CN116717803A - 一种水套管式炭黑烟气冷却器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水套管式炭黑烟气冷却器，其具有立式壳体以及换热管组件。换热管组件包括竖向分布的多根换热管，换热管的上端由壳体上部伸出，换热管的下端置于壳体内，换热管组件中换热管的间距沿炭黑烟气的流动方向逐渐变小；换热管由外套管以及穿设在其内部的中心管组成，外套管的两端封闭，中心管的上端由外套管上部伸出并连接至冷却水源，中心管的下端与外套管的底部具有间隙，外套管位于壳体外的管壁上设置有连通至外套管与中心管之间环隙的蒸汽出口。本发明的炭黑烟气冷却器中，高温炭黑烟气走管外，管外表面涂高温防结垢材料，能够降低结焦风险，确保长周期运行，并且相较于管内结焦，除焦更为方便。

Description

一种水套管式炭黑烟气冷却器

技术领域

本发明涉及炭黑烟气冷却设备技术领域，具体涉及一种水套管式炭黑烟气冷却器。

背景技术

炉法炭黑是用富含芳烃的碳氢化合物原料油在高温下裂解而生产的产物。在炭黑反应炉的燃烧室，从轴向进入的燃料油完全燃烧，产生的高温气流为碳氢化合物原料油的裂解提供热量。原料油在受控的条件下(温度和压力)，在高压下通过喷嘴将原料油雾化，形成超细的雾滴，均匀地分布在反应炉的文氏管的喉管段，与高温燃烧气体接触、吸热和裂解生成炭黑。

炭黑的生成反应，用高压的水进行急冷而终止。高温的炭黑烟气具有很高的温度和热量，在炭黑生产线的不同部位进行热量回收:经过急冷锅炉、高温空气预热器、在线预热锅炉和原料油预热器，而后进人主袋滤器。炭黑烟气在主袋滤器进行过滤。收集下来的炭黑，最后输送至造粒、千燥和包装工段，进行包装为成品。

目前常见的急冷锅炉为火管式锅炉。炭黑烟气从反应炉的下游，通过进气箱进到急冷锅炉的人口，并分配到各夹套管的内管中去，将在夹套管外管和内管之间的环隙中的冷却水加热，并将炭黑烟气下降到所要求的温度。炭黑烟气则通过急冷锅炉的出口箱，离开急冷锅炉。锅炉的冷却水的给水，则通过上部的蒸汽包的下降管，分配到下方各组夹套管单元的椭圆形的总管，进到各夹套管的外管和内管之间的环隙中去。水/汽的混合物则通过上方的椭圆形总管，以及上升管回到蒸汽包，并在蒸汽包中进行水汽分离。

常见的急冷锅炉形式如参考文献1和2中所记载。

参考文献1：公开号为CN115505069A的中国专利文献

参考文献1公开了一种年产4万吨硬质炭黑生产线急冷锅炉装置，烟气进口装置连接急冷锅炉，急冷锅炉通过上升管连接汽包，汽包通过下降管连接急冷锅炉，急冷锅炉连接烟气出口装置，所述换热器是进行烟气热循环交换的主要部件，所述内管为高温烟气通道，所述内套管和外套管之间为水通道。该急冷锅炉装置可以充分利用炭黑在生产过程中的余热产生蒸汽，同时，部分取代急冷水的作用，达到了节约用水，提高尾气的热值，保护重点设备等优点。

参考文献2：公开号为CN103672833B的中国专利文献

参考文献2公开了一种急冷式余热锅炉，由烟气进口底座，换热段总成，烟气出口装置，汽包，上升管，下降管组成；换热段总成由集束双套管，下联箱和上联箱组成；集束双套管由内管，外管和定距条板构成；烟气进口底座与换热段总成的下联箱连接，烟气出口装置与换热段总成的上联箱连接；其特征是：上联箱由下管板，上管板，内圆筒，外圆筒，法兰和安装在外圆筒上的上升管的入口组成；上管板比下管板小一圈，上管板与内圆筒焊接成盘形上管板，盘形上管板的外圆尺寸比外圆筒的内圆尺寸小，二者构成环形空间；让安装在外圆筒上的几个上升管的入口对着内圆筒，且高度略高于上管板的下表面；外圆筒，内圆筒的上端都与法兰焊接。

然而上述急冷锅炉的高温炭黑烟气均是走管内，在冷却过程中，容易发生结焦堵管，导致运行周期较短。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术中套管急冷锅炉在高温环境下容易出现结焦的技术问题，提供一种水套管式炭黑烟气冷却器。

本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：一种水套管式炭黑烟气冷却器，其具有立式壳体以及设置在壳体内的换热管组件；

所述壳体上设置有炭黑烟气进口和炭黑烟气出口；

所述换热管组件包括竖向分布的多根换热管，换热管的上端由壳体上部伸出，换热管的下端置于壳体内，换热管组件中换热管的间距沿炭黑烟气的流动方向逐渐变小；

所述换热管由外套管以及穿设在其内部的中心管组成，外套管的两端封闭，中心管的上端由外套管上部伸出并连接至冷却水源，中心管的下端与外套管的底部具有间隙，所述外套管位于壳体外的管壁上设置有连通至外套管与中心管之间环隙的蒸汽出口。

作为本发明一种水套管式炭黑烟气冷却器的进一步优化：所述壳体上部侧壁对称设置有两个炭黑烟气进口，壳体的底部设置有炭黑烟气出口，换热管组件中换热管的间距由上至下逐渐变小。

作为本发明一种水套管式炭黑烟气冷却器的进一步优化：所述壳体上部侧壁设置有一个炭黑烟气进口，壳体的衬里设置有与炭黑烟气进口连通的环形分布口，换热管组件中换热管的间距由上至下逐渐变小。

作为本发明一种水套管式炭黑烟气冷却器的进一步优化：所述壳体为锥形壳体。

作为本发明一种水套管式炭黑烟气冷却器的进一步优化：所述壳体的衬里下部设置有缩径段。

作为本发明一种水套管式炭黑烟气冷却器的进一步优化：壳体上部侧壁对称设置有两个炭黑烟气出口，壳体的底部设置有炭黑烟气进口，换热管组件中换热管的间距由上至下逐渐变大。

作为本发明一种水套管式炭黑烟气冷却器的进一步优化：所述壳体的衬里为耐高温衬里，且衬里上由上至下设置有多个环形折流台。

作为本发明一种水套管式炭黑烟气冷却器的进一步优化：所述外套管的外壁喷涂有高温防结焦材料。

作为本发明一种水套管式炭黑烟气冷却器的进一步优化：所述外套管的外壁设置有纵向翅片。

作为本发明一种水套管式炭黑烟气冷却器的进一步优化：所述换热管组件还包括换热管支撑组件，换热管的外套管下端固定在换热管支撑组件上。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的炭黑烟气冷却器中，高温炭黑烟气走管外，管外表面涂高温防结垢材料，能够降低结焦风险，确保长周期运行，并且相较于管内结焦，除焦更为方便；

2、本发明炭黑烟气冷却器的壳程内衬设置有多处环形折流台，环形折流台能够提高炭黑烟气的湍流；

3、本发明的炭黑烟气冷却器中，换热管间距沿着高温烟气的流向(降温的方向)逐渐加密，能够使换热管之间的烟气流速均匀稳定，消除烟气低速区。烟气温度降低，体积减小，如果管间距沿流动方向是等间距的，流速会降低。采用本发明，提高降降温过程中烟气流速可以提高换热效率，使换热管沿长度方向壁温均匀，降低结焦风险；还可以带走焦粉，降低焦粉沉积的可能，不易结焦。

附图说明

图1为本发明炭黑烟气冷却器(直筒壳体)的内部结构示意图；

图2为本发明炭黑烟气冷却器(锥形壳体)的内部结构示意图；

图3为本发明炭黑烟气冷却器(直筒壳体、双烟气进口、烟气上进下出)的内部结构示意图；

图4为本发明炭黑烟气冷却器中换热管的结构示意图；

图5为图4中A处的放大结构示意图；

图6为本发明炭黑烟气冷却器(直筒壳体、双烟气出口、烟气下进上出)的内部结构示意图；

图中标记：

1、壳体；

101a、炭黑烟气进口；

102a、炭黑烟气出口；

101b、炭黑烟气进口；

102b、炭黑烟气出口；

103、环形分布口；

104、环形折流台；

2、换热管；

201、外套管；

202、中心管；

203、换热管支撑组件。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容并不局限于下面的实施例。

如图所示：一种水套管式炭黑烟气冷却器，其具有立式壳体1以及设置在壳体1内的换热管组件。

壳体1的结构形式为筒状，壳体1上设置有炭黑烟气进口101和炭黑烟气出口102。壳体1的材质可以为碳钢或不锈钢，壳体1的衬里为耐高温衬里，常用的耐高温衬里材质有以下几种：

陶瓷：陶瓷材料具有优异的耐高温性能和耐腐蚀性能，通常使用氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷砖或者浇筑料等材料作为耐高温衬里。

石墨：石墨具有优异的耐高温性能和导热性能，通常使用石墨材料作为耐高温衬里。

碳化硅：碳化硅材料具有优异的耐高温性能和耐腐蚀性能，通常使用碳化硅材料作为耐高温衬里。

需要说明的是，壳体1的具体结构形式可以是直筒形状的壳体(如图1所示)，也可以是锥形壳体(如图2所示)。当壳体1为直筒形状壳体时，壳体1的衬里下部设置有缩径段。

换热管组件包括竖向分布的多根换热管2，换热管2的上端由壳体1上部伸出，换热管2的下端置于壳体1内，换热管组件中换热管2的间距沿炭黑烟气的流动方向逐渐变小。

换热管2由外套管201以及穿设在其内部的中心管202组成，外套管201的两端封闭，中心管202的上端由外套管201上部伸出并连接至冷却水源，中心管202的下端与外套管201的底部具有间隙，所述外套管201位于壳体1外的管壁上设置有连通至外套管201与中心管202之间环隙的蒸汽出口。

需要说明的是，换热管组件还包括换热管支撑组件203，换热管2的外套管201下端固定在换热管支撑组件203上，通过换热管支撑组件203可实现换热管2在壳体1内部的位置固定。

该处的冷却水源通常应为蒸汽包，蒸汽包的下降管与换热管2的中心管202连通，外套管201的蒸汽出口通过上升管与蒸汽包连接。

关于炭黑烟气进口101和炭黑烟气出口102的设置位置，主要分为两种情况：

第一种设置形式为：如图3所示，炭黑烟气进口101a设置在壳体1的上部，炭黑烟气出口102a设置在壳体1的下部，而炭黑烟气进口101a的设置形式也可以分为两种：

壳体1上部侧壁对称设置有两个炭黑烟气进口101a，壳体1的底部设置有炭黑烟气出口102a，换热管组件中换热管2的间距由上至下逐渐变小。

或壳体1上部侧壁设置有一个炭黑烟气进口，壳体1的衬里设置有与炭黑烟气进口连通的环形分布口103，换热管组件中换热管2的间距由上至下逐渐变小(图中未示出)。

第二种设置形式为：如图6所示，壳体1上部侧壁对称设置有两个炭黑烟气出口102b，壳体1的底部设置有炭黑烟气进口101b，换热管组件中换热管2的间距由上至下逐渐变大。

当然，采用这种结构形式时，壳体1的上部设置为缩径结构更好，这样缩小外围换热管2与壳体1内壁之间的间距(图中未示出)。

炭黑烟气进口和炭黑烟气出口的设置位置决定了炭黑烟气的流向，因此，根据炭黑烟气进口和炭黑烟气出口设置位置的不同，需要对换热管2的设置也进行相应调整，满足换热管组件中换热管2的间距沿炭黑烟气的流动方向逐渐变小的要求。

壳体1的衬里上由上至下设置有多个环形折流台104，环形折流台104能够提高炭黑烟气的湍流程度，提高换热效果。

湍流可以提高换热效率，相对于层流。湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。

流体的流动出现湍流后既可以发生湍流传热，因流体的质点作不规则运动，流场中各种量随时间和空间坐标发生紊乱的变化，导致管中心处温度与管壁处的温度差较小，换热效率比层流传热得以提高。

外套管201的外壁喷涂有高温防结焦材料，高温防结焦材料包括陶瓷、金属、石墨、碳化硅等。这些材料具有良好的耐高温性能和化学稳定性，能够有效地防止结焦和腐蚀。其中，陶瓷材料具有良好的耐腐蚀性能和机械强度，但成本较高；金属材料具有良好的导热性能和机械强度，但易受腐蚀和氧化；石墨材料具有良好的耐腐蚀性能和导热性能，但易受机械损伤；碳化硅材料具有良好的耐高温性能和耐腐蚀性能，但成本较高。在选择高温防结焦材料时，需要综合考虑其性能、成本和使用环境等因素。

外套管201的外壁设置有纵向翅片，翅片能够增加热交换表面积，通常由金属材料制成。翅片的作用是增加热交换器的传热效率，使得热量能够更快地传递到换热器的工作介质中。同时，翅片还可以增加热交换器的热传递面积，从而提高热交换器的换热效率。

如图1所示的黑烟气冷却器，高温炭黑烟气由壳体1的上部进入壳体1内，并在壳体1内向下流动，在烟气流动的过程中，与换热管2中的冷却水进行换热，实现烟气温度的降低，换热管2中的冷却水吸收热量为转化为水蒸气，水蒸气沿外套管201和中心管202之间的环隙上升并由蒸汽出口排出进入汽包。

本发明的炭黑烟气冷却器中，高温炭黑烟气走管外，管外表面涂高温防结垢材料，能够降低结焦风险，确保长周期运行，并且相较于管内结焦，除焦更为方便。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种水套管式炭黑烟气冷却器，其特征在于：其具有立式壳体(1)以及设置在壳体(1)内的换热管组件；

所述壳体(1)上设置有炭黑烟气进口(101)和炭黑烟气出口(102)；

所述换热管组件包括竖向分布的多根换热管(2)，换热管(2)的上端由壳体(1)上部伸出，换热管(2)的下端置于壳体(1)内，换热管组件中换热管(2)的间距沿炭黑烟气的流动方向逐渐变小；

所述换热管(2)由外套管(201)以及穿设在其内部的中心管(202)组成，外套管(201)的两端封闭，中心管(202)的上端由外套管(201)上部伸出并连接至冷却水源，中心管(202)的下端与外套管(201)的底部具有间隙，所述外套管(201)位于壳体(1)外的管壁上设置有连通至外套管(201)与中心管(202)之间环隙的蒸汽出口。

2.如权利要求1所述水套管式炭黑烟气冷却器，其特征在于：所述壳体(1)上部侧壁对称设置有两个炭黑烟气进口(101)，壳体(1)的底部设置有炭黑烟气出口(102)，换热管组件中换热管(2)的间距由上至下逐渐变小。

3.如权利要求1所述水套管式炭黑烟气冷却器，其特征在于：所述壳体(1)上部侧壁设置有一个炭黑烟气进口(101)，壳体(1)的衬里设置有与炭黑烟气进口(101)连通的环形分布口(103)，换热管组件中换热管(2)的间距由上至下逐渐变小。

4.如权利要求2或3所述水套管式炭黑烟气冷却器，其特征在于：所述壳体(1)为锥形壳体(1)。

5.如权利要求2或3所述水套管式炭黑烟气冷却器，其特征在于：所述壳体(1)的衬里下部设置有缩径段。

6.如权利要求1所述水套管式炭黑烟气冷却器，其特征在于：壳体(1)上部侧壁对称设置有两个炭黑烟气出口(102)，壳体(1)的底部设置有炭黑烟气进口(101)，换热管组件中换热管(2)的间距由上至下逐渐变大。

7.如权利要求1所述水套管式炭黑烟气冷却器，其特征在于：所述壳体(1)的衬里为耐高温衬里，且衬里上由上至下设置有多个环形折流台(104)。

8.如权利要求1所述水套管式炭黑烟气冷却器，其特征在于：所述外套管(201)的外壁喷涂有高温防结焦材料。

9.如权利要求1所述水套管式炭黑烟气冷却器，其特征在于：所述外套管(201)的外壁设置有纵向翅片。

10.如权利要求1所述水套管式炭黑烟气冷却器，其特征在于：所述换热管组件还包括换热管支撑组件(203)，换热管(2)的外套管(201)下端固定在换热管支撑组件(203)上。