CN101852556B - 高温高含尘炉气急冷器 - Google Patents

Abstract

本发明的高温高含尘炉气急冷器涉及的是一种新型的热交换器，是各种工业炉窑高温高含尘炉气余热回收的重要装置。急冷器本体结构由双套管水/蒸汽自然循环一次冷却和管壳空气二次冷却结构组成，其中双套管分别与两个反方向的椭圆形管板连接，与膨胀节、整体加强环、内衬套等一起组成腰形集流管箱。与内管连接的椭圆形管板表面覆盖一层钴质耐火浇注料，双套管内管安装有管端耐热防磨内衬套管。急冷器本体与汽包通过上升管、下降管连接组成水/蒸汽自然循环系统。

Description

高温高含尘炉气急冷器

技术领域

本发明涉及石油、化工、建材等行业加热炉高温炉气余热回收装置。特别适用于各种高温裂解炉高含尘炉气相配套的急冷器，具体地说是一种利用高效换热器来实现余热回收的高温高含尘炉气急冷器。本发明不仅仅适用于炭黑裂解炉，可以适用于各种高温高含尘炉窑的炉气余热回收系统。

背景技术

在乙烯裂解装置中，普遍使用余热锅炉对裂解炉裂解过程中产生的高温炉气余热进行回收利用，以降低成本，同时满足下一个工艺装置对温度要求，减少其对环境的污染。在炭黑生产装置中，为得到各种性能的炭黑产品，需要对炭黑裂解炉炉气进行快速冷却，目前国内一般用水来急冷，不仅要消耗大量的水，浪费大量的高品位热能，而且对后面炭黑的收集和尾气处理带来困难，如果使用耐高温高效急冷器，不仅能获得各种高性能炭黑，而且使得系统能耗大大降低。

乙烯裂解余热锅炉设计的进口工作温度一般都在800℃以下，近年来，随着各种余热锅炉制造技术的不断提高，它们的关键部件都能满足要求，但是在某些特殊工艺条件下，例如炭黑裂解，从炭黑裂解炉出来的炭黑炉气温度达到了1500℃，含尘量达到了300～600克/立方米，温度将近是乙烯裂解炉炉气温度的两倍，含尘量是一般含尘烟气100～150克/立方米的两倍以上，而且炭黑炉气需要急速冷却，以前的余热锅炉设计技术已经满足不了这种超高温高含尘炉气的工作环境。

发明内容

本发明的目的是针对现有的余热锅炉换热管因为高温热膨胀对管板产生巨大的温差应力而造成严重破坏，高含尘炉气特殊物理特性造成换热管堵塞，从而使得换热管换热不均匀等原因造成停车事故而设计的一种不仅在超高温下能正常工作，且又具有在线脉冲除垢配套系统的高温高含尘炉气急冷器。

本发明的技术方案是由三大部分组成。

一种高温高含尘炉气急冷器，包括急冷器进口管道、出口导管、炉气出口管道和冷空气进口导管，高温高含尘炉气急冷器由双套管水/蒸汽自然循环一次冷却结构和管壳空气二次冷却结构构成，双套管由双套管外管和传热内管组成，双套管分别与两个反方向设置的椭圆形管板连接，双套管两端分别置于热端腰形集流管和冷端腰形集流管内，双套管中部设有外筒体膨胀节。

所述急冷器进口管道与热端腰形集流管之间用U形薄板连接；炉气出口管道与冷端腰形集流管之间用U形薄板连接。

与所述传热内管连接的椭圆形管板表面覆盖一层钴质耐火浇注料耐磨层，双套管传热内管管端安装有管端热防磨保护管套。

所述热端腰形集流管和冷端腰形集流管之间部分为管壳式空气冷却结构，换热介质分别与两端的热端腰形集流管和冷端腰形集流管之间用一个起密封作用的柔性薄板隔开。

所述炉气出口管道设有炉气出口管道保温层和脉冲除垢系统。

所述脉冲除垢系统的蒸汽导管呈环形结构，由一整根管子构成的内环管和外环管分别在两个平面内，内环管与外环管之间连接着多根支管，支管连接蒸汽分配管，蒸汽分配管上设有高压喷咀，高压喷咀对着传热内管的传热内管入口端。

所述热端腰形集流管外部设有波纹管，热端腰形集流管上连接热端水/蒸汽联箱；冷端腰形集流管外部设有波纹管，冷端腰形集流管上连接下降联箱。

所述急冷器本体与汽包通过上升管、下降管连接组成水/蒸汽自然循环系统。

1、双套管式一次换热

急冷器主要由炉气进/出口管道、腰形集流管、双套管、蒸汽联箱、冷却水联箱和脉冲除垢系统组成，炉气进口管道浇注着隔热材料和钴质耐火浇注料耐磨层。与进口管道活动连接的是腰形集流管，腰形集流管可以沿着轴线方向移动，它们之间在没有开车前有一段的距离。为了防止炭黑泄露出，进口管道和腰形集流管用U形薄板连接，U形薄板可以沿轴线方向自由变形。急冷器最重要的部件是腰形集流管，它由两个反方向的椭圆形管板、膨胀节、整体加强环、内衬套、部分加强环和支持环组成。靠近炭黑烟气进口一侧的管板表面也附着一层钴质耐火浇注料耐磨层，贯穿腰形集流管的是换热管的内套管，内管的内壁安装着管端热防磨保护管套，借此来保护管头。膨胀节经过整体加强环和部分加强环的加固，不仅能保证轴线方向大的位移量，而且能够承受很高的周向压力。内衬套是为了防止流体进入膨胀节的波峰部位造成不必要死区而引起腐蚀破坏。集流管外管壁的支持环顾名思义，起到支撑腰形集流管的作用，它和保护筒节并没有焊接在一起，而是支持环支撑着腰形集流管沿着轴向方向自由活动，同时它可以作为支撑杆的固定部件。与集流管相连接的是冷却水联箱，它由两个半圆形管道组成，连接集流管和联箱的是数根直径稍微小一点的导管，从外部进来的冷却水首先通过联箱的汇总，然后再由小导管均匀分布到腰形集流管中。为了防止冷却水直接冲刷换热管，在冷端集流管冷却水进口的地方设置了防冲挡板，减少急冷器的震动破坏。

2、管壳式二次换热

急冷器的中间部分是管壳式换热，换热介质用一个柔性薄板隔开，它仅仅起到密封作用，不起承压作用，所以它很薄，柔性很大，沿轴线方向可以自由活动，配合了第一部分换热系统工作时造成的反应动作。冷空气进口管安置在腰形集流管右边，目的是使得冷空气介质可以和热蒸汽呈逆流换热。之所以急冷器增加管壳式换热是因为经过套管式换热后热蒸汽的温度达到200℃以上，这部分热量不能白白散发到空气中去，所以为了充分利用这部分的热能，采取了急冷器的二次换热，二次换热加热的热空气进裂解炉助燃，同时管壳式换热也充当了保温层的作用，起到了一举两得的效果。急冷器管壳式换热部分中的折流板采用传统的弓形结构，由于折流板的作用，使得冷空气在换热套管的管束表面折流，充分和热蒸汽换热。经过换热后的热空气从出口管流出输送到裂解炉去助燃。

3、脉冲除垢系统。

炭黑脉冲除垢系统的蒸汽导管呈环形结构，但是它是由一根管子构成，内环和外环分别在两个平面内。这样的构造有两个优点：一方面内环和外环构成弓形的曲线结构，可以减少所占的空间，另一方面简单化热保护措施，防止凝结水在蒸汽管里形成。内环管与外环管连接着很多根支管，每一排换热套管对应着上、下两根支管，支管上分布着很多高压喷咀，这些高压喷咀也对应着每一根的换热套管的内管出口。内环的支管是断开的，它们是用一种连接套筒把它们连接在一起，而且套筒是可以活动的。每一根支管的直径相同，保证了它们的介质速度一样。外环那一层支管中间有一个圆形缺口，它是为了不挡住内环的支管的高压喷咀。这样，形成外环的喷咀对应于急冷器外圈套管内管出口，内环的喷咀对应急冷器内圈的套管内管，但高压喷咀的末端必须保持在同一个平面上。

急冷器开车时，间歇性喷射不燃性流体除垢是由安装在导管入口而且用电磁阀(EB)控制的文丘里管进入，而电磁阀连接着计算机(图中没有画出)，计算机里安装着一套专业的软件控制系统。关闭元件的作用是控制清洁气体的进出，让不燃性流体产生高压，使得气体有一个突然的加速作用，这样的气体通过高压喷咀喷射出来速度快，压力大，能很快除掉粘在传热管内壁的炭黑。手动阀是供维护时使用的。在清扫通流管时，手动关闭阀MB，可使高压水蒸汽不致再回流到正在清扫的通流管内。换热管出口的一个重要的元件——锥形扩大器，渐增大部分和恒定内径部分的结合处，有效地产生文丘里效应，从而增大引入的气体量，增大除垢效率。高压喷咀是脉冲除垢系统中最重要的元件，它的出口内径和换热套管内径比例是1∶9.4。

除垢脉冲系统用高压喷咀间歇性喷射是指每隔数分钟至数小时喷射一次，或一天中喷射数次。因为污垢粘在换热管的内壁上以后，容易结焦不容易吹掉，所以要在污垢粘附之后、结焦之前将其清除掉。喷射次数必须设定得能达到这一目的才行。间歇喷射时间可以通过计算机精确控制。

本发明具有以下优点：

本发明有四大优点：一、通过使用双套管式高效换热管提高换热效率。二、新型的腰形集流管可以抵消因为特高温使得换热管伸长所带来的膨胀量，减小管板的热应力。同时腰形集流管采用椭圆形柔性管板，大大减小管板厚度，使得热应力可以沿着椭圆形管板的弧形边缘均匀分布，避免了管板和筒体的连接部位因为高应力而变形撕裂。三、采用双套管内水/蒸汽一次冷却和管壳内空气二次冷却，结构紧凑，高效节能。四、全自动控制脉冲除垢系统可以在线除垢，避免了停车除垢而造成生产效率降低和经济的损失。

附图说明

图1是本发明的管壳式换热器的结构示意图。

图2是图1的A-A向剖视结构示意图。

图3是图1的B-B向剖视结构示意图。

图4是本发明的热端腰形集流管的结构示意图。

图5是本发明的传热内管的管端热防护结构示意图。

图6是本发明的的传热内出口端与高压喷咀的结构示意图。

图7是本发明的整体结构示意图。

图8是图7的侧视结构示意图。

图1中：1为急冷器进口管道、2为钴质耐火浇注料耐磨层、201为肋板、202为外导管、203为外筒体、204为支撑环、205为内导管、3为管端热防磨保护管套、303为蒸汽导管、3030为内环管、3031为外环管、304为关闭元件、305为支管、306为文丘里管、4为椭圆形管板、401为环板、402为导向杆、403为加强环、404为导流管、5为传热内管、501为刚玉定位套、502为隔热层、503为管套、6为波纹管、601为传热内管入口端、602为高压喷咀、603为蒸汽分配管、7为热端水/蒸汽联箱、701为急冷器进口、702为上升联箱、703为冷空气进口、704为平台、705为上升管进口、706为下降管出口、707为汽包蒸汽出口、708为汽包、709为软水进口、710为热空气出口、711为冷端下降联箱、712为炉气出口、713为上升管、714为下降管、8为热端腰形集流管、9为出口导管、10为下降联箱、11为脉冲除垢系统、12为炉气出口管道保温层、13为炉气出口管道、14为冷端腰形集流管、15为柔性薄板、16为外筒体膨胀节、17为冷空气进口导管、18为双套管外管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

一种高温高含尘炉气急冷器，包括急冷器进口管道1、出口导管9、炉气出口管道13和冷空气进口导管17，高温高含尘炉气急冷器由双套管水/蒸汽自然循环一次冷却结构和管壳空气二次冷却结构构成，双套管由双套管外管18和传热内管5组成，双套管分别与两个反方向设置的椭圆形管板4连接，双套管两端分别置于热端腰形集流管8和冷端腰形集流管14内，双套管中部设有外筒体膨胀节16。急冷器进口管道1与热端腰形集流管8之间用U形薄板连接；炉气出口管道13与冷端腰形集流管14之间用U形薄板连接。

传热内管5连接的椭圆形管板4表面覆盖一层钴质耐火浇注料耐磨层2，双套管传热内管5管端安装有管端热防磨保护管套3。

热端腰形集流管8和冷端腰形集流管14之间部分为管壳式空气冷却结构，换热介质分别与两端的热端腰形集流管8和冷端腰形集流管14之间用一个起密封作用的柔性薄板15隔开。

炉气出口管道13设有炉气出口管道保温层12和脉冲除垢系统11。

脉冲除垢系统11的蒸汽导管303呈环形结构，由一整根管子构成的内环管3030和外环管3031分别在两个平面内，内环管3030与外环管3031之间连接着多根支管305，支管305连接蒸汽分配管603，蒸汽分配管603上设有高压喷咀602，高压喷咀602对着传热内管5的传热内管入口端601。

热端腰形集流管8外部设有波纹管6，热端腰形集流管8上连接热端水/蒸汽联箱7；冷端腰形集流管14外部设有波纹管6，冷端腰形集流管14上连接下降联箱10。急冷器本体与汽包708通过上升管713、下降管714连接组成水/蒸汽自然循环系统。

下面结合结构附图和实例对本发明作进一步地说明。可根据工艺要求和安装的场合合理选择本发明的结构使用形式。

如图1所示，从炭黑裂解炉出来的炭黑烟气出来后直接进入急冷器进口管道1，然后进入到每一根双套管的传热内管5，因为炭黑烟气的温度非常高1500℃，为了避免炭黑烟气直接冲刷热端腰形集流管8和冷端腰形集流管14的椭圆形管板4，必须在裸露在炭黑烟气中的金属表面覆盖一层钴质耐火浇注料耐磨层2，使得炭黑烟气不能直接冲刷金属板而产生高温变形失效。特别是管板与双套管内管的连接处很容易产生热应力、热疲劳和高温腐蚀。因为高温侧腰形集流管的椭圆形管板4一边是高温流体，一边则是冷流体，高温炭黑烟气到达双套管的传热内管5入口的时候流速因为横面的变小而突然急剧升高，热流量也就相应增大。同时在椭圆形管板4和传热内管5焊接处是冷/热流体的分界线，造成这个地方出现一个温度最低的“温谷”区，在这个“温谷”区域将出现最大的温差应力，并有把该处传热内管5“剪断”的趋势。为了避免以上这些现象，在传热内管5管头的采用管端热防磨保护结构——设置一个管端热防磨保护管套3。如图3，管端热防磨保护管套3是由奥氏体耐热不锈钢Cr25Ni20制成，在管端热防磨保护管套3端部还连接着刚玉定位套501，它嵌入保护管板材料——钴质耐火浇注料耐磨层2中，这样就可以防止高温直接冲刷管端热防磨保护管套3端部。管端热防磨保护管套3与传热内管5之间的隔热层502。当炭黑烟气沿着内管流动的时候，传热内管5和双套管外管18因为温差热膨胀而伸长而驱使两个腰形集流管向两边沿轴线方向运动，所以在腰形集流管两边必须预留一定的空间。而内/外管之间膨胀伸长之差通过波纹管6位移量来补偿。整个热流体工艺流程是：从急冷器进口管道1进来的炭黑烟气沿着传热内管5由热端腰形集流管8流向了冷端腰形集流管14，然后从炉气出口管道13流出急冷器进入下一个工艺装置。而整个冷流体的工艺流程是：来自汽包708的冷却水，它由冷端的下降联箱10通过导管进入到了冷端腰形集流管14，然后沿着双套管的环隙流到热端腰形集流管8。同样再通过导管进入热端水/蒸汽联箱7，汇总后通过导管流向汽包708。为了充分利用热能，急冷器中间段采用管壳换热的方式。它相当于急冷器的二次换热，与双套管不同的是，二次换热是利用传统的管壳式换热方式。来自外系统的冷空气由冷空气进口导管17，再经过折流板的作用，曲折横掠过双套管管束，最后由出口导管9流出。

急冷器中间段是由两个圆形柔性薄板15隔断，形成一个单独的换热单元。急冷器双套管中的两种流体——冷却水和炭黑烟气呈逆流流动。同时冷空气和热蒸汽呈错流流动，目的是为了提高换热效率。急冷器的二次换热既可充分利用能量，又可对双套管起到绝热作用。

图2是图1中A-A向的剖视图，可以清楚地反映了急冷器冷端的下降联箱10。它的工作原理是这样的：来自汽包的冷却水从8根导管202进入了下降联箱10，经过汇总后再通过10根外导管202进入冷端腰形集流管14，经过冷端腰形集流管14再次汇总后进入各根双套管环隙中流向热端腰形集流管8。下降联箱10是由半圆形的导管组成，它们通过肋板201固定在急冷器筒体的上下两端。支撑环204是一个环形板，它不仅起着支撑冷端腰形集流管14的作用，使得冷端腰形集流管14可以沿着急冷器的轴线方向移动，而且还可以作为集流管上面波纹管6的导向杆402的支撑体。

图3是图1中B-B向剖面图，它反映了脉冲除垢系统11的构造。急冷器的脉冲除垢系统11是由数根的小口径蒸汽导管303组成。急冷器内部每根传热管出口端附近都配置一个高压喷咀602，高压喷咀602面对传热内管5的出口端。高压流体水蒸汽从高压喷咀602高速喷出后，在其高速流动产生的吸引作用下，其周围的烟气被吸引过来，在传热内管5内形成与炭黑烟气流动相反的反向气流。这一气流一边在传热内管5内高速流动，一边吹掉传热内管5内壁上附着而尚未固结成的炭黑污垢。

如上所述，当在传热内管5内引入反向气流时，传热内管5仍在排出烟气。这就是急冷器在线除垢一大优势，避免了停车除垢造成产量降低的后果。为了有更好的除垢效果，急冷器的传热内管5的传热内管入口端601在整流室一侧制造成撇开状，因此，传热内管5内反向气流的压力在整流室内减小，但是另一方面，反向的清洁蒸汽气流一边推挤传热内管5内从上游流向下游的烟气，在烟气流的阻挡压力下能保持高压状态向急冷器热端方向流动。因此反向气流吹掉附着炭黑的风压衰减不大，在整个传热管长度范围内保持很高的风压，以保证彻底地吹掉附着在传热内管5内壁的炭黑污垢。

脉冲除垢系统11由供給高压喷咀601、高压不燃性流体的蒸汽导管303和支管(305)构成，因为它们的管径很小，所以不妨碍从急冷器出来流向收集装置一侧的烟气的自然流动。蒸汽导管303是由内环管3030和外环管3031组成，但它们不在同一个平面，这是为了方便支管305的空间布置。在每根支管305上都装着一个关闭元件304，它控制着高压不燃流体的进出喷咀。电磁阀EB是由驱动器EMB控制的，而电磁阀EB控制文丘里管306从而控制着整个脉冲除垢系统不燃流体的进出。

图4是热端腰形集流管8的详细结构图。它是由两个相同大小的椭圆形管板4、筒体和波纹管6构成。整个热端腰形集流管8由环板401支撑在外筒体的内表面，且没有和外筒体连接在一起，这是为了热端腰形集流管8能沿着急冷器的轴线方向移动来抵消双套管因为温差而膨胀的膨胀量。环板401安装在导向杆402上是为了在急冷器开车前保护波纹管6不损坏。为了保护椭圆形管板4，在椭圆形管板4的表面覆盖着一层钴质耐火浇注料耐磨层2，且在每根换传热内管5的进口处采用管端热防磨保护管套3保护椭圆形管板4与传热内管5的连接处。波纹管6的作用是补偿双套管的传热内管5与双套管外管18之间的膨胀差，在波纹管6的的“谷”加上加强环403是为了提高波纹管6的径向承压能力，但不影响波纹管6的轴向位移量。在波纹管6内表面采用导流管404，它的作用是对流体有导向作用，使得流体不至于流进波纹管6而造成“死区”，从而防止对波纹管6造成腐蚀的后果。

图5是椭圆形管板4与传热内管5连接处详细结构图。为了防止连接处热应力过大造成连接处撕裂，在传热内管5进口处采用管端热防磨保护管套3保护。管端热防磨保护管套3分为两部分，在椭圆形管板4与传热内管5连接地方采用奥氏体不锈钢管套503，它不容易断裂。而容易断裂的刚玉定位套501嵌入钴质耐火浇注料耐磨层2与不锈钢管套503端面接触。这样，既可有效地减少传入管端的热量，又可对套管起到定位作用。管套503与传热内管5之间留有环隙，在环隙内填充隔热材料硅酸铝隔热层502，有效阻止了热量向换热内管传递。

如图7、图8，急冷器的整个系统图，它表现出急冷器与辅助设备——汽包708之间的工作关系。系统图中的汽包是由建造在急冷器上方的平台704支撑着，这样的布置是为了更好布置系统中各种管道。如：上升管713与下降管714。操作工可以通过爬梯爬到平台观察汽包的工作参数或者进行维修工作。汽包708工作介质是由系统外通过软水进口709输送软水，然后工作软水由多个下降管出口706进入急冷器的冷端下降联箱711，经过汇总后的软水通过了冷端腰形集流管14，再经过换热流向热端腰形集流管8。换热后的大部分软水变成水蒸汽和小部分软水由热端集流管的上升联箱702汇总后通过上升管进口705重新回到汽包708。经过水汽分离器后，水蒸汽通过汽包蒸汽出口707送到系统外的其它设备，而剩下的软水重新投入水系统循环。从裂解炉出来的炭黑烟气由急冷器进口701进入急冷器的换热系统，换热后由炉气出口712送到系统外的设备。同样，来自系统外的冷空气由冷空气进口703进入急冷器的换热系统，换热后由热空气出口710送到系统外。简单来说，整个换热系统是由一种热流体炭黑烟气和两种冷流体软水与冷空气构成了换热系统，而整个设备系统主要是由急冷器和汽包构成的。

Claims (7)

1.一种高温高含尘炉气急冷器，包括急冷器进口管道(1)、出口导管(9)、炉气出口管道(13)和冷空气进口导管(17)，其特征是高温高含尘炉气急冷器由双套管水/蒸汽自然循环一次冷却结构和管壳空气二次冷却结构构成，双套管由双套管外管(18)和传热内管(5)组成，双套管分别与两个反方向设置的椭圆形管板(4)连接，双套管两端分别置于热端腰形集流管(8)和冷端腰形集流管(14)内，双套管中部设有外筒体膨胀节(16)；所述热端腰形集流管(8)和冷端腰形集流管(14)之间部分为管壳空气二次冷却结构，换热介质分别与两端的热端腰形集流管(8)和冷端腰形集流管(14)之间用一个起密封作用的柔性薄板(15)隔开。

2.根据权利要求1所述高温高含尘炉气急冷器，其特征是所述急冷器进口管道(1)与热端腰形集流管(8)之间用U形薄板连接；炉气出口管道(13)与冷端腰形集流管(14)之间用U形薄板连接。

3.根据权利要求1所述高温高含尘炉气急冷器，其特征是与所述传热内管(5)连接的椭圆形管板(4)表面覆盖一层钴质耐火浇注料耐磨层(2)，双套管传热内管(5)管端安装有管端热防磨保护管套(3)。

4.根据权利要求1所述高温高含尘炉气急冷器，其特征是所述炉气出口管道(13)设有炉气出口管道保温层(12)和脉冲除垢系统(11)。

5.根据权利要求5所述高温高含尘炉气急冷器，其特征是所述脉冲除垢系统(11)的蒸汽导管(303)呈环形结构，由一整根管子构成的内环管(3030)和外环管(3031)分别在两个平面内，内环管(3030)与外环管(3031)之间连接着多根支管(305)，支管(305)连接蒸汽分配管(603)，蒸汽分配管(603)上设有高压喷咀(602)，高压喷咀(602)对着传热内管(5)的传热内管入口端(601)。

6.根据权利要求1所述高温高含尘炉气急冷器，其特征是所述热端腰形集流管(8)外部设有波纹管(6)，热端腰形集流管(8)上连接热端水/蒸汽联箱(7)；冷端腰形集流管(14)外部设有波纹管(6)，冷端腰形集流管(14)上连接下降联箱(10)。

7.根据权利要求1所述高温高含尘炉气急冷器，其特征是所述急冷器本体与汽包(708)通过上升管(713)、下降管(714)连接组成水/蒸汽自然循环系统。

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