CN116592334A - 一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备及回收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备及回到方法，合成氨热回收设备包括废热锅炉和锅炉给水加热器；废热锅炉包括炉壳、炉腔及蒸汽出口管；锅炉给水加热器包括换热器壳体、换热管、左封头和右封头；换热器壳体由依次连接的左侧圆筒、中间圆筒和右侧圆筒组成，中间圆筒通过固定板组件轴向固定套装在炉壳内，其顶部设置出水口，底部设置进水口，出水口和进水口与炉腔相通。本发明将锅炉给水加热器和废热锅炉两设备组合成一体，省去加热后的锅炉给水管线，减少了热量在管路中的损失，提高了换热效率；同时解决了锅炉给水管线因汽化产生的振动问题。
Description
技术领域
本发明涉及合成氨热回收技术领域，具体涉及一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备及回收方法。
背景技术
合成氨生产从造气开始直到氨的合成都伴随着热的过程。合理地利用和控制合成氨生产过程中放出的热量，不仅可以节约生产中的能源消耗，降低生产成本，而且可以提高co变换率及氨的合成率，前者属于余热利用，而后者属于化学反应的热控制。
传统回收合成氨反应热的方法，是使合成塔出口的高温合成气依次经过废热锅炉、热交换器、水冷器等设备，转换为热水或蒸汽从而回收利用反应热能。如中国专利CN108844054A一种合成氨系统热量回收装置及热量回收工艺；包括氨合成塔，所述氨合成塔的合成气管路通过废热锅炉管程进口、废热锅炉管程的第一出口和锅炉给水预热器的管程与换热器的进口相连，废热锅炉管程的第二出口通过阻力平衡装置与换热器的进口相连；所述锅炉给水预热器的壳程进口与脱盐水管道相连，锅炉给水预热器的壳程出口与汽包的补水口相连，汽包的进气口和回水口分别与废热锅炉壳程相连，汽包的顶部与蒸汽管网相连。传统合成氨反应热回收方法的换热效率不高，热量损失大。
中国专利CN110500904A公开了一体式氨合成热回收设备，包括相互连接的第一列管换热器和第二列管换热器，第一列管换热器具有过热蒸汽出口和回气口；第二列管换热器分为蒸汽发生段和预热段；第二列管换热器的管程连通第一列管换热器的管程；第二列管换热器的壳程与第一列管换热的壳程不相连通；在第二列管换热器的上方设置有连通蒸汽发生段的汽包，该汽包经上升管和下降管连通第二列管换热器的蒸汽发生段的壳程；汽包的顶部设置有蒸汽出口，该蒸汽出口连通第一列管换热器的回气口。上述专利存在的技术缺陷是：1)换热管给水加热后汽化产生强烈的振动，影响设备的安全使用；2)高温水在上升管和下降管中会有一定的热量损失，使热回收效率降低；3)低密度水和高密度水在一个腔体内流动，传热效率低。
发明内容
为解决现有一体式氨合成热回收设备存在的技术问题，本发明提供一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备。
本发明采用的技术方案是：
一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备，包括废热锅炉和锅炉给水加热器；
废热锅炉包括沿X轴方向延伸的炉壳，由炉壳包围的炉腔，以及设置在炉壳顶部中心与炉腔连通的蒸汽出口管；
锅炉给水加热器包括沿X轴方向延伸的换热器壳体，设置在换热器壳体内的换热管，以及用于封闭换热器壳体两端的左封头和右封头；换热器壳体由依次连接的左侧圆筒、中间圆筒和右侧圆筒组成，中间圆筒通过固定板组件轴向固定套装在炉壳内，其顶部设置出水口，底部设置进水口，出水口和进水口均与炉腔相通；左侧圆筒一端伸入炉壳与中间圆筒轴向不接触连接，另一端通过左管板连接左封头；右侧圆筒一端伸入炉壳与中间圆筒轴向不接触连接，另一端通过右管板连接右封头；换热管两端分别密封穿过左管板和右管板与左封头腔体和右封头腔体连通；
左封头腔体内设有高温气导流组件和合成气出口管，高温气导流组件包括导流筒和锥形导流罩，导流筒轴向设于左封头腔体内，其一端通过端盖封闭，另一端与锥形导流罩连接，锥形导流罩密封罩设在左管板上，导流罩内腔与换热管管腔连通，合成气出口管密封插入左封头腔体内与导流筒内腔连接；
右封头腔体设有换热反应气出口，右侧圆筒内设置有给水加热腔，给水加热腔靠近右管板一端设有锅炉给水进口，另一端设有锅炉给水出口，锅炉给水出口连接有布水管，布水管设置在中间圆筒的下方，布水管上设有若干个与炉腔相通的布水孔；
炉腔内设有弧形折流罩，弧形折流罩罩设在中间圆筒的上方，将炉腔分为上腔体和下腔体，上腔体与蒸汽出口管连通，下腔体通过弧形折流罩四周通道与上腔体连通。
进一步地，合成气出口管包括管体和管法兰，管体通过管法兰与左封头密封连接，管体伸入左封头腔体内与导流筒通过膨胀节连接。
进一步地，炉腔内设有弧形折流罩，弧形折流罩罩设在中间圆筒的上方，将炉腔分为上腔体和下腔体，上腔体与蒸汽出口管连通，下腔体通过弧形折流罩四周通道与上腔体连通。
进一步地，中间圆筒位于炉腔的中下部，中间圆筒顶部出水口连接有溢流罩，溢流罩顶部敞口，且敞口端向内收缩形成汽水混合物溢出缩口，汽水混合物溢出缩口位于炉腔的上部且其顶面低于弧形折流罩的底面。
进一步地，炉壳内设有上液位计、下液位计及表面连续排污管，上液位计安装于汽水混合物溢出缩口的顶面与弧形折流罩的底面之间，下液位计安装于汽水混合物溢出缩口的顶面与固定板组件的顶面之间，表面连续排污管设于上液位计和下液位计之间。
进一步地，炉壳的底部设有若干排污管。
进一步地，蒸汽出口管上安装有上分离筒，上分离筒中安装有丝网除沫器。
进一步地，固定板组件有若干组，每组固定板组件都包括对称设置的左支撑板和右支撑板，左支撑板和右支撑板上均开设有若干个导液孔。
进一步地，布水管有两根，对称设置在左支撑板和右支撑板上。
进一步地，高温气导流组件包括导流筒和锥形导流罩，导流筒轴向设于左封头腔体内，其一端通过端盖封闭，另一端与锥形导流罩连接，锥形导流罩罩设在左管板上，合成气出口管密封插入左封头腔体内、通过膨胀节与导流筒连接。
进一步地，左封头、高温气导流组件及左管板均由ALLOY690材料制成，且左封头腔体内侧壁堆焊有耐氢腐蚀的Inconel690合金层。
一种合成氨热回收方法，采用上述任意一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备，包括：
(1)锅炉给水经锅炉给水入口进入给水加热腔，从锅炉给水出口排入布水管，布水管中的锅炉给水通过布水孔均匀分布在废热锅炉的炉腔内，之后从中间圆筒底部进水口进入中间圆筒内，进入到中间圆筒内的低密度的饱和水径向向上流过换热管再次被加热形成汽水混合物，汽水混合物从溢流罩顶部的汽水混合物溢出缩口流出进入炉腔实现汽水分离；
(2)初步分离完饱和水的蒸汽上升进入炉腔顶部的下腔体，再从弧形折流罩的四周进入上腔体，最后从蒸汽出口管排出；
(3)分汽后的高密度饱和水在炉腔内向下流动，与从锅炉给水出口进入的锅炉给水混合；
(4)从合成塔出来的高温合成气经合成气出口管进入导流筒，经锥形导流罩分配到换热管中，流经换热管管程降低温度后进入右封头腔体，从换热反应气出口排出。
本发明的有益效果：
1、将锅炉给水加热器和废热锅炉两设备组合成一体，省去加热后的锅炉给水管线，减少了热量在管路中的损失，提高了换热效率；同时解决了锅炉给水管线因汽化产生的振动问题。
2、锅炉给水加热器高温部分设置高温腔(即左封头腔体)和高温气通道(即高温气导流组件)保护，高温换热管头设置抗氢腐蚀材料保护；采用以上保护措施，可有效地提高设备的防腐蚀能力，延长设备的使用寿命。
3、锅炉给水加热器的给水段出口水采用布水管布水，可有效防止换热管振动。
4、锅炉给水加热器内设置低密度水和高密度水不同腔体，使饱各水在壳程内进行多循环流动，提高了传热效率。
附图说明
图1是本发明的一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备的结构示意图。
图2是图1中A-A向视图。
图3是图1中的左封头的局部放大图。
图4是本发明的一种合成氨热回收方法的工艺流程示意图。
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，下面将结合附图及一种优选的实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
参阅图1～图3，本实施例提供一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备，包括废热锅炉100和锅炉给水加热器200。
废热锅炉100通过活动支座A101支撑在地面上，其包括一个沿X轴方向延伸的圆筒形炉壳110，炉壳顶部中心设置有蒸汽出口管113，蒸汽出口管113上安装有上分离筒115，上分离筒中安装有丝网除沫器116，用于去除蒸汽携带的水雾，提升蒸汽品质。圆筒形炉壳110围成的炉腔112内设有弧形折流罩114，弧形折流罩114通过支撑板1141支撑在炉腔112顶部，且罩设在中间圆筒212的上方，弧形折流罩114将炉腔112顶部分为上腔体1121和下腔体1122，上腔体1121与蒸汽出口管113连通，下腔体1122与上腔体1121通过支撑板1141之间的蒸汽通道相通。弧形折流罩114的圆弧中心与炉腔112中心重合。弧形折流罩114的设置可以使得分离的蒸汽不直接从蒸汽出口管113排出，蒸汽中携带的小液滴撞击在弧形折流罩114上从而进一步提高汽水分离的效果。
锅炉给水加热器200通过活动支座B201及活动支座C202设置在地面上，其包括一个沿X轴方向延伸的换热器壳体，设置在换热器壳体内的换热管220，用于封闭换热器壳体两端的左封头230和右封头240。活动支座B201支撑在左封头230的下方，活动支座C202支撑在右封头240的下方。
换热器壳体由依次连接的左侧圆筒211、中间圆筒212和右侧圆筒213组成，中间圆筒212通过固定板组件290支撑在炉腔112内，且中间圆筒212的中心高低于圆筒形炉壳110的中心高。中间圆筒212由左侧壳体和右侧壳体组成，左侧壳体和右侧壳体的顶部不连接，形成出水口，左侧壳体和右侧壳体的底部不连接，形成进水口，出水口处连接有溢流罩214，溢流罩214顶部敞口，且敞口端向内收缩形成汽水混合物溢出缩口，汽水混合物溢出缩口顶面高于固定板组件290的顶面，且低于弧形折流罩114的底面。汽水混合物溢出缩口的设置可以使得通过汽水混合物溢出缩口的汽水混合物流速增快，快速流动的汽水混合物进入容积突然增大的炉腔112后实现汽水的快速分离。固定板组件290有若干组，沿轴向均匀分布。每组固定板组件290都包括对称设置的左支撑板291和右支撑板292，左支撑板291和右支撑板292呈马鞍形，左支撑板291的内圆周面径向固定在中间圆筒212的左侧壳体上，其外圆周面与圆筒形炉壳110内壁可滑动连接；右支撑板292的内圆周面径向固定在中间圆筒212的右侧壳体上，其外圆周面与圆筒形炉壳110内壁可滑动连接，左支撑板291和右支撑板292上均开设有若干个导液孔293。固定板组件290在起到支撑中间圆筒212的同时，也起到扰动高密度饱和水流动的作用，从而使得分汽后的高密度饱和水与从锅炉给水出口273进入的锅炉给水充分混合，提高换热效果。
圆筒形炉壳110的侧壁上设有上液位计102、下液位计103及表面连续排污管104，上液位计102的安装口位于汽水混合物溢出缩口的顶面与弧形折流罩114的底面之间，下液位计103的安装口位于汽水混合物溢出缩口的顶面与固定板组件290的顶面之间，表面连续排污管104设于上液位计102和下液位计103之间。圆筒形炉壳110的底部设有若干排污管105。设置上液位计102和下液位计103，实时监测锅炉在运行过程中的饱和水的水位，防止内部干烧。
左侧圆筒211与中间圆筒212轴向不接触连接，即左侧圆筒211和中间圆筒212之间设有伸缩缝，左侧圆筒211的另一端伸出炉壳110通过左管板250连接左封头230。右侧圆筒213与中间圆筒212轴向不接触连接，即右侧圆筒213和中间圆筒212之间设有伸缩缝，右侧圆筒213的另一端伸出炉壳110通过右管板260连接右封头240。左封头230与左管板250形成左封头腔体231，右封头240与右管板260形成右封头腔体241，换热管220两端分别密封穿过左管板250和右管板260与左封头腔体231和右封头腔体241连通。
左封头腔体231内设有高温气导流组件400及合成气出口管300，高温气导流组件400包括轴向密封连接的导流筒410和锥形导流罩420，合成气出口管300包括管体310和管法兰320，管体310通过管法兰320与左封头230密封连接，管体310伸入左封头腔体内与导流筒410通过膨胀节连接，导流筒410的另一侧由端盖封闭，锥形导流罩420密封罩设在左管板250上，其锥形导流腔与换热管220及导流筒410的圆形导流腔连通。左封头腔体231设有高温腔测温口232，导流筒410的圆形导流腔设有废锅进口气测温口402，锥形导流罩420的锥形导流腔设有废锅进口气测压口401。左封头230、高温气导流组件400及左管板250均由耐高温性能好的ALLOY690材料制成，且左封头腔体231内侧壁堆焊有耐氢腐蚀的Inconel690合金层。通过设置高温气导流组件400及耐氢腐蚀合金层，可有效地提高设备的防腐蚀能力，延长设备的使用寿命，以及减小设备的制造成本。
合成气出口管310通过管法兰320与左封头230密封连接，且合成气出口管310与导流筒410通过膨胀节连接。
右封头腔体241设有换热反应气出口403。
右侧圆筒213内轴向密封套装有给水加热套筒270，给水加热套筒270一端敞口，一端由底盖封闭，敞口端靠近右管板260，给水加热套筒270与右管板260之间形成给水加热腔271，给水加热腔271内交错设有单弓形折流板274。给水加热腔271靠近右管板260一端的底部设有锅炉给水进口272，如图1所示，锅炉给水进口272位于最右侧一块单弓形折流板与右管板260之间，给水加热腔271底部的另一端设有锅炉给水出口273，如图1所示，锅炉给水进口273位于最左侧一块单弓形折流板与给水加热套筒270的底盖之间，锅炉给水出口273连接有布水管280，布水管280沿炉腔112底部轴向延伸，且穿设在固定板组件290的下端，布水管280上设有若干个布水孔281。在本实施例中，布水管280设有两根，对称分布。单弓形折流板274起到扰动锅炉给水，提高换热效果的作用。加热后的锅炉给水通过布水管280均匀分布在炉腔112底部，与分汽后的高密度饱和水混合后进入中间圆筒212内再次被换热管220加热汽化，可有效降低对换热管220冲击，减小换热管220的振动。
实施例2
参阅图4，本实施例提供一种合成氨热回收方法，采用实施例1所述的一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备，包括：
(1)锅炉给水经锅炉给水入口272进入给水加热腔271，轴向流过给水加热腔271，被换热管220加热后从锅炉给水出口273排入布水管280，布水管280中被加热了的锅炉给水通过布水孔281均匀分布在废热锅炉100的炉腔112的底部，之后从中间圆筒212底部进水口进入中间圆筒212内，进入到中间圆筒212内的低密度的饱和水径向向上流过换热管220再次被加热形成汽水混合物，汽水混合物从溢流罩214顶部的汽水混合物溢出缩口流出进入炉腔112实现汽水分离；
(2)初步分离完饱和水的蒸汽上升进入炉腔顶部的下腔体1122，再从弧形折流罩114的四周进入上腔体1121，最后从蒸汽出口管113进入上分离筒115，经丝网除沫器116除去水雾后排出；
(3)分汽后的高密度饱和水在炉腔112内向下流动，与从锅炉给水出口273进入的锅炉给水混合，如此循环流动提高换热效率；
(4)从合成塔出来的高温合成气经合成气出口管310进入左封头230，经高温气导流组件400分配到换热管220中，流经换热管220管程降低温度后进入右封头腔体241，从换热反应气出口403排出。
优选锅炉给水温度为140～210℃，给水压力为5.5±0.1MPa，MPa；合成气进气温度为450±5℃；反应气换热后的出口温度为160～260℃；排出蒸汽的温度为250℃，压力为4.2±0.1MPa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备，其特征在于，包括废热锅炉(100)和锅炉给水加热器(200)；
废热锅炉(100)包括沿X轴方向延伸的炉壳(110)，由炉壳包围的炉腔(112)，以及设置在炉壳顶部中心与炉腔(112)连通的蒸汽出口管(113)；
锅炉给水加热器(200)包括沿X轴方向延伸的换热器壳体，设置在换热器壳体内的换热管(220)，以及用于封闭换热器壳体两端的左封头(230)和右封头(240)；换热器壳体由依次连接的左侧圆筒(211)、中间圆筒(212)和右侧圆筒(213)组成，中间圆筒(212)通过固定板组件(290)轴向固定套装在炉壳(110)内，其顶部设置出水口，底部设置进水口，出水口和进水口均与炉腔(112)相通；左侧圆筒(211)一端伸入炉壳(110)与中间圆筒(212)轴向不接触连接，另一端通过左管板(250)连接左封头(230)；右侧圆筒(213)一端伸入炉壳(110)与中间圆筒(212)轴向不接触连接，另一端通过右管板(260)连接右封头(240)；换热管(220)两端分别密封穿过左管板(250)和右管板(260)与左封头腔体(231)和右封头腔体(241)连通；
左封头腔体(231)内设有高温气导流组件(400)和合成气出口管(300)，高温气导流组件(400)包括导流筒(410)和锥形导流罩(420)，导流筒(410)轴向设于左封头腔体(231)内，其一端通过端盖封闭，另一端与锥形导流罩(420)连接，锥形导流罩(420)密封罩设在左管板(250)上，导流罩内腔与换热管(220)管腔连通，合成气出口管(300)密封插入左封头腔体(231)内与导流筒(410)内腔连接；
右封头腔体(241)设有换热反应气出口(403)，右侧圆筒(213)内设置有给水加热腔(271)，给水加热腔(271)靠近右管板(260)一端设有锅炉给水进口(272)，另一端设有锅炉给水出口(273)，锅炉给水出口(273)连接有布水管(280)，布水管(280)设置在中间圆筒(212)的下方，布水管(280)上设有若干个与炉腔(112)相通的布水孔(281)；
炉腔(112)内设有弧形折流罩(114)，弧形折流罩(114)罩设在中间圆筒(212)的上方，将炉腔(112)分为上腔体(1121)和下腔体(1122)，上腔体(1121)与蒸汽出口管(113)连通，下腔体(1122)通过弧形折流罩(114)四周通道与上腔体(1121)连通。
2.根据权利要求1所述的一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备，其特征在于，合成气出口管(300)包括管体(310)和管法兰(320)，管体(310)通过管法兰(320)与左封头(230)密封连接，管体(310)伸入左封头腔体内与导流筒(410)通过膨胀节连接。
3.根据权利要求1所述的一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备，其特征在于，中间圆筒(212)位于炉腔(112)的中下部，中间圆筒(212)顶部出水口连接有溢流罩(214)，溢流罩(214)顶部敞口，且敞口端向内收缩形成汽水混合物溢出缩口，汽水混合物溢出缩口位于炉腔(112)的上部且其顶面低于弧形折流罩(114)的底面。
4.根据权利要求3所述的一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备，其特征在于，炉壳(110)内设有上液位计(102)、下液位计(103)及表面连续排污管(104)，上液位计(102)安装于汽水混合物溢出缩口的顶面与弧形折流罩(114)的底面之间，下液位计(103)安装于汽水混合物溢出缩口的顶面与固定板组件(290)的顶面之间，表面连续排污管(104)设于上液位计(102)和下液位计(103)之间。
5.根据权利要求4所述的一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备，其特征在于，炉壳(110)的底部设有若干排污管(105)。
6.根据权利要求1所述的一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备，其特征在于，蒸汽出口管(113)上安装有上分离筒(115)，上分离筒(115)中安装有丝网除沫器(116)。
7.根据权利要求1所述的一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备，其特征在于，固定板组件(290)有若干组，每组固定板组件都包括对称设置的左支撑板(291)和右支撑板(292)，左支撑板(291)和右支撑板(292)上均开设有若干个导液孔(293)。
8.根据权利要求7所述的一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备，其特征在于，布水管(280)有两根，对称设置在左支撑板(291)和右支撑板(292)上。
9.根据权利要求1所述的一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备，其特征在于，左封头(230)、高温气导流组件(400)及左管板(250)均由ALLOY690材料制成，且左封头腔体(231)内侧壁堆焊有耐氢腐蚀的Inconel690合金层。
10.一种合成氨热回收方法，其特征在于，采用权利要求1～9任意一项所述的一种防振动、防氢腐蚀、高温高压组合型合成氨热回收设备，其特征在于，包括：
(1)锅炉给水经锅炉给水入口(272)进入给水加热腔(271)，从锅炉给水出口(273)排入布水管(280)，布水管中的锅炉给水通过布水孔(281)均匀分布在废热锅炉的炉腔(112)内，之后从中间圆筒(212)底部进水口进入中间圆筒(212)内，进入到中间圆筒(212)内的低密度的饱和水径向向上流过换热管(220)再次被加热形成汽水混合物，汽水混合物从溢流罩(214)顶部的汽水混合物溢出缩口流出进入炉腔(112)实现汽水分离；
(2)初步分离完饱和水的蒸汽上升进入炉腔顶部的下腔体(1122)，再从弧形折流罩的四周进入上腔体(1121)，最后从蒸汽出口管(113)排出；
(3)分汽后的高密度饱和水在炉腔(112)内向下流动，与从锅炉给水出口(273)进入的锅炉给水混合；
(4)从合成塔出来的高温合成气经合成气出口管(300)进入导流筒(410)，经锥形导流罩(420)分配到换热管(220)中，流经换热管(220)管程降低温度后进入右封头腔体(241)，从换热反应气出口(403)排出。
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