[發(fā)明專利]熱交換器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210021465.6
• 申請(qǐng)日: 2012-01-31
• 公開（公告）號(hào): CN102620580A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: S.霍斯特-馬德森
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 赫多特普索化工設(shè)備公司
• 主分類號(hào): F28D7/06
• 分類號(hào): F28D7/06
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 周春梅;傅永霄

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及U形管熱交換器中的熱交換，其中U形管熱交換器設(shè)計(jì)為在例如高溫、大溫差、高壓差以及侵蝕媒介的危險(xiǎn)工藝條件下工作。更具體地，本發(fā)明涉及一種U形管廢熱鍋爐，并且更具體地涉及一種使用水或蒸汽作為冷卻媒介的合成氣廢熱鍋爐。

以下將解釋本發(fā)明，其涉及一種使用合成氣作為加熱媒介并且使用水或蒸汽作為冷卻媒介的廢熱鍋爐。需要理解的是，根據(jù)本發(fā)明的熱交換器也適用于使用其他加熱和冷卻媒介的廢熱鍋爐，或者甚至適用于具有挑戰(zhàn)性工作條件的其他熱交換領(lǐng)域，其中將對(duì)材料損傷給予適當(dāng)關(guān)注而熱交換器中沒有不可接受的高壓損失。

氨的工業(yè)生產(chǎn)是基于氨合成工藝，借由氨合成工藝氫和氮在放熱工藝中反應(yīng)形成氨。當(dāng)?shù)蜌淞鬟^具有合適催化劑的床時(shí)，在處于高壓和升高溫度的反應(yīng)器中執(zhí)行氨合成。這種反應(yīng)器稱為氨轉(zhuǎn)換器。經(jīng)常通過在合成氣廢熱鍋爐中產(chǎn)生蒸汽來回收在轉(zhuǎn)換器中由放熱工藝產(chǎn)生的熱量。合成氣廢熱鍋爐是一種熱交換器，在其中通過至沸水的間接熱傳遞冷卻來自氨轉(zhuǎn)換器的熱氣。

合成氣廢熱鍋爐工作在挑戰(zhàn)性條件下，在許多方面挑戰(zhàn)性條件要求鍋爐的特殊設(shè)計(jì)。最嚴(yán)厲的條件涉及進(jìn)氣管與管板的接合處。

在根據(jù)本發(fā)明的熱交換器中，沒有進(jìn)氣管與管板的接合處。此外，管板以及管板接合處僅在加熱媒介冷卻之后暴露給該加熱媒介。因此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)避免了引起鍋爐故障的許多原因。

背景技術(shù)

例如合成氣廢熱鍋爐的熱交換器要經(jīng)受許多特殊條件，這難以通過在一個(gè)設(shè)計(jì)中的組合來解決。

這些條件涉及壓力、溫度、氮化、氫侵蝕以及應(yīng)力腐蝕。

氨合成氣通常將處于120～220巴的壓力。沸水通常將處于低壓（5～15巴）、中壓（30～50巴）或高壓（90～130巴）。合成氣與沸水之間的間隔壁必須設(shè)計(jì)為應(yīng)對(duì)兩種流體的最高壓力差。在管殼式熱交換器中，這將通常導(dǎo)致非常厚的管板，通常具有300～450mm的厚度。

氨合成氣在鍋爐的入口處可以介于380℃與500℃之間，而在出口處可以介于200℃與380℃之間。取決于蒸汽壓力，沸水可以介于150℃與330℃之間。

通常將合成氣廢熱鍋爐設(shè)計(jì)為具有非常厚管板的U形管交換器。厚管板將獲得接近板穿透管的氣體溫度的金屬溫度。在U形管的情況中，這在現(xiàn)有技術(shù)中意味著入口管區(qū)域?qū)⑹菬岬模隹诠軈^(qū)域?qū)⑹抢涞摹Ｒ虼巳绻谌肟诤统隹跉怏w之間的溫差太高，將存在高熱誘導(dǎo)應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)。在需要產(chǎn)生低壓和中壓蒸汽的情況中，200℃至300℃的溫差將是可以接受的。但是在現(xiàn)有技術(shù)中顯示難以或者不可能設(shè)計(jì)出U形管廢熱鍋爐用于這種大的溫差。

氮化是由合成氣的氨組分引起的材料侵蝕。氮化的強(qiáng)度取決于金屬合金和金屬溫度。低合金鋼不可接受地在380℃被侵蝕。不銹鋼可以用于450℃或更高，而鉻鎳鐵合金（Iconell）甚至在500℃也不被嚴(yán)重侵蝕。在U形管鍋爐中管板的入口管區(qū)域經(jīng)常比420℃更熱。因此與合成氣接觸的材料必須為高合金。在管板的氣體側(cè)以及整個(gè)入口孔表面將需要通過敷層或加襯來保護(hù)表面。

當(dāng)材料暴露給含氫氣體時(shí)，氫侵蝕將引起材料脆化。重要的參數(shù)是氫分壓、溫度以及鋼鐵的合金成分。工業(yè)合成氣組分、壓力以及溫度通常要求2％Cr以及1％Mo的鋼鐵合金。

對(duì)于與水有關(guān)的材料，存在應(yīng)力腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。但是這種腐蝕對(duì)于鐵素體材料不嚴(yán)重，但是奧氏體材料對(duì)于這種腐蝕敏感。

典型的合成氣廢熱鍋爐是在管側(cè)具有合成氣而在殼側(cè)具有水/蒸汽的U形管熱交換器。管板非常厚。通過鉻鎳鐵合金（Inconell）敷層來保護(hù)管板的入口側(cè)。如果管焊接至管板的氣體側(cè)，在整個(gè)管板上就必須使用鉻鎳鐵合金在內(nèi)表面上全部加襯。如果管焊接至管板的水側(cè)，就必須通過鉻鎳鐵合金襯來保護(hù)管板的入口。

由于所述機(jī)械和/或腐蝕現(xiàn)象的一個(gè)或組合引起的裂縫，合成氣廢熱鍋爐經(jīng)常故障。這之中最嚴(yán)厲的條件集中在入口管孔周圍。這是由于高溫、入口管與出口管之間的溫差、應(yīng)力腐蝕、在不同組分的材料之間的氫聚積（build?up）、氮化以及氫侵蝕。合成氣鍋爐的另一方面是流經(jīng)交換器的合成氣的壓降，由于考慮到合成氣壓縮機(jī)的功率/能耗，必須保持低壓降。

在US3568764中，公開了一種U形管熱交換器，其中在靠近多管程熱交換器的管板的出口側(cè)設(shè)有導(dǎo)流板。一部分冷輸入流體流經(jīng)導(dǎo)流板與管板之間，而不是流經(jīng)管，因此管板維持為大致均勻并且冷的溫度。套圈將已加熱的出口氣體部分從管輸送至通道的出口腔。但是由于部分輸入流體繞過熱交換器管，熱交換效率降低了。加熱流體在交換器的殼側(cè)上，與本發(fā)明相反，本發(fā)明中冷卻流體在殼側(cè)上。