CN101706096A - 改良型废热锅炉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的改良型废热锅炉，包括管箱、若干根U形换热管以及将U型换热管沿管箱的轴向固定于管箱内的承压管板，其若干根U形换热管以喷泉方式或交叉方式布置在管箱内。本发明针对管程进出口温差较大的列管式废热锅炉，通过对换热管排列方式的改进，降低了管箱和管板中产生的温差应力，使其中的应力分布更加均匀，延长了管板的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及管壳式废热锅炉的技术领域，特别涉及一种改良型废热锅炉。
背景技术
在一氧化碳变换、合成氨等工艺流程中，从反应器底部出口出来的变换气、合成气(以下统称反应气体)的温度通常在400℃～500℃之间、工作压力为中压或高压。高温变换气的主要成分为H2、CO、CO2、水蒸汽和少量特殊腐蚀介质；高温合成气的主要成分为H2、N2、NH3等。介质氢分压高，易燃易爆，且存在高温特殊介质腐蚀环境，如高温合成气的渗氮腐蚀。
高温反应气体常常需要通过废热锅炉换热，降低温度后进入下一段流程，同时副产中压饱和蒸汽。反应气体走废热锅炉的管程。由于管程入口侧温度高，存在高温特殊介质腐蚀环境，管程须采用中温抗氢耐蚀材料。通过热量回收，管程出口侧的反应气体温度降到220～280℃左右，材料可以采用普通中温抗氢钢，且无须考虑渗氮和其它特殊介质的腐蚀。但是因为管程的中、高压和较高的管、壳程温差操作环境，废热锅炉多采用U型管结构，管程进出口侧需要采用同一种材料，造成了材料的浪费。
同时，由于普通U型管式废热锅炉的分程隔板沿管板直径方向设置，将管板和管箱分隔为对称的两个部分，一部分与入口高温反应气体接触，另一部分与出口低温反应气体接触，导致分程隔板两侧管箱和管板中在与分程隔板接触处存在较大的温差应力。当管程进出口气体温差超过80℃时，便会对管程的应力分布产生明显的影响。
当废热锅炉的换热管按照普通U型管式排列时(弯管中心在一条直线上)，较高的温差应力对管程的影响包括以下方面：
1、管板在分层隔板两侧因受热不均产生整体温差应力，并且由于温差应变的叠加产生较大的应力集中。
2、中高压废热锅炉的管箱筒体与管板往往采用焊接连接，焊接接头在分层隔板两侧附近产生温差应力。
较高的温差应力与介质压力在管箱、管板上产生的最大应力相叠加，使金属材料中的峰值应力更接近临界值，甚至超限。在高温氢腐蚀和渗氮腐蚀环境中，由于材料本身的脆性，焊接时在管板与换热管、管板与管箱的焊接接头处会产生细微的裂纹。在高温介质侧氢、氮腐蚀的影响下，较高的峰值应力容易引发裂纹扩展，从而引起设备局部甚至整体失效。
3、中高压废热锅炉往往采用管箱端部法兰平盖密封，进出口介质温差较大，将会造成分程隔板两侧管箱受热后轴向膨胀不均，破坏法兰端面和管箱轴线的垂直度，降低密封的可靠性，甚至引起密封失效。
发明内容
本发明的目的在于针对现有废热锅炉所存在的问题而提出一种改良型废热锅炉，本发明的改良型废热锅炉既适用于和反应器直接连接，也适用于通过管道和反应器连接.本发明涉及的改良型废热锅炉既可以放在蒸汽过热器的上游，也可以放在蒸汽过热器的下游.本发明适用于带汽包自然循环的废热锅炉，也适用于不带汽包的废热锅炉.
本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：
改良型废热锅炉，包括管箱、若干根U形换热管以及将若干根U型换热管沿所述管箱的轴向固定于所述管箱内的承压管板，在所述的管箱一侧的承压壳体上设置有承压入口接管和承压出口接管，所述若干根U型换热管的入口端和出口端位于管箱设置有所述的承压入口接管和承压出口接管的一侧，其特征在于，所述的若干根U型换热管采用喷泉式换热管布置方式进行布置，所述的喷泉式换热管布置方式是：在所述的承压管板上设置有分程隔板槽，所述分层隔板槽为环状结构，将承压管板分隔成中心区域和外环区域，所述的若干根U型换热管的入口端集中位于中心区域内，若干根U型换热管的出口端分布于所述的外环区域，若干根U型换热管自承压管板的中心区域开始，沿U型换热管直边段轴向延伸至弯管段，弯管部分自中心呈“喷泉”状向周围均匀辐射到外环投影区，再经U型沿换热管的另一直边段轴向返回到承压管板的外环区域。高温高压反应气体从位于管板中心区域的U型换热管入口端进入，沿途将管外壳程锅炉给水汽化，使反应气体温度大幅降低，而后从位于承压管板外环区域的U型换热管出口端流出。因为承压管板在单纯介质压力作用下产生的应力主要沿环向和径向分布，这种喷泉式布管方式能有效消除管板环向温差应力。
或者：
所述的若干根U型换热管采用交叉式布管方式进行布置，所述的交叉式布管方式是：所述的若干U型换热管按四边形排列，若干U型换热管的入口端和出口端相互间隔呈围棋状交叉布置。由于所有U型换热管的进出口在整个承压管板平面上均匀间隔分布，使承压管板沿环向和径向整体上表现为受热均匀，仅在相邻的U型换热管之间存在温差应力单元和应变单元。因为结构的相互间隔，这些结构单元可以与相邻的单元之间产生应变协调，从而不会在宏观上形成较大的应力集中。
在所述的管箱内有承压入口接管和承压出口接管的一侧设置有热气箱，该热气箱具有一入口中心管和若干导气管，所述的入口中心管由承压入口接管延伸至管箱的承压壳体外，每一根导气管与一根U型换热管的入口端连通，高温反应气体由入口中心管进入热气箱内，再由热气箱分布通过导气管进入每一根U型换热管。
所述的热气箱包括箱体和与箱体连接的第一小管板，在所述的箱体上设置有入口中心管，所述第一小管板上设置有若干加强管，每一加强管与每一根U型换热管的入口端固定连接，每一根导气管穿过所述的加强管而***所述的U型换热管的入口端内。
本发明在所述的管箱内还设置有冷气导流箱，该冷气导流箱的一侧箱壁为所述的承压管板，另一侧箱壁为第二小管板，所述的若干根加强管穿过所述的冷气导流箱，该冷气导流箱与所述的U型换热管的出口端连通，通过对U型换热管出口端流出的冷气体进行引流，使其横向吹扫U型换热管入口端与承压管板之间的焊接接头，降低U型换热管入口端焊接接头的操作温度，减少接头失效率，提高设备使用寿命。该冷气导流箱还设置有一冷气出口。
所述入口中心管与所述的承压入口接管之间、所述的导气管与加强管、U型换热管之间以及第一小管板与第二小管板之间均设置有隔热材料.以增加高温气体通道与承压壳体、承压管板、焊接接头之间的热阻，降低承压壳体金属壁温和设计温度，节省成本，提高设备运行可靠性.
由于采用了如上的设计方案，本发明针对管程进出口温差较大的列管式废热锅炉，通过对换热管排列方式的改进，降低了管箱和管板中产生的温差应力，使其中的应力分布更加均匀，延长了管板的使用寿命。同时，通过热气导流、隔热、冷气吹扫降温结构，使管程高温反应气体不与除换热管外的其它承压部件接触，降低了这一部分承压壳体的金属壁温，使设计温度降低，从而节省了材料，提高了废热锅炉运行的可靠性和稳定性。
附图说明
图1为本发明改良型废热锅炉结构原理示意图。
图2为本发明改良型废热锅炉的U型换热管喷泉式布置原理图。
图3为本发明改良型废热锅炉的U型换热管交叉式布置原理图。
图4为本发明改良型废热锅炉与反应器直接连接简图。
图5为本发明改良型废热锅炉带汽包自然循环的简图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1，改良型废热锅炉，包括管箱100、若干根U形换热管200以及将若干根U型换热管200沿管箱100的轴向固定于管箱100内的承压管板300，在管箱100一侧的承压壳体110上设置有承压入口接管121和承压出口接管131，在承压入口接管121和承压出口接管131上分别设置有承压入口接管法兰122和承压出口接管法兰132。若干根U型换热管200的入口端210和出口端220位于管箱100设置有承压入口接管121和承压出口接管131的一侧。若干根U型换热管200的入口端210和出口端220与承压管板300之间均采用强度焊。
在管箱100设置有承压入口接管121和承压出口接管131的一侧内设置有热气箱400，该热气箱400包括箱体410和与箱体410连接的第一小管板420，在箱体410上设置有一入口中心管430，在第一小管板420布置有数量与U型换热管200的数量相等的加强管510，加强管510的另一端与U型换热管200的入口端210焊接连接，在加强管510以及U型换热管200的入口端210内插有导气管520，在导气管520的外管壁与加强管510的内管壁之间设置有隔热材料530。加强管510形成第一小管板420与承压管板300之间的连接支撑，并对导气管420起到保护作用。
入口中心管430穿过承压入口接管121与反应器600直接连接(参见图4)，在入口中心管430的外管壁与承压入口接管121的内管壁之间设置有隔热材料431。
高温反应气体由入口中心管430进入热气箱400内，再由热气箱400分布通过导气管420进入每一根U型换热管200内。
在管箱100内还设置有冷气导流箱700，该冷气导流箱700的一侧箱壁为承压管板300，另一侧箱壁为第二小管板710，该冷气导流箱700与U型换热管200的出口端220连通.在第一小管板420与第二小管板710之间均设置有隔热材料720.该冷气导流箱700还设置有一冷气出口(图中未示出).
上述在入口中心管430与承压入口接管121之间、导气管520与加强管510、U型换热管200之间以及第一小管板420与第二小管板710之间设置的隔热层431、530、720，可以增加高温气体通道与承压壳体110、承压管板300、焊接接头之间的热阻，降低承压壳体110金属壁温和设计温度，节省成本，提高设备运行可靠性。
高温反应气体从入口中心管430进入管箱100，通过入口中心管430导入热气箱400，避免与管箱100的承压壳体110接触。导气管520将热气箱400中的高温反应气体导入U型换热管200的入口端210，高温反应气体从U型换热管200的入口端210进入，沿途将管外壳程锅炉给水汽化，使反应气体温度大幅降低，而后从U型换热管200的出口端220流出。冷气导流箱700通过对U型换热管200的出口端220流出的冷气体进行引流，使其横向吹扫U型换热管200的入口端210与承压管板300之间的焊接接头，降低U型换热管200的入口端210焊接接头的操作温度，减少接头失效率，提高设备使用寿命。
参见图2，在承压管板300上设置有分程隔板槽310，分层隔板槽310为环状结构，将承压管板300分隔成中心区域320和外环区域330，若干根U型换热管200的入口端210集中位于中心区域320内，若干根U型换热管200的出口端220分布于外环区域330内，若干根U型换热管200自承压管板300的中心区域320开始，沿U型换热管200直边段轴向延伸至弯管段，弯管部分自中心呈“喷泉”状向周围均匀辐射到外环投影区，再经U型沿换热管200的另一直边段轴向返回到承压管板300的外环区域330。高温高压反应气体从位于承压管板300中心区域320的U型换热管200的入口端210进入，沿途将管外壳程锅炉给水汽化，使反应气体温度大幅降低，而后从位于承压管板300外环区域330的U型换热管200的出口端220流出。因为承压管板300在单纯介质压力作用下产生的应力主要沿环向和径向分布，这种喷泉式布管方式能有效消除承压管板300环向温差应力。
参看图3，若干U型换热管200按四边形排列，若干U型换热管200的入口端210和出口端220相互间隔呈围棋状交叉布置。由于所有U型换热管200的入口端210和出口端220在整个承压管板300平面上均匀间隔分布，使承压管板300沿环向和径向整体上表现为受热均匀，仅在相邻的U型换热管200之间存在温差应力单元和应变单元。因为结构的相互间隔，这些结构单元可以与相邻的单元之间产生应变协调，从而不会在宏观上形成较大的应力集中。
参看图4，本发明的改良型废热锅炉与反应器600直接连接，即反应器600的高温反应气体输出接管610直接通过法兰连接方式与改良型废热锅炉的承压入口接管121连接，入口中心管430直接***到反应器600内。
参看图5，本发明的改良型废热锅炉的承压壳体110接一汽包800，构成带汽包自然循环的废热锅炉。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.改良型废热锅炉，包括管箱、若干根U形换热管以及将若干根U型换热管沿所述管箱的轴向固定于所述管箱内的承压管板，在所述的管箱一侧的承压壳体上设置有承压入口接管和承压出口接管，所述若干根U型换热管的入口端和出口端位于管箱设置有所述的承压入口接管和承压出口接管的一侧，其特征在于，所述的若干根U型换热管采用喷泉式换热管布置方式进行布置，所述的喷泉式换热管布置方式是：在所述的承压管板上设置有分程隔板槽，所述分层隔板槽为环状结构，将承压管板分隔成中心区域和外环区域，所述的若干根U型换热管的入口端集中位于中心区域内，若干根U型换热管的出口端分布于所述的外环区域，若干根U型换热管自承压管板的中心区域开始，沿U型换热管直边段轴向延伸至弯管段，弯管部分自中心呈“喷泉”状向周围均匀辐射到外环投影区，再经U型沿换热管的另一直边段轴向返回到承压管板的外环区域。
2.改良型废热锅炉，包括管箱、若干根U形换热管以及将若干根U型换热管沿所述管箱的轴向固定于所述管箱内的承压管板，在所述的管箱一侧的承压壳体上设置有承压入口接管和承压出口接管，所述若干根U型换热管的入口端和出口端位于管箱设置有所述的承压入口接管和承压出口接管的一侧，其特征在于，所述的若干根U型换热管采用交叉式布管方式进行布置，所述的交叉式布管方式是：所述的若干U型换热管按四边形排列，若干U型换热管的入口端和出口端相互间隔呈围棋状交叉布置。
3.如权利要求1或2所述的改良型废热锅炉，其特征在于，在所述的管箱设置有所述的承压入口接管和承压出口接管的一侧内设置有热气箱，该热气箱具有一入口中心管和若干导气管，所述的入口中心管由承压入口接管延伸至管箱的承压壳体外，每一根导气管与一根U型换热管的入口端连通，高温反应气体由入口中心管进入热气箱内，再由热气箱分布通过导气管进入每一根U型换热管。
4.如权利要求3所述的改良型废热锅炉，其特征在于，所述的热气箱包括箱体和与箱体连接的第一小管板，在所述的箱体上设置有入口中心管，所述第一小管板上设置有若干加强管，每一加强管与每一根U型换热管的入口端固定连接，每一根导气管穿过所述的加强管而***所述的U型换热管的入口端内。
5.如权利要求3所述的改良型废热锅炉，其特征在于，在所述的管箱内还设置有冷气导流箱，该冷气导流箱的一侧箱壁为所述的承压管板，另一侧箱壁为第二小管板，所述的若干根加强管穿过所述的冷气导流箱，该冷气导流箱与所述的U型换热管的出口端连通，该冷气导流箱还设置有一冷气出口。
6.如权利要求5所述的改良型废热锅炉，其特征在于，所述入口中心管与所述的承压入口接管之间、所述的导气管与加强管、U型换热管之间以及第一小管板与第二小管板之间均设置有隔热结构。
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