CN104791747B - 一种高温火管式废热锅炉管板冷却室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温火管式废热锅炉管板冷却室，包括冷却室管板、合成气管挠性管板、合成气管和冷却水管共四个部分。冷却室是由冷却室管板和合成气挠性管板组成的封闭空间，合成气管通过挠性管板和冷却室管板贯穿整个冷却室，冷却水管通过冷却室管板接入冷却室内。冷却室具有一定的高度，保证挠性管板附近冷却水的均布、避免局部冷却水分布较少导致挠性管板过热。冷却水从冷却水管进入冷却室内，通过冷却水管端部出口流向设置达到强化合成气管壁附近流动、消除流动死区的作用。靠近挠性管板入口的合成气管内设有隔热套管，可增加局部热阻、降低局部传热量、降低热应力和管壁附近温度。

Description

一种高温火管式废热锅炉管板冷却室

技术领域

本发明涉及一种换热器，具体地，涉及一种高温火管式废热锅炉的管板冷却室。

背景技术

天然气、页岩气、煤层气、油田气、炼厂气、焦炉气、热解气等气态烃以甲烷为主要成分，是重要的基础能源和化工原料。利用气态烃生产合成气(CO+H₂)是能源化工中的重要工艺技术，合成气可进而合成氨、甲醇、油品等大宗化学品。实施气态烃转化制合成气的开发和应用，对提高能源利用效率，促进行业的节能减排和环境保护具有重要意义。

目前成熟的气态烃转化制合成气工艺有蒸汽转化串联自热转化法(或称蒸汽转化法)、自热转化法和非催化部分氧化法三类。采用气流床反应器的气态烃非催化部分氧化法具有工艺流程和设备结构简单、无需催化剂、得到的合成气中合成中H₂/CO体积比接近于2，合成气无需进行变换反应就可以直接用于甲醇合成、乙二醇合成和F-T合成等优点。因此，气态烃非催化部分氧化技术受到了越来越多的关注和应用。

通过气态烃非催化部分氧化法实现气态烃转化时，转化炉内气体射流速度高、停留时间短、且没有催化剂的存在。因此，要实现较高的甲烷转化率，就必须要达到较高的转化温度。转化炉通常采用纯氧作为氧化剂，为气态烃转化提供能量，并使CH₄与CO₂和H₂O等发生反应，生成合成气有效成分CO和H₂。

转化炉出口合成气温度一般在1200℃～1400℃，在这样的高温下，合成气中含有大量的显热，对这部分显热进行回收可以提高整个流程的能量利用效率，具有重要的价值。目前，高温合成气的显热回收主要有直接激冷和废热锅炉回收两种方法。直接激冷通过将高温合成气导入转化炉炉膛下方的激冷室内与激冷水直接接触，使大量激冷水蒸发，提高合成气中所含的水蒸气量。废热锅炉回收方法则通过导管将高温合成气导入与转化炉连接的废热锅炉中通过换热的方式副产中高压蒸汽。废热锅炉大多采用火管式结构，合成气走管程、锅炉水走壳程。火管式废热锅炉相较于其它废热锅炉型式，具有热效率高、副产蒸汽压力高和适用高温气体冷却等优势。

火管式废热锅炉是热量回收式气态烃非催化部分氧化装置的关键设备(中国专利ZL201210462013.1)，其长周期稳定运行对于整个生产装置来说至关重要。废热锅炉管板冷却室是高温合成气进入换热器管程的入口，主要起到合成气管的固定和定位作用，同时，要实现对合成气挠性管板的高效冷却。废热锅炉管板冷却室是火管式废热锅炉的关键部件。由于合成气进入废热锅炉管板冷却室时尚未经冷却，合成气管挠性管板面临着高温、高热应力等问题，它是火管式废热锅炉中工作条件最苛刻的部件。目前工业运行的气态烃非催化部分氧化装置的合成气管挠性管板常常由于冷却不足和冷却不均匀而导致烧穿，进而导致装置停车，极大地制约了整个气态烃转化装置的长周期运行。因此，工业界希望开发出一种冷却效果优良的废热锅炉管板冷却室，实现火管式废热锅炉的长周期稳定运行。

发明内容

高温火管式废热锅炉管板冷却室的合成气管挠性管板常采用水冷方式冷却，通过循环冷却水在管板表面和合成气管附近流动导致的强制对流换热来降低管板温度。管板冷却室结构不合理，容易导致冷却水分布不均匀、合成气管挠性管板冷却不均、合成气管附近冷却水烧干等问题。本发明提出一种高温废热锅炉管板冷却室结构，通过合理设计冷却水管布置、冷却水入合成气管挠性管板进口方向、在合成气管内设置隔热套管来解决合成气管挠性管板冷却不足、冷却不均匀的问题。

具体方案如下：

一种高温火管式废热锅炉管板冷却室，所述冷却室是由冷却室管板和挠性管板组成的封闭空间，合成气管通过所述冷却室管板和挠性管板贯穿整个所述冷却室，冷却水管通过所述冷却室管板接入所述冷却室内部；

其中，所述冷却室管板上具有m个用于所述合成气管通过的合成气通道开孔以及n个用于所述冷却水管通过的开孔，m≥3，n≥m+1；

所述挠性管板上具有m个用于所述合成气管通过的开孔，并且与所述合成气通道开孔对应。

所述冷却室管板与所述合成气管的环隙为r1,r1＝5～20mm，所述环隙组成进入所述冷却室内冷却水的出口。

所述冷却室管板与所述挠性管板的间距h为100～600mm。

所述挠性管板上的开孔以及所述合成气通道开孔都均匀分布在以所述冷却室轴线为中心的半径为R的圆周上，R为200～2000mm。

所述冷却室管板上用于所述冷却水管通过的n个开孔中，有一个位于所述冷却室管板的中心，即，接入该中心的冷却水管为中心冷却水出水管，用于强化所述挠性管板中心区域水的流动，作为所述挠性管板中心区域的冷却水出口；所述中心冷却水出水管与所述挠性管板的间距S1为5～30mm。

所述冷却室管板上除位于所述冷却室管板的中心的开孔外，其余用于所述冷却水管通过的开孔均匀分布在以所述冷却室轴线为中心的1个或者多个圆周上；

合成气管通过的开孔与冷却水管通过的开孔的中心距为r2，r2是合成气管通过的开孔直径的1～5倍。

优选地，n≥3m+1；

当n＝3m+1时，所述冷却室管板上用于所述冷却水管通过的开孔中，m个分布在所述合成气通道开孔中间，m个分布在与所述合成气管通道开孔同径的外侧圆周上，m个分布在与所述合成气通道开孔同径的内侧圆周上。

所述冷却水管的端部与所述挠性管板的间距S2为5～30mm。

所述冷却水管的端部侧面具有两个对称的矩形开口，供冷却水流入所述冷却室内；

所述矩形开口的法线方向指向所述合成气管的中心，开口高度d为5～30mm，开口扇形角度a为30～180°。通过冷却水管端部出口达到强化合成气管壁附近流动、消除流动死区的作用。

所述合成气管靠近所述挠性管板的一端内部包含长度l为50～600mm的隔热套管。通过靠近挠性管板入口的合成气管内设有隔热套管，可增加局部热阻、降低局部传热量、降低热应力和管壁附近温度。

来自气态烃非催化部分氧化转化炉的高温合成气流经合成气管，然后进入冷却室上部的合成气废热锅炉中回收热量。

本发明的废热锅炉管板冷却室结构具有冷却室内冷却水分布均匀、高温合成气管附近冷却充分、合成气管与合成气管挠性管板连接处热流密度低、热应力小等特点，保证挠性管板附近冷却水的均布、避免局部冷却水分布较少导致挠性管板过热，可以显著提高合成气管挠性管板的使用寿命。冷却室具有一定的高度，冷却水从冷却水管进入冷却室内，通过冷却水管端部出口流向设置达到强化合成气管壁附近流动、消除流动死区的作用。靠近挠性管板入口的合成气管内设有隔热套管，可增加局部热阻、降低局部传热量、降低热应力和管壁附近温度。

附图说明

图1是实施例的废热锅炉管板冷却室的结构示意图；

图2是实施例的废热锅炉管板冷却室的A-A向剖面图；

图3是实施例的冷却水管端部Ⅰ的放大示意图；

图4是实施例的冷却水管端部B-B向剖面图；

图5是实施例的入口合成气管与废热锅炉管板连接处Ⅱ的放大示意图。

符号说明

1 冷却室管板；2 合成气管挠性管板；3 冷却水进水管；4 隔热套管；

5 合成气管；6 合成气入口管；7 中心冷却水出水管；8 矩形开口。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

参见图1，高温火管式废热锅炉的管板冷却室结构包括冷却室管板、合成气管挠性管板、合成气管和冷却水管四个部分，冷却水管包括冷却水进水管和中心冷却水出水管。中心冷却水出水管与合成气挠性管板的间距S1为5～30mm。冷却室管板与合成气挠性管板间距h为100～600mm。

参见图2，冷却室管板上共有8个用于合成气管通过的管孔，均匀分布于半径R的以所述冷却室轴线为中心的圆周上。冷却室管板与合成气管之间环隙r1,r1＝5～20mm，作为进入冷却室内冷却水的出口。冷却室管板上共有25个用于冷却水管通过的管孔，其中一个位于冷却室管板中心，其余均匀分布在以冷却室轴线为中心的3个圆周上。位于合成管之间的冷却水管通过的开孔位于相邻的两个合成管中间；位于合成管两侧的合成气管通过的开孔与冷却水管通过的开孔的中心距r2，r2为合成气管通过的开孔直径的1～5倍。

参见图3，冷却水管端部与合成气挠性管板间距S2为5～30mm。冷却水管端部侧面具有两个对称的矩形开口，供冷却水流入冷却室内。矩形开口法线方向指向合成气管的中心，开口高度d为5～30mm。

参见图4，冷却水管端部侧面矩形开口扇形角度a为30～180°。

参见图5，合成气管靠近合成气管挠性管板一端内部包含一段长度l为50～600mm的隔热套管。

天然气、焦炉气等气态烃通过非催化部分氧化法生产合成气(CO+H₂)，转化炉出口的温度一般在1200℃～1400℃，合成气中大量的显热通过火管式废热锅炉得以回收。废热锅炉管板冷却室是高温合成气进入换热器管程的入口，由于合成气进入废热锅炉管板冷却室时尚未经冷却，合成气管挠性管板面临着高温、高热应力等问题，它是火管式废热锅炉中工作条件最苛刻的部件。一种冷却效果优良的废热锅炉管板冷却室，是实现火管式废热锅炉的长周期稳定运行关键因素。

本发明的废热锅炉管板冷却室，其结构如图1所示，包括冷却室管板1、合成气管挠性管板2、冷却水进水管3、隔热套管4、合成气管5、合成气入口管6、中心冷却水出水管7、矩形开口8。以下是具体实例介绍管板冷却室结构和冷却效果。冷却室管板1和合成气管挠性管板2组成冷却水室，其高度为h＝124mm，半径为650mm。图1中的横截面A-A的管道分布如图2所示，冷却室管板1上共有8个用于合成气管5通过的管孔，管孔均匀分布于半径R＝350mn的以冷却室轴线为中心的圆周上。冷却室管板1与合成气管5之间环隙宽度为r1＝10mm，是进入冷却室内冷却水的出口。冷却室管板1上共有25个用于冷却水进水管通过的管孔，其中1个位于冷却室管板1的中心，安装中心冷却水出水管7，其中8个管孔位于合成管5所在的圆周上，分布在相邻的两个合成管中间；其余16根冷却水进水管3均匀分布在以冷却室轴线为中心的2个圆周上。这2个圆周分别位于合成气管5两侧，合成气管5通过的开孔与冷却水管3通过的开孔的中心距r2＝200mm。各冷却水进水管3的出水方向如图2冷却水进水管3上的箭头所示。矩形开口8是冷却水进入冷却室的入口，其位于冷却水进口管3端部侧面，矩形开口8如图3所示，其法线方向指向合成气管的中心，开口高度为d＝20mm。矩形开口8的扇形角度如图4所示，角度大小为120°。为了避免局部高温，在合成气入口管6和合成气管5的结合处装有隔热套管4，其长度为70mm。合成气管道5半径为84mm，冷却水进口管3半径为60mm。

温度为1300℃，压力为3.6MPa，摩尔流量为5000kmol/h的高温合成气(H₂、CO、H₂O、CO₂体积分数分别为58.29％、23.79％、15.79％、2.13％)从合成气入口管6进入合成气管5，合成气再流入废热锅炉的冷却盘管。质量流量为192t/h，初始温度为239℃,压力为4.8MPa的冷却水从冷却水进口管3端部侧面的两个对称的矩形开口8流入冷却室内。冷却水在冷却室内流动，对合成气管挠性管板2和冷却合成气管5进行冷却，然后从冷却室管板1与合成气管5之间的环隙流入废热锅炉的水侧。本发明中冷却水从冷却水管3进入冷却室内，通过冷却水管3端部出口流向设置达到强化合成气管壁附近流动、消除流动死区的作用。合成气入口管6和合成气管5的结合处设有隔热套管4，可增加局部热阻、降低局部传热量、降低热应力和管壁附近温度，有效的保护了合成气管道5和合成气挠性管板2。冷却室管道分布增强了冷却水的湍流程度，从而有效提高了传热系数，增强了传热；冷却室的管道分布使得冷却水流场均匀，对合成气管道5和合成气管挠性管板2的冷却均匀，避免了局部传热恶化。合成气管挠性管板2与合成气管道5的连接处是管板冷却室中最苛刻的部位，通过本设置，使其表面最高温度降低到了600K以下，从而保证了火管式废热锅炉的长周期稳定运行。

Claims (10)

1.一种高温火管式废热锅炉管板冷却室，其特征在于，所述冷却室是由冷却室管板和挠性管板组成的封闭空间，合成气管通过所述冷却室管板和挠性管板贯穿整个所述冷却室，冷却水管通过所述冷却室管板接入所述冷却室内部；

其中，所述冷却室管板上具有m个用于所述合成气管通过的合成气通道开孔以及n个用于所述冷却水管通过的开孔，m≥3，n≥m+1；

所述挠性管板上具有m个用于所述合成气管通过的开孔，并且与所述合成气通道开孔对应。

2.根据权利要求1所述的管板冷却室，其特征在于，所述冷却室管板与所述合成气管的环隙为r1,r1＝5～20mm，所述环隙组成进入所述冷却室内冷却水的出口。

3.根据权利要求1所述的管板冷却室，其特征在于，所述冷却室管板与所述挠性管板的间距h为100～600mm。

4.根据权利要求1所述的管板冷却室，其特征在于，所述挠性管板上的开孔以及所述合成气通道开孔都均匀分布在以所述冷却室轴线为中心的半径为R的圆周上，R为200～2000mm。

5.根据权利要求1所述的管板冷却室，其特征在于，所述冷却室管板上用于所述冷却水管通过的n个开孔中，有一个位于所述冷却室管板的中心，即，接入该中心的冷却水管为中心冷却水出水管，用于强化所述挠性管板中心区域水的流动，作为所述挠性管板中心区域的冷却水出口；所述中心冷却水出水管与所述挠性管板的间距S1为5～30mm。

6.根据权利要求5所述的管板冷却室，其特征在于，所述冷却室管板上除位于所述冷却室管板的中心的开孔外，其余用于所述冷却水管通过的开孔均匀分布在以所述冷却室轴线为中心的1个或者多个圆周上；

合成气管通过的开孔与冷却水管通过的开孔的中心距为r2，r2是合成气管通过的开孔直径的1～5倍。

7.根据权利要求1或6所述的管板冷却室，其特征在于，n≥3m+1；

当n＝3m+1时，所述冷却室管板上用于所述冷却水管通过的开孔中，m个分布在所述合成气通道开孔中间，m个分布在与所述合成气管通道开孔同径的外侧圆周上，m个分布在与所述合成气通道开孔同径的内侧圆周上。

8.根据权利要求1所述的管板冷却室，其特征在于，所述冷却水管的端部与所述挠性管板的间距S2为5～30mm。

9.根据权利要求1所述的管板冷却室，其特征在于，所述冷却水管的端部侧面具有两个对称的矩形开口，供冷却水流入所述冷却室内；

所述矩形开口的法线方向指向所述合成气管的中心，开口高度d为5～30mm，开口扇形角度a为30～180°。

10.根据权利要求1所述的管板冷却室，其特征在于，所述合成气管靠近所述挠性管板的一端内部包含长度l为50～600mm的隔热套管。