CN117450499B - 一种复合式上升管过热器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焦化余热回收设备技术领域，提供一种复合式上升管过热器及其使用方法，所述复合式上升管过热器在中间筒体和外筒体之间设置蒸汽流通腔体，用于流通需过热的低压饱和蒸汽，相对于盘管，蒸汽流通腔体对低压饱和蒸汽的流动阻力更小；同时在中间筒体和内筒体之间设置液态金属导热材料和储热导热材料，利用液态金属导热材料高导热系数及流动性和储热导热材料高的储热能力的特点，将荒煤气的高温显热高效传导给需过热的低压饱和蒸汽，同时由于储热导热材料高的储热能力将荒煤气高温段的热量进行大量存储，在结焦末期荒煤气低温段释放热量，稳定传热热侧，避免因结焦周期导致的荒煤气温度周期变化，进而影响过热蒸汽温度的稳定和过热蒸汽产量。
Description
技术领域
本发明属于焦化余热回收设备技术领域，涉及一种复合式上升管过热器及其使用方法。
背景技术
目前，现有的上升管换热器包括盘管换热器和夹套换热器，在工程应用中盘管换热器和夹套换热器只能生产饱和蒸汽，个别项目中用于过热蒸汽生产，但实际效果不理想，不能满足生产需求（过热温度不够且产量不稳定）。
夹套换热器用于生产过热蒸汽，存在设备不耐压，随着结焦周期的变化过热蒸汽的温度也周期性的变化，过热蒸汽温度不稳定，且过热能力低。盘管换热器用于生产过热蒸汽，其通过盘管与内外筒体之间的导热材料进行热量传递，由于导热材料的导热性能限制因素，导致盘管换热器的产汽量较低；同时，当结焦过程荒煤气的量以及温度变化较大，导致盘管内部温度场周期变化较大，也同样出现过热蒸汽温度不稳定，不能满足焦化化产粗苯工段洗油再生用的过热蒸汽需求。
因此，目前市场上还没有能够将0.6-0.8MPa的低压饱和蒸汽过热至焦化化产粗苯工段洗油再生用的380-450℃过热蒸汽的上升管过热器。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种复合式上升管过热器及其使用方法，以解决现有的上升管换热器过热能力低、温度不稳定且温度低的技术问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种复合式上升管过热器，包括：内筒体、套设在所述内筒体外侧的隔离层筒体、套设在所述隔离层筒体外侧的中间筒体以及套设在所述中间筒体外侧的外筒体；
所述外筒体的内壁面与所述中间筒体的外壁面之间设置有蒸汽流通腔体，所述外筒体一端设置有蒸汽进口，另一端设置有蒸汽出口；
所述中间筒体的内壁面与所述隔离层筒体的外壁面之间设置有储热导热材料，所述隔离层筒体的内壁面与所述内筒体的外壁面之间设置有液态金属导热材料；或者，所述中间筒体的内壁面与所述隔离层筒体的外壁面之间设置有液态金属导热材料，所述隔离层筒体的内壁面与所述内筒体的外壁面之间设置有储热导热材料；
所述中间筒体的筒壁沿周向或轴向为波浪形设置；所述储热导热材料为Al/Si/Fe复合材料、LiH、Al、Mg、Ca(NO3)2、33.4%LiF/49.5%NaF/17.1%MgF2复合材料、46%LiF/44%NaF/10%MgF2复合材料、MgZn2、Al/Si复合材料和Al/Si/Mg复合材料中的一种或几种混合；所述33.4%LiF/49.5%NaF/17.1%MgF2复合材料，按照质量百分比计，包括33.4%的LiF、49.5%的NaF和17.1%的MgF2；所述46%LiF/44%NaF/10%MgF2复合材料，按照质量百分比计，包括46%的LiF、44%的NaF和10%的MgF2；
所述复合式上升管过热器还包括第一法兰和第二法兰；所述第一法兰与所述外筒体、中间筒体、隔离层筒体及内筒体的一端密封固定连接，所述第二法兰与所述外筒体、中间筒体及隔离层筒体的另一端密封固定连接；所述内筒体与第二法兰密封且非固定连接。
优选的，所述液态金属导热材料为SnPbBi、SnPb、SnZn、InPb、SnPbSb、BiPbSnSb和SnAgSb中的一种或几种的混合，所述液态金属导热材料的熔化温度为350-450℃。
优选的，所述储热导热材料的相变温度为550-650℃。
优选的，所述外筒体的外侧套设有保温层。
进一步的，所述保温层的外侧套设有外保护层。
所述的复合式上升管过热器的使用方法，包括：
待换热荒煤气从所述内筒体的一端进入，并沿内筒体轴向向内筒体另一端流动；所述待换热荒煤气流动过程中与储热导热材料及液态金属导热材料进行换热，以使所述待换热荒煤气的温度降低，并从所述内筒体的另一端流出；待过热的低压饱和蒸汽通过蒸汽进口进入蒸汽流通腔体内，沿着与待换热荒煤气流动方向相反的方向流动，从蒸汽出口流出，使得低压饱和蒸汽过热至所需温度。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明所述复合式上升管过热器，在中间筒体和外筒体之间设置蒸汽流通腔体，用于流通需过热的低压饱和蒸汽，相对于盘管，蒸汽流通腔体对低压饱和蒸汽的流动阻力更小。同时在中间筒体和内筒体之间设置液态金属导热材料和储热导热材料，利用液态金属导热材料的高导热系数及流动性和储热导热材料高的储热能力的特点，将荒煤气的高温显热高效的传导给需过热的低压饱和蒸汽，同时由于储热导热材料高的储热能力将荒煤气高温段的热量进行大量存储，在结焦末期荒煤气低温段释放热量，确保中间筒体和内筒体之间的空间内温度一直处于550-650℃之间，稳定传热热侧，避免了因结焦周期导致的荒煤气温度周期变化，进而影响过热蒸汽温度的稳定和过热蒸汽产量。由于液态金属导热材料和储热导热材料将传热热侧温度稳定在一定的高温范围内，使得上升管过热器处于相对稳定的温度范围内，从而避免因温度较大变化导致的材料应力变化，避免出现应力疲劳而造成上升管过热器的损坏，大大提高了上升管过热器的使用寿命和过热效率。本发明所述的上升管过热器可提高过热器的过热温度，有效弥补了现有上升管换热器的产过热蒸汽能力不足，温度不够的缺点，能够满足焦化化产粗苯工段洗油再生用的过热蒸汽温度的需求，可实现替代管式炉，对焦化厂的环保、节能、减排具有重要的意义。此外，本发明所述中间筒体的筒壁沿周向或轴向为波浪形设置，不但能增大与冷侧的换热面积，同时还能提高低压饱和蒸汽的扰动度，提高换热效果。本发明所述内筒体与第二法兰密封且非固定连接，内筒体不承受本体及外界载荷，可进行自由膨胀，避免周期高低温对内筒体材料的损坏。
进一步的，通过设置保温层，实现降低热量损失，提高上升管过热器的过热能力；同时，通过设置保温层能够降低上升管过热器表面温度，避免对操作人员的烫伤风险。
附图说明
图1为本发明所述的上升管换热器的轴向剖视图。
图2为本发明所述的上升管换热器的径向剖视图。
其中，1为第一法兰，2为内筒体，3为液态金属导热材料，4为储热导热材料，5为外筒体，6为保温层，7为外保护层，8为第二法兰，9为螺栓孔，10为蒸汽进口，11为蒸汽出口，12为蒸汽流通腔体。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行描述，这些描述只是进一步解释本发明的特征和优点，并非用于限制本发明的权利要求。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。
请参阅图1和图2，本发明所述复合式上升管过热器，包括外筒体5、中间筒体、储热导热材料4、隔离层筒体、液态金属导热材料3及内筒体2；所述外筒体5套设在所述中间筒体的外侧，所述中间筒体套设在所述隔离层筒体的外侧，所述隔离层筒体套设在所述内筒体2的外侧；所述外筒体5的内壁面与所述中间筒体的外壁面之间设置有蒸汽流通腔体12，所述外筒体5一端设置有蒸汽进口10，另一端设置有蒸汽出口11；所述中间筒体的内壁面与所述隔离层筒体的外壁面之间设置有储热导热材料4，所述隔离层筒体的内壁面与所述内筒体2的外壁面之间设置有液态金属导热材料3；或者，所述中间筒体的内壁面与所述隔离层筒体的外壁面之间设置有液态金属导热材料3，所述隔离层筒体的内壁面与所述内筒体2的外壁面之间设置有储热导热材料4。
本发明一些具体实施例中，所述外筒体5、中间筒体、隔离层筒体及内筒体2同轴设置。
本发明一些具体实施例中，所述中间筒体的筒壁沿周向或轴向为波浪形设置，更优选矩形波设置，不但能增大与冷侧（即蒸汽流通腔体12）的换热面积，同时还能提高蒸汽流通腔体12内流通的低压饱和蒸汽的扰动度，提高换热效果。
本发明一些具体实施例中，优选蒸汽进口10和蒸汽出口11位于所述外筒体5的同一侧。所述蒸汽进口10与换热蒸汽管路相连；所述蒸汽出口11与外部的过热蒸汽管路相连。
本发明一些具体实施例中，所述储热导热材料4为合金类储热材料，例如由单一金属或多种金属等组成的二元、三元或四元合金。具体的为Al/Si/Fe复合材料、LiH、Al、Mg、Ca(NO3)2、33.4%LiF/49.5%NaF/17.1%MgF2复合材料、46%LiF/44%NaF/10%MgF2复合材料、MgZn2、Al/Si复合材料和Al/Si/Mg复合材料中的一种或几种混合；所述33.4%LiF/49.5%NaF/17.1%MgF2复合材料，按照质量百分比计，包括33.4%的LiF、49.5%的NaF和17.1%的MgF2；所述46%LiF/44%NaF/10%MgF2复合材料，按照质量百分比计，包括46%的LiF、44%的NaF和10%的MgF2。
本发明一些具体实施例中，所述储热导热材料4的相变温度为550-650℃，所述储热导热材料4的粒径为20-30目。
本发明一些具体实施例中，所述液态金属导热材料3是一种不定型、可流动的液态金属，液态金属的粒径约为50目，熔化温度为350-450℃。
本发明一些具体实施例中，所述液态金属导热材料3由一种或多种金属成分组成，例如为SnPbBi、SnPb、SnZn、InPb、SnPbSb、BiPbSnSb、SnAgSb中的一种或几种混合。
本发明一些具体实施例中，所述复合式上升管过热器还包括第一法兰1和第二法兰8；所述第一法兰1与所述外筒体5、中间筒体、隔离层筒体及内筒体2的一端密封固定连接，所述第二法兰8与所述外筒体5、中间筒体、隔离层筒体的另一端焊接连接。所述第二法兰8上设置有螺栓孔9，用于与三通桥管相连，所述第一法兰1用于与底座相连。所述内筒体2未与第二法兰8直接固定连接，而采用密封结构密封，避免荒煤气泄露，内筒体2不承受本体及外界载荷，可进行自由膨胀，避免周期高低温对内筒体材料的损坏。所述外筒体5、中间筒体、隔离层筒体与第一法兰1和第二法兰8焊接连接，承受本体重量和外界载荷，由于液态金属导热材料3和储热导热材料4的设置，外筒体5、中间筒体、隔离层筒体处于相对稳定的温度场中，避免了周期高低温变化对材料力学性能的影响而受到损坏，延长上升管过热器的使用寿命。
本发明一些具体实施例中，所述复合式上升管过热器还包括外保护层7及保温层6；所述外保护层7套设在所述外筒体5的外侧，所述保温层6设置在所述外筒体5的外壁面与所述外保护层7的内壁面之间。所述保温层6由绝热毡和硅酸铝针刺毡组成。所述外保护层7采用不锈钢制作而成。
本发明一些具体实施例中，所述第一法兰1与所述外保护层7的下端、所述外筒体5的下端、中间筒体的下端、隔离层筒体的下端以及内筒体2的下端均采用焊接固定，所述第二法兰8与所述外保护层7的上端、所述外筒体5的上端、中间筒体的上端、隔离层筒体的上端均采用焊接固定。
本发明一些具体实施例中，所述内筒体2和外筒体5采用合金钢制作而成；其中，所述合金钢的耐温温度不小于1500℃；优选的，所述合金钢具有耐硫腐蚀和氢腐蚀的性能。
实施例
如图1和图2所示，为本发明所述复合式上升管过热器的一个具体实施例，该实施例中，所述复合式上升管过热器，包括外筒体5、中间筒体、储热导热材料4、隔离层筒体、液态金属导热材料3、内筒体2、保温层6、外保护层7、第一法兰1和第二法兰8；所述外筒体5同轴套设在所述中间筒体的外侧，所述中间筒体同轴套设在所述隔离层筒体的外侧，所述隔离层筒体同轴套设在所述内筒体2的外侧；所述外筒体5的内壁面与所述中间筒体的外壁面之间设置有蒸汽流通腔体12，所述中间筒体的内壁面与所述隔离层筒体的外壁面之间设置有储热空间，所述储热导热材料4设置在储热空间内，所述隔离层筒体的内壁面与所述内筒体2的外壁面之间设置有传热空间；所述液态金属导热材料3设置在所述传热空间内。所述外筒体5一端连接有蒸汽进口10，另一端连接有蒸汽出口11。所述中间筒体沿周向为矩形波设置。
所述外保护层7套设在所述外筒体5的外侧，所述保温层6设置在所述外筒体5的外壁面与所述外保护层7的内壁面之间。
所述第一法兰1与所述外保护层7的下端、所述外筒体5的下端、中间筒体的下端、隔离层筒体的下端以及所述内筒体2的下端均采用焊接固定，所述第二法兰8与所述外保护层7的上端、外筒体5的上端、中间筒体的上端以及隔离层筒体的上端均采用焊接固定。
所述内筒体2未与第二法兰8直接焊接连接，而采用密封结构密封，避免荒煤气泄露，内筒体2不承受本体及外界载荷，可进行自由膨胀，避免周期高低温对内筒体材料的损坏。所述外筒体5、中间筒体、隔离层筒体与第一法兰1和第二法兰8焊接连接，承受本体重量和外界载荷，由于液态金属导热材料3和储热导热材料4的设置，外筒体5、中间筒体、隔离层筒体处于相对稳定的温度场中，避免了周期高低温变化对材料力学性能的影响而受到损坏，延长上升管过热器的使用寿命。
本发明工作原理及使用方法：
本发明所述的上升管过热器，使用时，待换热的荒煤气从所述内筒体2的下端进入，并沿内筒体2上升；所述待换热荒煤气上升过程中与储热导热材料4及液态金属导热材料3进行换热，以使待换热荒煤气的温度降低，并通过所述内筒体2的上端流出；所述需过热的低压饱和蒸汽通过蒸汽进口10进入蒸汽流通腔体12内自上而下运行，通过蒸汽出口11流出，使得低压饱和蒸汽过热至所需温度，得到过热蒸汽。
本发明所述的上升管换热器及其使用方法，将液态金属导热材料和储热导热材料作为导热和储热材料；利用液态金属导热材料的高导热性能、流动性和储热导热材料高的储热能力的特点，将荒煤气的高温显热高效的传导给需过热的低压饱和蒸汽，同时由于储热导热材料高的储热能力将荒煤气高温段的热量进行大量存储，在结焦末期荒煤气低温段释放热量，确保中间筒体和内筒体之间的空间内温度一直处于550-650℃之间，稳定传热热侧，避免了因结焦周期导致的荒煤气温度周期变化，进而影响过热蒸汽温度的稳定和过热蒸汽产量。由于传热热侧温度稳定在一定的高温范围内，使得上升管过热器处于相对稳定的温度范围内，从而避免因温度较大变化导致的材料应力变化，避免出现应力疲劳而造成上升管过热器的损坏，大大提高了过热器的使用寿命和过热效率。
本发明所述的上升管过热器中，可提高过热器的过热温度，有效弥补了现有上升管换热器的产过热蒸汽能力不足，温度不够的缺点，能够满足焦化化产粗苯工段洗油再生用的过热蒸汽温度的需求，可实现替代管式炉，对焦化厂的环保、节能、减排具有重要的意义。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。
Claims (6)
1.一种复合式上升管过热器，其特征在于，包括：内筒体（2）、套设在所述内筒体（2）外侧的隔离层筒体、套设在所述隔离层筒体外侧的中间筒体以及套设在所述中间筒体外侧的外筒体（5）；
所述外筒体（5）的内壁面与所述中间筒体的外壁面之间设置有蒸汽流通腔体（12），所述外筒体（5）一端设置有蒸汽进口（10），另一端设置有蒸汽出口（11）；
所述中间筒体的内壁面与所述隔离层筒体的外壁面之间设置有储热导热材料（4），所述隔离层筒体的内壁面与所述内筒体（2）的外壁面之间设置有液态金属导热材料（3）；或者，所述中间筒体的内壁面与所述隔离层筒体的外壁面之间设置有液态金属导热材料（3），所述隔离层筒体的内壁面与所述内筒体（2）的外壁面之间设置有储热导热材料（4）；
所述中间筒体的筒壁沿周向或轴向为波浪形设置；所述储热导热材料（4）为Al/Si/Fe复合材料、LiH、Al、Mg、Ca(NO3)2、33.4%LiF/49.5%NaF/17.1%MgF2复合材料、46%LiF/44%NaF/10%MgF2复合材料、MgZn2、Al/Si复合材料和Al/Si/Mg复合材料中的一种或几种混合；所述33.4%LiF/49.5%NaF/17.1%MgF2复合材料，按照质量百分比计，包括33.4%的LiF、49.5%的NaF和17.1%的MgF2；所述46%LiF/44%NaF/10%MgF2复合材料，按照质量百分比计，包括46%的LiF、44%的NaF和10%的MgF2；
所述复合式上升管过热器还包括第一法兰（1）和第二法兰（8）；所述第一法兰（1）与所述外筒体（5）、中间筒体、隔离层筒体及内筒体（2）的一端密封固定连接，所述第二法兰（8）与所述外筒体（5）、中间筒体及隔离层筒体的另一端密封固定连接；所述内筒体（2）与第二法兰（8）密封且非固定连接。
2.根据权利要求1所述的复合式上升管过热器，其特征在于，所述液态金属导热材料（3）为SnPbBi、SnPb、SnZn、InPb、SnPbSb、BiPbSnSb和SnAgSb中的一种或几种的混合，所述液态金属导热材料（3）的熔化温度为350-450℃。
3.根据权利要求1所述的复合式上升管过热器，其特征在于，所述储热导热材料（4）的相变温度为550-650℃。
4.根据权利要求1所述的复合式上升管过热器，其特征在于，所述外筒体（5）的外侧套设有保温层（6）。
5.根据权利要求4所述的复合式上升管过热器，其特征在于，所述保温层（6）的外侧套设有外保护层（7）。
6.权利要求1-5任一项所述的复合式上升管过热器的使用方法，其特征在于，包括：
待换热荒煤气从所述内筒体（2）的一端进入，并沿内筒体（2）轴向向内筒体的另一端流动；所述待换热荒煤气流动过程中与储热导热材料（4）及液态金属导热材料（3）进行换热，以使所述待换热荒煤气的温度降低，并从所述内筒体（2）的另一端流出；待过热的低压饱和蒸汽通过蒸汽进口（10）进入蒸汽流通腔体（12）内，沿着与待换热荒煤气流动方向相反的方向流动，从蒸汽出口（11）流出，使得低压饱和蒸汽过热至所需温度。
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