CN1021367C - 热交换装置及检测该装置压力状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热交换器。夹带有粒状物料的高温合成气体流通过热交换器的中央热交换室。在该交换器上还设有监测压力用的安全系统。所说热交换器包括一包围水壁的外壳，外壳与水壁之间界定出一环形空间。热交换室和环形空间分别与压力传感器连通，传感器再与用来测定压差的装置连通。一清洗气体源与监测系流连通，使后者不被粒状物料堵塞。

Description

本发明涉及一种热交换器结构，更确切地说，涉及一种合成气体冷却装置或余热锅炉，它装有隔热装置以防止运行时因疏忽而造成的损坏。制备热气体工艺过程中所用的燃料包括细磨的煤、焦炭或者甚至是在可控气氛下燃烧的液体燃料，出来的产物不仅包括合成气体，而且还包括一定量的粉尘或飞灰。

目前有很多不同结构的热交换器诸如用于各种场合和不同目的的余热锅炉之类。从气化器出来的热的合成气体以及飞灰或粉状炉渣之类的细碎固态物质，它们的冷却一向采用辐射式锅炉，而在该锅炉的水壁管内有蒸汽产生。采用这种锅炉或热交换器，固化的炉渣和冷却后的合成气体是在下游辐射式锅炉的底部排出。但是，大规模生产的工厂内，当热合成气体是以单一的夹带式的物料流流动时，这类辐射式锅炉的尺寸就成为一个限制因素。

此外还注意到，各种结构的热交换器（如辐射式余热锅炉）都是用来从待冷却的热气流将热量移走的。很多这类结构是不能用来处理大规模的合成气体的，而且已知的一些余热锅炉结构较复杂，美国专利4，377，132号所公开的就是其中之一。

当一些辅助设备出现操作故障时，上述的结构由于在过热的条件下运行而易受损。此外，该生产过程所采取的措施可能未曾考虑到产生的热气体中夹带有固体颗粒。

因此，本发明的一个目的是想提供一种合成气体冷却结构，用来安全地处理高温并夹带大量粒子的气流，其另一目的是提供一种涉及 上述类型的一种装置，它在运行条件下（包括在高温环境下）能正常工作而不损坏，在该装置中的热气流带有大量固体粒子。

本发明还有一个目的是提供一种热交换器，当更换其内部零件时停工期较短。

简单地说，本发明涉及一种合成气体冷却器（如余热锅炉），它包括外壳，水壁和用来监测热交换器水壁两侧差压的装置。外壳的一端有接纳夹带固体颗粒的合成气体流的进口;水壁位于外壳内并与之隔开，水壁内含有循环液，与高温合成气体以辐射的形式进行热交换;水壁与外壳之间界定了一环形空间或长的环形室;监测装置的功能是用来检测出炉渣颗粒开始形成有害积聚，这些颗粒的有害积聚会构成潜在的危险环境。

换句话说，本发明关系到这样一种合成气体冷却器（余热锅炉），它包括一垂直的外壳，在外壳的顶部开有一轴向进口，用于引入夹带固体颗粒的热的合成气体。有一内水壁与所说的外壳同轴延伸，界定出一中央热交换通道（或称热交换室）。

在本发明的一个实施例中，水壁包括一系列平行并沿圆周布置的用来同热的合成气体进行辐射热交换的管子。水壁与外壳之间界定一环形空间或窄长的环形室。设有集管装置用来连接各个平行管的顶部和底部。所说的管子与水源相通，使水通过水壁循环，而水壁与一汽鼓连通。

报警或监测系统包括同中央气体通道和环形室相通的探测装置，它们连到压差测定器，后者装有报警装置，当水壁两侧的压差过高时给操作人员报警。

一般，水壁在正常工作且内部有蒸汽的条件下其设计值大约能承 受10磅/平方英寸的压差，当压差超过此设计值时，由于容器外壳暴露在热气体之中，会造成严重损坏。

图1为本发明的热交换器的剖面正视图，其中还示意地给出了压差报警系统;

图2是沿图1中2-2线截取的剖面图;

图3是沿图1中3-3线截取的放大了的剖面图;

图4是沿图3中4-4线截取的放大了的剖面图。

当用粉煤、焦炭和其它类似燃料来制备合成气体时，总是需要对生产出的热气体进行冷却。一般这一冷却过程是在特定类型的气体冷却器中进行。从经济角度考虑，可用辐射式锅炉，使其水壁管内产生蒸汽来转移气体中的热量。高温合成气体所夹带的固状颗粒一般从锅炉的底部排除。

对大规模生产的工厂来说，合成气体流的流量会使得这种辐射式锅炉的尺寸大小成为一个限制因素。在任何情况下，由于合成气体中含有大小和重量各异的固体颗粒，这类固体颗粒将不可能统统在冷却器内除去。因此必须采取措施，防止颗粒在冷却器内积累到临界值，不这样的话，到某种程度就会导致热损坏或其它运行事故。

应该明白，这里所用的术语“水壁”对本技术领域的人来说其意义是周知的。具体地说，水壁结构具有众多的管状通道，用来容纳流体或使流体流动以吸收热量。在本发明的圆筒形热交换装置中采用常见的水壁结构。如图2所示，水壁由众多的平行的水管22和23组成，中介以肋片24和26或其它把管壁联接成单个圆筒形气密表面的装置。

上述的管子一般平行布置，它们的端部分别接在环形集管上，集 管提供从各管子流入的液体及流出的蒸汽的公共通道。

参见图1和2，本发明的辐射式热气体冷却器或热交换器10包括一细长的垂直放置的外壳11，外壳的上端有一轴向进口12。水壁13位于外壳11内并与之隔开，用来与夹带固体颗粒的高温合成气体进行辐射热交换，所说的气体向下流进中央通道或称热交换室14。

水壁13上设有集管16和17，它们分别位于构成此壁的并界定出中央冷却通道14的水管22和23的顶部和底部。这种传统的管状结构使循环液（在这里用的是水）流动并以有用的蒸汽形式回收。水壁13与外壳11同轴布置，两者的相邻表面之间构成了环形空间或长的环形室27。

外壳11的下端有一槽18或水池，当高温合成气体轴向向下流过中央通道14时，用来接收和急冷夹带在该气体中的固体颗粒。当会明白，将用接在外壳下端的封合料斗或类似结构把水拦在外壳下端或槽内的。通过进口19和出口21，维持部分水流进和流出槽18，这在图中已大略地示出。

水壁13的下端装有至少一个，最好是多个向下颈缩的扇形体31和32，它们用来使热气流逐渐变窄，使之变成快速流动的气流。

当夹带颗粒的合成气体与水壁表面接触而充分变冷后，将流入缩颈33并改变方向而逆流。然后气体向上被导入设在外壳11一侧的排出口34。

中央通道14的第一部分或最初向下颈缩的部分31布置在水壁13的下端，该部分包括基本是平截圆锥体的构件，并终止于缩颈或开口33处。当快速流动的气体通过缩颈时其流速大幅度增加。因此， 较重的固体颗粒便由冲力带向水槽18。另一方面，气流将继续逆向流动，通过环形通道29而流向排出口34。

在第二颈缩扇形体32中，较大的固体颗粒将导向水槽18。通过排出口36，这些固体颗粒便落在封合料斗里。

虽然气体被冷却并基本除去了颗粒物料，不难理解，但气体里还夹带一部分不受逆流气体影响的具有一定尺寸和重量的固体颗粒。这些颗粒直径一般小于5微米，它们将继续通过排出口34及相接的叉接导管37。经一段时间后，某些颗粒与叉接导管的壁相接触而附在其上面。在某些条件下，这些颗粒将积聚起来，最后使导管的主通道38产生严重堵塞。

为了避免气流流过叉接导管37时会被完全堵住，导管37设有旁通道39。当气流滞留或堵在中央通道38中时，气流将改道，经辅助或旁通道39，而流向下游的设备，在那儿气体进一步得到处理。

为了维持水壁13两侧的平衡或压力平衡，位于水壁和外壳11内表面之间的环形空间27与中央通道14的压力相连通。这种布局可保证水壁13两侧不会有很大的压差。

当压差发展到使环形空间27的压力下降或增大时，水壁13便要受到损伤而形成泄漏点，这一般是由于水壁扩张或变形引起的。此外，连接肋片26或其中的接缝也会损坏到足以使热的气体进入环形空间27中，继而上升到冷却器顶罩42下面的内部空间41。

参看图3，热交换器或辐射式锅炉上装有安全或监测系统。最好在若干处布置这种系统，以在三个或更多的地方装上这种系统为佳。这样，中央通道14和环形空间27之间的压差增大可被迅速测出，同时作出调整。

在某一布置了这种系统的位置上，如图3所示，是以一壳体46 同环形空间27相连通，所说的壳体包括位于壳体最外面的连接凸缘47。在水壁13上的压力传感器包括圆柱形接头48，接头48的开口端与中央通道14相连通。接头48的另一端或里端开有螺纹，可动地接纳气密接头49。圆柱形接头48以这样的形式布置在两相邻的锅炉水管22和23之间，即它暴露在中央热交换通道14内的高温气体之中但不会受热损坏。

第一压力传感器包括一段导管，最好为易弯曲的金属导管。导管加工成具有一段剩余长度，以适应由于热感应而产生的外壳11和水壁之间的相对运动。

压力监测装置组件52包括一呈安装用法兰形式的座板53，其上开有接纳导管54和56用的孔口。连接螺栓57使相邻的凸缘之间形成不受热影响的直接气密接触。两凸缘之间装有密封环58，这样保证了连接处整体的气密性。第二个导管56装在座板53内，其开口端直接面向壳体46的内通道59。第一导管54在导管51的较远端与气密接头61连通，从而与中央通道14相通。

第一导管54包括一截止阀43，该导管与第二导管56一起分别通过管路63和64接在压差测定器上。第二导管56也设有截止阀66。

上述的安全系统用来监测热交换器10内的水壁13两侧的压差，作为避免交换器损坏的一种安全系数。在监测交换器内特定点的压差时，只要测得任何压差，就会发出即将发生问题的警告。尽管图中只示出了一个，但众多的压力传感器中的每一个都可与共用的压差测定器62相接。测定器具有适宜的报警性能，当压差超出了预设的允许值，它就会给出必需的可感觉到的或可看得见的指示信号。

在市场上有各种各样的压差测定器可供选用，从功能方面说，这种仪表能从至少二个不同的压力源接受压力读数。当把这些压力施加到一膜片或类似的实用机构上时，两压力源的压差就被指示出来。

由于热的合成气体总带有一些颗粒物料，取决于燃料的成分。这些颗粒物料常是操作困难的来源。合成气体还带有腐蚀性物质或腐蚀性元素，后者能冷凝在仪表与压差监测系统外露的表面上。

如果不检查出这种冷凝物，将会造成上述表面部分腐蚀，最终导致产生错误的读数。因此有必要把热气流夹带的固体颗粒在流经一或多个较小的导管时发生积聚堵塞之前把它们除去。

通过装有阀的导管68，第一导管54经阀43和导管63与清洗气体（如氮气）的压力源67相通。通过定时装置44以计量方式给安全系统输氮，而提供了一种定期的高压清洗步骤。此清洗步骤的功能是使各种管道和装置不被堵塞，清洗步骤可以是连续的和定期的。加压的清洗气体源的压力则大于热交换室内的压力。

为了避免导管51外表面被腐蚀，通过导管64，阀66和导管56，从压力源67把连续的清洗气体流输入，用无腐蚀性的气氛充满通道59。连续而缓慢流动的氮气清洗剂其速率由阀72调定，使氮气对测定器62上的读数影响不大。对若干供压力测定用的壳体46中的任何一个进行定期的急速清洗时，其周期和速率分别由定时装置44和阀72调定，使非清洗的壳体在此种急速的定期清洗期间处于一示压状态而不是受清洗的状态。

为使上述的过程自动化，用可编程序的逻辑控制器或类似的装置来调节快速的气体清洗时序。所说的装置在任何一个壳体的定期急速清洗期间，中断信号发出。

最好在注射清洗气体之前使气体在另外的热交换器内加热，这样导管51的表面得以持续地保持在环形空间27内的气体露点之上。这实际上可防止导管51外表面出现点蚀。点蚀或其它类似的对导管51表面的作用过程，最终导致监测系统的错误读数。

如上所述，对导管56也进行清洗，以防止固体颗粒堵塞和腐蚀物损坏压差测量仪器。清洗气体还可减少水蒸汽浓度及导管51周围的腐蚀性物质。这样也就降低了周围气体的露点，使导管51不受腐蚀损坏。

理应知道，在不违背本发明的精神范围内，可对本发明作出各种修正和改型。对本发明的限制请见后面的权利要求书。

Claims (10)

1、一种用来处理夹带粒状物料的热气体流的热交换装置，所说的装置包括：

一长形外壳，具有一个接收所说的夹带粒状物料的热气体进口及一个排放冷却过的基本不含粒状物料的气体之用的出口；

一水壁，位于在所说的外壳内，该水壁界定了一个具有一下游端的热交换室，与相隔开的外壳之间形成一环形空间；

一通道，使所说的进口与热交换室连通以引入带粒状物料的热气体；

一交叉通道，使热交换室的下游端分别与出口、环形空间相连通；

其特征为：

一压力监测系统与热交换装置相接，该系统包括一气体压力差指示器；

第一导管装置，使热交换室同压力差指示器相连通，以及

第二导管装置，使环形空间与压力差指示器连通。

2、根据权利要求1所述的装置，还包括一加压的清洗气体源及所说的加压的气体源与第一导管装置连通的装置。

3、根据权利要求2所述的装置，包括所说的加压的清洗气体源与第二导管装置连通的装置。

4、根据权利要求3所说的装置，包括调节进入第二导管的清洗气体流的装置。

5、根据权利要求2所说的装置，包括调节进入第一导管的清洗气体流的装置。

6、根据权利要求5所述的装置，其中调节清洗气体流的装置是自动运行的，以定期地把加压的清洗气体流输入第一导管内。

7、根据权利要求2所述的装置，其中加压的清洗气体源的压力大于热交换室内的压力。

8、一种监测高压热交换器压力状态的方法，所说的交换器包括外壳、内水壁和通道装置，内水壁与隔开的外壳之间形成一环形空间，所说的内水壁形成一热交换室，带粒状物料的高压气体流入该室;通道装置使热交换室同所说的环形空间连通，其特征在于还包括以下的步骤：

监测热交换室内的第一压力读数;

监测环形空间内的第二压力读数;

测定第一和第二压力读数间的压差，以及当测定的压差超过一预定的压差值时，调节热交换器的运行条件。

9、根据权利要求8所述的方法，包括定期地把清洗气体输入热交换室的步骤。

10、根据权利要求8或9所述的方法，包括持续地给环形空间输入清洗气体的步骤。

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