CN108350282B - 用于碳黑生产设备的热交换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种工业生产设备(100)，其包括用于生产烟道气的至少一个反应器(102)，并且包括热交换系统(1)，所述热交换系统具有用于在烟道气和流体之间进行热交换的第一热交换部(3)和用于在烟道气和用于反应器的反应空气之间进行热交换的第二热交换部(4)，所述反应空气可以通过第二热交换部(4)预热。第一热交换部(3)配置成双管热交换器(5)，第一管(7)各自单向布置在各自的第一夹套管(9)中，并且第二热交换部(4)配置成管束热交换器(25)，第二管(27)的管束布置在第二夹套管(29)中并且各自单向布置在夹套管(29)中。烟道气可以流过第一和第二管(7，27)。双管热交换器(5)和管束热交换器(25)垂直布置。第一管(7)和第二管(27)各自的上端经由管道(23)连接在一起。烟道气向上流过每个交换器(5)的双管，向下流过管束热交换器(25)。

Description

用于碳黑生产设备的热交换装置
【技术领域】
本发明涉及包括用于生产烟道气的至少一个反应器并且进一步包括热交换系统的碳黑生产设备。
【背景技术】
炭黑，也称为炉黑，被认为是世界上50种产量最高的化学品之一。通常，炭黑在单独的生产设备中生产。炭黑生产设备包括反应器，在该反应器中天然气或油不完全燃烧，而所得烟道气随后将被过滤以分离炭黑。用于燃烧的反应空气在大多数情况下将在被供应到反应器之前被预热。在大多数情况下，为此目的，烟道气在过滤之前将通过热交换器引导，在热交换器中反应空气将被预热。通过预热反应空气，可以提高炭黑生产设备的热效率。
在炭黑的生产中，在大多数情况下，烟道气将通过注入水，即通过所谓的骤冷而突然冷却。因此，应保证反应过程将被停止，并且烟道气中所包含的炭黑将因此具有期望的质量。
近年来，已经发现炭黑生产结束时的烟道气冷却也可以以其它方式实现，例如通过热交换，而不会造成最终产品中的质量损失。从这一认识出发，本发明的目的是提供一种具有高热效率并且还具有简单结构的炭黑生产设备。
【发明内容】
本发明的炭黑生产设备由权利要求1的特征限定。
本发明的炭黑生产设备包括用于生产烟道气的反应器和热交换系统，该热交换系统具有用于烟道气和流体之间的热交换的第一热交换部和用于烟道气和用于反应器的反应空气之间的热交换的第二热交换部。反应空气可以通过第二热交换部预热。第一热交换部被设计为双管热交换器，其包括各自以单通道配置布置在各自的第一套管中的第一管，并且第二热交换部被设计为管束热交换器，其包括布置在第二套管中的管束，并且该管束包括各自以单通道配置布置在套管中的第二管。所述第一管和第二管适于使烟道气流过它们。所述双管热交换器和所述管束热交换器垂直布置，其中第一管和第二管的相应上端通过管导管(“tube conduit”)彼此连接。烟道气将沿上升方向流过双管热交换器，并且沿下降方向流过管束热交换器。
在炭黑生产设备中提供这样的热交换系统已被证明是特别有利的。通过第一热交换部，可以加热流体，从而可以有利地方式来利用烟道气的热能。例如，第一热交换部可以设计成蒸发器，在该蒸发器中以水的形式的流体被蒸发。第一热交换部还可以具有用于烟道气的冷却功能，该冷却功能将增强炭黑生产中反应过程的结束。因此，可以省略反应器的一些冷却装置，例如用于所谓淬火的喷嘴。通过利用废热，提高了炭黑生产设备的热效率。通过用于预热反应空气的管束热交换器的垂直布置，可以以有利的方式实现管束在套管中的膨胀。从烟道气到空气的热传递具有这样的效果:在管束热交换器中，热传递将发生在相对温暖的气态介质上，使得所述第二管具有高温，不可避免地导致第二管的材料相对较软。管束热交换器的水平布置将由于第二管的下垂而不可避免地导致问题。通过垂直布置，这被防止，同时允许第二套管和第二管在竖直方向上无问题地热膨胀。双管热交换器也垂直地布置，从而提供相当的优点。通过提供互连第一管和第二管的相应上端的管导管，还实现了第一热交换部和第二热交换部之间的连接可以保持相对较短。在流过第一热交换部之后，烟道气仍然具有相对高的温度，使得高级别的管导管将不得不用于第一热交换部和第二热交换部之间的连接。因此，出于成本原因，本发明使其可能的第一热交换部和第二热交换部之间的短的管导管连接是有利的。此外，如本发明所提供的双管热交换器和管束热交换器的布置将允许它们彼此相对靠近地放置，导致对于炭黑生产设备中的热交换器系统的相对适中的空间需求。
优选地，提供将双管热交换器设计为自然循环蒸汽发生器。因此，使用的流体将是水。烟道气将加热双管热交换器中的水，使得水蒸发。通过分别布置在套管中的第一管的创造性布置，实现了水以相对较薄的层围绕第一管流动，使得通过高能量输入，水能够以有利的方式蒸发。水以并行流动来引导，因此有利地允许在双管热交换器中的自然循环。这消除了对泵送水的复杂器具(例如循环泵)的需要，这些器具将需要对于能量的更高支出。
双管热交换器可以包括蒸汽鼓，该蒸汽鼓以常规方式用作水和蒸汽的储存器、分配器和分离器。换句话说，将以均匀的方式对蒸汽鼓供应给水，并且蒸汽鼓还将接收在双管热交换器中产生的蒸汽。优选地，蒸汽鼓布置在双管热交换器上方，使得从鼓供给到第一套管中的水经受足够的压力，以在套管中上升到将发生蒸发的部，由此以有利的方式增强自然循环。
可以提供的是，双管热交换器包括用于烟道气的垂直竖立的第一进入室，该第一进入室已经连接到第一管并且由容纳第一管的第一下管板界定。借助于所述竖直竖立的第一入口室，烟道气可以有利的方式分配到单独的第一管中。
与第一下管板相邻，可以布置用于流体的至少一个入口室，该入口室具有与其连接的第一套管。所述至少一个入口室允许流体在第一套管之间的有利分布。
在套管的上端，双管热交换器可包括由第一套管进入的至少一个出口室。所述至少一个出口室将收集已经被加热并分别在套管中蒸发的流体，并将该流体引导到例如蒸汽鼓。此外，邻近至少一个输出室，可提供第一上管板以容纳所述第一管。用于烟道气的收集管可布置成邻接所述第一上管板，所述收集管合并到管导管中。收集管可以形成为例如漏斗管。
还可以提供在它们的下端，第一套管变宽成用于流体的相应入口室。在这种情况下，优选地提供这些入口室彼此连接并形成第一下管板。附加地或可选地，可以提供第一套管在其上端变宽成用于流体的相应出口室，这些出口室优选地彼此连接并形成第一上管板。
优选地，提供将管束热交换器设计为逆流热交换器。换句话说，这意味着当第二管具有沿向下方向流过它们的烟道气时，第二套管具有沿向上方向流过它们的反应空气。已经证明这种逆流布置对于反应空气的预热特别有利。
优选地，提供管束热交换器以悬挂的方式布置。优选地，在这种情况下，管束热交换器经由第二套管悬挂。这种布置是特别有利的，因为管束热交换器特别是第二套管的热膨胀将沿向下方向发生，使得管束热交换器的上端将基本上保持在相同的位置处。因此，避免了由于第一热交换部和第二热交换部的不同膨胀而可能发生的问题。
对于管束热交换器的悬挂布置，可以提供接合在第二套管上的安装结构。所述安装结构可以设计成弹簧型安装结构，其中管束热交换器的重量至少部分地由弹簧型安装结构的弹簧装置来适应。
通过将安装结构设计为弹簧型安装结构，可以补偿在第一热交换部中发生的热膨胀，这是因为在膨胀期间，整个第二热交换部将被带走。这是可能的，因为在弹簧型安装结构中，允许在预定范围内的垂直移动。
附加地或可选地，连接第一和第二热交换部的管导管可被设计成例如借助于相应的补偿器仅补偿在第一热交换部中产生的热膨胀。
优选地，提供管束热交换器包括竖直布置的用于烟道气的第二进入室，所述室布置在管束热交换器的上端部中，具有连接到其上的第二管，并由容纳第二管的第二上管板界定。通过第二进入室，烟道气可以有利的方式分布在管束热交换器的第二管之间。
优选地，提供第二管通过悬挂在第二上管板上而被紧固。由此实现了第二管的热膨胀也将沿向下方向发生。例如，每个第二管可以提供有悬挂装置，每个第二管通过该悬挂装置紧固到第二上管板。
在这种情况下，特别地提供了第二下管板容纳第二管的下端，其中第二管各自包括用于与第二下管板连接的单独的管补偿器。这使得能够以有利的方式补偿热膨胀而不使第二管发生不希望的变形。
可以冷却第二上管板。例如，第二上管板可以设计成双层底，其内部形成有与其邻接的冷却室。由于在套管中加热的反应空气可达到例如800℃的非常高的温度，因此冷却既经受烟道气又经受预热的反应空气的第二上管板是有利的。通过提供具有所述冷却室的第二上管板，可以以有利的方式实现这种冷却效果。冷却室可包括至少一个且优选地为多个冷却流体入口和至少一个冷却流体出口。作为冷却流体，可以使用例如通过冷却流体出口供应到反应空气的空气。
在第二管悬挂附接到设计为双层底的第二上管板的情况下，悬挂装置可以分别设计为紧固到双层底的管套。在这些管套中，第二管可以以简单的方式悬挂。第二管穿过冷却室。为了避免大量加热的第二管直接暴露于冷却流体或产生强烈的温度梯度，所述管套可在冷却室的区域中封闭第二管并执行隔热功能。因此，形成为管套的悬挂装置和第二上管板作为双层底的设计使得能够以有利的方式将第二管悬挂在管束热交换器的热端上。
此外，第二下管板可界定用于烟道气的出口室。在所述出口室中，从第二管流出的烟道气将被收集并被导出以用于进一步处理。例如，可以在第二热交换部之后提供分离装置，例如分离器装置，用于从烟道气中分离炭黑。
本发明还可以有利地提供用于反应空气的入口，其邻近于第二下管板布置，和/或用于反应空气的出口，其邻近于第二上管板布置。
连接双管热交换器和管束热交换器的管导管可以设计成例如弯管。
此外，将管束热交换器沿竖直方向设置，使烟道气沿向下方向流过管束热交换器所具有的优点在于通过管束热交换器之后，烟道气可以在管束热交换器的下端侧向导出。在用于空气预热的传统管束式热交换器中(其中烟道气沿上升方向流过热交换器)，需要复杂的管导管，该管导管在热交换器的上端必须向下引导。
【附图说明】
下面将参照附图更详细地解释本发明，其中：
图1是示出根据本发明的炭黑生产设备的主要配置的示意图，
图2是根据本发明的炭黑生产设备的热交换系统的示意性侧视图，
图2A是根据图1的热交换系统的第一热交换部的具有第一套管的第一管的示意性详细视图，
图3A是根据图1的热交换系统的第二热交换部的第二上管板和第二管的示意性详细视图，以及
图3B是根据图2的热交换系统的第二热交换部的第二下管板和第二管的示意性详细视图。
【具体实施方式】
图1示出了根据本发明的炭黑生产设备100的主要配置。炭黑生产设备基本上由反应器102、热交换系统1和分离装置104组成。
在所述反应器102中，发生不完全燃烧，导致烟道气的产生。烟道气经由管导管系统106供应到热交换系统1。经由第二管导管系统106，已经在热交换系统1中冷却的烟道气被供应到分离装置104，在分离装置104中炭黑和气体将被分离。
热交换系统1还被供给反应空气。反应空气经由热交换系统1预热，然后作为预热的反应空气供给反应器。在图1中，反应空气的流动方向由相应的箭头表示，箭头A表示反应空气的流入，箭头B表示反应空气的流出。此外，第二流体被供应到热交换系统1。此外，该流体将在热交换系统1中预热并作为加热流体导出。流体可以是例如水，其中被加热的水将以蒸汽状态从热交换系统1导出。借助于热交换系统1，烟道气被冷却，从而增强反应的完成。流体的流入由箭头c表示。流体的流出由箭头d表示。
因此，根据本发明的炭黑生产设备100的优点在于，一方面，通过供应预热的反应空气，可以提高反应器102中反应的热效率。另一方面，包含在所产生的烟道气中的热能可另外用于加热流体，例如用于蒸发水。所产生的蒸汽可以供应到例如单独的过热器，并因此在常规的水-蒸汽循环中使用以产生电力。所产生的蒸汽也可用于其它目的。
在图2中，更详细地示意性地示出了图1的炭黑生产设备100的热交换系统1。
热交换系统1包括第一热交换部3和第二热交换部4。在所述第一热交换部3中，流体将被加热。在所述第二热交换部4中，反应空气将被预热。
为此，第一热交换部3被设计为双管热交换器5。双管热交换器5包括多个第一管7，如在图2A所示的详细视图中最清楚地示出的那样。所述第一管7中的每一个在第一套管9中以单通道配置布置。
双管热交换器以竖直方向布置，并且烟道气将在其下端供给。为此，双管热交换器5包括第一进入室11。第一管7连接到第一进入室11。第一下管板13界定所述进入室11，其中该第一下管板13容纳第一管7。
在第一管7的上端布置有第一上管板15。第一上管板15容纳第一管7的上端。与第一上管板15相邻地布置有用于烟道气的集热管17。
进入第一进入室11的烟道气将分布在管7之间并且流过它们。流体将被引导到套管9并且将流入在第一管7和套管9之间形成的间隙9a中。
第一热交换部3还可包括蒸汽鼓19，其用作水和蒸汽的储存器、分配器和分离器。蒸汽鼓19将被供应给水，如箭头c所示。水将被引导到邻近第一下管板13布置的至少一个入口室(未示出)中。所述入口室将水分配到套管9中。在套管9的上端中的每一个中，形成用于蒸发的流体的出口室21，该出口室21将收集蒸发的流体并将其返回到蒸汽鼓19中。蒸发的流体如箭头d所示从蒸汽鼓19导出。双管热交换器5以平行流操作。由此，在蒸发流体的过程中，可以使用自然循环，使得不需要额外的装置来产生流动，例如循环泵。
还可以提供出口室21的壁彼此连接并且形成第一上管板，因此可以省略单独的管板。
通常，出口室21和入口室的设计可以是镜像倒置的，使得入口室也可以形成第一下管板13。
在集热管17中收集的烟道气经由形成为弯曲部的管导管23供给到第二热交换部4。第二热交换部4被设计为管束热交换器25。管束热交换器25再次垂直布置，并设计成逆流热交换器。经由管导管23供应的烟道气将因此沿向下方向流过管束热交换器25。如箭头A和B所示，待加热的反应空气将被送入管束热交换器25的下部，并在上部被导出。
在图3A中，详细示出了管束热交换器25的上部。管束热交换器25包括在第二套管29中以单通道配置延伸的多个第二管27。因此，第二套管29形成由第二管27穿过的腔室31。
管束热交换器25以悬挂的方式布置。为此，管束热交换器25提供有与套管29接合的保持结构33。管束热交换器的悬挂布置具有以下优点:管束热交换器25以及特别是套管29的热膨胀将沿向下方向发生。由此，将减少由双管热交换器和管束热交换器的不同热膨胀引起的可能问题，从而在很大程度上消除了对管导管23上的复杂补偿器的需要。由于管导管23传导高温的烟道气，所以管导管应当由高级别材料制成。因此，通过省略进一步的安装，可以明显地降低结构复杂性和成本。
多个平行的第二管27由第二上管板35以悬挂的方式保持。为此，每个管提供有悬挂装置37。所述第二上管板35界定布置在管束热交换器25上端的、用于烟道气的第二进入室39。烟道气将从所述第二进入室39分配到第二管27中。
由于第二进入室39中的烟道气的相对高的温度，提供第二上管板35将被冷却。为此，第二上管板35形成为包括内部冷却室41的双层底。冷却室41经由多个冷却流体入口45被供给冷却流体，例如冷却空气。允许冷却流体通过冷却流体出口43从冷却室41排出。冷却流体可以是例如经由所述冷却流体出口43将与反应空气混合的空气。
通过将第二管27悬挂布置在第二上管板35上，还可以实现第二管27在向下方向上发生膨胀。
为了补偿第二管27的热膨胀，每个第二管27提供有单独的管补偿器46。后者可以在图3B中看到，图3B是管束热交换器25的下部的详细视图。第二管27的下端容纳在第二下管板47中，其中独立的管补偿器46在第二管27和第二下管板47之间形成连接。
反应空气经由入口49供应到由套管29封闭的空间31中。在通过管束热交换器25之后，反应空气将经由出口51导出。第二下管板47界定用于烟道气的另一收集器室53。界定所述另一收集器室53的壁55提供有主补偿器57，主补偿器57保证在一个或多个第二管27强烈膨胀或单个管补偿器46失效的情况下，在管27和套管29之间能够发生长度补偿。在这种情况下，一个或多个第二管27可以向下按压第二下管板47，该运动由主补偿器57调节。
通过第一和第二热交换部3、4的垂直布置以及双管热交换器5在相应上端处与管束的额外连接，第一热交换部和第二热交换部3、4可以彼此非常靠近地定位，使得在碳黑生产设备100中的热交换系统1的空间需求将相对较低。

Claims (10)

1.一种炭黑生产设备(100)，包括用于生产烟道气的至少一个反应器(102)，并且包括热交换系统(1)，该热交换系统具有用于在所述烟道气和流体之间进行热交换的第一热交换部(3)和用于在所述烟道气和用于所述反应器(102)的反应空气之间进行热交换的第二热交换部(4)，其中所述反应空气可以通过所述第二热交换部(4)预热，
其中所述第一热交换部(3)被设计为双管热交换器(5)，所述双管热交换器包括第一管(7)，所述第一管(7)各自以单通道配置布置在相应的第一套管(9)中，并且其中所述第二热交换部(4)被设计为管束热交换器(25)，所述管束热交换器包括布置在第二套管(29)中的管束，并且所述管束包括各自以单通道配置布置在所述套管(29)中的第二管(27)，所述第一管(7)和第二管(27)适于使所述烟道气流过它们，
其中所述双管热交换器(5)和所述管束热交换器(25)竖直布置，其中所述第一管(7)和第二管(27)各自的上端经由管导管(23)彼此连接，所述烟道气沿上升方向流过所述双管热交换器(5)并且沿下降方向流过所述管束热交换器(25)。
2.根据权利要求1所述的炭黑生产设备，其特征在于，所述双管热交换器(5)被设计为自然循环蒸汽发生器。
3.根据权利要求2所述的炭黑生产设备，其特征在于，所述双管热交换器(5)包括用于所述烟道气的竖直竖立的第一进入室(11)，所述第一进入室(11)已经连接到所述第一管(7)并且由容纳所述第一管(7)的第一下管板(13)界定。
4.根据权利要求3所述的炭黑生产设备，其特征在于，邻近所述第一下管板(13)，布置有用于所述流体的至少一个入口室，所述入口室具有连接到其的所述第一套管(9)。
5.根据权利要求1所述的炭黑生产设备，其特征在于，所述管束热交换器(25)被设计为逆流热交换器。
6.根据权利要求1所述的炭黑生产设备，其特征在于，所述管束热交换器(25)以悬挂的方式布置。
7.根据权利要求1所述的炭黑生产设备，其特征在于，所述管束热交换器(25)包括用于所述烟道气的竖直布置的第二进入室(39)，所述室布置在所述管束热交换器(25)的上端部中，具有连接到其的所述第二管(27)并由容纳所述第二管(27)的第二上管板(35)界定。
8.根据权利要求7所述的炭黑生产设备，其特征在于，所述第二管(27)通过悬挂在所述第二上管板(35)上而紧固。
9.根据权利要求8所述的炭黑生产设备，其特征在于，第二下管板(47)容纳所述第二管(27)的下端，其中所述第二管(27)各自包括用于与所述第二下管板(47)连接的单独管补偿器(46)。
10.根据权利要求9所述的炭黑生产设备，其特征在于，用于所述反应空气的入口(49)布置成邻近所述第二下管板(47)，和/或用于所述反应空气的出口(51)布置成邻近所述第二上管板(35)。
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