一种专用于催化焚烧系统的高效节能换热器的制作方法

本实用新型涉及一种气-气板式换热器，具体是一种专用于催化焚烧系统的高效节能换热器，其特别适用于带有浓缩的催化焚烧系统。

背景技术：

挥发性有机废气(VolatileOrganic催化焚烧mpounds，简称VOCs)是石油化工企业特征大气污染物，是指在20℃条件下蒸汽压大于或等于0.01kPa，或者特定适用条件下具有相应挥发性的有机化合物的统称。VOCs是石油化工、轻工、塑料、印刷、涂料等行业排放的常见污染物。有机废气中常含有烃类化合物，含氧有机化合物，含氮、硫、卤素及含磷有机化合物等。这些废气如果不加处理，直接排入大气将会对环境造成严重污染。

传统的有机废气净化方法包括吸附法、冷凝法和直接燃烧法等，这些方法常有易产生二次污染、能耗大、易受有机废气浓度和温度限制等缺点，催化焚烧则克服了这些缺点，具有“起燃温度低，节省能源；适用范围广；处理效率高，无二次污染”的优点。但常规的催化焚烧系统配套的换热器，一般是催化焚烧后的高温烟气先加热脱附废气，然后再加热浓缩废气，这种设计的缺点是：(1)换热过程热负荷大：因高温烟气加热脱附废气是减少了低对数平均温差换热段的热负荷，低温烟气再加热浓缩废气增加了高对数平均温差换热段的热负荷，故增大了整个换热系统的热负荷；(2)总传热面积大：因未对整个系统采用夹点理论进行设计，可能存在跨越夹点的换热，严重影响了整个系统的总传热效果，增大了总传热面积；(3)换热过程的阻力大：因低温烟气需再加热浓缩废气到较高温，使得此换热阶段回程数增加，故阻力大提高；(4)影响转轮的使用寿命：因催化焚烧系统废气浓度的波动性，可能造成经过催化后烟气温度过高，从而使得经过预热后的脱附气温度过高，影响转轮的使用效果，危害转轮的使用寿命；(5)排烟温度高：因换热系统的设计不合理性，使整个系统换热效果不理想，难以达到最高的换热量，故烟气排放温度高。

技术实现要素：

为解决现有装置存在的问题，本实用新型提供了一种专用于催化焚烧系统的高效节能换热器，该换热器换热负荷小、阻力小、在同等换热量情况下换热面积小。

本实用新型采取的技术方案是：一种专用于催化焚烧系统的高效节能换热器，该换热器包括第一级换热单元、第二级换热单元和第三级换热单元，所述第一级换热单元、第二级换热单元和第三级换热单元热侧相互连通，第一级换热单元热侧出口与第二级换热单元热侧进口相连接，第二级换热单元热侧出口与第三级换热单元热侧进口相连接；所述第一级换热单元的热侧进口作为烟气进口，第三级换热单元的热侧出口作为烟气出口；所述第一级换热单元的热侧出口和第三级换热单元的热侧进口通过旁通管道再连接，所述第一级换热单元和第三级换热单元浓缩废气侧连通，第三级换热单元的冷侧入口作为浓缩废气进口，第三级换热单元的冷侧出口与第一级换热单元的冷侧入口通过连接风道相连接，第一级换热单元的冷侧出口作为浓缩废气出口；所述第二级换热单元的冷侧入口为脱附气入口，冷侧出口为预热后脱附气出口。

优选的，所述旁通管道上设有电动蝶阀。

优选的，所述第一级换热单元热侧进口设有用于监测催化后烟气温度的温控装置T01，所述第一级换热单元的冷侧出口设有用于监测浓缩废气预热温度的温控装置T02，所述第二级换热单元的热侧进口设有用于监测烟气温度的温控装置T03，所述第二级换热单元的冷侧出口设有用于监测脱附气预热温度的温控装置T04，所述温控装置T01、温控装置T02、温控装置T03、温控装置T04均与催化焚烧控制系统连接。

优选的，所述催化焚烧控制系统包括脱附电加热器、沸石转轮、废气电加热器和催化床，所述催化床的高温烟气出口连接至第一级换热单元的热侧进口，第一级换热单元的冷侧出口与废气电加热器的入口连接，废气电加热器的出口与催化床入口连接；所述第二级换热单元的冷侧出口与脱附电加热器入口连接，脱附电加热器出口通过沸石转轮连接至第三级换热单元的冷侧入口。

优选的，所述催化床前设有用于监测进入催化床废气温度的温控装置T16，所述沸石转轮前设有用于监测进入沸石转轮脱附气温度的温控装置T17，所述温控装置T01、温控装置T02、温控装置T03、温控装置T04、温控装置T16和温控装置T17均与催化焚烧控制系统连接，通过温控装置T02、温控装置T04、温控装置T16和温控装置T17的温度信号来控制催化焚烧系统中脱附气电加热器和浓缩废气电加热器的开度，通过温控装置T03 和温控装置T04的温度信号来控制电动蝶阀的开度。

优选的，所述第二级换热单元的冷侧入口出设有温度表T05，第二级换热单元的热侧出口设有温度表T06，第三级换热单元的冷侧入口处设有温度表T08，第三级换热单元的热侧出口设有温度表T07，第三级换热单元的冷侧出口与第一级换热单元的冷侧入口之间的连接风道上设有温度表T09。

本实用新型的有益效果是：

1、换热过程热负荷小：通过对换热过程内部单元的优化设计，使高温烟气加热高温废气，低温烟气加热低温废气，增加了低对数平均温差换热段的热负荷，减少了高对数平均温差换热段的热负荷，故减少了整个换热系统的热负荷。

2、总换热面积小：对整个系统采用夹点理论进行设计，强化了整个系统的总传热效果，减小了总传热面积。

3、换热过程的阻力小：通过对换热过程内部单元的优化设计，使整个换热阶段回程数减小，故减少了阻力。

4、延长转轮的使用寿命：设计了烟气进入第二级换热单元的电动蝶阀，有了防止预热后脱附气超温的手段，保证了转轮的使用效果，延长了转轮的使用寿命。

5、排烟温度低：通过对换热系统的内部的优化设计，使整个系统换热效果理想，达到了最高的换热量，故烟气排放温度低。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

其中：1-第一级换热单元，2-第二级换热单元，3-第三级换热单元，4-旁通管道，5- 电动蝶阀，6-连接风道，7-温控装置T01，8-温控装置T02，9-温控装置T03，10-温控装置T04，11-温度表T05，12-温度表T06，13-温度表T07，14-温度表T08，15-温度表T09。

图2为本实用新型适用的催化焚烧系统工艺流程图；

其中：16-脱附电加热器，17-沸石转轮，18-废气电加热器，19-催化床。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

如图1和2所示，一种专用于催化焚烧系统的高效节能换热器，该换热器包括第一级换热单元1、第二级换热单元2和第三级换热单元3，所述第一级换热单元1、第二级换热单元1和第三级换热单元3热侧相互连通，第一级换热单元1热侧出口与第二级换热单元 2热侧进口相连接，第二级换热单元2热侧出口与第三级换热单元3热侧进口相连接；所述第一级换热单元1的热侧进口作为烟气进口，第三级换热单元3的热侧出口作为烟气出口；所述第一级换热单元1的热侧出口和第三级换热单元3的热侧进口通过旁通管道4再连接，旁通管道4上设有电动蝶阀5；所述第一级换热单元1和第三级换热单元3浓缩废气侧连通，第三级换热单元3的冷侧入口作为浓缩废气进口，第三级换热单元3的冷侧出口与第一级换热单元1的冷侧入口通过连接风道6相连接，第一级换热单元1的冷侧出口作为浓缩废气出口；所述第二级换热单元2的冷侧入口为脱附气入口，冷侧出口为预热后脱附气出口。

本实用新型中，所述第一级换热单元1热侧进口设有用于监测催化后烟气温度的温控装置T01，所述第一级换热单元1的冷侧出口设有用于监测浓缩废气预热温度的温控装置 T02，所述第二级换热单元2的热侧进口设有用于监测烟气温度的温控装置T03，所述第二级换热单元2的冷侧出口设有用于监测脱附气预热温度的温控装置T04，所述温控装置 T01、温控装置T02、温控装置T03、温控装置T04均与催化焚烧控制系统连接。

所述催化焚烧控制系统包括脱附电加热器16、沸石转轮17、废气电加热器18和催化床19，所述催化床19的高温烟气出口连接至第一级换热单元1的热侧进口，第一级换热单元1的冷侧出口与废气电加热器18的入口连接，废气电加热器18的出口与催化床19 入口连接；所述第二级换热单元2的冷侧出口与脱附电加热器16入口连接，脱附电加热器16出口通过沸石转轮17连接至第三级换热单元3.的冷侧入口。

所述催化床19前设有用于监测进入催化床废气温度的温控装置T16，所述沸石转轮 17前设有用于监测进入沸石转轮脱附气温度的温控装置T17，所述温控装置T01、温控装置T02、温控装置T03、温控装置T04、温控装置T16和温控装置T17均与催化焚烧控制系统连接，通过温控装置T02、温控装置T04、温控装置T16和温控装置T17的温度信号来控制催化焚烧系统中脱附气电加热器16和浓缩废气电加热器18的开度，通过温控装置 T03和温控装置T04的温度信号来控制电动蝶阀5的开度。

本实用新型根据“高位能高用、低位能低用”的设计原则，将一股热介质加热两股冷介质的换热器设计三级换热单元内部集成的换热器，首先通过高温烟气将已升高到一定温度的浓缩废气加热到趋近或等于起燃温度，然后再将脱附气加热到所需温度，最后将低温浓缩废气预热到一定温度，充分利用了烟气的高温和废气的低温阶段。

同时，利用夹点技术来优化整个换热网络，通过对各个换热单元冷热流体介质温度的设计，使每个换热单元的对数平均温差达到最大，使得内部换热单元更加优化，从而保证在在总交换热量不变情况下实现了总换热面积最小化。

第一级换热单元的热侧出口和第三级换热单元的热侧进口中间设有旁通管道，旁通管道上设有电动蝶阀；当第一换热单元热侧出口温度过高时，可开启电动蝶阀，使脱附气出口温度一定，保证了热量的合理利用，同时延长了转轮的使用寿命。

经过此换热器的烟气排放温度较经过一般催化焚烧系统换热器的烟气排放温度低 50-60℃。

本实用新型的工作过程为：

浓缩废气催化后形成的高温烟气先进入本换热器，高温段先与加热到一定温度后的浓缩废气进行热交换，再加热相同流量的脱附气，低温段最后将从转轮出来的浓缩废气加热到一定温度，然后烟气排入烟囱；同时脱附气首先进入转轮将吸附在转轮的VOC脱附出来，从而形成浓缩废气，在尽可能保证脱附气出口温度达到所需温度的情况下，浓缩废气进入本换热器被催化浓缩废气后形成的烟气尽可能加热到更高温度，使浓缩废气温度趋近或高于起燃温度。相对于现有工艺，可达到节约换热面积和减小阻力的效果。参考一般工况，以3000Nm³/h处理量，烟气入口温度440℃，脱附气入口温度100℃，出口温度200℃，浓缩废气进口温度60℃，浓缩废气起燃温度280℃，并考虑系统热量自平衡，即不开电加热器，保证脱附气出口200℃，浓缩废气出口280℃为例，本实用新型与传统工艺(先加热脱附气再加浓缩废气)相比较结果如表1所示：

表1

由上表可知，本实用新型所述换热器可节省换热面积36.9％，阻力换失35.1％，大幅减少了设备成本和运行成本。存在如此大差距的主要原因是将低对数平均温差换热段(△ Tm<50℃)的热负荷从259KW减少到101KW，将高对数平均温差换热段(△Tm>90℃) 的热负荷从101KW增加到259KW，实现了“高位能高用、低位能低用”，特别利用夹点技术优化了整个换热网络，阻止了跨越夹点的传热，并减少了整个系统的回程数，大大减小了阻力损失。

另外，当烟气入口温度>440℃时，本换热器可开启电动蝶阀，使得脱附气出口温度稳定在200℃，而此时浓缩废气温度将更高，使催化反应效果更好，同时保护了转轮，达到废气处理效率更高和转轮寿命更长的效果。

相对于现有工艺中两台换热器直接串联换热，本实用新型降低了整个换热过程的负荷，减少了换热面积，减少了过程的阻力损失，节约了占地面积，并延长了转轮的使用寿命，从而达到了降低设备制作和运行成本的目的。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本实用新型的保护范围内。

本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。