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防止换热器传热管内结垢的方法与装置点击：1664 日期：[ 2014-04-26 22:21:46 ] |
| 防止换热器传热管内结垢的方法与装置 杨富祥 译 本发明涉及炭黑生产装置中利用高温烟气的换热器及其传热管内防止结垢的方法与装置。 在炭黑生产装置和各种焚烧设备中，通常都要产生“800~C以上的高温排气”。为了有效利用这种高温排气所携带的热能，一般都同时装有换热器，将高温排气通入换热器的传热管内，在传热管外面流过空气、水或油等流体，通过与高温排气的热交换而加热流体，使其温度升高，同时降低排气的温度。 流过换热器传热管内的高温排气含有各种各样的成分。众所周知，这些成分一旦固相化后附着在传热管的内壁上，就会结成污垢。在炭黑生产装置中，高温排气是指从反应炉通往收集装置的高滴热解生成气体(烟气)，在含有反应炉内生成的大量炭黑微粒的状态下，流入换热器传热管{勾。 焚烧近来俗称污泥(系由工厂废液汇流堆积而成的有害淤泥一——滢者著)的固体垃圾的焚烧设备中，所产生∽排气含有污泥中存在的各种有机、无机物质的燃烧生成物——灰烬。含有这种燃烧生成物的排气被通入换热器传热管内。 这样一来，流过换热器传热管的高温排气所含的固态成分就容易粘附在管子内壁上。换热器传热管内结成的污垢，在炭黑生产的场合，主要是炭黑微粒；而在焚烧污泥的场合，则是排气所含的各种有机、无机物的燃烧生成物。 这些污垢一旦粘附并固定在换热器传热管的内壁上，就会成层状堆积，迅速长大。 在用高温排气进行热交换时，为了增大高温排气和换热流体之间“在传热管外壁上的接触面积”，来提高换效率，一般隋况下都是采用许多根内径20～200IⅡTl的细传热管，排气被分流进入这许多根传热管中。 由于这样一来，传热管的内径细小，一旦传热管内结成的污垢成层状堆积长大，就会因污垢的导热性差而降低换热效率，甚至达不到换热的效果。而且，污垢继续堆积长大的话，最终还会“堵塞换热器传热管”。换热器传热管内壁上的污垢一旦粘附后固定下来，就不容易清除掉。要清除污垢，只能停止装置的工作，使污垢燃烧后清除，或者用机械方式将其擦掉。由于在清除污垢的过程中必须停止装置的运转，所以会产生生产效率降低、处理效率不高和开支清除费用等问题。 研究一下换热器传热管内壁的结垢情况，可以看出，在如象上面那样进行热交换的场合，由于换热作用，在“排气温度降低到400~650℃ ”的出口端，结垢现象更为严重。因为高温排气通常含有大量的水蒸汽，所以一旦流过换热器传热管时，温度迅速下降到650℃以下，排气内的饱和蒸汽压下降，在传热管内壁上就会结露，从而容易结垢。 鉴于污垢的附着、堆积长大特性，作为防止结垢的对策，在污垢固结以前加以清除是行之有效的。 为此，在炭黑生产装置中，以往的做法是，在换热器传热管的上游进口端称为整流室的空间内，向高温烟气中喷射水雾甚至水团，使水在烟气的热作用下瞬间汽化，利用此时水蒸汽体积迅速膨胀形成的风力冲击，来吹掉污垢。 这一方法对清除换热器传热管进口端附近的污垢是有效的。不过，换热器传热管的高度通常为数米至十多米，在进口端产生的风压随传热管高度增加而迅速下降，不能完全吹掉出口端的污垢，在结垢严重的出口端效果不够理想。 鉴于上述情形，本发明要解决的问题是，在不停止装置运转的情况下，有效防止换热器传热管内壁上结垢。 本发明的防止结垢的方法具有以下特点： 从流过高温排气的换热器传热管的出口端，因高压喷咀向管内间歇性喷射不燃性流体，依靠所喷射不燃性流体的吸引力作用，在传热管内形成朝上游端流动的反向气流，从而吹掉附着在传热管内壁上的污垢。高温排气是指炭黑生产凌驾从反应炉排出的烟气或焚烧污泥时伴生的高温燃烧废气等。不燃性流体是指，喷射到换热器传热管内时，在高温排气作用下不会燃烧的流体。适用的流体例如高压蒸汽、高压水或高压蒸汽和高压水的混合物，以及氮气之类惰性气体。 用高压喷咀间歇性喷射是指，每隔数分钟至数小时喷射一次，或一天中喷射数次。因为污垢固定在换热器传热管的内壁上以后，不容易吹掉。所以需要在污垢粘附之后、固定之前将其清除掉。喷射次数必须设定得能达到这一目的才行。 从炭黑生产装置或垃圾焚烧装置运转之初，就必须用高压喷咀进行喷射。喷射高压不燃性流体是针对换热器传热管来进行的，在这之间，没有必要停止整个装置的运转。用高压喷咀喷射的流体的压力、喷射量和每次的喷射时间，必须根据换热器传热管的长度和口径来设定，以便形成能有效吹掉污垢的气流。 从换热器传热管的出口端内喷射高压流体后，会朝出口端形成高速流动，根据柏努利原理，与周围相比，压力大大减小。这种压力减小状态随着喷射流体的流动向换热器传热管内转移，产生巨大的吸引力，将出口端周边附近的高温排气吸出出口端。 在这一吸引力作用下，在换热器传热管内形成从出口端逆流而上的反向气流。这一气流吹掉附着在换热器传热管内壁上尚未固定的污垢，从而将管子内壁弄干净。 本发明的防止换热器传热管内结垢的装置是用于实施本发明防止结垢方法的装置，具有高压喷咀、不燃性流体供给设施和喷射控制设施等。 高压喷咀可以随时位于换热器传热管出口端，或必要时才位于出口端。也就是说，高压喷咀随时位于换热器传热管出口端附近，既可以平常就面对出口端，也可喷射流体时才面对出口端，不喷射时离开出口端。而且，在用一个高压喷咀来清除许多根传热管的污垢时，也可设计成高压喷咀能依次面对各个传热管出口端的状态。 不燃性流体供给设施是指将不燃性流体输送给高压喷咀的装置。喷射控制设施是指调控高压喷咀间歇性喷射不燃性流体的装置，例如可以由计算机控制部分和开关机构组成。开关机构受计算机控制来开启和关闭通往高压喷咀的阀门。 本发明的防止结垢的方法和装置，既适用于一根传热管的情形，也适用于多根传热管的情形。虽然可以单独使用本发明的方法和装置来清除换热器传热管内壁的污垢，但是在炭黑生产的场合，也可同时使用前面所说的传统做法。即是，在换热器传热管上游进口端附近，向烟气中喷淋水雾，使其在烟气的热作用下瞬间汽化，利用此时水蒸汽体积迅速膨胀形成的风力冲击来吹掉污垢。这样一来，能进一步提高清污效果。 本发明的换热器是这样一种装置：高温排气流过传热管内，被加热流体沿传热管外壁面流动，依靠与高温排气的热交换作用加热流体，同时使高温排气的温度降低。其特点是使用了本发明的防止结垢的装置。沿换热器传热管外壁面流动的被加热流体既可以是液态，也可以是气态。例如，以水作为被加热流体，可以使换热器起锅炉作用，通过热交换作用使水沸腾。以空气作为被加热流体，送入换热器，通过热交换作用，就能得到高温空气。 本发明所指的炭黑生产装置是这样的：从反应炉通入燃料和空气，产生高温燃烧气体，在其中喷入重质油雾，转化成炭黑，停止反应后，高温烟气(热解成气体)经过换热器的传热管进入收集装置。该生产装置的特点是装有防止炭黑附着在换热器传热管内结成污垢的装置。 在这样一种炭黑生产装置中，利用上述的换热器加热空气，升温后的空气被通入反应炉内。 在炭黑生产装置中，反应炉入口端通常是燃烧段，气态或液态燃料与助燃空气被通入其中完全燃烧，生成的高温燃烧气体通入反应段，将作为原料的重质油雾化后喷入其中，在反应段内，一部分原料油在高温气体中燃烧，其余部分热解生成炭黑微粒。将用换热器加热后的高温空气(预热空气)和燃料一道通入反应炉内，由于所通入的空气已经是高温，所以能大大减少用于生成高温燃烧气体的燃料用量。 另外，用高温烟气加热后的预热空气，必要时，在通入反应炉内以前，可用其它加热手段加热，进一步升温。作为间歇性喷入换热器传热管内的不燃性流体，适用的例子如像高压蒸汽、高压水、高压蒸汽和高压水的混合物、氮气之类惰性气体等。其中最为适用的是水蒸汽。水蒸汽作为不燃性流体而最适用的理由是容易制备。 水蒸汽可用专用锅炉产生。在炭黑生产厂和各种燃烧处理工厂内，一般都有水蒸汽发生设备。在装置运转时，产生蒸汽的工艺也不复杂。因此，利用易于获得的水蒸汽作为不燃性液体是最适当不过的。不言而喻，在炭黑生产厂可以用高压水蒸汽来作为间歇性喷入换热器传热管内的不燃性流体。这时的水蒸汽来源虽然可以用专用锅炉产生，但是最好利用炭黑生产厂内现成的产汽设备，或生产装置运转时伴生的水蒸汽。无论在哪一种场合，至少有一部分用于产生高压水蒸汽的热能，可以利用由上述换热器进行热交换后仍具有显热的烟气热能。 如上所述，用高压喷咀间歇喷射的次数为数分钟至数小时或一天数次。在高温烟气排放期间，随时间歇性地清除污垢。图4为炭黑生产装置连续运转时换热器传热管内结垢状况的典型示例。图4中，纵轴代表结垢系数，表示换热器传热管内的结垢程度，横轴用时间单位表示装置的连续运转时间。 在本例中，在换热器传热管上游入口端附近，将水滴甚至水团喷入高温烟气中，使其在烟气的热作用下瞬间汽化，利用此时水蒸汽体积迅速膨胀形成的风力冲击来吹掉污垢。这样能有效防止换热器传热管上游入口端部分结垢。图5所示为换热器传热管的出口部分结垢随时间变化的情形。 由图可知，换热器传热管出口部分的结垢程度随连续运转时间一道增大，逐渐趋于饱和。结垢急剧增加的情形发生在刚开始运转后传热管内壁处于清洁状态之时，一旦开始结垢，污垢附着量会迅速增加，结垢现象变得严重。 由此可见，要清除换热器传热管内的污垢，行之有效的做法是，装置开始运转之初就随时进行，清垢次数要保证管壁上附着的污垢不能固结，附着量不会增大。下面详细介绍本发明的实施过程。图l为炭黑生产装置的一个简化示意图。 众所周知，炭黑主要用作汽车轮胎的补强材料，此外，在电子照相技术领域内，也广泛用于掺混到显现静电潜像的色粉中，是保障现代化生活的重要原材料。炭黑主要通过烃的热解来制备。图1(a)中，代号10表示的反应炉由燃烧段11、反应段12和急冷段13组成。在位于反应炉进口的燃烧段，通入气态或液态燃料A和和助燃空气B。燃料A和助燃空气B在燃烧段ll发生完全燃烧反应，形成高温燃烧气体C，流入反应段l2。 作为原料烃D的重质油是FCC残油、乙烯渣油或杂酚油等，与碱金属添加物一道通入反应段l2，喷入来自燃烧段ll的高温燃烧气体C中。在反应段12内，作为原料烃的重质油，一部分在高温燃烧气体C中燃烧，其余部分转化成炭黑微粒。这时，反应段内达到1200~1800℃的高温。 所生成的炭黑微粒如果继续停留在高温气氛中，就会结晶化，有损于炭黑的粒径和表面活性等特性，因此必须迅速停止热解反应。为此，在位于反应段12下游的急冷段13，直接向反应生成物喷淋冷却水，将反应生成物的温度冷却到lOO0℃以下(最好900℃以下)，来停止热解反应。急冷段13冷却水的喷淋位置在图1中可以左右移动，以调节停止热解反应的时间。因此，冷却水喷淋位置偏向图l中左边，则反应段l2的长度变短，热解时间就缩短。相反，冷却水喷淋位置偏向图l中右边，则反应段12的长度变大，热解时间就延长。 在急冷段13急冷后的含炭黑的烟气E从反应炉l0排出，虽经急冷，仍保持900℃的高温。从反应炉10排出的高温烟气E，在换热器16的烟气入口端设置的整流室14改变成向上流动，通过换热器l6进入收集装置l5，在收集装置15收集作为生成物的炭黑。收集炭黑后的尾气(具有180~250℃的显热)，因为是有毒性的可燃性气体，可加以焚烧，也可作为干燥用热源或锅炉用热源回收热能后，以废气的形式放空。作为助燃空气B的空气，在常温下用风机17送入换热器16，在其中与高温烟气进行热交换后，被加热升温。 在换热器l6内部配备有许多(数十)根传热管，当高温烟气E流经每根传热管时，与风机17送入的空气进行热交换，将该空气从常温预热到550～850℃ 。另一方面，烟气通过热交换后降低温度，从换热器出来到收集装置时，温度为400--~650℃ 。预热后的空气作为反应炉内助燃空气B，被通入燃烧段l1。如像这样，由于助燃空气B被预热，能有效地用作燃烧段l1燃料A开始燃烧所需的热源，从而大大减少燃料的消耗量。必要时，助燃空气B在通入燃烧段l1之前，可用图中未示出的其它加热手段进一步加热，以便提高温度。 如上所述，换热器l6内部配置有多达数十根的传热管，从喷射部20对这每一根传热管喷射高压不燃性流体F，在管内形成朝上游流动的反向气流，就能吹掉传热管内壁上附着的炭黑。 在上面所说的实施过程中，高压不燃性流体F是水蒸汽，在产汽部l8发生，用输送调控装置19调节压力和流量，然后送入高压喷咀控制喷射。产汽部18和输送调控装置组成不燃性流体供给装置，输送调控装置即是喷射控制装置。 产汽部18既可用专用设备，也可以使用炭黑生产厂内责成的产汽设备，还可以使用炭黑装置运转伴随工艺过程发生的蒸汽。无论哪一种场合，至少有一部分用于产生高压水蒸汽的热能，可以利用由上述换热器进行热交换后仍具有显热的烟气热能。图2所示为图1所示炭黑生产装置中，换热器16内部所配置的许多根传热管中某一根传热管141出口端附近的情形。高压喷咀25面对传热管141的出口端。高压流体(水蒸汽)从高压喷咀25高速喷出后，在其高速流动产生的吸引力作用下，周围的烟气被吸引过来，在传热管141内形成朝上游流动(向图的下方)的反向气流。这一气流在传热管141内一边高速流动，一边吹掉管子内壁上附着而尚未固结成垢的炭黑。 如上所述，换热器16的许多传热管形成管束，烟气从这些传热管排出，因此，当某一根传热管内引入反向气流时，该管子周围的其它传热管仍在排出烟气。换热器的这些传热管的入口端在图1所示整流室14一侧成敞开状，因此，传热管内反向气流的压力在整流室14内减小。另一方面，上述的反向气流，一边流动，一边推挤传热管内从上游流向下游的烟气，因而在烟气流的阻挡压力下能保持高压状态向上游流动。这样一来，反向气流吹掉附着炭黑的风压衰减不大，在整个传热管长度范围内，都能彻底地吹掉附着的炭黑。喷射部20由供给高压喷咀高压不燃性流体的导管24等构成，要不妨碍从换热器16出来流向收集装置15一侧的烟气的自然流动。图2中，140表示支撑换热器传热管出口端的上管板。图中未示出的进口端同样由兼作整流室顶板的下管板支撑着。 在上下管板之间，众所周知，也可设置若干折流板，来自风机17的空气作为反应炉用助燃空气B从出口排出。在换热器16内成螺旋状流动。 如上所述，图l所示的炭黑生产装置是在反应炉入口通入燃料A和助燃空气B，形成高温燃烧气体c，在其中喷入雾化的重质油D，转化成炭黑，停止反应后的高温烟气经过换热器16，进入收集装置15，用收集装置回收炭黑。 在这样的生产装置中，作为防止高温烟气E流经换热器时所含炭黑附着在传热管内壁上的方法，是在传热管141等的出口端，用高压喷咀25向管内间歇性喷射高压不燃性流体F，在所喷射的不燃性流体吸引力的作用下，在传热管141等内形成反向流动的气流，从而吹掉附着在换热器传热管141等的内壁上的炭黑。 图1所示的炭黑生产装置具有防止换热器传热管内壁附着炭黑的装置。该防结垢装置由高压喷咀25、不燃性流体供给部分18和喷射控制部分19组成。高压喷咀25随时或必要时位于换热器传热管141等的出口端，不燃性流体供给部分18向高压喷咀25输送高压不燃性流体F，喷射控制部分19调控从高压喷咀25间歇性喷出的不燃性流体F。 下面将高压喷咀和换热器传热管出口端的关系模型化，如图3所示，对高压喷咀所喷射流体的喷射速度和喷射时间等进行了研究。研究以下列条件为前提：高压水蒸汽的喷射压力：9．0k c (饱和蒸汽)圆形高压喷咀的口径：d=5rm喷射压力：PO=7．Okg／c (表压)=8．033kg／cm2(绝对压力)高压喷咀的喷管直径(内径)：D=12．7ran饱和水蒸汽的热容比：y=1．31如图3所示，设高压水蒸汽在高压喷咀25内的位置为o，刚喷出的位置为B，在换热器传热管141内的位置为6，在Q、13和6三个位置上的流速u，体积V和压力P分别为U0、Vo和P。，U 、V 和P ，U2、V2和P2。高压水蒸汽的流速与喷出率由高压喷咀内的压力P0，从高压喷咀喷出后的压力P 、临界压力P。，可以求出临界压力比P。／P0和压力比P2／P0；临界压力比Pc／P0：[2／(Y+1)] ¨ ’因为Y=1．31，所以Pc／Po=0．544因为压力P2=1．033+0．30．=1 ． 333 ，所以压力比PJPo=I．333／8．033=0．166 由此可见，Pc／P0>PJPo。高压喷咀的出口压力P。等于临界压力P。，喷出的水蒸汽是气相状态，其流速等于声速。为了算出声速U。，采用了绝热变化的声速公式：Ul 首先，采用水的分子量M，则蒸汽的气体常数R为：R=848／M因为R=47．07kg．m／kg．K设高压喷咀喃出的水蒸汽温度T0为164℃，则水蒸汽的密度p。为：p 07砥0-8．033×104／[47．07X(273+164)]=3．90kg／m3将Y=1．33，P ．033， Pl=Po=O．544 XPo=4．369，代入上述的声速公式，则：Ul=478．6m／s 这时，喷出率，即单位时间内从高压喷咀中喷出的水蒸汽量H可以用下面的方式算出。刚喷出后的水蒸汽的密度P。为：P1=P (Pl／P0)1／y=3．90X (4．37／8．033] 。”=2．45kg／m3 采用高压喷咀喷口的截面积A，则：H=p 1．A．Ul=p I．A．(Y gPl／P 1) 。=2．45X0．oo52xo． 785X(1．31 X9．81 X4．369X 104／2．45)=0．023kg／s进入换热器传热管的气量 如图3所示，P-、V 、U-、Pz、V2和U2是与喷出的水蒸汽30和进入传热管的气体31及水蒸汽的混合气体有关的参数。气体的进入是依靠文丘里效应，众所周知，在这种场合，上述U。、P2、v2和U2之间有下式关系：U。／(1+n)=[(2g．AP．V#f)十U2 ]式中，n是吸引的气体和喷出蒸汽之流量比，△P=P ，是换热器传热管141的出口部分与管内的压力差。F值一般取0．5，压力差AP取+600mm水柱高度，流速U2取30m／s，算出了这时的引入量。这样一来， 上式中，U。=478．5m／s，UF3Om／s，f-O．5。 设换热器传热管内向出口端流动的高温烟气的温度在出口附近为500℃，其一般组份(炭黑除外)为C (4．0㈣，CO(9．09％)，CI-h(0． ， H2(6．8 ， N2(44． ，H20(35．06％)， (0．5 ，02(0．00 。由这些组份算出的平均气体分子量为23。3k kg．mol。 这样一来，体积v2为：V~(22．4／23．3)×(273+500)／273=2．722mS／kg 采用这些数值，上述关系成为：478．5／(1+n)=[(2X9．81×600X2．722／O．5)+30 ]=254．9计算上式可知，n=0．88这样一来，在换热器传热管内，由文丘里 效应引入的混合气体量Q为：Q=(n+1)× 【0．023×(22．4／18．02)X(773／273)]=1．88×[0．023×(22．4／18．02)X(773／273)]=0．152~／s=0．076m~／0．5s 另一方面，对于换热器传热管，假定为是直径0．08m、长度14m的圆筒形管子，则每一根传热管的容积V为：V=O．08 ×0．785×14．0-0．070m3 依照上述条件，按每一次喷射0．5秒钟计算，能够在管内引入不小于0．070 的气体。而且，这时的流速U用传热管的截面积0．08×0．785去除上述单位时间内引入的气体量0．152m3／s，可得U=30．2m／s。完全能吹掉换热器传热管内壁上附着的炭黑，防止炭黑结垢。对于图3，上面的计算过程取换热器传热管出口端最大内径Dl=12Onln，内径O2=8Onln,内径开始扩大部分和高压喷咀25之间的距离为D3=176rnn，喷射气体(不燃性流体)的雾化角0-26。 如图3所示，如果使换热器传热管出口附近的口径增大，就能在这一口径逐渐增大部分和恒定内径部分的接合处，有效地产生文丘里效应，从而增大引入的气体量。为了更加有效地产生文丘里效应，也可以在换热器传热管出口部分设置适当的文丘里管。 图5是用于说明防止换热器传热管束结垢的具体做法的参考图。如图5(a)所示，在换热器16内部70~80根传热管⋯Sk 、Sk Sk +z⋯sp 、sp·等成蜂窝状配置。相对于每行传热管，配置了⋯24K、24M、24L、24P⋯等通流管。24K等通流管的配置位置和配置个数与传热管的配置位置和配置个数相对应，各高压喷咀N2与各根传热管逐一对应，位于所对应的传热管的出口位置。 图5(b)以24K通流管为例，示出了供给高压水蒸汽的机构。输送控制装置19作为供给水蒸汽的装置，具有与各通流管相应的分支管路，在这些供汽管路⋯19K、19L、19M⋯中，供汽管路19M与通流管24M相对应，管路中装有手动阀~Ⅱ3和电磁阀EB，从输送控制装置19供给水蒸汽。 手动阀~Ⅱ3通常是打开的。电磁阀EB作为控制高压喷咀N2间歇性喷射水蒸汽的装置，控制电磁阀EB的驱动器EBM，从而控制电磁阀的开启和关闭动作。电磁阀EB打开后，从通流管24M的各个高压喷咀N2面对各自相应的传热管喷出高压水蒸汽，吹掉附着在传热管内壁上的炭黑。 供给各通流管⋯24K、24L⋯等的高压水蒸汽按规定的顺序进行。在对各传热管喷射完毕后，在一定的周期内重复同一动作过程。也可以同时向两根以上的通流管供汽。这时，对于这两根以上的通流管，可以共同使用一根供汽管路和一个电磁阀。 上述的手动阀~Ⅱ3是供维护时使用的。在清扫通流管时，手动关闭阀~Ⅱ3，可使高压水蒸汽不致再回流到正在清扫的通流管内。 上面所述是对于许多根传热管按顺序逐一除垢的情形。也可以对全部传热管一起进行除垢。 如上所述，采用本发明，可以在炭黑生产装置的换热器中利用新的除垢方法和除垢装置。采用本发明，能够有效防止换热器传热管内壁(特别是出口端内壁)上附着炭黑。由于不会停止装置运转来清除所附着的炭黑，所以不会影响生产效率。 附图简介 图1为炭黑生产装置的一个简化示意图。图2所示为图1所示的炭黑生产装置中换热器众多传热管之中的某一根传热管出口端附近的情形。图3是说明用高压喷咀在换热器传热管内形成气流的参考图。图4为炭黑生产装置连续运转时换热器传热管内结垢状况的典型示例。图5是用于说明防止换热器传热管束结垢的具体做法的参考图。 符号说明 10：反应炉，14：高温烟气流通部，19．不燃性流体输送控制装置，20：喷射部。 |
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