет превышать заранее определенную максимальную температуру Tppmax (посредством сравнения вычисленного значения со значением Tppmax). Если фактического расхода окружающего воздуха (первого расхода) не достаточно для обеспечения необходимого охлаждения первой стенки 21, так что существует риск перегрева первой стенки 21, блок управления увеличивает скорость вентилятора 30 и, следовательно, также интенсивность подачи окружающего воздуха 31 в камеру 20.

Блок 60 управления также сравнивает температуру Tf (более конкретно, Tox в проиллюстрированном варианте осуществления) предварительно нагретой текучей среды, определенную третьим детектором 52, с заранее определенным максимальным значением Tfmax (более конкретно, Toxmax). Если определенная температура Tf достигает максимального значения Tfmax, блок 60 управления увеличивает скорость вентилятора 30 и, следовательно, также интенсивность подачи окружающего воздуха 31 в камеру 20, что, в конечном итоге, приводит к падению температуры Tf предварительно нагретой текучей среды.

Блок 60 управления также сравнивает температуру Tf, определенную детектором 52, с минимальной температурой Tfmin для предварительно нагретой текучей среды, чья минимальная температура может изменяться со временем как функция требований процесса, происходящего в печи. Если определенная температура Tf ниже минимальной температуры Tfmin, блок управления снижает скорость вентилятора 30 и, следовательно, также интенсивность подачи окружающего воздуха 31 в камеру 20 для получения более высокой температуры Tf предварительного нагревания текучей среды на выпускном отверстии пучка трубопроводов 41. Однако заданные значения, связанные с максимальными температурами Tppmax и Tfmax, имеют приоритет в целях безопасности. Блок 60 управления, таким образом, в любое время поддерживает скорость вентилятора 30 выше скорости, при которой температура Tpp превышала бы заранее определенную максимальную температуру Tppmax, и выше скорости, при которой температура Tf достигла бы температуры Tfmax или превысила ее.

На основе температуры Tg, определенной вторым датчиком 51, блок управления проверяет правильность работы камеры 20 и двух датчиков 50 и 52. С этой целью блок 60 управления проверяет, соответствует ли температура Tg камеры, определенная вторым датчиком 51, по существу температуре, которая ожидалась теоретически/математически с учетом определенной температуры Tfum горячих дымовых газов, скорости вентилятора 30 и известной температуры окружающего воздуха, расхода текучей среды, которую необходимо предварительно нагреть, и определенной температуры Tf предварительно нагретой текучей среды на выходном отверстии трубопроводов 41. Если определенная температура Tg значительно отличается от этой теоретической/математической температуры, блок 60 управления выдает предупредительный сигнал. В частности, значительная разница между определенной температурой Tg и теоретической/математической температурой может означать выход из строя одного из датчиков 50 и 52 или же утечку в камере 20 или трубопроводах 41.

Герметичность камеры 20 также можно проверить/отследить посредством датчика давления (не проиллюстрирован), который определяет давление среды в камере 20 или ниже по потоку относительно камеры 20. Блок 60 управления сравнивает определенное давление с теоретическим/математическим давлением среды, которое ожидается с учетом давления и расхода среды 60 на выпускном отверстии камеры 20. Блок 60 управления затем выдает предупреждающий сигнал, если определенное давление значительно отличается от теоретического/математического давления.

Датчик 51 также можно использовать для предотвращения тепловых ударов в камере 20, в трубопроводах 41 и в первой стенке 21, учитывая, что такие тепловые удары могут ослабить указанные конструкции. Таким образом, согласно одному варианту осуществления блок 60 управления: (a) проверяет градиент (скорость изменения) ΔTmil/Δt температуры Tmil нагретой среды (или градиент ΔTg/Δt температуры Tg части камеры 20, находящейся в контакте с этой средой) и (b) управляет изменениями первого расхода для удержания градиента ΔTmil/Δt (или ΔTg/Δt) ниже заранее определенного ΔT/Δt порогового значения, в частности, посредством ограничения градиента скорости вентилятора 30 и, следовательно, таким образом, градиента первого расхода.

Поскольку температура среды на выпускном отверстии камеры 20 (наружного воздуха в настоящем примере) со временем может значительно изменяться, целесообразно предоставить дополнительный датчик температуры (не проиллюстрирован), также соединенный с блоком 60 управления, который определяет температуру среды 31 на выпускном отверстии камеры 20. Действительно, как уже указано выше, температура среды 31 на впускном отверстии камеры 20 также влияет на температуру первой стенки Tpp, температуру нагретой среды Tmil и температуру предварительно нагретой текучей среды Tf. В случае, если среда 31 имеет значительно изменяющуюся температуру на впускном отверстии камеры 20 (например, которая изменяется как функция температуры окружающей среды, или если среда циркулирует в замкнутом контуре), любое значительное изменение температуры среды 31 на впускном отверстии камеры 20 также должно быть учтено блоком 60 управления для определения расхода (первого расхода), с которым среду 31 необходимо поставлять в камеру 20 (например, посредством управления скоростью вентилятора 30), так чтобы соответствовать вышеописанным критериям. С другой стороны, нет необходимости регулировать первый расход в случае незначительного изменения температуры среды 31 на впускном отверстии камеры 20.

Таким образом, целесообразно установить пороговое значение ΔTs (например, порядка 10°C), ниже которого изменения температуры среды 31 на впускном отверстии камеры 20 считают незначительными и начиная с которого (≥ΔTs) изменения температуры считают значительными в соответствии со смыслом настоящего абзаца.

Согласно одному альтернативному варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг. 2, вентилятор 30 представляет собой вентилятор с постоянной скоростью, который, следовательно, создает постоянный общий расход окружающего воздуха.

Согласно варианту осуществления по фиг. 2 первую стенку 21 защищают от чрезмерных температур (выше Tppmax) посредством уменьшения температуры горячих дымовых газов 10 выше по потоку относительно камеры 20. С этой целью датчик 50 температуры определяет температуру Tfum горячих дымовых газов 10 в канале 11 выше по потоку относительно камеры 20. Если температура Tfum горячих дымовых газов, определенная датчиком 50, является такой, что может привести к тому, что температура Tpp первой стенки 21 превысит максимальную температуру Tppmax, учитывая расход (и температуру) среды, введенной в камеру 20, блок управления дает команду на охлаждение указанных горячих дымовых газов 10 выше по потоку относительно камеры 20. Если температура горячих дымовых газов, определенная датчиком 50, является такой, что температура Tpp первой стенки 21 не превышает максимальную температуру Tppmax, блок 60 управления дает команду на завершение такого охлаждения горячих дымовых газов 10 выше по потоку относительно камеры 20. Блок 60 управления может, более конкретно, дать команду на охлаждение горячих дымовых газов 10 выше по потоку относительно камеры 20 посредством управления введением, при контролируемом расходе, охлаждающего газа 33 в эти горячие дымовые газы 10, например, посредством управления открытием клапана 34 на канале, доставляющем охлаждающий газ 33 в канал 11.

В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 2, охлаждающий газ 33 представляет собой долю окружающего воздуха, подаваемого вентилятором 30. Клапан 34 с регулируемым открытием установлен на обводном канале выпускного отверстия для воздуха от вентилятора 30, этот обводной канал отправляет окружающий воздух 33 в нагнетательный канал 11 выше по потоку относительно камеры 20 для управления температурой Tfum.

Первым расходом (расход окружающего воздуха 31, водимого в камеру 20) управляют посредством блока 60 управления с помощью клапана 35 на второй ветке выходного отверстия для воздуха от вентилятора 30. Блок 60 управления управляет этим первым расходом воздуха так, чтобы достигать подходящей температуры Tf предварительно нагретой текучей среды 42 посредством теплообмена со средой (воздухом) 31 в камере 20, как подробно описано в сочетании с фиг. 1.

Другая ветка выходного отверстия для воздуха от вентилятора 30 отправляет остальную часть расхода окружающего воздуха, созданного вентилятором 30, в канал 11 ниже по потоку относительно камеры 20.

Эту последнюю часть окружающего воздуха используют для охлаждения дымовых газов 10 ниже по потоку относительно камеры 20, например, для охлаждения указанных дымовых газов до температуры порядка 170°C выше по потоку относительно пылевого фильтра (не проиллюстрирован).

Хотя, как показано на двух фигурах, среда проходит через камеру 20 попутно с дымовыми газами 10 в канале 11, среда также может проходить через камеру 20 в противотоке с дымовыми газами 10 в канале 11.

Подобным образом, хотя, как показано на двух фигурах, текучая среда, которую необходимо нагреть, протекает в пучке трубопроводов 41 в противотоке со средой в камере, текучая среда, которую необходимо предварительно нагреть, также может протекать попутно со средой в камере 20.

Tf Температура предварительно нагретой текучей среды Tfmin Заранее определенная минимальная температура предварительного нагревания текучей среды Tfmax Заранее определенная максимальная температура предварительного нагревания текучей среды Tox Температура предварительно нагретого окислителя Toxmax Заранее определенная максимальная температура предварительного нагревания окислителя Tcomb Температура предварительно нагретого топлива Tcombmax Заранее определенная максимальная температура предварительного нагревания топлива Tpp Температура первой стенки Tppmax Заранее определенная максимальная температура первой стенки Tmil Температура нагретой среды в камере Tmilmin Заранее определенная минимальная температура нагретой среды в камере Tmilmax Заранее определенная максимальная температура нагретой среды в камере Tfum Температура дымовых газов, отводимых из печи Tfummax Заранее определенная максимальная температура дымовых газов, отводимых из печи Tg Температура стенки камеры, находящейся в контакте с нагретой средой

Изобретение относится к области энергетики. Способ предварительного нагревания текучей среды (40) выше по потоку относительно печи посредством теплообмена с дымовыми газами (10), отводимыми из печи через канал (11), заключается в том, что жидкость или газообразная среда (31) проходит через камеру (20) с первым расходом; дымовые газы (10) в канале (11) нагревают среду (31) в камере (20) посредством теплообмена через первую стенку (21), отделяющую среду (31) в камере (20) от дымовых газов (10) в канале (11), при этом получают нагретую среду (32); текучая среда (40) проходит через по меньшей мере один трубопровод (41) со вторым расходом, причем по меньшей мере один трубопровод (41) имеет вторую стенку, отделяющую текучую среду (40) внутри по меньшей мере одного трубопровода (41) от среды (31) внутри камеры (20); среда (31), нагретая в камере (20), предварительно нагревает текучую среду (40) в по меньшей мере одном трубопроводе (41) посредством теплообмена через вторую стенку, при этом получают предварительно нагретую текучую среду (42); предварительно нагретую текучую среду (42) доставляют в печь. Первым расходом управляют как функцией по меньшей мере одной из следующих температур: температуры Tfum дымовых газов (10) в канале (11), температуры Tmil нагретой среды (32), температуры Tf предварительно нагретой текучей среды (42) и температуры Tpp первой стенки (21). Изобретение позволяет предварительно нагревать несколько текучих сред посредством теплообмена с дымовыми газами, отводимыми из печи, повысить эксплуатационную надежность. 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ предварительного нагревания текучей среды (40) выше по потоку относительно печи посредством теплообмена с дымовыми газами (10), отводимыми из печи через канал (11), причем в способе:

- жидкость или газообразная среда (31) проходит через камеру (20) с первым расходом;

- дымовые газы (10) в канале (11) нагревают среду (31) в камере (20) посредством теплообмена через первую стенку (21), отделяющую среду (31) в камере (20) от дымовых газов (10) в канале (11), при этом получают нагретую среду (32);

- текучая среда (40) проходит через по меньшей мере один трубопровод (41) со вторым расходом, причем по меньшей мере один трубопровод (41) имеет вторую стенку, отделяющую текучую среду (40) внутри по меньшей мере одного трубопровода (41) от среды (31) внутри камеры (20);

- среда (31), нагретая в камере (20), предварительно нагревает текучую среду (40) в по меньшей мере одном трубопроводе (41) посредством теплообмена через вторую стенку, при этом получают предварительно нагретую текучую среду (42); и

- предварительно нагретую текучую среду (42) доставляют в печь;

способ отличается тем, что первым расходом управляют как функцией по меньшей мере одной из следующих температур:

- температуры Tfum дымовых газов (10) в канале (11),

- температуры Tmil нагретой среды (32),

- температуры Tf предварительно нагретой текучей среды (42) и

- температуры Tpp первой стенки (21).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что среда (31) представляет собой газообразную среду.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что среда (31) представляет собой воздух, азот, CO₂ или пар, предпочтительно воздух.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первым расходом управляют так, что температура Tpp первой стенки (21) остается меньшей, чем первая заранее определенная максимальная температура Tppmax, или равной ей.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первым расходом управляют так, что предварительно нагретая текучая среда (42) имеет температуру Tf, по меньшей мере равную заранее определенной минимальной температуре Tfmin.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что текучая среда (40) представляет собой окислитель для горения или топливо, предпочтительно окислитель, содержание кислорода в котором составляет от 50 об.% до 100 об.%.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что предварительно нагретую текучую среду (42) доставляют в одну или более горелок и/или инжекторов печи, через которые предварительно нагретую текучую среду (42) вводят в печь.

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что текучая среда (40), которую необходимо предварительно нагреть, представляет собой окислитель, содержание кислорода в котором составляет от 50 об.% до 100 об.%, при этом первым расходом управляют так, чтобы поддерживать температуру Tf предварительно нагретой текучей среды (42) ниже второй заранее определенной максимальной температуры Toxmax.

9. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что текучая среда (40), которую необходимо предварительно нагреть, представляет собой топливо, при этом первым расходом управляют так, чтобы поддерживать температуру Tf предварительно нагретой текучей среды (42) ниже третьей заранее определенной максимальной температуры Tcombmax.

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первым расходом управляют посредством регулирования скорости насоса или вентилятора (30), который обеспечивает поток среды (31) через камеру (20).

11. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что первым расходом управляют посредством регулирующего клапана (35) на канале, доставляющем среду (31) в камеру (20).

12. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что первым расходом управляют посредством клапана на канале, отводящем нагретую среду (32) из камеры (20).