专利名称：间接式热交换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及其中利用炉子产生热烟气的全部产业，在该炉子中热烟气的热能将被用于预热送入炉子中的反应物，并由此提高炉子的热效率。本发明具体可以涉及玻璃工业，尤其是平板玻璃工业。
背景技术：
根本上已知两种使用热烟气以加热气体的方法。
首先，已知包括热交换器的设备，该热交换器用于可选地通过壁利用由炉子产生的热烟气直接加热燃烧气体。文献EP 950031以及US 5807418说明了这种设备。尽管由于只包含一个单独的热交换器而具有合理的成本，但这种方案似乎不提供可靠的或者在任何情况下足够的安全水平。事实上，或者因为(燃烧)过程需要还原空气，或者因为燃烧器的不合理操作，烟气经常包括未燃烧物。随着时间的推移，热交换器材料可能受到损坏，尤其是由于与热烟气的接触而被侵蚀。热交换器的有缺陷的部分然后将允许热的燃烧气体—假定为氧气—与这些未燃烧物接触，从而产生火源，其后果将是灾难性的。
此外，还已知包含两步热交换的设备，所述设备使用两种不同的热交换器。第一热交换器用于利用热烟气加热尤其为空气的中间流体，第二热交换器用于使用先前被第一热交换器加热过中间流体加热尤其为氧气的燃烧气体。本专利申请的所有者的专利文献US 6071116和US 6250916说明了这种设备。这种解决方案比上述第一种更安全，因为中间流体的氧气含量不足以点燃烟气中的未燃烧物。并且，当所述燃烧气体为氧气而中间流体为空气时，燃烧气体/中间流体热交换器壁的穿孔将不会产生后果，因为它涉及两种氧化剂的接触。相反，这种解决方案不适用于加热作为燃烧气体的天然气，因为中间流体/气体热交换器的缺陷将允许天然气与热空气(中间流体)混合并将产生爆炸。这种解决方案的另一不利因素在于其较高的成本，因为它需要两种通过回路连接的不同热交换器。
因此，需要一种改良的热交换器，以用于避免已知设备的缺点。
发明内容
因此，本发明的主题是一种用于燃烧炉的热交换器，所述热交换器包括一装备有用于使从炉子的燃烧器流出的热烟气通过的装置的热交换区域，所述热交换区域中横穿有至少一个用于将待加热的燃烧气体从燃烧气体源经由该热交换区域输送到炉子的燃烧器中的装置，所述装置设有一能够通过热传递加热燃烧气体的壁，所述用于输送燃烧气体的装置在该热交换区域中位于用于容纳惰性气体且设有壁的装置内，该壁能通过来自所述热烟气的热传递加热惰性气体。
因此，在本发明的热交换器中，热烟气和燃烧气体之间的热传递或者热交换间接地进行越过一壁(用于输送燃烧气体的装置的壁)并通过惰性气体氛围。
在本发明的背景下，燃烧气体是指热交换器中常用的任何气体，尤其是诸如氧气的氧化剂、空气、富氧空气或者燃料，例如天然气。
在本发明的背景下，惰性气体是指任何对燃烧呈惰性的气体，即，除了氧气之外的所有不可燃气体。尤其可以提及的是氩气、氦气、氖气、氪气、氮气或者它们的混合物。所述惰性气体优选为静态的。在一个实施例中，惰性气体不是静态的，即惰性气体在容纳惰性气体的装置中流动，但是，这意味着(要设置)独立的供给回路并且从而设备更复杂。
用于使从炉子的燃烧器放出的热烟气通过的装置可以是本领域技术人员公知并在常见热交换器中使用的任何装置，特别地，烟气可以以逆流于燃烧气体或者垂直于燃烧气体的方向被引导。
用于输送燃烧气体的装置可以是本领域技术人员公知且允许燃烧气体从燃烧气体源经由热交换区域向燃烧炉的燃烧器输送的任何适当装置。例如，该装置可以是至少一个管或管道，是直的或者不是直的。所述装置的横截面可以是任何规则或不规则的横截面，例如完全或基本为圆形、或者为卵形或椭圆形或矩形、或者为具有圆角的矩形或者任何中间形状，优选完全或基本为圆形。可以使用现有技术的热交换器所用的任何用于输送燃烧气体的装置。
用于输送燃烧气体的装置的壁主要由耐热燃烧气体氛围且能允许燃烧气体和惰性气体之间进行热交换的适当材料制成，该惰性气体自身已经被通过热交换区域的热烟气加热。当燃烧气体是包含氧气的氧化剂时，主要使用的材料因此优选能在热的氧气氛围中抗氧化。适合使用的材料优选在热的氧气中逐渐产生金属氧化物保护层(钝化机理)。可使用的材料的类型特别是铁-镍合金，尤其是合金Fe-20Cr-30Ni。对于某些应用，希望所使用的材料不含镍，在这种情况下，可以使用诸如合金Fe-21Cr-5Al的材料，这种材料比较不容易获得并且较昂贵。总之，由于壁与热烟气不直接接触，因此在选择材料方面的限制比现有技术的热交换器少，在现有技术的热交换器中，这种限制不仅涉及与热的燃烧气体的接触，而且涉及与热烟气的接触。
作为示例，有效烟气温度可以在500℃和1600℃之间变化，而与热烟气接触的壁的温度可以从300℃变化到1300℃，与待加热的燃烧气体接触的壁的温度可以从300℃变化到1000℃，惰性气体的温度可以从300℃变化到1000℃，燃烧气体的温度可以从300℃变化到1000℃。
用于容纳惰性气体的装置可以是用于容纳静态或非静态的惰性气体的任何合适的装置，并且可在其中安放至少一个用于输送燃烧气体的装置。用于容纳惰性气体的装置例如可以是至少一个直的或不直的管或管道。所述装置的横截面可以是任何规则或不规则的横截面，例如完全或基本为圆形，或者为卵形或椭圆形或矩形，或者为具有圆角的矩形或者任何中间形状。所述用于容纳惰性气体的装置应具有尺寸较大但形状优选与用于输送燃烧气体的装置相似或相同的横截面，尤其是当在用于容纳惰性气体的装置内安放单独一个用于输送燃烧气体的装置时。
本领域的技术人员将会理解，其中安放用于输送燃烧气体的装置的惰性气体氛围的厚度—无论均匀与否—必须不能太高，从而使得从热烟气到惰性气体再到燃烧气体的热传递能够发生；本领域技术人员还将理解如何确定最大的合适厚度。
热烟气和燃烧气体之间的经由惰性气体的热传递还依赖于惰性气体的压力，因为在高压下，惰性气体的密度增大因此热传递速率增加，并且热交换器因此基本上更加有效。
在第一具体实施例中，用于输送燃烧气体的装置以及用于容纳惰性气体的装置是具有完全或基本为圆形的横截面的直管。燃烧气体和用于容纳惰性气体的装置的壁之间通常不直接接触。所述壁因此不承受与用于输送燃烧气体的装置的壁相同的应力，并且侵蚀和/或氧化的可能性低得多。因此，可使用的材料的范围比可用于用于输送燃烧气体的装置的壁的材料的范围广泛。
在第二具体实施例中，用于输送燃烧气体的装置以及用于容纳惰性气体的装置是具有完全或基本为圆形的横截面的直管，并且这些管通过从外管的内壁延伸到内管的外壁的金属桥架连接在一起。该第二实施例具有这样的优点即，由于跨越这些金属桥架的(热)传导而允许热传递通过辐射进行。它还具有加强热交换器的机械性能的优点。
在一种实施例中，用于输送燃烧气体的装置安放在仅位于热交换区域中的用于容纳惰性气体的装置内。在另一种实施例中，该用于输送燃烧气体的装置安放在热交换区域中的用于容纳惰性气体的装置内，以及安放在一个或更多从所述热交换区域沿用于输送燃烧气体的装置内的燃烧气体输送方向向前和/或向后的区域内，所述输送方向从所述装置中的燃烧气体入口到所述装置的燃烧气体出口。
本发明的热交换器可包括安放在单个用于容纳惰性气体的装置内的单个用于输送燃烧气体的装置。在该实施例中，每套用于输送燃烧气体的装置/用于容纳惰性气体的装置都可以在受到损坏时单个地插入和移走。
本发明的热交换器也可包括多个用于输送燃烧气体的装置一例如10个所述装置，每个所述装置都安放在一用于容纳惰性气体的装置内。在该实施例中，每套用于输送燃烧气体的装置/用于容纳惰性气体的装置也可以在受到损坏时单个地插入和移走。在该实施例中，用于容纳惰性气体的装置可以通过合适的管道在热交换区域内可选地连接在一起，在该情况下，万一受到损坏，将需要更换所有(各)套用于输送燃烧气体的装置/用于容纳惰性气体的装置。
本发明的热交换器还可包括安放在单个用于容纳惰性气体的装置内的多个用于输送燃烧气体的装置。在该实施例中，必须将该套用于输送燃烧气体的装置/用于容纳惰性气体的装置插入以及在受损时移走。
优选地，当本发明的热交换器包括多个用于输送燃烧气体的装置时，避免将用于输送氧化剂的装置和用于输送燃料的装置放置在相同的热交换器中，优选将用于输送同种类型(氧化剂或燃料)的燃烧气体的装置安放在相同的热交换器中。
本发明的热交换器的热交换区域适于由从炉子的燃烧器放出的热气体横穿。在实际中，热烟气离开燃烧器并在一将烟气输送到热交换器的管道中被重新收回，从而热烟气按期望穿过热交换器。热烟气的穿过方向可以是本领域技术人员所知的任何方向，例如从底部向上、或逆流于燃烧气体的输送方向。
本发明的间接式热交换器由于惰性气体区域的存在而具有许多优点。
本发明的间接式热交换器用于扩大可使用的材料的范围。事实上，在热交换器启动过程中，用于容纳惰性气体的装置经受温度的突然且很大的变化，例如大约1300℃(与热烟气接触后可能达到的壁温)，但因为燃烧气体(可以是氧气或含氧气体)和所述用于容纳惰性气体的装置的壁之间没有直接接触，该装置的壁没有被侵蚀或氧化的危险。相反，用于输送燃烧气体的装置对温度的突然变化比较敏感，因为这种变化加速了对该装置的侵蚀和氧化；相比起来，该装置经受较慢的温度变化，因为热传递通过起缓冲作用的惰性气体而发生。
而且，在热交换器的运行过程中，热烟气的温度可能局部变化。在现有技术的热交换器中，这导致已加热的燃烧气体的温度变化，在控制燃烧时必须考虑这种变化。在本发明的热交换器的情况下，惰性气体的热惯性减少了这些变化的程度。
此外，所述惰性气体区域的存在在安全方面具有有利的结果。事实上，在壁被穿孔或用于输送燃烧气体的装置被点燃的情况下，因惰性气体的存在而阻止了燃烧气体与热烟气的混合。此外，惰性气体可能通过文丘里效应被吸收到所述用于输送燃烧气体的装置中，并且常见的氧化的燃烧气体的较低的纯度用于减小燃烧传播的可能性。
在一种实施例中，本发明的热交换器配备有用于控制热交换器运行的装置，该装置适用于检测缺陷。
特别地，用于容纳惰性气体的装置可以与一压力变化探测器相连。如果压力变化探测器探测到压力降低，则判定为由于壁被穿孔而造成惰性气体泄漏。然后可以触发安全警报，并且提供旁通系统以在停止热烟气通过已损坏且可修理的热交换器的同时继续向燃烧器供应燃烧气体。
用于容纳惰性气体的装置也可以与总是测量惰性气体的温度和压力的用于控制热交换器运行的装置相连接。这种双重探测用于使控制更加精确。事实上，在开始过程中，惰性气体温度变化相当大(例如从30℃左右变化到1000℃左右)—除非它预先被加热，这种温度变化造成恒定体积下的压力变化。在仅控制压力的系统中，起动期间的压力变化会产生误确认的警报。相反地，在控制温度和压力的系统中，控制可以更加精确，并且可以在如下情况下提供表示惰性气体泄漏的警报(1)测得的压力降低而测得的温度保持不变，或者(2)测得的压力降低而测得的温度升高。可以提供旁通系统以在停止使热烟气通过已损坏且可修复的热交换器的同时继续向燃烧器供应燃烧气体。
通过压力探测器或者压力及温度探测器检测到的压力的降低可以揭示由于用于输送燃烧气体的装置的壁被穿孔或者用于容纳惰性气体的装置的壁被穿孔而造成的惰性气体的泄漏，尽管这些壁不承受相同的应力。
在包含用于控制热交换器的运行的装置的热交换器的情况下，优选地在燃烧气体的静压力PGC static和惰性气体的静压力PGI static之间存在压力差ΔP，该压力差为正的或者负的。优选地，该压力差为正的，即惰性气体的静压力高于燃烧气体的静压力。优选使压力差高于仪器的背景噪声—即正常变化，以便限制误确认警报。本领域的技术人员在测量设备的压力变化之后可以确定该设备在个别情况下的背景噪声。
通常，不管压力差ΔP是否存在，热烟气和燃烧气体之间经由惰性气体的热交换还依赖于惰性气体的压力，因为在高压下，惰性气体的密度增加并因此热传递速率增加，热交换因此基本上更加有效。
此外，正的压力差—即PGI static＞PGC static有利于惰性气体渗漏到用于输送燃烧气体的装置中，因此有利于在壁被穿孔或者用于输送燃烧气体的装置被点燃时产生文丘里效应，并特别有利于通过惰性气流而阻止燃烧。通常，本领域技术人员很容易确定合适的惰性气体压力已知用于输送燃烧气体的装置的直径及入口流量，可以确定静压力，从而可以设定期望的惰性气体的压力以获得或不获得一正的或负的压力差。为了得到有关信息，可以确定热交换器的尺寸，更具体地确定惰性气体的压力，从而在初始燃烧的情况下(泄漏过程中)通过文丘里效应使被吸收到用于输送燃烧气体的装置中的惰性气体的流量高于燃烧气体的流量，优选约为其两倍，更优选约为其四倍。当燃烧气体是氧气并且惰性气体流量为氧气流量的大约四倍时，则通过文丘里效应的吸收而形成的混合物中氧气的百分比等于空气中氧气的百分比。该计算可以基于对用于容纳燃烧气体的装置中的穿孔尺寸的估计而进行。此外，由于燃烧气体的流量可能是变化的，因此优选基于能够应用到热交换器中的燃烧气体的最大流量(并因此基于相应的压力)进行计算。如果用于容纳燃烧气体的装置中穿孔的尺寸小于定尺寸计算所提供的尺寸，并且因此所施加的惰性气体压力不能阻止材料的燃烧，则检测惰性气体的压力变化的探测器的存在用于阻止燃烧气体的供应并实现材料的快速燃烧。
本发明的另一主题是包括至少一个本发明的热交换器的燃烧炉。优选地，该燃烧炉包括多个本发明的热交换器，一个或更多用于向炉子供应燃料和/或一个或更多用于向炉子供应氧化剂。
本发明的再一主题是用于预热供给到产生热烟气的燃烧炉中的燃烧气体的热交换方法，所述方法包括通过与热烟气经由惰性气体氛围进行热交换以预热燃烧气体的步骤。该发明方法可包括本发明的热交换器的使用。
下面将参照仅用于说明的附图详细说明本发明的间接热交换器，在附图中图1示出本发明的间接式热交换器的一个实施例；图2示出本发明的热交换器内的惰性气体和燃烧气体的压力；图3示出处在燃烧炉供给系统中的本发明的间接式热交换器；图4示出本发明的一种特殊类型的热交换器。
具体实施例方式
图1示出本发明的间接式热交换器4，该热交换器包括一被热烟气横穿的热交换区域2，并包括一用于按照箭头所示方向输送燃烧气体的装置1a，所述装置配备有壁1b并安放在用于容纳惰性气体的装置3a内，该装置3a设有壁3b。在本实施例中，用于输送燃烧气体的装置1a安放在热交换区域2中的用于容纳惰性气体的装置3a内，以及安放在沿该用于输送燃烧气体的装置内的燃烧气体流动方向从所述热交换区域向前和向后的区域内。
这里示出可选的用于控制热交换器运行的装置5，其连接到用于容纳惰性气体的装置上。宽的垂直箭头表示装置1a和3a两侧的热烟气的流动方向，该方向在本实施例中垂直于燃烧气体流动方向。
图2示出本发明的热交换器中的惰性气体压力PGI和燃烧气体压力PGC、静压力PGC S或动压力PGC D。优选PGI static高于PGC static以产生正的压力差ΔP＝PGI static-PGC static。
图3示出燃烧炉—更具体地是所述燃烧炉的燃烧器B—的完整的进给设备的图。该设备包括本发明的热交换器。该热交换器与一燃烧气体源6、一惰性气体源7以及一热烟气源8连接。该热交换器包括一被热烟气横穿(通路方向未示出)的热交换区域2。它还包括设有壁1b的用于输送燃烧气体GC并向燃烧器B供料的装置1a，所述装置1a位于用于容纳惰性气体GI并设有壁3b的装置3a中。在本实施例中，用于输送燃烧气体GC的装置1a位于热交换区域2中的用于容纳惰性气体GI的装置3a内，并位于沿该用于输送燃烧气体的装置内的燃烧气体输送方向从所述热交换区域向前和向后的区域内。设有三个阀V1、V2和V3，以分别用于控制燃烧气体的供给(阀V1)、惰性气体的供给(阀V2)和热烟气的供给(阀V3)。示出的热交换器包括一用于控制热交换器运行的装置，该装置连接到用于容纳惰性气体的装置并连接到所述阀。该用于控制热交换器运行的装置包括用于测量惰性气体的温度和压力的温度探测器TGI和压力探测器PSL。
如果探测器TGI测量到压力降低且温度不变，或者如果探测器TGI测量到压力降低且温度升高，则通过用于控制热交换器运行的装置检测到穿孔。调节阀V1使得燃烧气体经由旁通而避开损坏的热交换器，调节阀V3以阻止烟气通过损坏的热交换器，触发安全警报，并可更换损坏的零件。然后可选地将燃烧气体源6、惰性气体源7和热烟气源8供给或继续供给其它燃烧器B’、B”等。
图4示出本发明的热交换器的图，该热交换器由两个直横截面的管组成，其中壁1b和3b通过从外部管的内壁延伸到内部管的外壁的金属桥架9连接在一起。
权利要求
1.用于燃烧炉的热交换器(4)，所述热交换器包括装备有用于使从炉子的燃烧器放出的热烟气通过的装置的热交换区域(2)，所述热交换区域中横穿有至少一个用于将待加热的燃烧气体从燃烧气体源经由该热交换区域向炉子的燃烧器输送的装置(1a)，所述装置设有用以使燃烧气体能够通过热传递被加热的壁(1b)，所述用于输送燃烧气体的装置(1a)在该热交换区域中位于用于容纳惰性气体的装置(3a)内，该用于容纳惰性气体的装置(3a)设有用以使惰性气体能够通过来自所述热烟气的热传递被加热的壁(3b)。
2.根据权利要求1的热交换器，其特征在于，惰性气体是静态的。
3.根据权利要求1或2的热交换器，其特征在于，用于输送燃烧气体的装置(1a)是管子或管道，尤其是具有完全或基本为圆形的横截面的管子或管道。
4.根据权利要求1至3之任一项的热交换器，其特征在于，用于容纳惰性气体的装置(3a)是管子或管道，尤其是具有完全或基本为圆形的横截面的管子或管道。
5.根据权利要求1至4之任一项的热交换器，其特征在于，用于输送燃烧气体的装置(1a)位于热交换区域(2)中用于容纳惰性气体的装置(3a)内，并且位于从所述热交换区域沿该用于输送燃烧气体的装置内的燃烧气体输送方向向前和/或向后的一个或多个区域中。
6.根据权利要求1至5之任一项的热交换器，其特征在于，该热交换器包含多个用于输送燃烧气体的装置(1a)。
7.根据权利要求6的热交换器，其特征在于，该热交换器包含多个用于容纳惰性气体的装置(3a)，每个用于输送燃烧气体的装置(1a)位于其中一个用于容纳惰性气体的装置(3a)中，所述用于容纳惰性气体的装置可选地通过热交换区域中的管道连接在一起。
8.根据权利要求1至7之任一项的热交换器，其特征在于，该热交换器还包括用于控制热交换器运行的装置(5)，尤其是与用于容纳惰性气体的装置相连接的用于控制热交换器运行的装置。
9.根据权利要求8的热交换器，其特征在于，用于控制热交换器运行的装置检测压力的变化或者压力和温度的变化。
10.根据权利要求1至9之任一项的热交换器，其特征在于，在燃烧气体的静压力和惰性气体的静压力之间具有压力差，尤其是正的压力差。
11.一种包含至少一个根据权利要求1至10之任一项的热交换器的燃烧炉。
12.一种用于预热供给到产生热烟气的燃烧炉中的燃烧气体的热交换方法，所述方法包括通过经由惰性气体氛围与热烟气进行热交换来预热燃烧气体的步骤。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于，所述方法包括对根据权利要求1至10之任一项的热交换器的使用。
全文摘要
本发明涉及一种用于燃烧炉的热交换器(4)，所述热交换器包括一热交换区域(2)，该热交换区域配备有用于使从炉子的燃烧器中得到的热烟气通过的装置，所述区域横穿有至少一个用于将待加热的燃烧气体从燃烧气体源经由热交换区域向炉子燃烧器输送的装置(1a)，所述装置(1a)配备有一用以使燃烧气体能够通过热能传递被加热的壁(1b)，所述用于输送燃烧气体的装置(1a)布置在热交换区域中能够容纳惰性气体的装置(3a)内，该装置配备有用以使惰性气体能够通过所述热烟气的热能传递被加热的壁(3b)。
文档编号C03B5/235GK101061359SQ200580039713
公开日2007年10月24日 申请日期2005年11月14日 优先权日2004年11月22日
发明者G·康斯坦丁, R·P·齐阿瓦, B·勒鲁 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司