CN104792198A - 适于炭黑生产的热交换器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种适于炭黑生产的管式热交换器(30)。所述热交换器包括管(39)，所述管(39)至少部分地提供有散热片，优选提供在管的下部(43)。

Description

适于炭黑生产的热交换器
本申请是申请日为2009年9月16日、申请号为2009801368817、发明名称为“适于炭黑生产的热交换器”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及在炭黑生产中用于预热燃烧空气的管式热交换器。更具体地，涉及一种待用于将燃烧空气预热到例如800℃以上的高温的管式热交换器。本发明还涉及一种包括燃烧室和管式热交换器的炭黑生产设备。
背景技术
图1中示出一种用于炭黑生产的传统设备的示意性图示。燃烧空气经由导管1被引入到管式热交换器2(也是已知的空气预热器)的上部，在其中，燃烧空气在接下来油在燃烧器3和燃烧室4中燃烧之前被预热。来自热交换器的预热空气经由导管6被引入到燃烧室。油经由导管7被加入到反应器。在某些情况下，骤冷水8被加入到燃烧室。消耗的燃烧空气中的悬浮炭黑的混合物被引入到蒸发室5中，随后穿过热交换器并经由导管9从热交换器的顶部引入到过滤装置10。在该过滤装置10中，炭黑被从气流中完全过滤掉。
图2示出了用在如图1所示的设备中的传统管式热交换器2的简化实例。热交换器2包括竖直布置的基本圆柱形腔室11。腔室11被基本圆柱形的壳体12、下端壁23和上端壁14围绕。下端壁23也被认为是管板。管15被布置在腔室内。管15基本彼此平行布置并从下端壁23到上端壁14延伸穿过整个腔室。待预热的燃烧空气经由入口16被引入到热交换器并经由出口17离开，其从出口17被引入到燃烧室。
燃烧后的油(现在已经是消耗的燃烧空气中的悬浮炭黑的混合物)被从管内腔室的底部(如箭头18所示)引入到腔室的顶部，随后经由出口(如箭头19所示)引入到过滤装置。
热交换器也可以具有从壳体12延伸到腔室11中的水平布置的板20。这种板20促使流过腔室的气体经过较长部分(如箭头21所示)，从而增加在腔室中的时间进而增加排出的预热空气的温度。
当今使用的大多数热交换器将燃烧空气预热到大约800℃。烟道气体的高温引起热交换器的管和壳体上的高温载荷，这在使用过程中又引起相当大的热膨胀。由于有限的膨胀可能，热膨胀引起管和壳体上的大的热应力。各种方案已经被应用以解决这一问题，例如双壳体式热交换器，其中热交换器具有第一内壳体和第二外壳体，燃烧空气在热交换器的位于外壳体与内壳体之间的下端被引入到热交换器，并在壳体之间向上被引向热交换器的顶部，随后与热交换器的管接触。从而降低了外壳体的温度。
另外，用于允许管膨胀的各种方案已经被提出。这种方案的一个实例在US6334482中示出，其中管板配备有补偿装置，以实现管的膨胀。
此外，底板的冷却已经被提出。这也在图2中被示出，其中底端壁23与下底板13一起限定了封闭空间22。冷却空气如箭头24所示被引入到空间22中并如箭头25所示通过出口离开空间22。冷却底板的另一实例在US6334483中公开，其中板包括形成有管延伸穿过的翼梁空间的上翼梁板和下翼梁板(spar plate)。翼梁空间提供有适合于冷却介质的内通道。
US5826647公开了一种用于炭黑生产的热交换器的替代设计，其中热交换器被构造为由沸水冷却的双管座。热交换器包括延伸穿过整个腔室的多个管。每个管被第二管形状的护套包围，护套内周界绕管的外周界留有间隔。待预热的空气仅在间隔内被引导穿过腔室。附加的热传递表面被提供在间隔中，意图改进从管到待预热的空气的热传递。然而，由于待预热的空气在管和护套之间非常有限的空间内流动，流动非常受限，因此热交换器仅能够被用于将空气预热到最高800℃。此外，如果操作中双管座内的压力增大，通过沸水冷却双管座需要复杂设计并具有安全风险。
希望能够将预热燃烧空气的温度增加到约900℃，以增加炭黑生产过程的效率。预热空气的更高温度将带来燃料成本的节省、更高的原料流动和更高的炭黑生产率。然而，由于管的热膨胀将增加，这种温度的增加具有甚至更大的问题。此外，为了实现有效的热传递，考虑过不得不增加管的长度。更长的管将导致热交换器更高，并在某些情况下导致热交换器的降低的机械稳定性。
WO 2006/074830公开了一种用于炭黑生产的装置的预热器，其适于通过热交换将空气预热到至少800℃。预热器包括延长的护套和多个布置在护套内的管。为了实现护套的有效机械稳定性，护套被悬浮装置支撑。护套能够向上膨胀到悬浮装置上方并向下膨胀到悬浮装置下方。因而，护套将受到较小的压缩应力，因此更长的管能够被应用到预热器中，从而实现更高的操作温度。
然而，WO 2006/074830提供的方案需要构建用于支撑悬浮装置的某种形式的外部支撑。这需要用于设备的额外空间。
本发明的目的是提供一种适用于炭黑生产的管式热交换器，其中燃烧空气能够被预热到高于800℃的温度，并克服在先已知的用于炭黑生产的管式热交换器的缺陷。
发明内容
该目的通过如下述所限定的适用于炭黑生产的管式热交换器实现。本发明的实施例通过其他优选实施例限定。
根据本发明的管式热交换器包括：基本竖直布置的基本圆柱形的腔室，该腔室被基本圆柱形的壳体、下端壁和上端壁围绕；从所述下端壁到所述上端壁延伸穿过整个所述腔的竖直布置的管；用于使气体(即待预热的燃烧空气)在所述管的外侧且在所述腔室内流动的入口和出口。所述热交换器中的所述管至少部分地提供有外散热片。所述散热片增加所述管的表面积，从而增加从所述管向所述待预热的燃烧空气的热传递。
所述管是单层壁，并且所述管的外表面面对基本圆柱形的腔室的内部。
提供有散热片的所述管实现改进的热传递，从而实现将燃烧空气预热到完全高于传统热交换器将燃烧空气预热所达到的800℃。事实上，当管提供有根据本发明的散热片时，可以将燃烧空气预热到至少900℃。预热后燃烧空气的更高温度带来燃料成本的节省、更高的原料流动和更高的炭黑生产率。
另外，管的表面通过提供在所述管的外表面上的散热片而被增大，因此没有必要增加管的长度，这在以前被认为是必需的。因此，热膨胀能够被保持在最小并且热交换器的机械稳定性被维持。
根据优选的实施例，所述管至少在所述管的下部提供有外散热片，因为流动在所述管内的气体的温度在这一部分是最高的，并且因此所述管的温度在这一部分也是最高的。所述散热片将因此在管的这一部分具有最佳效果。
优选地，每个管的长度的至少20％提供有散热片，以便实现所期望的从所述管到所述待预热的燃烧空气的热传递。
根据另一优选实施例，散热片以预定的螺距螺旋提供在所述管的外表面周围。所述螺距可以是恒定的或变化的。例如，所述螺距可以在所述管的下部较小，在所述管的下部温度是最高的，所述管的表面应当尽可能大而且沿着所述管越高越大。
所述散热片可以优选地从所述管的外表面基本水平地延伸到所述腔室中。然而，所述散热片也可以具有沿所述管的侧面的基本竖直的伸展范围。
所述散热片可以优选地以恒定外径从不间断(solid)的管的表面延伸，即所述管至少部分地是所称的高散热片管。可替代地，所述散热片可以通过加工不间断的管的外表面以在所述外表面上形成槽而被提供，从而形成散热片，由此，所述散热片的外部被所述管的初始外表面限定，并且所述散热片的下部被所述槽的底部限定，即所述管至少部分地是所称的低散热片管。
所述管式热交换器可以是单壳体设计或者双壳体设计。双壳体设计减少所述热交换器的外壳体的应力，从而实现预热后的空气的甚至更高的温度。
包括燃烧室和根据本发明的管式热交换器的炭生产设备实现了引入到燃烧室中的燃烧空气的更高温度，因为如前所述，燃烧空气可以在管式热交换器中被预热到更高温度。由于燃烧空气的更高温度改进燃烧，炭黑生产过程将因此更加有效。这又带来燃料成本的节省，改进的原料流动和更高的炭黑生产率。
附图说明
图1示意性地示出用于炭黑生产的传统设备。
图2示出根据现有技术的管式热交换器的简化横截面图。
图3示出根据本发明的管式热交换器的侧视图，其部分为横截面。
图4示出根据本发明一个实施例的提供有散热片的管的一部分的横截面图。
图5示出根据本发明一个实施例的提供有散热片的管的一部分的侧视图，其中散热片螺旋卷绕在管的外表面周围。
图6示出根据本发明可替代实施例的提供有散热片的管的一部分的横截面图。
具体实施方式
现在将参照附图描述本发明。附图在一些情况下被简化并且某些特征被夸大以清楚地图示本发明。因此，附图不应当被理解为按比例绘制。
如前面所讨论的，图1示意性地图示用于炭黑生产的传统设备，并且图2图示在先已知的管式热交换器2的简化侧视图。
图3图示根据本发明一个实施例的管式热交换器30。热交换器30包括基本竖直布置的基本圆柱形的腔室31，其被基本圆柱形的壳体32、上端壁33和下端壁34围绕。在这种情况下，下端壁34是上底板。热交换器还包括下底板35。上底板和下底板围绕空间36，如冷却空气的冷却流体经由冷却流体入口37被引入到空间36中。冷却流体经由冷却流体出口38离开空间36。
热交换器进一步包括基本竖直布置并基本彼此平行的多个管39。管39是单层壁并被布置为使得管的外表面直接面对基本圆柱形的腔室的内部。管从下底板35到上端壁33延伸穿过整个腔室31。来自燃烧室的包含燃烧后空气中的悬浮炭黑的气体经由入口(未示出)被引入到管中，从管的底部到管的顶部流动穿过管39并经由高炉炉头44中的出口(未示出)离开热交换器。来自燃烧室的气体当进入管39时可以典型地具有约1000℃或更高的温度。
用于待预热的燃烧空气的入口40被提供在腔室31的顶部，用于预热后的燃烧空气的出口41被提供在腔室31的底部。燃烧空气在管39外侧且在腔室31内流动。应当注意，与US 5,826,647公开的热交换器相反，根据本发明的热交换器允许待预热的燃烧空气在整个腔室31内流动。因此，待预热的燃烧空气的流动不被限制在小的空间中，并且热交换能够显著增加，从而实现预热后空气的更高最终温度。
热交换器还可以优选地包括水平布置的板42，板42从壳体延伸到腔室中，从而待预热的空气必须在腔内经过更长的路径，从而增加排出的预热后的燃烧空气的温度。
管39在上至P点的管的下部43中提供有外散热片。散热片增加了管的热传递表面，从而改进从管内的燃烧后气体经过管向在管外流动的燃烧空气的热传递。散热片应当优选地位于管的下部，因为管的这一部分的温度最高。对于典型地约14米高的热交换器，约4-5米的管适合提供有散热片。
然而，应当注意，管可以沿其腔室内的整个延伸范围或者只在管的一部分上具有散热片，这些部分位于沿管的延伸范围的任何地方。
散热片优选从管的外表面基本水平地延伸。图4图示气体在其中流动(如箭头所示)的管的壁45的侧视图。散热片46从管壁45的外表面基本水平地延伸。
根据本发明一个实施例，散热片可以以预定的恒定或非恒定的螺距螺旋布置在管周围。在非恒定螺距的情况下，例如螺距可以在管的下部较小，在管的下部温度最高，管的表面应当尽可能大而且沿着管越高越大。
图5示出提供有散热片51的管50的一部分的侧视图。散热片螺旋卷绕在管50的外表面周围。散热片从管50的表面基本水平地延伸到腔室中。图5图示的散热片具有恒定螺距。
根据可替代的实施例，散热片可以笔直地或以预定螺距的螺旋形状沿管基本竖直地延伸。图6图示燃烧后的气体在其中流动(如箭头所示)的管60的一部分的横截面图。管提供有以直线方式竖直延伸的外散热片61，即不沿管的长度螺旋卷绕。
散热片被提供在管的外表面上，即是外散热片。散热片被直接提供在管的外表面上，从而增大管的外表面。散热片优选由与管相同的材料制造以便具有相同的热膨胀，从而最小化由热应力产生的裂纹形成的风险。
散热片从管的表面延伸到腔室中。这种延伸可以优选地如在先的图4和5所示是水平的。然而，散热片也可以如图6所示竖直布置。两种情况下的散热片都可以螺旋卷绕在管的表面周围。
散热片具有高度H(如图4-6所示)，以便不与相邻管的散热片接触。散热片的高度可以优选在0.5-20mm的范围内。在高散热片管的情况下，散热片可以优选为2-20mm高，更优选为3-10mm。在低散热片管的情况下，散热片最高为4mm。散热片的高度是管表面到放置于腔室中的散热片外部的距离。
应当注意，即使在图3中已经以单壳体设计热交换器的形式图示了本发明，热交换器也可以是双壳体形式。在这种情况下，热交换器包括内壳体和外壳体。用于燃烧空气的入口优选布置在热交换器的下部，并将燃烧空气引入到内外壳体之间的空间。燃烧空气然后从内外壳体之间的热交换器下部向上流动到顶部，从顶部进入腔室并与管接触。
带有散热片的管可以是所称的高散热片管，其中散热片被提供在管的外侧上，适合于通过焊接形成。然而，带有散热片的管也可以是所称的低散热片管，其中散热片通过加工管的一部分外表面以通过形成槽机械地去除其一部分而被提供。可替代地，低散热片管可以通过挤压直接产生。在低散热片管的情况下，散热片通常比高散热片管的情况具有更小的延伸范围(高度)，这是因为初始的管壁厚度限制了可能的设计。
根据本发明的热交换器也可以提供有根据先前已知技术的热膨胀补偿装置和/或底板的冷却。此外，为了减少壳体的温度载荷，壳体可以在壳体内部(即朝向腔的表面)，特别是在温度最高的壳体的下部提供有隔离体。

Claims (12)

1.一种管式热交换器(30)在包括燃烧室的炭黑生产设备中的用途，该管式热交换器包括基本竖直布置的基本圆柱形的腔室(31)，该腔室(31)被基本圆柱形的壳体(32)、下端壁(34)和上端壁(33)围绕；从所述下端壁到所述上端壁延伸穿过整个所述腔室(31)的竖直布置的管(39)；用于使待预热的气体在所述管(39)的外侧且在所述腔室(31)内流动的入口(40)和出口(41)，其中来自所述燃烧室的包含燃烧后空气中的悬浮炭黑的气体经由入口被引入到所述管(39)中，从所述管的底部到所述管的顶部流动穿过所述管(39)并经由高炉炉头(44)中的出口离开所述管式热交换器，其特征在于，所述管(39)至少部分地提供有从所述管(39)的表面延伸到所述腔室(31)中的外散热片，并且所述外散热片由与所述管相同的材料制造，其中来自所述燃烧室进入到所述管(39)的气体具有大约1000℃或更高的温度，并且其中待预热的所述气体是燃烧空气，并且所述燃烧空气被预热到至少900℃。
2.如权利要求1所述的管式热交换器的用途，其特征在于，所述管至少在所述管的下部(43)提供有外散热片。
3.如权利要求1或2所述的管式热交换器的用途，其特征在于，每个管的长度的至少20％提供有散热片。
4.如前述权利要求中任一项所述的管式热交换器的用途，其特征在于，所述散热片螺旋卷绕在所述管的外侧周围。
5.如前述权利要求中任一项所述的管式热交换器的用途，其特征在于，所述散热片从所述管的外表面基本水平地延伸。
6.如权利要求1-4中任一项所述的管式热交换器的用途，其特征在于，所述散热片沿所述管的外表面基本竖直地延伸。
7.如前述权利要求中任一项所述的管式热交换器的用途，其特征在于，所述管在所述管的至少一部分长度处是高散热片管。
8.如权利要求1-6中任一项所述的管式热交换器的用途，其特征在于，所述管在所述管的至少一部分长度处是低散热片管。
9.如前述权利要求中任一项所述的管式热交换器的用途，其特征在于，所述管(39)是单层壁，并被布置为使得所述管(39)的外表面直接面对所述腔室(31)的内部。
10.如前述权利要求中任一项所述的管式热交换器的用途，其特征在于，该管式热交换器具有单壳体设计。
11.如前述权利要求中任一项所述的管式热交换器的用途，其特征在于，该管式热交换器具有双壳体设计。
12.如前述权利要求中任一项所述的管式热交换器的用途，其中所述管(39)仅在所述管的下部(43)提供有外散热片。
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