CN1715743A - 热交换器及热交换方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过与第二流体进行间接热交换从而连续冷却第一流体的热交换方法,包括如下步骤:引导第一流体连续地进入至少两个同心的U形管束,所述的U形管束至少分别限定第一加热区和第二加热区;引导第二流体至U形管束的壳侧,每一个加热区借助壁与另一加热区部分地分开,第一加热区是较冷的区,第二加热区是较热的区,第一较冷加热区的管束由低合金钢制成,第二较热加热区的管束由耐热且耐腐蚀的合金制成;以及收集冷却的第二流体和加热的第一流体。本发明也涉及在上述方法中使用的热交换器。
Description
技术领域
本发明涉及一种热交换器及一种应用该热交换器进行热交换的方法。本发明尤其涉及一种用作蒸汽过热器并具有改进的抗金属粉化和应力腐蚀的热交换器。
背景技术
蒸汽重整通常是制造富含一氧化碳合成气的基本步骤。在该反应中,通过向由氢、二氧化碳、一氧化碳、蒸汽和甲烷形成的气体混合物供应热量,甲烷和蒸汽因此重整。重整后的合成气的温度通常处于750℃至1050℃之间。热的合成气体随后在锅炉内或者在锅炉和过热器内被冷却。
与用于重整气体的冷却器有关的恶劣状况之一是被称为金属粉化的腐蚀。金属粉化是富含一氧化碳的气体在由铁和/或镍形成的合金上产生的恶化侵蚀。由金属粉化引起的一个基本反应就是一氧化碳在还原反应或波吉特(Bouduard)反应中分解。当金属表面的温度低于这些反应的平衡温度时,金属粉化才会发生。平衡温度通常处于750℃至850℃之间。然而如果温度继续降低,如低于450℃,该反应将不会显著地发生。这意味着存在一种金属温度表面中间物,其应当避免与重整气体冷却器内的气体相接触。对于镍基高合金而言,该温度范围在450至800℃之间,对于低合金钢,该温度范围在400至800℃之间。
通过与沸水进行有效的热交换,废热锅炉的换热面得到冷却,并因此可以对废热锅炉的换热面进行常规设计以避免发生金属粉化。然而,当过热器用作合成气体的冷却器时,必须要考虑其会发生金属粉化腐蚀。
在过热器的设计中要考虑的另一个恶劣状况是过热湿蒸汽有可能发生应力腐蚀。镍基合金对应力腐蚀非常敏感,与之相反,低合金钢却不敏感。因此,镍基合金应当只与干蒸汽相接触。
因此,本发明的一个目的是提供一种具有改进的抗金属粉化和应力腐蚀的热交换器。
发明内容
本发明提供一种通过与第二流体进行间接热交换而连续冷却第一流体的热交换方法,包括如下步骤:
引导第一流体连续地进入至少两个同心的U形管束,所述的U形管束至少分别限定第一加热区和第二加热区,
引导第二流体至U形管束的壳侧,每一个加热区借助壁与另一加热区部分地分开,第一加热区是较冷的区,第二加热区是较热的区,第一较冷加热区的管束由低合金钢制成,第二较热加热区的管束由耐热且耐腐蚀的合金制成,
收集被冷却的第二流体和被加热的第一流体。
本发明还涉及在上述方法中使用的热交换器,在上述热交换方法中使用的该热交换器包括多个形成换热面的U形管,以便在第一和第二流体之间换热,U形管设置在至少两个连续的同心管束中,该管束分别至少限定第一和第二加热区,每一个加热区借助壁与另一加热区部分地分开,第一加热区是较冷的区,第二加热区是较热的区,第一较冷加热区的管束由低合金钢制成,第二较热加热区的管束由耐热且耐腐蚀的合金制成。
附图说明
图1示出了具有两个加热区的热交换器。
图2示出了通过热交换器的水平截面。
图3示出了具有三个加热区的热交换器。
具体实施方式
本发明涉及一种热交换器,该热交换器用作过热器,而且通过对金属合金以及气体/蒸汽流过预定模式的热交换管束的组合进行适当地选择,该热交换器设计成能够避免发生金属粉化和应力腐蚀。该热交换器适用于在第一和第二流体间进行热交换。例如所述的流体是蒸汽(第一流体)和合成气体(第二流体)。在热交换器中,来自蒸汽重整反应器的热的合成气体被蒸汽冷却。
热交换器是带有厚管板的U形管的类型。用于输送第一流体的多个U形管平行地布置,并与第二流体的中间入口和周边出口间隔开。借助圆盘和环形挡板可增强壳侧的换热。多个管布置在管束中,每一个管束对应于一特定的加热区。
作为蒸汽例子的第一流体在管中流动,作为合成气体示例的第二流体围绕着这些管流动,也就是说在这些管的壳侧流动,因此获得到了换热面。
本发明的基本原理是在热交换器内至少有两个管束,并且它们连接到同心环内的一个管板上。每一个管束的分隔间由中部或者端部有开口的金属壁分开,第二流体通过开口流过该壁,并且当从一个分隔间流到另一个分隔间时,第二流体被分成多个流束。
如图1和图3的箭头所示,在每一个管束分隔间内,第二流体相对于第一流体可以是逆流的并且也可以是顺流的。
以下将对本发明的热交换器进行更详细地描述:
在图1和图3中,第一流体和第二流体的流动方向如弯箭头所示。
图1示出了具有由一个壁分成的两个加热区的本发明的一个实施例。作为蒸汽例子的第一流体通过入口1进入热交换器。接着,第一流体进入包含第一管束内的U形管并限定第一加热区2的分隔间。在与第二流体进行间接热交换地流过第一加热区内的U形管后,第一流体进入包含第二管束内的U形管并限定第二加热区3的第二分隔间。
第二管束的U形管连续地设置于第一管束的U形管之后。在图1中,限定第二加热区3的管束设置在热交换器的里面,而限定第一加热区2的管束设置在外面,并且这两个管束通过壁12分开。壁12可以由金属制成,并且其放置及构造成提供了开口15和16,该开口可使第二流体从一个分隔间流向另一个分隔间时分成多个流束。与第二流体进行间接热交换的第一流体流过第二加热区3内的U形管。在流过第二加热区3后,第一流体被加热并通过出口4离开热交换器。
作为合成气体例子的第二流体,或者需要冷却的任何其它热气体通过入口5进入热交换器。入口5通向位于最里面的管束中部的中心管13。该中心管13具有开口14,以便允许第二流体离开中心管13并在限定加热区3的管束的壳侧上进入第二加热区3。为了确保既可以顺流也可以逆流,优选的是,开口14不是位于中心管13的端部。
第二流体经过开口14进入加热区3的中部,然后该流体被分成朝向管束的两端流动。因此,第二流体与外表面,也就是说最里面管束U形管的壳侧接触,并通过与第一流体进行间接热交换而得到冷却。其后,第二流体流过壁12上的端部开口15和16,壁12将限定第一和第二加热区2和3的两个管束分开。开口15位于壁12较低处的端部,开口16位于壁12较高处的端部。然后第二流体流过限定第一加热区2的管束的壳侧,第一加热区围绕着限定第二加热区3的最里面的管束。气体然后从端部开口15和16朝着加热区2的中部在管束中流动。进一步冷却的第二流体然后通过出口6离开第一加热区2和热交换器。
图2示出了在热交换器内彼此相关的管束的布置。壁12将加热区分成形成加热区2和3的两个分隔间。管束在热交换器中这样地放置,其中加热区2的管束设置在最外面,而且加热区3的管束设置在最里面。
如图3所示,在本发明的一个实施例中,热交换器可以有三个加热区。在这种情况下,存在围绕着第二管束的第三U形管束。第三管束也限定了一个加热区11,该加热区使第一流体与第二流体进行进一步的热交换。第二流体通过壁18上的中心开口17进入此加热区的中部,壁18将最外面的管束与最里面的两个管束分开。因此,壁18将加热区11与加热区2和3分开。流体然后被分成朝向管束两个端部流动的流体。
分开分隔间的壁能够因此具有或者在其端部(15和16)或者在其中部的开口(17)。因而,当存在几个加热区时,每一个之后的壁上的开口可以交替的出现在壁的端部或者出现在壁的中部。这可确保在每一个加热区内,第二流体相对于第一流体既可以顺流也可以逆流于。因而可以实现有效的热交换。
以该方式第二流体通过随后流(分流)过两个或三个管束来冷却。当如图1所示具有两个加热区时,第一流体在随后流经管时被加热,其从最冷并具有最低温度的最外面的管束开始,在流过最热并因此具有最高温度的最里面的管束后离开。因此,限定加热区2的最外面的管束相当于冷区(低温区),而且限定加热区3的最里面的管束相当于热区(高温区)。
当如图3所示具有三个加热区时,位于加热区3和11之间中部的加热区2具有在最热(高温区)和最冷(低温区)区之间的中间温度。
为了改善热分布,可在加热区内设置挡板。尤其适用于热交换器的挡板可以是圆盘和圆环型。该挡板具有使第二流体以Z字形运动流过加热区的效果,而且此外该挡板有助于放置U形管。如图1所示,挡板7、8和9通过杆保持在适当的位置。挡板7是热的,也就是说经历过高温,挡板8是冷的,也就是说经历过低温。在中心管内的挡板10是热挡板。挡板也可以布置在如图3所示的实施例中。
限定加热区3的热(高温)管束必须由抗金属粉化的材料制成。这些材料可以是诸如奥氏体的镍/铬/铁合金的高合金,例如英科耐尔(Inconel@)。形成管束所处通道的挡板、杆和壁也必须是抗金属粉化的。形成加热区2的冷(低温)管束可由低合金钢制成,在大多数情况下,挡板和杆也可由低合金材料制造。如果如图3所示存在第三束管时,中部/中间束管可以是低合金钢,与之相反,杆、挡板以及壁/通道可以是因康镍合金(Inconel@)制成的。低合金钢可以例如是铁素体铁、铬、钼以及碳素钢。
本发明热交换器的特点在于,U形管由抗金属粉化的材料制成,该材料表面热至足以发生金属粉化危险。当用于较冷区时,U形管可以由较便宜的低合金钢制造。低合金钢对湿应力腐蚀不敏感。当第一流体是蒸汽时,其进入由低合金钢制造的U形管,在其完全变干之前,它不会与由高合金制成的U形管接触。
由于增强了抗金属粉化和应力腐蚀性,本发明的热交换器改善了热交换性能。
应用该热交换器的一个典型方法是以下描述的蒸汽重整过程:
热的排出物,如包含诸如来自重整反应器合成气的重整气体的一氧化碳被送至废热锅炉,在其中通过利用从蒸汽锅筒供应的蒸汽使排出物的温度从例如1050℃降至475℃。冷却的排出物然后送入本发明的热交换器,在这里通过与蒸汽换热,排出物的温度进一步降至360℃。热交换器作为蒸汽过热器。所用的蒸汽可从蒸汽锅筒供应,并因此该蒸汽可由例如320℃加热至400℃。
Claims (10)
1、一种通过与第二流体进行间接热交换从而连续地冷却第一流体的热交换方法,其包括如下步骤:
引导第一流体连续地进入至少两个同心的U形管束,所述的U形管束至少分别限定第一加热区和第二加热区,
引导第二流体至U形管束的壳侧,每一个加热区借助壁与另一加热区部分地分开,第一加热区是较冷的区,第二加热区是较热的区,第一较冷加热区的管束由低合金钢制成,第二较热加热区的管束由耐热且耐腐蚀的合金制成,
收集被冷却的第二流体和被加热的第一流体。
2、如权利要求1所述的热交换方法,其特征在于,第一流体是蒸汽,第二流体是重整气体。
3、如权利要求1所述的热交换方法,其特征在于,耐热且耐腐蚀的合金是奥氏体镍/铬/铁合金。
4、如权利要求2所述的热交换方法,其特征在于,加热的第一流体是过热蒸汽。
5、一种在如权利要求1所述方法中使用的热交换器,其包括多个形成换热面的U形管,以便在第一和第二流体之间换热,U形管设置在至少两个连续的同心管束中,该管束分别至少限定第一和第二加热区,每一个加热区借助壁与另一加热区部分地分开,第一加热区是较冷的区,第二加热区是较热的区,第一较冷加热区的管束由低合金钢制成,第二较热加热区的管束由耐热且耐腐蚀的合金制成。
6、如权利要求5所述的热交换器,其特征在于,热交换器具有三个管束,第三管束设置在第一和第二管束的中间。
7、如权利要求5所述的热交换器,其特征在于,耐热且耐腐蚀的合金是奥氏体镍/铬/铁合金。
8、如权利要求5所述的热交换器,其特征在于,热交换器具有呈圆盘型和圆环型的挡板。
9、如权利要求6所述的热交换器,其特征在于,放置在中间的第三束的管由低合金钢制造,并且挡板和将挡板保持在适当位置的杆以及中部管束的壁由耐热且耐腐蚀的合金制造。
10、如权利要求5所述的热交换器,其特征在于,分开加热区的壁由金属制成,并且定位成便于由穿过壁上开口的通道将第二流体的流动分成多个流束。
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