一种高温火管式废热锅炉管板冷却室的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种换热器，具体地，涉及一种高温火管式废热锅炉的管板冷却室。
【背景技术】
[0002]天然气、页岩气、煤层气、油田气、炼厂气、焦炉气、热解气等气态烃以甲烷为主要成分，是重要的基础能源和化工原料。利用气态烃生产合成气(CCHH2)是能源化工中的重要工艺技术，合成气可进而合成氨、甲醇、油品等大宗化学品。实施气态烃转化制合成气的开发和应用，对提高能源利用效率，促进行业的节能减排和环境保护具有重要意义。
[0003]目前成熟的气态烃转化制合成气工艺有蒸汽转化串联自热转化法(或称蒸汽转化法)、自热转化法和非催化部分氧化法三类。采用气流床反应器的气态烃非催化部分氧化法具有工艺流程和设备结构简单、无需催化剂、得到的合成气中合成中h2/co体积比接近于2，合成气无需进行变换反应就可以直接用于甲醇合成、乙二醇合成和F-T合成等优点。因此，气态烃非催化部分氧化技术受到了越来越多的关注和应用。
[0004]通过气态烃非催化部分氧化法实现气态烃转化时，转化炉内气体射流速度高、停留时间短、且没有催化剂的存在。因此，要实现较高的甲烷转化率，就必须要达到较高的转化温度。转化炉通常采用纯氧作为氧化剂，为气态烃转化提供能量，并使014与0)2和H2O等发生反应，生成合成气有效成分CO和H2。
[0005]转化炉出口合成气温度一般在1200°C?1400°C，在这样的高温下，合成气中含有大量的显热，对这部分显热进行回收可以提高整个流程的能量利用效率，具有重要的价值。目前，高温合成气的显热回收主要有直接激冷和废热锅炉回收两种方法。直接激冷通过将高温合成气导入转化炉炉膛下方的激冷室内与激冷水直接接触，使大量激冷水蒸发，提高合成气中所含的水蒸气量。废热锅炉回收方法则通过导管将高温合成气导入与转化炉连接的废热锅炉中通过换热的方式副产中高压蒸汽。废热锅炉大多采用火管式结构，合成气走管程、锅炉水走壳程。火管式废热锅炉相较于其它废热锅炉型式，具有热效率高、副产蒸汽压力高和适用高温气体冷却等优势。
[0006]火管式废热锅炉是热量回收式气态烃非催化部分氧化装置的关键设备(中国专利ZL201210462013.1)，其长周期稳定运行对于整个生产装置来说至关重要。废热锅炉管板冷却室是高温合成气进入换热器管程的入口，主要起到合成气管的固定和定位作用，同时，要实现对合成气挠性管板的高效冷却。废热锅炉管板冷却室是火管式废热锅炉的关键部件。由于合成气进入废热锅炉管板冷却室时尚未经冷却，合成气管挠性管板面临着高温、高热应力等问题，它是火管式废热锅炉中工作条件最苛刻的部件。目前工业运行的气态烃非催化部分氧化装置的合成气管挠性管板常常由于冷却不足和冷却不均匀而导致烧穿，进而导致装置停车，极大地制约了整个气态烃转化装置的长周期运行。因此，工业界希望开发出一种冷却效果优良的废热锅炉管板冷却室，实现火管式废热锅炉的长周期稳定运行。
【发明内容】
[0007]高温火管式废热锅炉管板冷却室的合成气管挠性管板常采用水冷方式冷却，通过循环冷却水在管板表面和合成气管附近流动导致的强制对流换热来降低管板温度。管板冷却室结构不合理，容易导致冷却水分布不均匀、合成气管挠性管板冷却不均、合成气管附近冷却水烧干等问题。本发明提出一种高温废热锅炉管板冷却室结构，通过合理设计冷却水管布置、冷却水入合成气管挠性管板进口方向、在合成气管内设置隔热套管来解决合成气管烧性管板冷却不足、冷却不均匀的问题。
[0008]具体方案如下:
[0009]一种高温火管式废热锅炉管板冷却室，所述冷却室是由冷却室管板和挠性管板组成的封闭空间，合成气管通过所述冷却室管板和挠性管板贯穿整个所述冷却室，冷却水管通过所述冷却室管板接入所述冷却室内部；
[0010]其中，所述冷却室管板上具有m个用于所述合成气管通过的合成气通道开孔以及η个用于所述冷却水管通过的开孔，m彡3，η彡m+1 ;
[0011]所述挠性管板上具有m个用于所述合成气管通过的开孔，并且与所述合成气通道开孔对应。
[0012]所述冷却室管板与所述合成气管的环隙为rl，rl = 5?20mm，所述环隙组成进入所述冷却室内冷却水的出口。
[0013]所述冷却室管板与所述挠性管板的间距h为100?600mm。
[0014]所述挠性管板上的开孔以及所述合成气通道开孔都均匀分布在以所述冷却室轴线为中心的半径为R的圆周上，R为200?2000mm。
[0015]所述冷却室管板上用于所述冷却水管通过的η个开孔中，有一个位于所述冷却室管板的中心，即，接入该中心的冷却水管为中心冷却水出水管，用于强化所述挠性管板中心区域水的流动，作为所述挠性管板中心区域的冷却水出口；所述中心冷却水出水管与所述烧性管板的间距SI为5?30mmο
[0016]所述冷却室管板上除位于所述冷却室管板的中心的开孔外，其余用于所述冷却水管通过的开孔均匀分布在以所述冷却室轴线为中心的I个或者多个圆周上；
[0017]合成气管通过的开孔与冷却水管通过的开孔的中心距为r2，r2是合成气管通过的开孔直径的I?5倍。
[0018]优选地，η彡 3m+l;
[0019]当n = 3m+l时，所述冷却室管板上用于所述冷却水管通过的开孔中，m个分布在所述合成气通道开孔中间，m个分布在与所述合成气管通道开孔同径的外侧圆周上，m个分布在与所述合成气通道开孔同径的内侧圆周上。
[0020]所述冷却水管的端部与所述挠性管板的间距S2为5?30mm。
[0021]所述冷却水管的端部侧面具有两个对称的矩形开口，供冷却水流入所述冷却室内；
[0022]所述矩形开口的法线方向指向所述合成气管的中心，开口高度d为5?30mm，开口扇形角度a为30?180°。通过冷却水管端部出口达到强化合成气管壁附近流动、消除流动死区的作用。
[0023]所述合成气管靠近所述挠性管板的一端内部包含长度I为50?600mm的隔热套管。通过靠近挠性管板入口的合成气管内设有隔热套管，可增加局部热阻、降低局部传热量、降低热应力和管壁附近温度。
[0024]来自气态烃非催化部分氧化转化炉的高温合成气流经合成气管，然后进入冷却室上部的合成气废热锅炉中回收热量。
[0025]本发明的废热锅炉管板冷却室结构具有冷却室内冷却水分布均匀、高温合成气管附近冷却充分、合成气管与合成气管挠性管板连接处热流密度低、热应力小等特点，保证挠性管板附近冷却水的均布、避免局部冷却水分布较少导致挠性管板过热，可以显著提高合成气管挠性管板的使用寿命。冷却室具有一定的高度，冷却水从冷却水管进入冷却室内，通过冷却水管端部出口流向设置达到强化合成气管壁附近流动、消除流动死区的作用。靠近挠性管板入口的合成气管内设有隔热套管，可增加局部热阻、降低局部传热量、降低热应力和管壁附近温度。
【附图说明】
[0026]图1是实施例的废热锅炉管板冷却室的结构示意图；
[0027]图2是实施例的废热锅炉管板冷却室的A-A向剖面图；
[0028]图3是实施例的冷却水管端部I的放大示意图；
[0029]图4是实施例的冷却水管端部B-B向剖面图；
[0030]图5是实施例的入口合成气管与废热锅炉管板连接处II的放大示意图。
[0031]符号说明
[0032]I冷却室管板；2合成气管挠性管板；3冷却水进水管；4隔热套管；
[0033]5合成气管；6合成气入口管；7中心冷却水出水管；8矩形开口。
【具体实施方式】
[0034]下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
[0035]实施例1
[0036]参见图1，高温火管式废热锅炉的管板冷却室结构包括冷却室管板、合成气管挠性管板、合成气管和冷却水管四个部分，冷却水管包括冷却水进水管和中心冷却水出水管。中心冷却水出水管与合成气挠性管板的间距SI为5?30mm。冷却室管板与合成气挠性管板间距h为100?600mmo
[0037]参见图2，冷却室管板上共有8个用于合