CN101380561B - 副产高压蒸汽的大型膜式水冷壁气相反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种副产高压蒸汽的大型膜式水冷壁气相反应器。由主水冷壁、局部水冷壁、局部小水箱、上集箱、下集箱、局部集箱、上封头和下封头共同围成的反应室。其主水冷壁长换热管的直段部分无翅片直联，端部内凹用密封条封闭，局部水冷壁由全直的短换热管和长条形翅片焊接而成。上集箱和下集箱均为耐蚀不锈钢材质的环管，沿整个圆周开有均匀分布且轴向和侧向交错的双排管孔。燃烧器区域设有局部小水箱进行降温，上下封头也带有半管冷却夹套。该反应器在提供正常反应空间并确保生成物数量、质量要求的前提下，能回收高温腐蚀性气体的余热并副产出常规汽轮机发电所需的高压蒸汽，具有原料适应性强、结构紧凑、余热回收率高、耐高温腐蚀等优点。

Description

副产高压蒸汽的大型膜式水冷壁气相反应器

技术领域

本发明涉及一种副产高压蒸汽的大型膜式水冷壁气相反应器。

背景技术

化工、炼油、冶金、轻工、制药等行业均属于流程工业领域。在流程工业中，剧烈发热发光的氧化还原反应十分常见，如硫酸工业中燃硫制取硫酸酐和磷酸工业中燃烧黄磷获取五氧化二磷等过程，均有大量热量释放，对应生成的反应混和气温度很高，大都在1000℃以上，有时甚至高达1800℃。但这些流程工业中的高温反应气往往具有较高的腐蚀性，且这种腐蚀性随温度升高会加剧。因此，降低高温反应气的腐蚀性、提高设备寿命一直是困扰上述各领域的难点问题。

为降低烟气温度以减小对反应器的腐蚀和减轻对后续设备的热负荷，常规气相反应器的燃烧室周壁都采用夹套结构，低温循环水在夹套内流动吸热，通过流量和流速的调节，将高温反应气温度冷却到工艺规定的温度范围以内。一般这类夹套的进水温度为15～25℃，出口水温为45～55℃，这样低温的余热在工业上根本没有什么利用价值，且为实现水的循环流动，还要配置专门的板式换热器，耗电废水，在浪费热能的同时，也增加了设备投资。

由换热管和翅片构成的膜式水冷壁是一类常见的余热回收部件，尤其在能源动力领域的锅炉设备上应用广泛。但流程工业中的气相反应器与锅炉不同，参与反应的原料及操作目的等都不一样，且锅炉一般从底端轴向进料，而气相反应器则大多从侧壁向下倾斜进料。这意味着要将膜式水冷壁应用到气相反应器中来，绝不能完全照搬锅炉水冷壁的结构形式和计算理论，必须根据具体工况进行特种设计。浙江大学化机所就结合热法磷酸生产的特点，在广泛调研与实验研究的基础上，成功开发了具有余热回收功效的黄磷燃烧反应器。该装置的燃烧室周壁一改以往的夹套结构，将膜式水冷壁的结构型式完美结合到反应塔的设计中来，从而使气相反应器多功能化，它既是一个提供反应空间的反应器，又是一个能利用余热副产蒸汽的特种余热锅炉。但该种形式的气相反应器仅能副产低压饱和蒸汽，而低压饱和蒸汽在生产、生活上的使用场合有限。因此在生产规模化、设备大型化、高温反应气大量化时，这些副产的低压饱和蒸汽常常过剩，于是如何对其有效利用就成为新的问题。

膜式水冷壁反应器的高压化是解决规模生产中低压蒸汽过剩的一个有效途径，如果能利用高温反应气副产发电级别的高压蒸汽则实现了余热的高效利用，既可节水，又能节电。但膜式水冷壁反应器毕竟不同于锅炉，完成化学反应始终是第一位的，而利用余热副产高压蒸汽才是第二位的。因此在膜式水冷壁反应器的高压化、大型化设计中，必须很好的解决以下几方面的问题：(1)腐蚀问题。膜式水冷壁反应器内的高温烟气大都具有腐蚀性，尤其在有湿空气进入时，高温烟气会与水汽结合并附着在水冷壁死角部位形成局部腐蚀，长时间积累侵蚀后会导致设备损坏；(2)燃烧器布置问题。在由若干根管束构成的气相膜式水冷壁上开孔布置燃烧器具有一定难度。如果通过将局部换热管弯曲内凹，为燃烧器布置腾出间隙，则极易导致内凹管的过烧，甚至爆管；倘若燃烧器所在区域轴向整体使用夹套水冷，则必将浪费大量热能，余热回收率降低；(3)水冷壁结构型式的确定。对大型膜式水冷壁气相反应器来说，随参与反应的原料的增多，反应放热量及混合烟气温度也增大。为避免热强度过高烧穿翅片，通常通过增大反应室直径以提高总换热面积，但受限于运输能力的限制，一般膜式水冷壁直径不能超过3.6m；至于大型锅炉上采用的方形结构、分片现场组装方法，对燃烧器斜向布置的膜式水冷壁气相反应器并不适用，因该种布置下的反应器下端温度要比锅炉端部进料时高很多，必须进行冷却，而要对方形结构的四棱锥底进行冷却很难。有基于此，要避免大型膜式水冷壁气相反应器的翅片过烧，必须减小翅片宽度同时增加管束，但这势必要在承受更高压力的集箱上开更密集的孔，因此在兼顾集箱卷制可行性的前提下，解决高压集箱的强度与密集开孔增大水冷壁有效换热面积的矛盾就成为大型膜式水冷壁气相反应器设计的关键。

发明内容

为克服现有技术的不足，解决流程工业中高温腐蚀性气体余热回收的难点问题，本发明的目的在于提供适于高温腐蚀性气体余热回收的一种副产高压蒸汽的大型膜式水冷壁气相反应器。它在具备正常反应功能并确保生成物数量、质量要求的前提下，能够副产出常规汽轮机发电所需的高压蒸汽，从而实现系统节水、节电，且能减少对环境的热污染。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

包括由主水冷壁、局部水冷壁、局部小水箱、上集箱、下集箱、局部集箱、上封头和下封头共同围成的封闭反应室。主水冷壁下端与下集箱相连，通过侧向布置在下集箱上的下降管供给低温冷却水，局部水冷壁下端与局部集箱相连，由侧向布置在局部集箱上的局部下降管供给低温冷却水，主水冷壁与局部水冷壁的上端分别与上集箱相连，并通过布置在上集箱上的多根集汽管与上端外界汽包相通，同时主水冷壁和局部水冷壁的外周设有多道加强环，局部小水箱位于局部水冷壁的下方，局部小水箱的上下两端分别与局部集箱和下集箱焊在一起，通过局部小水箱的进口管和出口管分别进水和出水，燃烧器斜向贯穿并固定在局部小水箱上，反应室的顶端是上封头，上封头焊接在上集箱的内缘，烟气出口管布置在上封头上，反应室的底端是下封头，下封头焊接在下集箱的内缘，上封头和下封头都采用半管夹套冷却，整个反应器通过底部裙座支撑。

所述的主水冷壁由耐蚀不锈钢材质的长换热管和端部密封条焊接而成，其中长换热管一端平直，另一端带有内凹弯头，且相邻长换热管的平直端交错布置，沿反应器轴向插入上集箱或下集箱，内凹端也同样交错布置，只是侧向倾斜插入对应的上集箱或下集箱，此外长换热管的中间段部分采用无翅片的管对管直接相连，两端部则借助矩形的密封条来共同封闭反应室。

所述的局部水冷壁由耐蚀不锈钢材质的短换热管和长条形翅片焊接而成，其中短换热管为全直管，两端分别沿反应器轴向插入上集箱和局部集箱。

所述的上集箱和下集箱均为耐蚀不锈钢材质的环管，沿整个圆周开有均匀分布且轴向和侧向交错的双排管孔。

同常规夹套水冷反应器和普通膜式水冷壁结构反应器相比，本发明能对高温腐蚀性气体的余热进行有效回收并副产高压蒸汽，其显著优点体现在：

(1)采用集成化、系统化的设计理念，将特种膜式水冷壁结构与单一功能反应器进行了耦合，从而实现了气相反应器的多功能化。同时结构紧凑，占地面积下，且实现了反应空间的最大化；

(2)结构设计与操作运行更安全可靠。该大型气相反应器在实现功能提升的同时，安全可靠性也得到了提高。长换热管的无翅片直联、上下夹套的半管夹套水冷、燃烧器局部小水箱等，都使得设备更耐高温；反应器中与高温腐蚀性气体直接接触的零部件都采用耐蚀不锈钢材料制造，同时反应器内关键部位都进行等离子喷涂等特种表面防腐处理，故设备更抗腐蚀；关键承压部件——上、下集箱均交错开孔，一排孔沿反应器轴向既在集箱顶部开设，相邻的孔则在集箱侧壁开设，这样相邻两孔的中心线距离更大，因此较常规膜式水冷壁反应器更耐压。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是图1的B-B剖视图。

图4是图1的C向视图。

图中：1、烟气出口管，2、上封头，3、集汽管，4、上集箱，5、加强环，6、主水冷壁，6.1长换热管，6.2密封条，7、局部水冷壁，7.1短换热管，7.2翅片，8、局部集箱，9、局部下降管，10、燃烧器，11、局部小水箱，11.1出口管，11.2进口管，12下集箱，13、裙座，14、下封头，15、下降管，16、反应室

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明包括由主水冷壁6、局部水冷壁7、局部小水箱11、上集箱4、下集箱12、局部集箱8、上封头2和下封头14共同围成的封闭反应室16。主水冷壁6下端与下集箱12相连，通过侧向布置在下集箱12上的下降管15供给低温冷却水，局部水冷壁7下端与局部集箱8相连，由侧向布置在局部集箱8上的局部下降管9供给低温冷却水，主水冷壁6与局部水冷壁7的上端分别与上集箱4相连，并通过布置在上集箱4上的多根集汽管3与上端外界汽包相通，同时主水冷壁6和局部水冷壁7的外周设有多道加强环5，局部小水箱11位于局部水冷壁7的下方，局部小水箱11的上下两端分别与局部集箱8和下集箱12焊在一起，通过局部小水箱11的进口管11.2和出口管11.1分别进水和出水，燃烧器10斜向贯穿并固定在局部小水箱11上，反应室16的顶端是上封头2，上封头2焊接在上集箱4的内缘，烟气出口管1布置在上封头2上，反应室16的底端是下封头14，下封头14焊接在下集箱12的内缘，上封头2和下封头14都采用半管夹套冷却，整个反应器通过底部裙座13支撑。

如图3所示，所述的主水冷壁6由耐蚀不锈钢材质的长换热管6.1和端部密封条6.2焊接而成，其中长换热管6.1一端平直，另一端带有内凹弯头，且相邻长换热管6.1的平直端交错布置，沿反应器轴向插入上集箱4或下集箱12，内凹端也同样交错布置，只是侧向倾斜插入对应的上集箱12或下集箱4，此外长换热管6.1的中间段部分采用无翅片的管对管直接相连，两端部则借助矩形的密封条6.2来共同封闭反应室16。

如图4所示，所述的局部水冷壁7由耐蚀不锈钢材质的短换热管7.1和长条形翅片7.2焊接而成，其中短换热管7.1为全直管，两端分别沿反应器轴向插入上集箱4和局部集箱8。

所述的上集箱4和下集箱12均为耐蚀不锈钢材质的环管，沿整个圆周开有均匀分布且轴向和侧向交错的双排管孔。

本发明的工作原理如下：

工作过程中，参与反应的原料通过燃烧器10进入反应室16，剧烈反应并放出大量热。生成的混和烟气温度很高，在从下向上流动过程主要以辐射方式散热，当温度降低达到工艺允许的温度后从烟气出口管1排出进入下一道工序。同时，冷却水通过下降管15和局部下降管9分别进入主水冷壁6的长换热管6.1和局部水冷壁7的短换热管7.1，在外加泵功或密度差的驱动下，冷却水在管内向上流动并吸热升焓，达到一定高度后开始有蒸汽产生，且冷却水中的汽含率随高度增加越来越大，最后汽水混合物在上集箱4中汇集，并通过数根集汽管3与外界汽包相连，在那里进行汽水分离。由于生产过程中下封头14正对着燃烧器10喷射过来的反应气，温度很高，因此要向下封头14上的半管夹套通循环水进行冷却。上封头2由于被排放的烟气温度仍相对较高，因此也同样要向其上的半管夹套通水冷却。此外，大型膜式水冷壁气相反应器的燃烧器10的局部区域，温度很高，如果得不到有效冷却极易发生爆管或翅片烧穿现象，因此这里增设局部小水箱11。操作状态下，小水箱11通过进口管11.2进水，通过出口管11.1出水，完成对燃烧器10局部区域的冷却。

Claims (4)

1.一种副产高压蒸汽的大型膜式水冷壁气相反应器，其特征在于：包括由主水冷壁(6)、局部水冷壁(7)、局部小水箱(11)、上集箱(4)、下集箱(12)、局部集箱(8)、上封头(2)和下封头(14)共同围成的封闭反应室(16)；主水冷壁(6)下端与下集箱(12)相连，通过侧向布置在下集箱(12)上的下降管(15)供给低温冷却水，局部水冷壁(7)下端与局部集箱(8)相连，由侧向布置在局部集箱(8)上的局部下降管(9)供给低温冷却水，主水冷壁(6)与局部水冷壁(7)的上端分别与上集箱(4)相连，并通过布置在上集箱(4)上的多根集汽管(3)与上端外界汽包相通，同时主水冷壁(6)和局部水冷壁(7)的外周设有多道加强环(5)，局部小水箱(11)位于局部水冷壁(7)的下方，局部小水箱(11)的上下两端分别与局部集箱(8)和下集箱(12)焊在一起，通过局部小水箱(11)的进口管(11.2)和出口管(11.1)分别进水和出水，燃烧器(10)斜向贯穿并固定在局部小水箱(11)上，反应室(16)的顶端是上封头(2)，上封头(2)焊接在上集箱(4)的内缘，烟气出口管(1)布置在上封头(2)上，反应室(16)的底端是下封头(14)，下封头(14)焊接在下集箱(12)的内缘，上封头(2)和下封头(14)都采用半管夹套冷却，整个反应器通过底部裙座(13)支撑。

2.根据权利要求1所述的一种副产高压蒸汽的大型膜式水冷壁气相反应器，其特征在于：所述的主水冷壁(6)由耐蚀不锈钢材质的长换热管(6.1)和端部密封条(6.2)焊接而成，其中长换热管(6.1)一端平直，另一端带有内凹弯头，且相邻长换热管(6.1)的平直端交错布置，沿反应器轴向插入上集箱(4)或下集箱(12)，内凹端也同样交错布置，只是侧向倾斜插入对应的上集箱(4)或下集箱(12)，此外长换热管(6.1)的中间段部分采用无翅片的管对管直接相连，两端部则借助矩形的密封条(6.2)来共同封闭反应室(16)。

3.根据权利要求1所述的一种副产高压蒸汽的大型膜式水冷壁气相反应器，其特征在于：所述的局部水冷壁(7)由耐蚀不锈钢材质的短换热管(7.1)和长条形翅片(7.2)焊接而成，其中短换热管(7.1)为全直管，两端分别沿反应器轴向插入上集箱(4)和局部集箱(8)。

4.根据权利要求1所述的一种副产高压蒸汽的大型膜式水冷壁气相反应器，其特征在于：所述的上集箱(4)和下集箱(12)均为耐蚀不锈钢材质的环管，沿整个圆周开有均匀分布且轴向和侧向交错的双排管孔。

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