一种特别适合生物质燃烧系统的模块化换热装置的制作方法

本实用新型涉及一种特别适合生物质燃烧系统的模块化换热方法和装置，此装置由几个换热模块组合成一个换热装置，本实用新型可用来针对不同的热功率和不同的热介质进行换热装置设计。所述换热模块可用于热水加热，也可同时加热包括热油在内的多个热载体介质。特殊的应用例子是通过间接加热使空气超过100℃并用于谷物干燥。

背景技术：

燃煤蒸汽锅炉换热器管内的烟气一般设计为高速流动以防止管内积灰。煤燃烧产生的相对较大粉尘颗粒中包含矿物质成分，其多为熔点较高、具有摩擦作用的盐，有利于换热管的净化。燃煤锅炉的烟气以比实际所需更高的湍流速度运动以获得好的热传递，这也是为什么其引风机经常需要消耗较大的电能。

秸秆燃烧产生的纳米级微细粉尘不具有摩擦净化效果，一般带有电荷并会附着在金属表面，即使在烟气高速运动时也会如此。例如在转速高达2800转/分钟的风机的扇翼上会沉积粉尘层，而这种现象在以煤为燃料时则不多见。

到目前为止，还没有一种秸秆燃烧系统能够很好地解决换热器表面的有效清洁问题并设计出适宜的结构部件。把换热模块集成为换热装置，将设计简化的模块化换热装置以低价格进行批量化和标准化制造也未见在哪个国家有实际应用。

传统换热器的热风一般只与一种介质发生热交换，尚未发现利用一种热风源作用于几种不同的介质同时实现换热的实际应用。

在饲料和食品加工领域有许多间接加热的热风发生器被用于干燥植物，谷物烘干设备，尤其是玉米等散装干燥物往往需要烘干空气温度能够超过100℃的强化型热源。而把已经充分燃烧、排放干净的干燥空气直接用于干燥实现起来相对就容易的多。

如果用生物质做燃料用换热器进行间接加热时一般必须使用蒸汽或导热油等高温热介质，其建造和运营则远比一个简单的带压95℃热水锅炉要昂贵和复杂的多。谷物干燥多为季节性生产，操作人员很难完全具备操作复杂蒸汽锅炉的能力或资质。热油介质比较昂贵，易老化且容易对环境造成风险。

另一方面，常见的以燃煤为主的热力系统以烟气通过热交换来对空气加热时，往往由于排出尾气温度过高使得热效率不够高。

在由耐热钢材构成的换热器经常有热堵塞和换热面损坏的危险，换热器损坏时会有明火进入谷物干燥机并可能引起火灾。而由于秸秆火焰特别长，所以燃烧着的秸秆颗粒导致谷物干燥设备发生火灾的可能性更大。但如果因为秸秆燃料的这个特性降低其燃烧温度，则秸秆燃烧的充分性和效率又会下降。与煤相比秸秆燃烧会给换热器带去更多的粉尘，这些粉尘与未燃烧的残余碳化合物结合附着于换热器时就会变得难以清除。因此秸秆的清洁和充分燃烧是至关重要的，但这样的充分清洁燃烧在燃烧温度低于800℃的时候是不能确保完全实现的。

另外秸秆中的氯具有较强的腐蚀作用，通常会对钢材的性能产生较大影响，所以到目前为止在农业中用生物质、特别是秸秆来做能源满足集约型谷物干燥尚未多见。

用天然气或液化气直接加热方式对谷物干燥的装置在世界范围内很普遍，但代价昂贵。燃油也会用来进行间接或直接(大部分是非法的)干燥，使用煤炭的则只能是间接干燥。在很多国家也不允许用生物质直接干燥谷物。

技术实现要素：

在秸秆燃烧系统建造中对换热器表面的附着粉尘进行简单、经济的清洗是首要也是最重要的任务。因为即便烟气高速流动也不能完全阻止粉尘附着，因此换热器粉尘净化迫切需要一种低能耗、易于实现的建造设计概念。

本实用新型在只有一个烟气流的情况下可对几个不同的热载体介质同时加热，然后可以组合使用这些不同热介质以实现设计目的。

不同热介质的换热模块的设计应该能够标准化并完美的组合，这样可以很好地实现自动化生产以实现低成本制造。

在本实用新型应用中，它可以实现以秸秆为燃料，不使用耐热钢材、不使用水蒸气或热油等高温热介质并通过间接加热产生温度超过100℃的热空气。其能量转换效率高、火灾风险大大降低，且各种建造材料承担的热能负担也不会过大。

对生产者来说，不需要对热风发生装置进行昂贵和复杂监控也很重要。

本实用新型目的是通过若干个换热模块组成模块化换热装置来实现换热目的，这些换热模块之间有同轴换热管可以让由秸秆燃烧系统产生的烟气流过。

在该模块化换热装置中，根据不同热性能表现需要配置有不同换热管径、不同管长的换热管，所有换热模块的换热管都是同轴排列布置。因此，换热模块可以彼此垂直放置，也可以彼此水平放置，烟气以直线方式流过所有的换热模块。

这种结构允许通过压缩空气气流完全将所有换热模块的换热管内表面的粉尘进行清洁，这样除尘净化就不再由烟气气流来承担，因此可以降低烟气速度，可以为风机降低能量消耗，同时又能够根据需要控制换热器大小。

换热模块可为不同热介质设计，热介质可以是水-乙二醇混合物或热油等液体，也可以是空气等气体，这使得不同换热模块可以同时加热多种热介质。

如果只加热水介质时也可以将几个标准换热模块彼此垂直或平行布置，这样可以降低换热装置生产成本。

如果让换热装置的烟气首先通过以导热油或者空气为介质的换热模块，则为了达到较低的排出烟气温度可跟随一个以水为介质的换热模块。

如果需要产出超过100℃的热空气，例如用于谷物干燥等，根据本实用新型可布置3个以上不同的换热模块组合来完成。首先烟气流过烟气-水换热模块，烟气温度降至钢材能够承受的680℃以下，换热产生的90℃热水流经空气-水换热模块可将初始冷空气预热至约65℃，预加热空气流经烟气-空气换热模块后进一步加热到所需的温度，例如115℃。

为提高效率，烟气-空气换热模块可以切换到另一个烟气-水换热模块，因其单位面积的传热能力高于烟气-空气换热模块，可获得较低尾气排放温度。在冬季谷物干燥时温度较低地区，第二个烟气-水换热模块也可以用烟气-空气换热模块来替代。模块化换热装置允许制造者根据换热装置所在地特点来进行结构设计。

通过降低第一个烟气-水模块中的烟气温度，在接下来的烟气-空气换热模块制造时就不需要使用特殊高价格耐高温钢材。

煤炭燃烧产生的粉尘含有盐分氧化物，一般水溶性差并且熔点多高于1000℃。因此煤燃烧在换热装置表面形成熔化层的风险不大。而在秸秆燃烧时其粉尘的大部分是水溶性盐氧化物，这些氧化物中很大一部分会在较低温度时熔化，例如熔点是340℃的磷氧化物或熔点只有334℃的硝酸钾，但同时秸秆燃烧的粉尘中也包含熔点为770℃的钾氧化物等，钾氧化物等完全熔化则需要较高温度。

因一般蒸汽锅炉的换热管温度很少超过300℃，因此秸秆燃烧时没有粉尘熔化和形成固体层的危险。然而在烟气-空气-烟气交换时换热钢管温度较高，例如烟气温度900℃、空气温度100℃时换热钢管温度就可能达到500℃。而这个温度对于普通钢来说已经是太高，所以存在熔融矿物引发问题的风险。所以在秸秆燃烧时把烟气温度控制到680℃以下是必须的，这样可以确保换热钢管温度低于400℃，这是钢管能够承受并且避免矿物熔化的温度。

为安全起见应对烟气输入温度进行监测，必要时可以通过在旋风后燃烧室加入冷空气从而及时降低烟气温度。

烟气注入式换热器模块彼此相连，它们可以相互上下叠放使烟气垂直流动，或者相互前后排列使烟气水平流动。所有换热管都同轴布置彼此成一条直线。

当烟气温度降低时为保持烟气流速，可以像蒸汽锅炉的习惯做法一样让换热管直径随烟气流动方向逐渐减小。

通过选择换热管直径可以实现将后部换热模块换热管的一小段可以插入前部换热模块的换热管内。

来自烟气-水换热模块的热水可以被泵送到水-空气换热模块。

在本实用新型实施中，可以通过密封盖或防火门进入换热管通道，密封盖或防火门包含有能够在系统运行期间使用压缩空气喷枪清洁烟气侧换热面的装置。密封盖或防火门包含有耐火内盖和布置在上方的密封外盖。密封盖或防火门可向上或向侧开启从而秆放内部压力，为便利的完成这个操作首先需要通过打开上盖上的一个小通风盖板来释放内外压差。

在内盖中有导管布置在其中与换热管相连，通过导管手持式压缩空气喷枪可以方便地插入换热管中，通过喷射压缩空气粉尘就可以从换热管中被去除。

由于以水作为热介质存在霜冻风险，因此如果必要可向水中添加防冻剂，水循环必须封闭运行以防止由于蒸发造成的水缺失。水介质就像汽车发动机冷却系统一样保持压力小于0.1mpa，这样就可免除压力监测之虞。

如果压力像太阳能系统一样高达0.6mpa，温度也在100℃以上，这虽然可以补偿降低的热传输能力，但必须遵守更高的法律监管要求。

附图说明

图1是用于产生热水的换热装置侧视图

图2是用于产生热空气的直立式换热装置侧视图

图3是根据图2的换热装置鸟瞰图。

图4是可以利用压缩空气完成清洁的上盖内部设计

图5是产生热风的循环式换热装置鸟瞰图

图6是根据图5的换热装置截面图

图7是根据图5的换热装置的烟气供应鸟瞰图

图8是带有换热管的换热模块剖面图

图中：1-烟气-水换热模块，2-烟气-水换热模块，3-烟气-水换热模块，4-烟气进入端，5-烟气释放端，6-烟气，7-排出废气，8-换热管，9-拉伸环，10-密封材料，11-烟气-水换热模块，12-烟气-空气换热模块，13-烟气-水换热模块，14-泵，15-水-空气换热模块，16-泵，17-水-空气换热模块，18-空气，19-轴流风扇，20-空气，21-秸秆燃烧系统，22-秸秆捆，23-秸秆装载装置，24-旋风后燃烧室，25-集尘室，26-引风机，27-烟囱，28-内盖，29-引导管，30-压缩空气清洁喷枪，31-密封上盖，32-通风盖板，33-烟气-水换热模块，34-烟气-空气换热模块，35-烟气-空气换热模块，36-水-空气换热模块，37-泵，38-管道，39-导风板，40-钢结构房，41-保温层，42-防火门，43-温度传感器，44-电控空气挡板，45-安全翻板，46-电磁铁，47-矿棉，48-有分风作用的支撑板，49-无分风作用的支撑板，50-封头支撑板，51-封头支撑板。

具体实施方式

根据图1所示，展现了仅用于产生热水的换热装置。它由独立的烟气-水换热模块(1，2，3)以及烟气进入端(4)和烟气释放端(5)组成。烟气(6)进入烟气进入端(4)并作为排出废气(7)离开烟气释放端(5)。烟气-水换热模块(1，2，3)包含不同直径的换热管(8)，换热管(8)的直径在下一个换热模块中沿烟气流动方向变小，下一个换热模块(2、3)的换热管(8)可以插入上一换热模块(1、2)的换热管中一小段。

换热模块(1，2，3)通过带有密封材料(10)的拉伸环(9)彼此连接并连接到烟气进入端(4)和烟气释放端(5)。

这种换热模块(1、2、3)的垂直上下叠加布置需要建造能够让烟气长时间停留的高大的旋风后燃烧室(24)。操作人员就可以如图4中所示使用压缩空气清洁喷枪(30)从上方方便的对换热管(8)进行清洁。

这里仅提出一种特别用于产生热水的换热装置，其全部由简单的部件组成，制造过程容易实现自动化和标准化，而所有这些都有利于制造成本的降低。

在图2中表达的是通过间接加热产生热空气的换热装置，例如用于谷物干燥。这个装置包括3个让烟气(6)流过的换热模块(11、12、13)。其中第一个是烟气-水换热模块(11)，其仅具有短换热管(8)。第二个是烟气-空气换热模块(12)，第三个是另一个烟气-水换热模块(13)。各换热模块的换热管直径逐渐减小以便保持足够高的气体湍流速度以实现良好的热传递。

换热模块(11)的温水通过泵(14)按照设计送入水-空气换热模块(15)。换热模块(12)的热水通过泵(16)送到水-空气换热模块(17)。从轴流风扇(19)送入的冷空气(18)流经换热模块(15、17)并被加热到70℃以上，之后该热空气继续流经烟气-空气换热模块(12)并达到高于100℃的温度后作为干燥用空气(20)。

整个系统仅由普通钢构成。作为热载体介质的低压力水的最高工作温度不高于95℃，因此不必依据法律对压力进行监控。即便是热空气温度超过100℃时，但因为没有来自高温的物质，所以就没有在换热器表面上形成烟尘覆盖层的风险，也不需要使用昂贵的高温热载体介质。

模块化结构的换热器适合于大批量、低成本生产。

图3从俯视角度对系统进一步进行了说明。换热模块(12)的截面图表现了换热管(8)，烟气(6)来自秸秆燃烧系统(21)，秸秆捆(22)被用秸秆装载装置(23)投入秸秆燃烧系统(21)。烟气(6)进入旋风后燃烧室(24)完成清洁燃烧，这样可以安全地防止焦油或者碳在换热管上的沉积。

排出废气(7)离开换热模块(12)进入集尘室(25)，然后经引风机(26)送入烟囱(27)。引风机(26)的速度可以通过变频调控以满足用户需要，尤其是谷物烘干机。根据相关标准还可以通过改变换热管(8)中的烟气速度优化系统配置以实现最佳热传递。

图4表现的是如何从烟气进入端(4)上部对换热管(8)的粉尘沉积物实施清理。内盖(28)配有引导管(29)，通过引导管(29)可以把压缩空气清洁喷枪(30)恰当的插入换热管(8)中。打开密封上盖(31)进入内盖(28)区，但打开密封上盖(31)前必须先打开通风盖板(32)以释放压力。系统为操作员提供有工作平台，这种布置允许在系统持续运行时非常经济的实现对换热管(8)的完全清洁。

通过这种方式解决换热管清洁问题，换热管和换热面的设计只需要围绕如何实现好的热传递来进行，烟气流本身不再需要承担清洁任务，所以就可以显著降低烟气流的速度，从而显著降低系统的压力损耗和引风机的电功率消耗。

然而当换热系统需要更高的性能表现时，根据图2和图3的布置就有了一定的局限性。垂直布置的换热装置可能就会变得太高，秸秆燃烧也需要有2个连续的旋风后燃烧室(24)，烟气(6)可能会变成在接近地面的底部被送入，这时候则更加适宜采用大的卧式换热模块组合。

图5展示了这种卧式换热装置，其位于1区的是烟气-水换热模块(33)，位于ii区的是烟气-空气换热模块(34)，位于iii区的是2个部分，一个是烟气-空气换热模块(35)，另一个是水-空气换热模块(36)，水-空气换热模块(36)通过泵(37)和管道(38)连接到烟气-水换热模块(33)。烟气进入换热装置后经导风板(39)引导穿过有分风作用的支撑板(48)和无分风作用的支撑板(49)，有分风作用的支撑板(48)和无分风作用的支撑板(49)的作用是支撑换热管(8)和克服烟气通过换热管(8)时的震动。

这种布置只有一个水循环，特别适用于一年中有一半是冬季并在冬季时完成大部分谷物干燥的寒冷区域。一般非常冷的空气仅在低效率气体-气体换热时才能实现足够低的尾气排放温度。空气(18)进入换热模块(35)后会被导风板(39)引导重复穿过烟气-空气换热模块(35)，同时也会两次穿过水-空气换热模块(36)，此时已经接近70℃的空气再反复穿过烟气-空气换热模块(34)并接收所需热量，温度最高可达到120℃。

根据图6所示，从烟气-空气换热模块(34)的横截面中可以看出该换热模块横截面是矩形的，空气(20)沿水平方向穿过换热管束。整个换热模块都由钢结构房(40)围护，钢结构房有一个厚保温层(41)用来减少热损耗。

在这个应用中是用3300kw的热力来产生烟气，烟气-空气换热模块(34、35)都布置有162根长度为6m的换热管，其中换热模块(34)的换热管直径为108mm，换热模块(35)的换热管直径为89mm。

在图7中更详细地表现了烟气(6)进入烟气-水换热模块(33)，带有清洁工具引导管(29)的防火门(42)和带有通风盖板(32)的密封上盖(31)。

为了安全地防止过热，在旋风后燃烧室的最后设置了用于吸入新鲜空气的通道。为了精准调控烟气(6)温度，设置一个带有温度传感器(43)的控制装置，该控制装置允许通过电控空气挡板(44)吸入新鲜空气以冷却烟气(6)。

此外还有一个带有电磁铁(46)的安全翻板(45)，它在系统极端过热或电源故障时会自动掉落并引入冷空气。

图8展示了两个换热模块结合部的剖面图。后部换热模块换热管(8)穿过封头支撑板(50)插入前部换热模块穿过封头支撑板(51)的换热管中一小段，两个换热模块封头支撑板(50、51)之间在装配之前填充了矿棉(47)。

可按照剂量在传热介质水中添加防冻剂，但在计算和解读所有系统部件时必须考虑添加防冻剂导致的流动性、热传递和热传输能力的变化。

在本实用新型实施时，所有关于空气管理、水膨胀、热膨胀、密封和速度控制泵等设施都可以在良好的工程实践中得以实现。

这种换热装置完全适用于以秸秆为燃料，它几乎可以按任何尺寸进行建造。所有组件都易于生产加工，无需昂贵材料。可以安全地得到所需的热介质温度，几乎没有技术风险，可以免受监管，人员也无需接受很多培训就可以操作，且产品使用寿命长、造价低。