CN106440869B - 自清洁循环换热装置 - Google Patents

Abstract

一种自清洁循环换热装置，包括换热主体和沉降式固液分离器，沉降式固液分离器包括上部的分离器直筒和与分离器直筒底部连通的下行管、颗粒横管和冲水管，其中分离器直筒连接换热主体的上部出口，下行管末端的一侧连接颗粒横管一端，颗粒横管另一端连接至换热主体下部，下行管末端的另一侧连接冲水管，冲水管方向与颗粒横管方向平行，使从冲水管进入的流体能平行进入颗粒横管；并且冲水管的中心线不高于颗粒横管的中心线。本发明的换热装置通过冲水管配合颗粒横管，冲水管的高速射流高效的将颗粒横管内的含颗粒的固液两相混合物冲入换热主体内。

Description

自清洁循环换热装置

技术领域

本发明涉及一种循环换热装置，进一步的，本发明涉及一种自清洁循环换热装置。

背景技术

煤气化技术是指把经过处理的煤粉、煤浆或渣油等送入气化炉内，在一定的温度和压力下，与气化剂反应后制得粗煤气。无论是干法除尘的煤气化技术还是湿法除尘的煤气化技术，在粗煤气的初步处理过程中均会产生大量高温黑灰水，为节省水资源，需要对该部分黑灰水降温后处理回收并循环利用。

如德士古煤气化的锁斗冲洗水冷却器、废水冷却器等均为水平布置的管壳式换热器，管程为高温灰水、壳层为循环水，设备制造全部采用碳钢材料。

气化黑灰水不仅具有一定的腐蚀性，而且悬浮物含量高，钙镁硬度大，总溶固多，在换热器的正常运行中易出现设备结垢、堵塞等现象。因此生产装置在运行过程中都按一备一或是一备二方式设置的备用换热器，待运行换热器出现故障后投入备用换热器并对故障换热器进行隔离清洗，单台换热器从投入使用到必须隔离清洗的时间根据各地区煤质不同，时间各有长短，如在某化工装置上该灰水换热器运行时间仅为15天，不仅影响整套装置的稳定运行，而且对每台结垢或堵塞的换热器还要投如大量人力、物力进行清洗。

现有技术中有采用含固体颗粒的循环流体进行换热，但循环使用的固体颗粒由于进入换热器时颗粒所占两相流的浓度不足，难以达到除垢效果，颗粒在进入横管时由于重力沉降原因，会在横管道内堆积、堵塞，影响循环过程，进一步降低换热效果。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自清洁循环换热装置，以解决以上所述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供一种自清洁循环换热装置，包括换热主体和沉降式固液分离器，所述沉降式固液分离器包括上部的分离器直筒和与所述分离器直筒底部连通的下行管、颗粒横管和冲水管，其中所述分离器直筒连接所述换热主体的上部出口，所述下行管末端的一侧连接颗粒横管一端，颗粒横管另一端连接至换热主体下部，所述下行管末端的另一侧连接冲水管，所述冲水管方向与所述颗粒横管方向平行，使从冲水管进入的流体能平行进入所述颗粒横管；并且所述冲水管的中心线不高于所述颗粒横管的中心线。

进一步优选的，所述下行管通道上设置有颗粒运动控制装置，以控制下行管通道的连通或者截止；在所述颗粒运动控制装置的下方，设置一连接所述下行管通道的压力入口支路，所述压力入口支路上设置有压力入口阀；所述压力入口阀和颗粒运动控制装置电性连接至一控制器。

进一步优选的，所述下行管的中心线与垂直方向的夹角为α，其中，0°≤α≤30°。

进一步优选的，所述下行管的中心线与所述颗粒横管中心线所成角度为β，其中，85°≤β≤115°。

进一步优选的，所述颗粒横管的长度大于2.5倍的颗粒横管的水力直径。

进一步有优选的，所述下行管与所述颗粒横管的连接处还设置有底部颗粒放料口，该底部颗粒放料口液体流入口。

进一步的优选的，所述下行管高度与所述颗粒横管的长度比值大于2.5。

进一步优选的，所述冲水管水力直径小于颗粒横管水力直径。

进一步优选的，所述冲水管内流量满足条件：设定V1为冲水管流量，V2为进入换热器底部的流量，则0.02＜V1/(V1+V2)＜0.6。

进一步优选的，所述冲水管设置有流速控制装置，以控制所述颗粒横管内两相流的流速范围为0.05-1.2m/s。

(三)有益效果

根据上述技术方案，可以获知本发明的自清洁循环换热装置有益效果在于：

(1)通过冲水管配合颗粒横管，冲水管的高速射流高效的将颗粒横管内的含颗粒的固液两相混合物冲入换热主体内；

(2)通过在下行管设置颗粒运动控制装置和压力入口阀，经两者联合作用，提高进入颗粒横管内的颗粒流速，提高颗粒进入换热器的浓度，提高换热器管壁的清洗效果；

(3)通过设置颗粒横管以及颗粒横管的尺寸，可以更好的来控制颗粒的流动；

(4)通过设置下行管与垂直方向的夹角以及下行管与颗粒横管的夹角，进一步优化横管内流体的流速；为了保证颗粒的正常循环，冲洗液体不会大量倒流至下行管，而能进入颗粒横管，就确保下行管的阻力大于颗粒横管，因此要控制下行管的竖直高度与颗粒横管的长度比大于2.5，当满足不了时，那么将下行管倾斜一定角度，这样颗粒横管长度会变短，亦可满足大于2.5的要求。

附图说明

图1是本发明实施例的自清洁循环换热装置整体示意图。

图2是图1中下行管的部分放大示意图。

图3A和图3B分别是颗粒运动控制装置的打开和截止状态的流体流动示意图。

图4是本发明实施例的自清洁循环换热装置含颗粒横管和冲水管的示意简图；

图5是本发明实施例的下行管与颗粒横管连接关系局部示意图。

图6是本发明实施例立式流化床换热装置与其它装置配合使用的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

在本发明中的一些技术术语或者用语具有以下含义：在本发明中“底部”，“中部”和“上部”属于相对概念，举例来说，“沉降式固液分离器包括上部的分离器直筒”中的“上部”是位于沉降式固液分离器上端的位置，位于下行管的上方，该位置用于混合物中流体和固体颗粒的分离。“水力直径”是在管内流动中引入的，其目的是为了给非圆管流动取一个合适的特征长度来计算其雷诺数。常用表达式是：4A/P，即横截面积A的四倍除以周长P。

根据本发明总体上的构思，提供一种自清洁循环换热装置，包括沉降式固液分离器，分离器其包括下行管，下行管末端的两侧分别设置颗粒横管和冲水管，冲水管冲入的流体能够提供一定流速，使颗粒横管内的固液混合物能高效流入换热主体下部，提高颗粒横管输送效率。

图1是本发明实施例的自清洁循环换热装置整体示意图。图1中的自清洁循环换热装置包括换热主体102以及沉降式固液分离器101，换热主体102以及沉降式固液分离器101的上部和底部分别进行连通，从而形成一体式循环，循环颗粒以及流体在换热主体102的底部进行混合，在换热主体102的中部与待换热物质进行换热，然后从上部流入沉降式固液分离器101，然后进行固液分离后，循环颗粒经重力下沉作用到达底部，再进入换热主体102的底部进行循环。下面将对沉降式固液分离器101的具体构造进行详细说明。

沉降式固液分离器101包括上部的分离器直筒1和与分离器直筒1连通的下行管2，其中分离器直筒1通过一分离器下锥形封头15与下行管连通。分离器直筒1连接换热主体102的上部出口，经换热后的流体和循环颗粒10的混合物可以从换热主体102的上部出口流出，经过管道进入分离器直筒1，在分离器直筒1内进行沉降，其中分离后的流体上行，选择可以经由流体排出口12排出。

图1中，连接换热主体102上部的为流出管，连接至沉降式固液分离器101的为流入管，流出管与流入管互相连接，一种优选的设置方式是，流出管的内管径小于所述流入管的内管径，该种设置方式降低了进入重力沉降式固液分离器的流体流速，所产生的结果是提高了混合流体的后续分离效率。

优选的，在分离器直筒的顶部设置有颗粒入口12，以在进行热交换循环式，内部循环颗粒10不足时，从该入口处装填循环颗粒10。在本实施例中，对于循环颗粒10种类的选择可以是本领域中常用的沙粒、钢球、铜球、玻璃粒子、氧化锆球、有机物粒子等等，目的在于能具有一定硬度，能够冲刷热交换器的换热管壁，在热交换过程中能够起到自清洁作用即可。

图1所示，在分离器直筒1和下行管2之间设置有分离器下锥形封头11，在进行完固液沉降后的循环颗粒经分离器下锥形封头11聚拢，进入下行管2中。当然该分离器下锥形封头11也不仅仅限于该种结构，该结构的选择在于汇聚循环颗粒10至下行管2，因此收敛性的各种结构均可应用于此。

图2是图1中下行管的部分放大示意图。经汇集聚拢后的循环颗粒10进入下行管2后，在重力的作用下自然下落。其中下行管2的通道上设置有颗粒运动控制装置3，以控制下行管2通道的连通或者截止；另外在颗粒运动控制装置3的下方，设置一连接所述下行管2的通道的压力入口支路，压力入口支路上设置有压力入口阀4；压力入口阀4和颗粒运动控制装置3电性连接至一控制器5，而且下行管2末端通过一颗粒横管6连接至换热主体102的底部。

现有技术中由于单独利用下行管2的循环颗粒10的重力作用向下流动进入颗粒横管6，但是自由沉降速度有上限从而导致单位时间内难以有大量的颗粒进入颗粒横管6，从而导致循环颗粒的浓度不足。本实施例中通过在下行管中设置一压力入口支路，支路上设置压力入口阀3，控制器5可以控制颗粒运动控制装置3以及压力入口阀4的开启和关闭，在进行循环时，通过加入一定的流体压力，提高下降速度，从而提高流速。压力入口支路通入高压流体。

图3A和图3B分别是颗粒运动控制装置3的打开和截止状态的流体流动示意图。图3A中所示，控制器5控制颗粒运动控制装置3打开，流体压力入口阀4关闭，循环颗粒10自动收集至下行管2内，由于仅仅是重力作用，循环颗粒10在垂直管内的密度有限，产生的沉降速度不够，单位时间内没有大量的颗粒进入横管。图3B所示，通过控制器5控制颗粒运动控制装置3关闭，流体压力入口阀4打开，在流体压力和重力的共同作用下，循环颗粒10在带压流体的推动下进入颗粒横管6以及换热主体102的底部颗粒入口，完成颗粒的循环。

优选的，在本实施例中，控制器5可以为单片机、中央处理器、数字信号处理器、PLC(可编程逻辑控制器)、分布式控制系统(DCS)或者可编程逻辑元件。经联合重力和压力的流体作用下，颗粒横管6内的流体流速增加。

图4是本发明实施例的自清洁循环换热装置含颗粒横管和冲水管的示意简图。图4中，下行管2末端的一侧连接颗粒横管6一端，颗粒横管6另一端连接至换热主体102的下部，在下行管2末端的另一侧连接冲水管8，所述冲水管8方向与所述颗粒横管6方向平行，使从冲水管8进入的流体(此处的流体可以是补充进入的参与换热的高温黑水，也可以是单纯作为提供水流动能的其它流体)，通过两管平行设置，进入的流体也能够平行进入颗粒横管6，高速射流为颗粒循环提供了动力，实际中，不允许冲水管8插入颗粒横管6内。

图4中A1和A2分别为颗粒横管6和冲水管8的中心线，为提高冲刷颗粒的效果，A2中心线应当不高于A1中心线，使冲水管8进入的流体能够在颗粒横管的底部进行冲刷，带动循环颗粒流动，相当于从底部提供一外力，减少颗粒横管6与循环颗粒10之间的摩擦力。

当然，为提高冲刷效果，优选的，冲水管8的水力直径应小于颗粒横管6的水力直径。

图4中所示，还优选的，所述冲水管8内流量满足条件：设定V1为冲水管8流量，V2为换热器底部进水流量，则0.02＜V1/(V1+V2)＜0.6。在该比值下，换热器内的颗粒浓度可以达到较高的浓度，对除垢有着良好的效果。

为控制颗粒横管6内的固液两相的流速，冲水管8上设置有流速控制装置(图中未示出)，以控制所述颗粒横管6内两相流的平均流速范围为0.05-1.2m/s。

图5是本发明实施例的下行管2与颗粒横管6连接关系局部示意图。为使循环颗粒10在颗粒横管6内没有积聚，下行管2与颗粒横管6的角度应尽可能的垂直，优选的，下行管2的中心线与垂直方向的夹角为α，其中，0≤α≤30°。

而且还进一步优选的，下行管2的中心线与颗粒横管6中心线所成角度为β，其中，85°≤β≤115°。

下行管2与颗粒横管6的连接处还设置有底部颗粒放料口9，该口的作用是用于停车时排空设备内的颗粒(仅仅停车时关闭)。

在换热主体的底部，底部喷射的流体与水平进入的颗粒进行混合，形成混合物，混合物经过进口管进入锥形封头，经过分布装置和循环颗粒混合后，进入换热管，从换热管出来的混合物进入上锥形封头，流体和循环颗粒的混合物从上锥形封头进入伸入管，由伸入管进入流出管，并由流出管进入流入管，从而实现整个循环过程。

为防止颗粒不受控自流，优选的，所述颗粒横管6的长度大于2.5倍的颗粒横管的水力直径。

图6是本发明实施例立式流化床换热装置与其它装置配合使用的示意图。本发明的换热装置可以与煤化工或石油化工中其它的装置配套使用，以实现流体换热回收以及循环利用。

图6中在一定的温度和压力下，黑水进入高温闪蒸罐200，经闪蒸后形成高闪汽(上部箭头所示方向)同时产生大量高温黑水(底部箭头方向)，该高温黑水如直接排放会产生大量的能量浪费和环境污染，可以将该高温黑水导入本发明实施例的立式流化床换热装置中，从换热主体的底部流体入口导入，经多段式热交换器进行换热后，从换热主体上端经一系列管道排入重力沉降式固液分离器进行固液分离，黑水降温后最终从流体最终出口排出，以供后续过程中再利用。

在循环换热过程中，虽然黑灰水中悬浮物含量高，钙镁硬度大，总溶固多，但是由于下行管设置颗粒运动控制装置和压力入口阀，以及设置颗粒横管与下行管的配合尺寸，提高进入颗粒横管内的颗粒流速，避免在颗粒横管内形成颗粒堆积和堵塞，从而使进入换热器内的颗粒与流体充分混合，提高换热器管壁的清洗效果，优化横管内流体的流速。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自清洁循环换热装置，包括换热主体和沉降式固液分离器，其特征在于：

所述沉降式固液分离器包括上部的分离器直筒和与所述分离器直筒底部连通的下行管、颗粒横管和冲水管，其中

所述分离器直筒连接所述换热主体的上部出口，所述下行管末端的一侧连接颗粒横管一端，颗粒横管另一端连接至换热主体下部，所述下行管末端的另一侧连接冲水管，所述冲水管方向与所述颗粒横管方向平行，使从冲水管进入的流体能平行进入所述颗粒横管；并且

所述冲水管的中心线低于所述颗粒横管的中心线；

所述下行管通道上设置有颗粒运动控制装置，以控制下行管通道的连通或者截止；

所述下行管高度与所述颗粒横管的长度比值大于2.5；

在所述颗粒运动控制装置的下方，设置一连接所述下行管通道的压力入口支路，所述压力入口支路上设置有压力入口阀，所述压力入口阀配置为在颗粒运动控制装置截止时打开；

所述压力入口阀和颗粒运动控制装置电性连接至一控制器。

2.根据权利要求1所述的自清洁循环换热装置，其特征在于，所述下行管的中心线与垂直方向的夹角为α，其中，0°≤α≤30°。

3.根据权利要求1所述的自清洁循环换热装置，其特征在于，所述下行管的中心线与所述颗粒横管中心线所成角度为β，其中，85°≤β≤115°。

4.根据权利要求1所述的自清洁循环换热装置，其特征在于，所述颗粒横管的长度大于2.5倍的颗粒横管的水力直径。

5.根据权利要求1所述的自清洁循环换热装置，其特征在于，所述下行管与所述颗粒横管的连接处还设置有底部颗粒放料口。

6.根据权利要求1所述的自清洁循环换热装置，其特征在于，所述冲水管水力直径小于颗粒横管水力直径。

7.根据权利要求1所述的自清洁循环换热装置，其特征在于，所述冲水管内流量满足条件：设定V1为冲水管流量，V2为进入换热器底部的流量，则0.02<V1/(V1+V2)<0.6。

8.根据权利要求1所述的自清洁循环换热装置，其特征在于，所述冲水管设置有流速控制装置，以控制所述颗粒横管内两相流的流速范围为0.05-1.2m/s。