一种与高温气体接触的金属壁冷却方法
【专利摘要】本发明公布了一种与高温气体接触的金属壁冷却方法，步骤为：在金属壁上开有若干离散孔，金属壁的一侧通有冷却介质，一部分冷却介质通过对流流动，对金属壁进行冷却；另一部分冷却介质通过离散孔进入高温气体中，通过液相蒸发和液/气膜对金属壁进行冷却。本发明综合了冷却介质对流换热冷却、蒸发冷却和气/液膜冷却的特点，对与高温气体接触的金属壁进行有效冷却，实现了流动和传热过程的耦合，降低了金属内部的温度梯度，避免了因金属壁两侧温差过大导致材料热应力持续增加从而损坏金属壁。本发明可用于火管式废热锅炉管板、烧嘴头部等与高温气体接触的金属壁冷却。
【专利说明】一种与高温气体接触的金属壁冷却方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种金属壁冷却方法，具体涉及与高温气体接触的设备或者设备部件的有效冷却方法。
技术背景
[0002]在化工行业中，为了提高化工装置的能效，往往通过回收反应后产物的高位显热来副产蒸汽，副产蒸汽的等级越高综合能效越高。以气态烃(天然气、页岩气、煤层气、油田气、炼厂气、焦炉气、热解气等)和液态烃(浙青、渣油、生物质油等)为原料，通过催化部分氧化或者非催化部分氧化技术将其转化为以CO和H2为主的合成气，出转化炉的合成气温度在900?1400°C之间，需通过设置火管式废热锅炉副产中高压蒸汽。火管式废热锅炉管板主要实现高温气体的分配，将出转化炉的高温合成气进行均匀分配在多根火管中，火管内部走高温合成气，火管外部为锅炉水池，通过换热副产中高压蒸汽。
[0003]由于使用工况复杂和恶劣，火管式废热锅炉管板存在着使用寿命短等问题。火管式废热锅炉管板直接与高温气体接触，需对金属壁进行冷却。目前火管式废热锅炉管板冷却常采用水强制循环的冷却方式。对于大型化装置，火管式废热锅炉管板尺寸较大(直径可达I米以上)，冷却水难以在管板上均匀分配，可能会使得管板局部温度过高，甚至使得冷却水局部气化；由于管板与高温气体直接接触，传热量非常大，单纯依靠对流换热难以迅速达到冷却效果。管板由于未实现有效冷却，因金属壁的热应力过大会导致管板损坏，影响管板的使用寿命。
[0004]火管式废热锅炉是整个转化工艺的核心设备之一，火管式废热锅炉管板冷却问题业已成为整个转化装置稳定和长周期生产以及装置大型化的瓶颈。因此企业界期望提出一种高效的火管式废热锅炉管板的冷却方法，以满足工业生产的需要。
【发明内容】
[0005]本发明需要解决的技术问题是公开一种与高温气体接触的金属壁冷却方法，可以通过在金属壁上开孔的途径来解决上述问题。具体方案如下:
[0006]一种与高温气体接触的金属壁冷却方法，所述金属壁上设有高温气体分配管，且所述金属壁的一侧为高温气体、另一侧为对所述金属壁进行降温保护的冷却介质；
[0007]所述冷却方法包括如下步骤:
[0008]在所述金属壁上开通供所述冷却介质通过的多个离散孔，使所述冷却介质的一部分在所述金属壁的低温壁面上以对流换热方式冷却所述金属壁、另一部分在压差作用下通过所述离散孔；在流经所述离散孔的过程中，部分所述冷却介质吸热蒸发发生相变，通过对流冷却和蒸发冷却方式冷却所述金属壁；当所述冷却介质到达所述金属壁的高温壁面时，在所述离散孔的出口处形成气/液膜，所述气/液膜隔断高温气体与所述高温壁面之间的直接传热，对所述金属壁进行降温保护；
[0009]所述低温壁面一侧的冷却介质的压力高于所述高温壁面一侧的高温气体的压力；
[0010]所述离散孔的当量直径为I?5毫米，为圆柱形或非圆柱形；所述离散孔占所述金属壁(I)的面积百分比为5?50%。
[0011]所述离散孔的中心线与所述金属壁的轴线的夹角大于等于O度，小于90度。
[0012]所述离散孔的倾角为交叉设置，使得在离散孔(3)出口形成气/液膜更稳定。
[0013]所述冷却介质是无腐蚀性气体。
[0014]所述冷却介质是水、水蒸气、工艺气体以及对与所述高温气体混合无危害的物质。
[0015]所述金属壁是火管式废热锅炉管板或烧嘴头部。
[0016]本发明的金属壁冷却方法综合了冷却介质对流换热冷却、蒸发冷却和气/液膜冷却的特点，对与高温气体接触的金属壁进行有效冷却，实现了流动和传热过程的耦合，降低了金属内部的温度梯度，避免了因金属壁两侧温差过大导致材料热应力持续增加从而损坏
金属壁。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本申请的金属壁冷却方法俯视图；
[0018]图2是本申请的金属壁冷却方法侧视图；
[0019]图3为不设离散孔管板内外壁温度分布；
[0020]图4为设置离散孔后管板内外壁温度分布。
[0021]符号说明
[0022]I金属壁；2高温气体分配管；3离散孔；
[0023]4高温气体；5冷却介质；6低温壁面；7高温壁面。
【具体实施方式】
[0024]以下为本发明的实施例，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，其目的仅在于更好地理解本发明的内容。因此本发明的保护范围不受所举实施例的限制。
[0025]参见图1，金属壁I上设有高温气体分配管2,同时金属壁I开有供冷却介质5通过的多个离散孔3。
[0026]参见图2，金属壁I的一侧为高温气体4，另一侧为对金属壁I进行降温保护的冷却介质5。一部分冷却介质5在金属壁I的低温壁面6上以对流换热方式冷却金属壁I,另一部分冷却介质5在压差作用下通过离散孔3。在流经离散孔3的过程中，部分冷却介质5吸热蒸发发生相变，通过对流冷却和蒸发冷却方式冷却金属壁I ;当冷却介质5到达金属壁I的高温壁面7时，在离散孔3出口处形成气/液膜，气/液膜隔断高温气体4与高温壁面7之间的直接传热，从而对金属壁I进行降温保护。
[0027]离散孔3的中心线与金属壁I轴线的夹角大于等于O度，小于90度。离散孔3的倾角可以交叉设置，使得在离散孔3出口形成气/液膜更稳定。
[0028]可采用激光打孔的方式在金属壁I上开有若干直径在毫米级别的离散孔3。
[0029]冷却介质5可以是水等液体介质，也可是水蒸气、工艺气体等气体介质。当是液体介质时，冷却介质通过对流换热冷却、蒸发冷却和气/液膜冷却对金属壁I进行冷却。当是气体冷却介质时，冷却介质通过对流换热冷却和气膜冷却对金属壁I进行冷却。[0030]本发明可用于火管式废热锅炉管板、烧嘴头部等与高温气体接触的金属壁冷却保护。
[0031]实施例1
[0032]火管式废热锅炉管板直径为800mm，管板开有直径为3mm的离散孔，离散孔所占面积为管板面积的10%，离散孔的中心线与管板轴线的夹角为O度。来自转化炉的高温合成气温度为1300°c，压力为4.0MPaG。火管式废热锅炉管板采用25°C水作为冷却介质，压力为
5.0MPaG，冷却水流量为200?250m3/h，其中10%的冷却水通过离散孔进入高温气体中。
[0033]图3为不设离散孔管板内外壁温度分布，图4为设置离散孔后管板内外壁温度分布。从图中可看出，设置离散孔后，管板高温壁面温度从700?800K降低到了约400?500K，高温壁面温度大幅度降低。设置离散孔对与高温气体接触的金属管板起到了很好的冷却效果。
【权利要求】
1.一种与高温气体接触的金属壁冷却方法，其特征在于，所述金属壁上设有高温气体分配管，且所述金属壁的一侧为高温气体、另一侧为对所述金属壁进行降温保护的冷却介质； 所述冷却方法包括如下步骤: 在所述金属壁上开通供所述冷却介质通过的多个离散孔，使所述冷却介质的一部分在所述金属壁的低温壁面上以对流换热方式冷却所述金属壁、另一部分在压差作用下通过所述离散孔；在流经所述离散孔的过程中，部分所述冷却介质吸热蒸发发生相变，通过对流冷却和蒸发冷却方式冷却所述金属壁；当所述冷却介质到达所述金属壁的高温壁面时，在所述离散孔的出口处形成气/液膜，所述气/液膜隔断高温气体与所述高温壁面之间的直接传热，对所述金属壁进行降温保护； 所述低温壁面一侧的冷却介质的压力高于所述高温壁面一侧的高温气体的压力； 所述离散孔的当量直径为I?5毫米，为圆柱形或非圆柱形；所述离散孔占所述金属壁(I)的面积百分比为5?50%。
2.根据权利要求1所述的金属壁冷却方法，其特征在于，所述离散孔的中心线与所述金属壁的轴线的夹角大于等于O度，小于90度。
3.根据权利要求1所述的金属壁冷却方法，其特征在于，所述离散孔的倾角为交叉设置。
4.根据权利要求1所述的.金属壁冷却方法，其特征在于，所述冷却介质是无腐蚀性气体。
5.根据权利要求1所述的.金属壁冷却方法，其特征在于，所述冷却介质是水、水蒸气、工艺气体以及对与所述高温气体混合无危害的物质。
6.根据权利要求1所述的.金属壁冷却方法，其特征在于，所述金属壁是火管式废热锅炉管板或烧嘴头部。
【文档编号】F22B1/18GK103807844SQ201410035246
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】代正华, 王辅臣, 许建良, 梁钦锋, 李超, 刘海峰, 于广锁, 龚欣, 王亦飞, 周志杰, 陈雪莉, 李伟锋, 王兴军, 郭晓镭, 郭庆华, 陆海峰, 赵辉, 龚岩 申请人:华东理工大学