專利名稱：副產(chǎn)高壓蒸汽的大型膜式水冷壁氣相反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種副產(chǎn)高壓蒸汽的大型膜式水冷壁氣相反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
化工、煉油、冶金、輕工、制藥等行業(yè)均屬于流程工業(yè)領(lǐng)域。在流程工業(yè) 中，劇烈發(fā)熱發(fā)光的氧化還原反應(yīng)十分常見，如硫酸工業(yè)中燃硫制取硫酸酐和 磷酸工業(yè)中燃燒黃磷獲取五氧化二磷等過(guò)程，均有大量熱量釋放，對(duì)應(yīng)生成的
反應(yīng)混和氣溫度很高，大都在1000'C以上，有時(shí)甚至高達(dá)180(TC。但這些流程 工業(yè)中的高溫反應(yīng)氣往往具有較高的腐蝕性，且這種腐蝕性隨溫度升高會(huì)加劇。 因此，降低高溫反應(yīng)氣的腐蝕性、提高設(shè)備壽命一直是困擾上述各領(lǐng)域的難點(diǎn) 問(wèn)題。
為降低煙氣溫度以減小對(duì)反應(yīng)器的腐蝕和減輕對(duì)后續(xù)設(shè)備的熱負(fù)荷，常規(guī) 氣相反應(yīng)器的燃燒室周壁都采用夾套結(jié)構(gòu)，低溫循環(huán)水在夾套內(nèi)流動(dòng)吸熱，通 過(guò)流量和流速的調(diào)節(jié)，將高溫反應(yīng)氣溫度冷卻到工藝規(guī)定的溫度范圍以內(nèi)。一 般這類夾套的進(jìn)水溫度為15~25°C，出口水溫為45 55。C，這樣低溫的余熱在工 業(yè)上根本沒有什么利用價(jià)值，且為實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)流動(dòng)，還要配置專門的板式換 熱器，耗電廢水，在浪費(fèi)熱能的同時(shí)，也增加了設(shè)備投資。
由換熱管和翅片構(gòu)成的膜式水冷壁是一類常見的余熱回收部件，尤其在能 源動(dòng)力領(lǐng)域的鍋爐設(shè)備上應(yīng)用廣泛。但流程工業(yè)中的氣相反應(yīng)器與鍋爐不同， 參與反應(yīng)的原料及操作目的等都不一樣，且鍋爐一般從底端軸向進(jìn)料，而氣相 反應(yīng)器則大多從側(cè)壁向下傾斜進(jìn)料。這意味著要將膜式水冷壁應(yīng)用到氣相反應(yīng) 器中來(lái)，絕不能完全照搬鍋爐水冷壁的結(jié)構(gòu)形式和計(jì)算理論，必須根據(jù)具體工 況進(jìn)行特種設(shè)計(jì)。浙江大學(xué)化機(jī)所就結(jié)合熱法磷酸生產(chǎn)的特點(diǎn)，在廣泛調(diào)研與 實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，成功開發(fā)了具有余熱回收功效的黃磷燃燒反應(yīng)器。該裝置 的燃燒室周壁一改以往的夾套結(jié)構(gòu)，將膜式水冷壁的結(jié)構(gòu)型式完美結(jié)合到反應(yīng) 塔的設(shè)計(jì)中來(lái)，從而使氣相反應(yīng)器多功能化，它既是一個(gè)提供反應(yīng)空間的反應(yīng) 器，又是一個(gè)能利用余熱副產(chǎn)蒸汽的特種余熱鍋爐。但該種形式的氣相反應(yīng)器 僅能副產(chǎn)低壓飽和蒸汽，而低壓飽和蒸汽在生產(chǎn)、生活上的使用場(chǎng)合有限。因 此在生產(chǎn)規(guī)模化、設(shè)備大型化、高溫反應(yīng)氣大量化時(shí)，這些副產(chǎn)的低壓飽和蒸 汽常常過(guò)剩，于是如何對(duì)其有效利用就成為新的問(wèn)題。
膜式水冷壁反應(yīng)器的高壓化是解決規(guī)模生產(chǎn)中低壓蒸汽過(guò)剩的一個(gè)有效途 徑，如果能利用高溫反應(yīng)氣副產(chǎn)發(fā)電級(jí)別的高壓蒸汽則實(shí)現(xiàn)了余熱的高效利用， 既可節(jié)水，又能節(jié)電。但膜式水冷壁反應(yīng)器畢竟不同于鍋爐，完成化學(xué)反應(yīng)始 終是第一位的，而利用余熱副產(chǎn)高壓蒸汽才是第二位的。因此在膜式水冷壁反 應(yīng)器的高壓化、大型化設(shè)計(jì)中，必須很好的解決以下幾方面的問(wèn)題(1)腐蝕 問(wèn)題。膜式水冷壁反應(yīng)器內(nèi)的高溫?zé)煔獯蠖季哂懈g性，尤其在有濕空氣進(jìn)入 時(shí)，高溫?zé)煔鈺?huì)與水汽結(jié)合并附著在水冷壁死角部位形成局部腐蝕，長(zhǎng)時(shí)間積 累侵蝕后會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞；(2)燃燒器布置問(wèn)題。在由若干根管束構(gòu)成的氣相 膜式水冷壁上開孔布置燃燒器具有一定難度。如果通過(guò)將局部換熱管彎曲內(nèi)凹， 為燃燒器布置騰出間隙，則極易導(dǎo)致內(nèi)凹管的過(guò)燒，甚至爆管；倘若燃燒器所 在區(qū)域軸向整體使用夾套水冷，則必將浪費(fèi)大量熱能，余熱回收率降低；(3) 水冷壁結(jié)構(gòu)型式的確定。對(duì)大型膜式水冷壁氣相反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，隨參與反應(yīng)的原 料的增多，反應(yīng)放熱量及混合煙氣溫度也增大。為避免熱強(qiáng)度過(guò)高燒穿翅片， 通常通過(guò)增大反應(yīng)室直徑以提高總換熱面積，但受限于運(yùn)輸能力的限制， 一般 膜式水冷壁直徑不能超過(guò)3.6m;至于大型鍋爐上采用的方形結(jié)構(gòu)、分片現(xiàn)場(chǎng)組 裝方法，對(duì)燃燒器斜向布置的膜式水冷壁氣相反應(yīng)器并不適用，因該種布置下 的反應(yīng)器下端溫度要比鍋爐端部進(jìn)料時(shí)高很多，必須進(jìn)行冷卻，而要對(duì)方形結(jié) 構(gòu)的四棱錐底進(jìn)行冷卻很難。有基于此，要避免大型膜式水冷壁氣相反應(yīng)器的 翅片過(guò)燒，必須減小翅片寬度同時(shí)增加管束，但這勢(shì)必要在承受更高壓力的集 箱上開更密集的孔，因此在兼顧集箱巻制可行性的前提下，解決高壓集箱的強(qiáng) 度與密集開孔增大水冷壁有效換熱面積的矛盾就成為大型膜式水冷壁氣相反應(yīng) 器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決流程工業(yè)中高溫腐蝕性氣體余熱回收的難點(diǎn)問(wèn) 題，本發(fā)明的目的在于提供適于高溫腐蝕性氣體余熱回收的一種副產(chǎn)高壓蒸汽 的大型膜式水冷壁氣相反應(yīng)器。它在具備正常反應(yīng)功能并確保生成物數(shù)量、質(zhì) 量要求的前提下，能夠副產(chǎn)出常規(guī)汽輪機(jī)發(fā)電所需的高壓蒸汽，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 節(jié)水、節(jié)電，且能減少對(duì)環(huán)境的熱污染。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是
包括由主水冷壁、局部水冷壁、局部小水箱、上集箱、下集箱、局部集箱、 上封頭和下封頭共同圍成的封閉反應(yīng)室。主水冷壁下端與下集箱相連，通過(guò)側(cè) 向布置在下集箱上的下降管供給低溫冷卻水，局部水冷壁下端與局部集箱相連，
由側(cè)向布置在局部集箱上的局部下降管供給低溫冷卻水，主水冷壁與局部水冷 壁的上端分別與上集箱相連，并通過(guò)布置在上集箱上的多根集汽管與上端外界 汽包相通，同時(shí)主水冷壁和局部水冷壁的外周設(shè)有多道加強(qiáng)環(huán)，局部小水箱位 于局部水冷壁的下方，局部小水箱的上下兩端分別與局部集箱和下集箱焊在一 起，通過(guò)局部小水箱的進(jìn)口管和出口管分別進(jìn)水和出水，燃燒器斜向貫穿并固 定在局部小水箱上，反應(yīng)室的頂端是上封頭，上封頭焊接在上集箱的內(nèi)緣，煙 氣出口管布置在上封頭上，反應(yīng)室的底端是下封頭，下封頭焊接在下集箱的內(nèi) 緣，上封頭和下封頭都采用半管夾套冷卻，整個(gè)反應(yīng)器通過(guò)底部裙座支撐。
所述的主水冷壁由耐蝕不銹鋼材質(zhì)的長(zhǎng)換熱管和端部密封條焊接而成，其 中長(zhǎng)換熱管一端平直，另一端帶有內(nèi)凹彎頭，且相鄰長(zhǎng)換熱管的平直端交錯(cuò)布 置，沿反應(yīng)器軸向插入上集箱或下集箱，內(nèi)凹端也同樣交錯(cuò)布置，只是側(cè)向傾 斜插入對(duì)應(yīng)的上集箱或下集箱，此外長(zhǎng)換熱管的中間段部分采用無(wú)翅片的管對(duì) 管直接相連，兩端部則借助矩形的密封條來(lái)共同封閉反應(yīng)室。
所述的局部水冷壁由耐蝕不銹鋼材質(zhì)的短換熱管和長(zhǎng)條形翅片焊接而成， 其中短換熱管為全直管，兩端分別沿反應(yīng)器軸向插入上集箱和局部集箱。
所述的上集箱和下集箱均為耐蝕不銹鋼材質(zhì)的環(huán)管，沿整個(gè)圓周開有均勻 分布且軸向和側(cè)向交錯(cuò)的雙排管孔。
同常規(guī)夾套水冷反應(yīng)器和普通膜式水冷壁結(jié)構(gòu)反應(yīng)器相比，本發(fā)明能對(duì)高 溫腐蝕性氣體的余熱進(jìn)行有效回收并副產(chǎn)高壓蒸汽，其顯著優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在
(1) 采用集成化、系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)理念，將特種膜式水冷壁結(jié)構(gòu)與單一功能 反應(yīng)器進(jìn)行了耦合，從而實(shí)現(xiàn)了氣相反應(yīng)器的多功能化。同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊，占地 面積下，且實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)空間的最大化；
(2) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與操作運(yùn)行更安全可靠。該大型氣相反應(yīng)器在實(shí)現(xiàn)功能提升 的同時(shí)，安全可靠性也得到了提高。長(zhǎng)換熱管的無(wú)翅片直聯(lián)、上下夾套的半管 夾套水冷、燃燒器局部小水箱等，都使得設(shè)備更耐高溫；反應(yīng)器中與高溫腐蝕 性氣體直接接觸的零部件都采用耐蝕不銹鋼材料制造，同時(shí)反應(yīng)器內(nèi)關(guān)鍵部位 都進(jìn)行等離子噴涂等特種表面防腐處理，故設(shè)備更抗腐蝕；關(guān)鍵承壓部件—— 上、下集箱均交錯(cuò)開孔， 一排孔沿反應(yīng)器軸向既在集箱頂部開設(shè)，相鄰的孔則 在集箱側(cè)壁開設(shè)，這樣相鄰兩孔的中心線距離更大，因此較常規(guī)膜式水冷壁反 應(yīng)器更耐壓。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖2是圖1的A-A剖視圖。 圖3是圖1的B-B剖視圖。 圖4是圖1的C向視圖。
圖中1、煙氣出口管，2、上封頭，3、集汽管，4、上集箱，5、加強(qiáng)環(huán)，6、 主水冷壁，6.1長(zhǎng)換熱管，6.2密封條，7、局部水冷壁，7.1短換熱管，7.2翅片， 8、局部集箱，9、局部下降管，10、燃燒器，11、局部小水箱，11.1出口管， 11.2進(jìn)口管，12下集箱，13、裙座，14、下封頭，15、下降管，16、反應(yīng)室
具體實(shí)施例方式
如圖l、圖2所示，本發(fā)明包括由主水冷壁6、局部水冷壁7、局部小水箱ll、 上集箱4、下集箱12、局部集箱8、上封頭2和下封頭14共同圍成的封閉反應(yīng)室16。 主水冷壁6下端與下集箱12相連，通過(guò)側(cè)向布置在下集箱12上的下降管15供給低 溫冷卻水，局部水冷壁7下端與局部集箱8相連，由側(cè)向布置在局部集箱8上的局 部下降管9供給低溫冷卻水，主水冷壁6與局部水冷壁7的上端分別與上集箱4相 連，并通過(guò)布置在上集箱4上的多根集汽管3與上端外界汽包相通，同時(shí)主水冷 壁6和局部水冷壁7的外周設(shè)有多道加強(qiáng)環(huán)5，局部小水箱11位于局部水冷壁7的 下方，局部小水箱11的上下兩端分別與局部集箱8和下集箱12焊在一起，通過(guò)局 部小水箱11的進(jìn)口管11.2和出口管11.1分別進(jìn)水和出水，燃燒器10斜向貫穿并固 定在局部小水箱ll上，反應(yīng)室16的頂端是上封頭2，上封頭2焊接在上集箱4的內(nèi) 緣，煙氣出口管1布置在上封頭2上，反應(yīng)室16的底端是下封頭14，下封頭14焊 接在下集箱12的內(nèi)緣，上封頭2和下封頭14都采用半管夾套冷卻，整個(gè)反應(yīng)器通 過(guò)底部裙座13支撐。
如圖3所示，所述的主水冷壁6由耐蝕不銹鋼材質(zhì)的長(zhǎng)換熱管6.1和端部 密封條6,2焊接而成，其中長(zhǎng)換熱管6.1—端平直，另一端帶有內(nèi)凹彎頭，且相 鄰長(zhǎng)換熱管6.1的平直端交錯(cuò)布置，沿反應(yīng)器軸向插入上集箱4或下集箱12， 內(nèi)凹端也同樣交錯(cuò)布置，只是側(cè)向傾斜插入對(duì)應(yīng)的上集箱12或下集箱4，此外 長(zhǎng)換熱管6.1的中間段部分采用無(wú)翅片的管對(duì)管直接相連，兩端部則借助矩形 的密封條6.2來(lái)共同封閉反應(yīng)室16。
如圖4所示，所述的局部水冷壁7由耐蝕不銹鋼材質(zhì)的短換熱管7.1和長(zhǎng) 條形翅片7.2焊接而成，其中短換熱管7.1為全直管，兩端分別沿反應(yīng)器軸向插 入上集箱4和局部集箱8。
所述的上集箱4和下集箱12均為耐蝕不銹鋼材質(zhì)的環(huán)管，沿整個(gè)圓周開有 均勻分布且軸向和側(cè)向交錯(cuò)的雙排管孔。
本發(fā)明的工作原理如下
工作過(guò)程中，參與反應(yīng)的原料通過(guò)燃燒器10進(jìn)入反應(yīng)室16，劇烈反應(yīng)并放 出大量熱。生成的混和煙氣溫度很高，在從下向上流動(dòng)過(guò)程主要以輻射方式散 熱，當(dāng)溫度降低達(dá)到工藝允許的溫度后從煙氣出口管1排出進(jìn)入下一道工序。 同時(shí)，冷卻水通過(guò)下降管15和局部下降管9分別進(jìn)入主水冷壁6的長(zhǎng)換熱管 6.1和局部水冷壁7的短換熱管7.1，在外加泵功或密度差的驅(qū)動(dòng)下，冷卻水在 管內(nèi)向上流動(dòng)并吸熱升焓，達(dá)到一定高度后開始有蒸汽產(chǎn)生，且冷卻水中的汽 含率隨高度增加越來(lái)越大，最后汽水混合物在上集箱4中匯集，并通過(guò)數(shù)根集 汽管3與外界汽包相連，在那里進(jìn)行汽水分離。由于生產(chǎn)過(guò)程中下封頭14正對(duì) 著燃燒器10噴射過(guò)來(lái)的反應(yīng)氣，溫度很高，因此要向下封頭14上的半管夾套 通循環(huán)水進(jìn)行冷卻。上封頭2由于被排放的煙氣溫度仍相對(duì)較高，因此也同樣 要向其上的半管夾套通水冷卻。此外，大型膜式水冷壁氣相反應(yīng)器的燃燒器10
的局部區(qū)域，溫度很高，如果得不到有效冷卻極易發(fā)生爆管或翅片燒穿現(xiàn)象， 因此這里增設(shè)局部小水箱11。操作狀態(tài)下，小水箱11通過(guò)進(jìn)口管11.2進(jìn)水， 通過(guò)出口管ll.l出水，完成對(duì)燃燒器10局部區(qū)域的冷卻。
權(quán)利要求
1、一種副產(chǎn)高壓蒸汽的大型膜式水冷壁氣相反應(yīng)器，其特征在于包括由主水冷壁(6)、局部水冷壁(7)、局部小水箱(11)、上集箱(4)、下集箱(12)、局部集箱(8)、上封頭(2)和下封頭(14)共同圍成的封閉反應(yīng)室(16)。主水冷壁(6)下端與下集箱(12)相連，通過(guò)側(cè)向布置在下集箱(12)上的下降管(15)供給低溫冷卻水，局部水冷壁(7)下端與局部集箱(8)相連，由側(cè)向布置在局部集箱(8)上的局部下降管(9)供給低溫冷卻水，主水冷壁(6)與局部水冷壁(7)的上端分別與上集箱(4)相連，并通過(guò)布置在上集箱(4)上的多根集汽管(3)與上端外界汽包相通，同時(shí)主水冷壁(6)和局部水冷壁(7)的外周設(shè)有多道加強(qiáng)環(huán)(5)，局部小水箱(11)位于局部水冷壁(7)的下方，局部小水箱(11)的上下兩端分別與局部集箱(8)和下集箱(12)焊在一起，通過(guò)局部小水箱(11)的進(jìn)口管(11.2)和出口管(11.1)分別進(jìn)水和出水，燃燒器(10)斜向貫穿并固定在局部小水箱(11)上，反應(yīng)室(16)的頂端是上封頭(2)，上封頭(2)焊接在上集箱(4)的內(nèi)緣，煙氣出口管(1)布置在上封頭(2)上，反應(yīng)室(16)的底端是下封頭(14)，下封頭(14)焊接在下集箱(12)的內(nèi)緣，上封頭(2)和下封頭(14)都采用半管夾套冷卻，整個(gè)反應(yīng)器通過(guò)底部裙座(13)支撐。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種副產(chǎn)高壓蒸汽的大型膜式水冷壁氣相反應(yīng) 器，其特征在于所述的主水冷壁(6)由耐蝕不銹鋼材質(zhì)的長(zhǎng)換熱管(6.1)和端部 密封條(6.2)焊接而成，其中長(zhǎng)換熱管(6.1)—端平直，另一端帶有內(nèi)凹彎頭，且 相鄰長(zhǎng)換熱管(6.1)的平直端交錯(cuò)布置，沿反應(yīng)器軸向插入上集箱(4)或下集箱 (12)，內(nèi)凹端也同樣交錯(cuò)布置，只是側(cè)向傾斜插入對(duì)應(yīng)的上集箱(12)或下集箱(4)， 此外長(zhǎng)換熱管(6.1)的中間段部分采用無(wú)翅片的管對(duì)管直接相連，兩端部則借助 矩形的密封條(6.2)來(lái)共同封閉反應(yīng)室(l 6)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種副產(chǎn)高壓蒸汽的大型膜式水冷壁氣相反應(yīng) 器，其特征在于所述的局部水冷壁(7)由耐蝕不銹鋼材質(zhì)的短換熱管(7.1)和長(zhǎng) 條形翅片(7,2)焊接而成，其中短換熱管(7.1)為全直管，兩端分別沿反應(yīng)器軸向 插入上集箱(4)和局部集箱(8)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種副產(chǎn)高壓蒸汽的大型膜式水冷壁氣相反應(yīng) 器，其特征在于所述的上集箱(4)和下集箱(12)均為耐蝕不銹鋼材質(zhì)的環(huán)管， 沿整個(gè)圓周開有均勻分布且軸向和側(cè)向交錯(cuò)的雙排管孔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種副產(chǎn)高壓蒸汽的大型膜式水冷壁氣相反應(yīng)器。由主水冷壁、局部水冷壁、局部小水箱、上集箱、下集箱、局部集箱、上封頭和下封頭共同圍成的反應(yīng)室。其主水冷壁長(zhǎng)換熱管的直段部分無(wú)翅片直聯(lián)，端部?jī)?nèi)凹用密封條封閉，局部水冷壁由全直的短換熱管和長(zhǎng)條形翅片焊接而成。上集箱和下集箱均為耐蝕不銹鋼材質(zhì)的環(huán)管，沿整個(gè)圓周開有均勻分布且軸向和側(cè)向交錯(cuò)的雙排管孔。燃燒器區(qū)域設(shè)有局部小水箱進(jìn)行降溫，上下封頭也帶有半管冷卻夾套。該反應(yīng)器在提供正常反應(yīng)空間并確保生成物數(shù)量、質(zhì)量要求的前提下，能回收高溫腐蝕性氣體的余熱并副產(chǎn)出常規(guī)汽輪機(jī)發(fā)電所需的高壓蒸汽，具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、余熱回收率高、耐高溫腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F22B21/00GK101380561SQ200810121350
公開日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者劉寶慶, 蔣家羚 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)