改良型廢熱鍋爐的製作方法

2023-05-07 18:31:56

專利名稱：改良型廢熱鍋爐的製作方法
技術領域：
本發明涉及管殼式廢熱鍋爐的技術領域，特別涉及一種改良型廢熱鍋爐。
背景技術：
在一氧化碳變換、合成氨等工藝流程中，從反應器底部出口出來的變換氣、合成氣 (以下統稱反應氣體)的溫度通常在40(TC 50(TC之間、工作壓力為中壓或高壓。高溫變 換氣的主要成分為H2、 C0、 (A、水蒸汽和少量特殊腐蝕介質；高溫合成氣的主要成分為H2、 N2、朋3等。介質氫分壓高，易燃易爆，且存在高溫特殊介質腐蝕環境，如高溫合成氣的滲氮 腐蝕。 高溫反應氣體常常需要通過廢熱鍋爐換熱，降低溫度後進入下一段流程，同時副 產中壓飽和蒸汽。反應氣體走廢熱鍋爐的管程。由於管程入口側溫度高，存在高溫特殊介 質腐蝕環境，管程須採用中溫抗氫耐蝕材料。通過熱量回收，管程出口側的反應氣體溫度降 到220 28(TC左右，材料可以採用普通中溫抗氫鋼，且無須考慮滲氮和其它特殊介質的腐 蝕。但是因為管程的中、高壓和較高的管、殼程溫差操作環境，廢熱鍋爐多採用U型管結構， 管程進出口側需要採用同一種材料，造成了材料的浪費。 同時，由於普通U型管式廢熱鍋爐的分程隔板沿管板直徑方向設置，將管板和管
箱分隔為對稱的兩個部分，一部分與入口高溫反應氣體接觸，另一部分與出口低溫反應氣
體接觸，導致分程隔板兩側管箱和管板中在與分程隔板接觸處存在較大的溫差應力。當管
程進出口氣體溫差超過8(TC時，便會對管程的應力分布產生明顯的影響。 當廢熱鍋爐的換熱管按照普通U型管式排列時(彎管中心在一條直線上)，較高的
溫差應力對管程的影響包括以下方面 1 、管板在分層隔板兩側因受熱不均產生整體溫差應力，並且由於溫差應變的疊加 產生較大的應力集中。 2、中高壓廢熱鍋爐的管箱筒體與管板往往採用焊接連接，焊接接頭在分層隔板兩 側附近產生溫差應力。 較高的溫差應力與介質壓力在管箱、管板上產生的最大應力相疊加，使金屬材料 中的峰值應力更接近臨界值，甚至超限。在高溫氫腐蝕和滲氮腐蝕環境中，由於材料本身的 脆性，焊接時在管板與換熱管、管板與管箱的焊接接頭處會產生細微的裂紋。在高溫介質 側氫、氮腐蝕的影響下，較高的峰值應力容易引發裂紋擴展，從而引起設備局部甚至整體失 效。 3、中高壓廢熱鍋爐往往採用管箱端部法蘭平蓋密封，進出口介質溫差較大，將會 造成分程隔板兩側管箱受熱後軸向膨脹不均，破壞法蘭端面和管箱軸線的垂直度，降低密 封的可靠性，甚至引起密封失效。

發明內容
本發明的目的在於針對現有廢熱鍋爐所存在的問題而提出一種改良型廢熱鍋爐，本發明的改良型廢熱鍋爐既適用於和反應器直接連接，也適用於通過管道和反應器連接。 本發明涉及的改良型廢熱鍋爐既可以放在蒸汽過熱器的上遊，也可以放在蒸汽過熱器的下 遊。本發明適用於帶汽包自然循環的廢熱鍋爐，也適用於不帶汽包的廢熱鍋爐。
本發明所要解決的技術問題可以通過以下技術方案來實現 改良型廢熱鍋爐，包括管箱、若干根U形換熱管以及將若干根U型換熱管沿所述管 箱的軸向固定於所述管箱內的承壓管板，在所述的管箱一側的承壓殼體上設置有承壓入口 接管和承壓出口接管，所述若干根U型換熱管的入口端和出口端位於管箱設置有所述的承 壓入口接管和承壓出口接管的一側，其特徵在於，所述的若干根U型換熱管採用噴泉式換 熱管布置方式進行布置，所述的噴泉式換熱管布置方式是在所述的承壓管板上設置有分 程隔板槽，所述分層隔板槽為環狀結構，將承壓管板分隔成中心區域和外環區域，所述的若 幹根U型換熱管的入口端集中位於中心區域內，若干根U型換熱管的出口端分布於所述的 外環區域，若干根U型換熱管自承壓管板的中心區域開始，沿U型換熱管直邊段軸向延伸至
彎管段，彎管部分自中心呈"噴泉"狀向周圍均勻輻射到外環投影區，再經u型沿換熱管的 另一直邊段軸向返回到承壓管板的外環區域。高溫高壓反應氣體從位於管板中心區域的u
型換熱管入口端進入，沿途將管外殼程鍋爐給水汽化，使反應氣體溫度大幅降低，而後從位
於承壓管板外環區域的u型換熱管出口端流出。因為承壓管板在單純介質壓力作用下產生
的應力主要沿環向和徑向分布，這種噴泉式布管方式能有效消除管板環向溫差應力。 或者 所述的若干根U型換熱管採用交叉式布管方式進行布置，所述的交叉式布管方式 是所述的若干U型換熱管按四邊形排列，若干U型換熱管的入口端和出口端相互間隔呈圍 棋狀交叉布置。由於所有U型換熱管的進出口在整個承壓管板平面上均勻間隔分布，使承 壓管板沿環向和徑向整體上表現為受熱均勻，僅在相鄰的U型換熱管之間存在溫差應力單 元和應變單元。因為結構的相互間隔，這些結構單元可以與相鄰的單元之間產生應變協調， 從而不會在宏觀上形成較大的應力集中。 在所述的管箱內有承壓入口接管和承壓出口接管的一側設置有熱氣箱，該熱氣箱 具有一入口中心管和若干導氣管，所述的入口中心管由承壓入口接管延伸至管箱的承壓殼 體外，每一根導氣管與一根U型換熱管的入口端連通，高溫反應氣體由入口中心管進入熱 氣箱內，再由熱氣箱分布通過導氣管進入每一根U型換熱管。 所述的熱氣箱包括箱體和與箱體連接的第一小管板，在所述的箱體上設置有入口 中心管，所述第一小管板上設置有若干加強管，每一加強管與每一根U型換熱管的入口端 固定連接，每一根導氣管穿過所述的加強管而插入所述的U型換熱管的入口端內。
本發明在所述的管箱內還設置有冷氣導流箱，該冷氣導流箱的一側箱壁為所述的 承壓管板，另一側箱壁為第二小管板，所述的若干根加強管穿過所述的冷氣導流箱，該冷氣 導流箱與所述的U型換熱管的出口端連通，通過對U型換熱管出口端流出的冷氣體進行引 流，使其橫向吹掃U型換熱管入口端與承壓管板之間的焊接接頭，降低U型換熱管入口端焊 接接頭的操作溫度，減少接頭失效率，提高設備使用壽命。該冷氣導流箱還設置有一冷氣出 □。 所述入口中心管與所述的承壓入口接管之間、所述的導氣管與加強管、U型換熱管 之間以及第一小管板與第二小管板之間均設置有隔熱材料。以增加高溫氣體通道與承壓殼
4體、承壓管板、焊接接頭之間的熱阻，降低承壓殼體金屬壁溫和設計溫度，節省成本，提高設 備運行可靠性。 由於採用了如上的設計方案，本發明針對管程進出口溫差較大的列管式廢熱鍋 爐，通過對換熱管排列方式的改進，降低了管箱和管板中產生的溫差應力，使其中的應力分 布更加均勻，延長了管板的使用壽命。同時，通過熱氣導流、隔熱、冷氣吹掃降溫結構，使管 程高溫反應氣體不與除換熱管外的其它承壓部件接觸，降低了這一部分承壓殼體的金屬壁 溫，使設計溫度降低，從而節省了材料，提高了廢熱鍋爐運行的可靠性和穩定性。


圖1為本發明改良型廢熱鍋爐結構原理示意圖。 圖2為本發明改良型廢熱鍋爐的U型換熱管噴泉式布置原理圖。 圖3為本發明改良型廢熱鍋爐的U型換熱管交叉式布置原理圖。 圖4為本發明改良型廢熱鍋爐與反應器直接連接簡圖。 圖5為本發明改良型廢熱鍋爐帶汽包自然循環的簡圖。
具體實施例方式
為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結 合具體圖示，進一步闡述本發明。 參見圖l，改良型廢熱鍋爐，包括管箱100、若干根U形換熱管200以及將若干根U 型換熱管200沿管箱100的軸向固定於管箱100內的承壓管板300，在管箱100 —側的承壓 殼體IIO上設置有承壓入口接管121和承壓出口接管131，在承壓入口接管121和承壓出口 接管131上分別設置有承壓入口接管法蘭122和承壓出口接管法蘭132。若干根U型換熱 管200的入口端210和出口端220位於管箱100設置有承壓入口接管121和承壓出口接管 131的一側。若干根U型換熱管200的入口端210和出口端220與承壓管板300之間均採 用強度焊。 在管箱100設置有承壓入口接管121和承壓出口接管131的一側內設置有熱氣箱 400，該熱氣箱400包括箱體410和與箱體410連接的第一小管板420，在箱體410上設置 有一入口中心管430，在第一小管板420布置有數量與U型換熱管200的數量相等的加強 管510，加強管510的另一端與U型換熱管200的入口端210焊接連接，在加強管510以及 U型換熱管200的入口端210內插有導氣管520，在導氣管520的外管壁與加強管510的內 管壁之間設置有隔熱材料530。加強管510形成第一小管板420與承壓管板300之間的連 接支撐，並對導氣管420起到保護作用。 入口中心管430穿過承壓入口接管121與反應器600直接連接(參見圖4)，在入 口中心管430的外管壁與承壓入口接管121的內管壁之間設置有隔熱材料431。
高溫反應氣體由入口中心管430進入熱氣箱400內，再由熱氣箱400分布通過導 氣管420進入每一根U型換熱管200內。 在管箱100內還設置有冷氣導流箱700，該冷氣導流箱700的一側箱壁為承壓管板 300，另一側箱壁為第二小管板710，該冷氣導流箱700與U型換熱管200的出口端220連 通。在第一小管板420與第二小管板710之間均設置有隔熱材料720。該冷氣導流箱700還設置有一冷氣出口 (圖中未示出)。 上述在入口中心管430與承壓入口接管121之間、導氣管520與加強管510、U型換 熱管200之間以及第一小管板420與第二小管板710之間設置的隔熱層431、530、720，可以 增加高溫氣體通道與承壓殼體110、承壓管板300、焊接接頭之間的熱阻，降低承壓殼體110 金屬壁溫和設計溫度，節省成本，提高設備運行可靠性。 高溫反應氣體從入口中心管430進入管箱IOO，通過入口中心管430導入熱氣箱 400，避免與管箱100的承壓殼體110接觸。導氣管520將熱氣箱400中的高溫反應氣體導 入U型換熱管200的入口端210，高溫反應氣體從U型換熱管200的入口端210進入，沿途 將管外殼程鍋爐給水汽化，使反應氣體溫度大幅降低，而後從U型換熱管200的出口端220 流出。冷氣導流箱700通過對U型換熱管200的出口端220流出的冷氣體進行引流，使其 橫向吹掃U型換熱管200的入口端210與承壓管板300之間的焊接接頭，降低U型換熱管 200的入口端210焊接接頭的操作溫度，減少接頭失效率，提高設備使用壽命。
參見圖2，在承壓管板300上設置有分程隔板槽310，分層隔板槽310為環狀結構， 將承壓管板300分隔成中心區域320和外環區域330，若干根U型換熱管200的入口端210 集中位於中心區域320內，若干根U型換熱管200的出口端220分布於外環區域330內，若 幹根U型換熱管200自承壓管板300的中心區域320開始，沿U型換熱管200直邊段軸向 延伸至彎管段，彎管部分自中心呈"噴泉"狀向周圍均勻輻射到外環投影區，再經U型沿換 熱管200的另一直邊段軸向返回到承壓管板300的外環區域330。高溫高壓反應氣體從位 於承壓管板300中心區域320的U型換熱管200的入口端210進入，沿途將管外殼程鍋爐 給水汽化，使反應氣體溫度大幅降低，而後從位於承壓管板300外環區域330的U型換熱管 200的出口端220流出。因為承壓管板300在單純介質壓力作用下產生的應力主要沿環向 和徑向分布，這種噴泉式布管方式能有效消除承壓管板300環向溫差應力。
參看圖3，若干U型換熱管200按四邊形排列，若干U型換熱管200的入口端210 和出口端220相互間隔呈圍棋狀交叉布置。由於所有U型換熱管200的入口端210和出口 端220在整個承壓管板300平面上均勻間隔分布，使承壓管板300沿環向和徑向整體上表 現為受熱均勻，僅在相鄰的U型換熱管200之間存在溫差應力單元和應變單元。因為結構 的相互間隔，這些結構單元可以與相鄰的單元之間產生應變協調，從而不會在宏觀上形成 較大的應力集中。 參看圖4，本發明的改良型廢熱鍋爐與反應器600直接連接，即反應器600的高溫 反應氣體輸出接管610直接通過法蘭連接方式與改良型廢熱鍋爐的承壓入口接管121連 接，入口中心管430直接插入到反應器600內。 參看圖5，本發明的改良型廢熱鍋爐的承壓殼體110接一汽包800，構成帶汽包自 然循環的廢熱鍋爐。 以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術 人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變 化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其 等效物界定。
權利要求
改良型廢熱鍋爐，包括管箱、若干根U形換熱管以及將若干根U型換熱管沿所述管箱的軸向固定於所述管箱內的承壓管板，在所述的管箱一側的承壓殼體上設置有承壓入口接管和承壓出口接管，所述若干根U型換熱管的入口端和出口端位於管箱設置有所述的承壓入口接管和承壓出口接管的一側，其特徵在於，所述的若干根U型換熱管採用噴泉式換熱管布置方式進行布置，所述的噴泉式換熱管布置方式是在所述的承壓管板上設置有分程隔板槽，所述分層隔板槽為環狀結構，將承壓管板分隔成中心區域和外環區域，所述的若干根U型換熱管的入口端集中位於中心區域內，若干根U型換熱管的出口端分布於所述的外環區域，若干根U型換熱管自承壓管板的中心區域開始，沿U型換熱管直邊段軸向延伸至彎管段，彎管部分自中心呈「噴泉」狀向周圍均勻輻射到外環投影區，再經U型沿換熱管的另一直邊段軸向返回到承壓管板的外環區域。
2. 改良型廢熱鍋爐，包括管箱、若干根U形換熱管以及將若干根U型換熱管沿所述管箱 的軸向固定於所述管箱內的承壓管板，在所述的管箱一側的承壓殼體上設置有承壓入口接 管和承壓出口接管，所述若干根u型換熱管的入口端和出口端位於管箱設置有所述的承壓 入口接管和承壓出口接管的一側，其特徵在於，所述的若干根u型換熱管採用交叉式布管方式進行布置，所述的交叉式布管方式是所述的若干U型換熱管按四邊形排列，若干U型換熱管的入口端和出口端相互間隔呈圍棋狀交叉布置。
3. 如權利要求1或2所述的改良型廢熱鍋爐，其特徵在於，在所述的管箱設置有所述的 承壓入口接管和承壓出口接管的一側內設置有熱氣箱，該熱氣箱具有一入口中心管和若干 導氣管，所述的入口中心管由承壓入口接管延伸至管箱的承壓殼體外，每一根導氣管與一 根U型換熱管的入口端連通，高溫反應氣體由入口中心管進入熱氣箱內，再由熱氣箱分布 通過導氣管進入每一根U型換熱管。
4. 如權利要求3所述的改良型廢熱鍋爐，其特徵在於，所述的熱氣箱包括箱體和與箱 體連接的第一小管板，在所述的箱體上設置有入口中心管，所述第一小管板上設置有若干 加強管，每一加強管與每一根U型換熱管的入口端固定連接，每一根導氣管穿過所述的加 強管而插入所述的U型換熱管的入口端內。
5. 如權利要求3所述的改良型廢熱鍋爐，其特徵在於，在所述的管箱內還設置有冷氣 導流箱，該冷氣導流箱的一側箱壁為所述的承壓管板，另一側箱壁為第二小管板，所述的若 幹根加強管穿過所述的冷氣導流箱，該冷氣導流箱與所述的U型換熱管的出口端連通，該 冷氣導流箱還設置有一冷氣出口 。
6. 如權利要求5所述的改良型廢熱鍋爐，其特徵在於，所述入口中心管與所述的承壓 入口接管之間、所述的導氣管與加強管、U型換熱管之間以及第一小管板與第二小管板之間 均設置有隔熱結構。
全文摘要
本發明公開的改良型廢熱鍋爐，包括管箱、若干根U形換熱管以及將U型換熱管沿管箱的軸向固定於管箱內的承壓管板，其若干根U形換熱管以噴泉方式或交叉方式布置在管箱內。本發明針對管程進出口溫差較大的列管式廢熱鍋爐，通過對換熱管排列方式的改進，降低了管箱和管板中產生的溫差應力，使其中的應力分布更加均勻，延長了管板的使用壽命。
文檔編號F22B1/18GK101706096SQ20091019580
公開日2010年5月12日 申請日期2009年9月17日 優先權日2009年9月17日
發明者劉磊, 張西原, 李挺, 李智勇, 楊朝陽 申請人:上海國際化建工程諮詢公司