CN101321896A - 管和所述管的使用 - Google Patents
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Abstract
一种金属管，用于通过使热能穿过管壁传递来加热金属管内侧或外侧的介质或物体，其中至少大部分的热量通过在金属管内表面和外表面之一或两者上的辐射而被吸收或散发出去，所述金属管由这样一种材料制成，其在被加热至至少接近750℃时，在其表面上形成基本上为Al2O3的一层。所述金属管的外表面和内表面的至少其中之一涂有下列之一：金属、金属合金和金属化合物，涂层在氧化后形成了发射率系数大于0.7的一层，或者所述金属管的外表面和内表面的至少其中之一涂覆有基本上由发射率系数大于0.7的金属氧化物构成的一层。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属管，用于通过使热能穿过管壁传递来加热金属管内侧或外侧的介质或物体，其中至少大部分的热量通过在金属管内表面和外表面之一或两者上的辐射而被吸收或散发出来，所述金属管由这样一种材料制成，其在被加热至至少接近750℃时会在其表面上形成基本上为Al2O3的一层。
背景技术
这种管子可用于所有类型的散热，例如在渗碳环境下发生的散热，即，在可以产生出碳化煤(焦炭)的环境下。下面将会说明这种管子的这个特殊的用途。带有鳍片的管子以及光滑的管子都被包括在其中。
SE C2 524010公开了一种用在裂化炉中的这类型的管子，其中在管子中流动的气态烃类被裂化成乙烯，H2C＝H2C，乙烯被用作塑料工业中的原料。为了说明本发明(但并不以任意方式对本发明的范围构成限制)，下面将描述这种管子的这个特殊应用。
这种散热管也公知为裂化设备管，该管位于裂化炉内，该裂化炉通过周围的燃烧器而被加热至一定温度，该温度足够高以便在管内形成乙烯，该温度可在1100℃左右。采用由这种基材制成的管子的优点在于，当所述基材达到近似750℃至950℃的温度时，在管子的外表面和内表面上形成了基本上为氧化铝，即Al2O3的一层薄层。这个薄氧化铝层防止基材中的Fe接触在管子内侧流动的气体，这一点很重要，这是因为Fe用作用于通过所谓的催化渗碳而在管子的表面上形成碳化煤的催化剂。另外，高温分解渗碳可以出现在气流中。但是，催化渗碳是主要的问题。在这种由其他常用材料(诸如，合金800HT)制成的管子中，没有形成这种类型的氧化铝层，从而在管子内产生碳化煤，且该碳化煤沉积在管子的内壁上，从而减少了管子中的气流并降低了从管子至在管子中流动的气体的热传递。在这种由所述其他通用材料制成的管子内，还存在管子被碳化煤完全堵塞的危险。虽然引言中限定的这种类型的公知管子相对于所述传统的管子而言具有优点，但仍然有使SE C2 524010中描述的管子具有改进的特征的努力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在引言中限定的管子，该管子将提高；裂化炉的效率。
通过提供一种氧化铝形成管子来实现本发明的上述目的，其中所述管子的外表面和内表面的至少其中之一涂有下列之一：金属、金属合金和金属化合物，涂层在氧化后形成了发射率系数大于0.7的一层，或者所述管子的外表面和内表面的至少其中之一涂覆有基本上由发射率系数大于0.7的金属氧化物构成的一层。
通过使所述管子的外表面和内表面的至少其中之一具有发射率系数大于0.7(即，大于Al2O3的发射率系数，Al2O3的发射率系数为0.7)的一个所述表面涂层，将可获得发射率系数增大的管子，其中相对于具有由Al2O3形成的外层的管子涂覆所述表面涂层。当为预定目的，例如为了在例如渗碳环境下进行散热的预定目的而使用所述管子时，Al2O3将存在于所述表面涂层下方，从而防止形成碳化煤。这意味着，不需要像例如合金800HT一样通常需要执行去除(degazing)操作以从管子去除碳化煤。这种更高的发射率系数导致穿过这种管子的散热效率更高，这是因为获得特定加热效果所需的能量减少。这在上述关于用于使气态烃类裂化的管子的应用中，这意味着将以预定流速流过所述管子的气体混合物加热至预定温度下所需的能量减少，因此可以节省能量，或者当能量预定时，气流速度可以增大，并同时仍可以将气体混合物加热至预定温度下。这意味着可以整体上提高裂化炉的效率。增大的发射率系数的一个额外效果是，根据本发明的这种管子相对于已经公知的散热管而言具有更长的寿命。
根据通过辐射来进行热传递的理论，所述发射率系数可取0和1之间的一个值，而且对于普通材料，该系数可变化，从低至0.05的值起，以实现光亮的金属表面，对于也具有适当的表面粗糙度的特定材料而言，该系数可变化至高达0.9的值。
在制造所述管子时，当这种制造过程包括将所述基材加热至足够高的温度下时，或者稍后当所述管子在其特定使用过程中被加热时，将形成当在渗碳环境下使用所述管子进行散热时将存在于管子表面上的Al2O3层。已经发现，当加热至相关温度时，所述FeCrAl基材的非氧化表面将形成Al2O3层，即使所述表面涂有一个所述表面涂层。除了防止产生碳化煤的特征之外，Al2O3层还改善了所述管子的最外表面层与基材部分(基底)的粘合作用。用于所述表面涂层的材料优选应具有较低的在Al2O3中的溶解度，从而使得不会改变Al2O3层的特性。
具体实施方式
根据本发明的实施方式，所述表面涂层被设计成具有超过0.8的一个所述发射率系数，相对于此类不具有表面涂层且发射率系数为0.7的管子而言，这将使效率得到显著提高。
根据本发明的另一实施方式，所述管子的所述外表面和内表面中仅一个、即第一个涂有所述表面涂层，以允许管子的所述外表面和内表面中的另一个、即第二个与气体大气接触，从而可以避免不希望的物质从所述涂层进入这个气体大气的任何危险。如果管子的外表面和内表面均涂有所述表面涂层，则所述散热效率的提高将是最好的，但是在需要避免不希望的物质从涂层进入管子外侧或内侧的气体大气的任何危险的情况下，可能被限制在其中一个所述表面上涂覆。例如，在上述在裂化炉中使用的情况下，可以选择仅使管子的外表面具有所述表面涂层，以避免物质从这个涂层进入在管子内流动的处理气体的任何危险，这是因为这种物质可能会干扰裂化炉下游的处理步骤。
根据本发明的另一实施方式，所述表面涂层由金属或金属合金构成，该金属或金属合金在特定的操作温度下和/或管子用于散热的环境下自发地形成所述金属氧化物。这构成一种获得所述增大的发射率系数的合适的方式。这包括在用于散热的操作温度下的自发形成方式以及在加热管子以升高至所述操作温度的阶段中在较低的温度下的自发形成方式。
根据本发明的另一实施方式，构成所述表面涂层的金属、金属合金或金属氧化物为镍或钴、包含镍和/或钴的合金，或者为包含镍和/或钴的金属氧化物。
已经显示，氧化钴对以在高温下形成所述Al2O3层的Al2O3的生长的影响很小(如果有的话)。另外，Co/CoO在Al2O3中的溶解度可以忽略不计，这意味着开始在表面上出现的氧化钴层在长时间后也位于管子的表面上，且相当地未受影响。即使氧化钴的表面层是理想的，但是也可以涂覆金属钴或其他钴合金构成的表面层，只要该表面层在管子到达操作温度时被氧化。Co层例如可以通过真空沉积而被涂覆到管子上。当利用镍用于所述表面涂层时，管子的发射率系数在表面层被氧化为NiO时增大。Ni层可以以例如电解的方式涂覆到管子上。
根据本发明的另一实施方式，管子具有FeCrAl基材，此基材包含10-25重量％的Cr，1-10重量％的Al，0-重量5％的Mo，少量的合金元素和平衡量的Fe。由SE C2 524010公知的这个管子基材在用于散热的使用方面具有有利的特征。但是，本发明可适用于所有在高温(即750℃-950℃)下形成Al2O3层的管子类型，诸如使用NiCrAl作为基材的S&C HT60。
根据本发明的另一实施方式，所述基材中Mo的含量为2-3.5重量％。所述基材中的Mo含量使得这个材料具有更高的阻力，但是保持较低含量的钼的原因在于：如果钼含量太高，则可能会形成挥发性的氧化钼MoO3，其会蒸发并消失掉，从而大部分材料部分地缺乏Mo，且因此材料的阻力降低。这种钼含量导致更高的蠕变阻力，且相应地显著提高了管子的寿命。
根据本发明的另一实施方式，管子的基材包含小部分的下列合金元素中的一种或多种，铪、锆、钇、氮、碳和氧，这些合金元素的总量最大为5重量％，优选最大为3重量％。这些合金元素可以使管子的基材在抗蠕变性和/或抗腐蚀性方面具有优选特征。
根据本发明的另一实施方式，表面涂层具有大于0.3μm，优选大于0.5μm的厚度。已经发现，为了使管子表面的发射率系数显著提高，需要所述表面涂层的厚度超过0.3μm，而且为了对于用于所述表面涂层的材料而言获得可能的发射率系数，所述表面涂层的厚度应当超过0.5μm。似乎可以不考虑表面涂层的厚度，而在表面涂层下形成Al2O3，但是当然它不能过厚，从而使得这在形成Al2O3层之前涂覆表面涂层时是不可以的。这意味着，在这种情况下，作为预防措施，可以将厚度选择为不超过5μm。
本发明还涉及包括根据本发明的多根管子的管系统。这种管系统当被用于加热介质或物体时将具有上述有利特征。
本发明还涉及用于使气态烃类裂化(诸如，用于形成乙烯)的裂化炉，其包含根据本发明的一个用于散热的管子。具有这种管子的裂化炉的功能及它的优点从上文公开内容中展现出来。
本发明还涉及根据本发明的管子在渗碳环境下的使用，其中可以从形成其特性的氧化铝表面获得益处。
本发明还涉及根据本发明的管子在炉中的使用，用于通过接收所述管子的外表面上散发的热量来使所述管子内的介质的热量散发出来。在这种使用中，可用能量可得到更有效的利用，或者相对于用Al2O3作为覆盖例如管子外表面的外层的管子而言，可以节省能量。在另一个时，该效率也可以得到更大的提高，诸如在管子的内表面涂有所述表面涂层时。所述介质然后优选呈管子内的气体介质形式，但是也可以这种方式加热固体材料或液体介质。根据本发明的管子的一个尤其有利的使用是在裂化炉内，用于使流动经过管子的碳氢化合物裂化，诸如用以形成乙烯。但是，要指出的是，本发明也可用于其他场合，其中这种散热可以在除了裂化炉之外的场合发生。
根据本发明的管子的另一可能的使用是在炉中，用于通过从内侧加热管子来使热量散发到管子周围，从而对放置在炉中的物体进行加热。通过采用外表面和内表面中的至少一个具有增大的发射率系数的管子，将可以对放置在这种炉内、以进行热处理的大部分冷的物体进行更有效的加热。
当然，本发明不以任何方式受限于上述实施方式，而是对于本领域技术人员而言，在不背离所附权利要求书限定的本发明的基本思想的情况下，显然本发明还包含许多修改的可能。
Claims (17)
1.一种金属管，用于通过使热能穿过管壁传递来加热金属管内侧或外侧的介质或物体，其中至少大部分的热量通过在金属管内表面和外表面之一或两者上的辐射而被吸收或散发出去，所述金属管由这样一种材料制成，其在被加热至至少接近750℃时在其表面上形成基本上为Al2O3的一层，其特征在于，所述金属管的外表面和内表面的至少其中之一涂有下列之一：金属、金属合金和金属化合物，涂层在氧化后形成了发射率系数大于0.7的一层，或者所述金属管的外表面和内表面的至少其中之一涂覆有基本上由发射率系数大于0.7的金属氧化物构成的一层。
2.根据权利要求1所述的金属管，其特征在于，所述表面涂层被设计成具有超过0.8的一个所述发射率系数。
3.根据权利要求1或2所述的金属管，其特征在于，所述金属管的所述外表面和内表面中的仅一个、即第一个涂有所述表面涂层，以允许金属管的所述外表面和内表面中的另一个、即第二个与气体大气接触，从而避免不希望的物质从所述表面涂层进入所述气体大气的任何危险。
4.根据前述任一项权利要求所述的金属管，其特征在于，所述表面涂层由金属或金属合金构成，该金属或金属合金在意图的操作温度下和/或用于热辐射的金属管的环境下自发地形成所述金属氧化物。
5.根据前述任一项权利要求所述的金属管，其特征在于，构成所述表面涂层的金属、金属合金或金属氧化物为镍或钴、包含镍和/或钴的合金，或者为包含镍和/或钴的金属氧化物。
6.根据前述任一项权利要求所述的金属管，其特征在于，所述金属管具有FeCrAl基材，其包含10-25重量％的Cr，1-10重量％的Al，0-5重量％的Mo，少量的合金元素和平衡量的Fe。
7.根据权利要求6所述的金属管，其特征在于，所述基材中Mo的含量为2-3.5重量％。
8.根据权利要求6或7所述的金属管，其特征在于，所述金属管的基材包含小部分的以下合金元素中的一种或多种，铪、锆、钇、氮、碳和氧，并且这些合金元素的总含量最大为5重量％，优选最大为3重量％。
9.根据前述任一项权利要求所述的金属管，其特征在于，所述表面涂层具有大于0.3μm，优选大于0.5μm的厚度。
10.根据前述任一项权利要求所述的金属管，其特征在于，所述金属管为裂化设备的管。
11.一种包括多根根据权利要求1-10中任一项所述的金属管的管系统。
12.一种裂化炉，用于使气态烃类裂化，以诸如形成乙烯，其特征在于，该裂化炉包含一根根据权利要求1-10中任一项所述的金属管。
13.根据权利要求1-10中任一项所述的金属管在渗碳环境下的使用。
14.根据权利要求1-10中任一项所述的金属管在炉中的使用，用于通过接收所述金属管的外表面上的辐射热量来使所述金属管内的介质的热量散发出来。
15.根据权利要求14所述的使用，用于加热所述金属管内呈气体介质形式的介质。
16.根据权利要求15所述的使用，其中所述金属管布置在裂化炉内，用于使流动通过金属管的碳氢化合物裂化，诸如用以形成乙烯。
17.根据权利要求1-9中任一项所述的金属管在炉中的使用，用于通过从内侧加热金属管，以使热量散发到金属管的周围，对放置在炉中的物体进行加热。
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