一種與高溫氣體接觸的金屬壁冷卻方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種與高溫氣體接觸的金屬壁冷卻方法，步驟為：在金屬壁上開有若干離散孔，金屬壁的一側(cè)通有冷卻介質(zhì)，一部分冷卻介質(zhì)通過對流流動，對金屬壁進行冷卻；另一部分冷卻介質(zhì)通過離散孔進入高溫氣體中，通過液相蒸發(fā)和液/氣膜對金屬壁進行冷卻。本發(fā)明綜合了冷卻介質(zhì)對流換熱冷卻、蒸發(fā)冷卻和氣/液膜冷卻的特點，對與高溫氣體接觸的金屬壁進行有效冷卻，實現(xiàn)了流動和傳熱過程的耦合，降低了金屬內(nèi)部的溫度梯度，避免了因金屬壁兩側(cè)溫差過大導(dǎo)致材料熱應(yīng)力持續(xù)增加從而損壞金屬壁。本發(fā)明可用于火管式廢熱鍋爐管板、燒嘴頭部等與高溫氣體接觸的金屬壁冷卻。
【專利說明】一種與高溫氣體接觸的金屬壁冷卻方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬壁冷卻方法，具體涉及與高溫氣體接觸的設(shè)備或者設(shè)備部件的有效冷卻方法。
技術(shù)背景
[0002]在化工行業(yè)中，為了提高化工裝置的能效，往往通過回收反應(yīng)后產(chǎn)物的高位顯熱來副產(chǎn)蒸汽，副產(chǎn)蒸汽的等級越高綜合能效越高。以氣態(tài)烴(天然氣、頁巖氣、煤層氣、油田氣、煉廠氣、焦爐氣、熱解氣等)和液態(tài)烴(浙青、渣油、生物質(zhì)油等)為原料，通過催化部分氧化或者非催化部分氧化技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為以CO和H2為主的合成氣，出轉(zhuǎn)化爐的合成氣溫度在900?1400°C之間，需通過設(shè)置火管式廢熱鍋爐副產(chǎn)中高壓蒸汽。火管式廢熱鍋爐管板主要實現(xiàn)高溫氣體的分配，將出轉(zhuǎn)化爐的高溫合成氣進行均勻分配在多根火管中，火管內(nèi)部走高溫合成氣，火管外部為鍋爐水池，通過換熱副產(chǎn)中高壓蒸汽。
[0003]由于使用工況復(fù)雜和惡劣，火管式廢熱鍋爐管板存在著使用壽命短等問題。火管式廢熱鍋爐管板直接與高溫氣體接觸，需對金屬壁進行冷卻。目前火管式廢熱鍋爐管板冷卻常采用水強制循環(huán)的冷卻方式。對于大型化裝置，火管式廢熱鍋爐管板尺寸較大(直徑可達I米以上)，冷卻水難以在管板上均勻分配，可能會使得管板局部溫度過高，甚至使得冷卻水局部氣化；由于管板與高溫氣體直接接觸，傳熱量非常大，單純依靠對流換熱難以迅速達到冷卻效果。管板由于未實現(xiàn)有效冷卻，因金屬壁的熱應(yīng)力過大會導(dǎo)致管板損壞，影響管板的使用壽命。
[0004]火管式廢熱鍋爐是整個轉(zhuǎn)化工藝的核心設(shè)備之一，火管式廢熱鍋爐管板冷卻問題業(yè)已成為整個轉(zhuǎn)化裝置穩(wěn)定和長周期生產(chǎn)以及裝置大型化的瓶頸。因此企業(yè)界期望提出一種高效的火管式廢熱鍋爐管板的冷卻方法，以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是公開一種與高溫氣體接觸的金屬壁冷卻方法，可以通過在金屬壁上開孔的途徑來解決上述問題。具體方案如下:
[0006]一種與高溫氣體接觸的金屬壁冷卻方法，所述金屬壁上設(shè)有高溫氣體分配管，且所述金屬壁的一側(cè)為高溫氣體、另一側(cè)為對所述金屬壁進行降溫保護的冷卻介質(zhì)；
[0007]所述冷卻方法包括如下步驟:
[0008]在所述金屬壁上開通供所述冷卻介質(zhì)通過的多個離散孔，使所述冷卻介質(zhì)的一部分在所述金屬壁的低溫壁面上以對流換熱方式冷卻所述金屬壁、另一部分在壓差作用下通過所述離散孔；在流經(jīng)所述離散孔的過程中，部分所述冷卻介質(zhì)吸熱蒸發(fā)發(fā)生相變，通過對流冷卻和蒸發(fā)冷卻方式冷卻所述金屬壁；當所述冷卻介質(zhì)到達所述金屬壁的高溫壁面時，在所述離散孔的出口處形成氣/液膜，所述氣/液膜隔斷高溫氣體與所述高溫壁面之間的直接傳熱，對所述金屬壁進行降溫保護；
[0009]所述低溫壁面一側(cè)的冷卻介質(zhì)的壓力高于所述高溫壁面一側(cè)的高溫氣體的壓力；
[0010]所述離散孔的當量直徑為I?5毫米，為圓柱形或非圓柱形；所述離散孔占所述金屬壁(I)的面積百分比為5?50%。
[0011]所述離散孔的中心線與所述金屬壁的軸線的夾角大于等于O度，小于90度。
[0012]所述離散孔的傾角為交叉設(shè)置，使得在離散孔(3)出口形成氣/液膜更穩(wěn)定。
[0013]所述冷卻介質(zhì)是無腐蝕性氣體。
[0014]所述冷卻介質(zhì)是水、水蒸氣、工藝氣體以及對與所述高溫氣體混合無危害的物質(zhì)。
[0015]所述金屬壁是火管式廢熱鍋爐管板或燒嘴頭部。
[0016]本發(fā)明的金屬壁冷卻方法綜合了冷卻介質(zhì)對流換熱冷卻、蒸發(fā)冷卻和氣/液膜冷卻的特點，對與高溫氣體接觸的金屬壁進行有效冷卻，實現(xiàn)了流動和傳熱過程的耦合，降低了金屬內(nèi)部的溫度梯度，避免了因金屬壁兩側(cè)溫差過大導(dǎo)致材料熱應(yīng)力持續(xù)增加從而損壞
金屬壁。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本申請的金屬壁冷卻方法俯視圖；
[0018]圖2是本申請的金屬壁冷卻方法側(cè)視圖；
[0019]圖3為不設(shè)離散孔管板內(nèi)外壁溫度分布；
[0020]圖4為設(shè)置離散孔后管板內(nèi)外壁溫度分布。
[0021]符號說明
[0022]I金屬壁；2高溫氣體分配管；3離散孔；
[0023]4高溫氣體；5冷卻介質(zhì)；6低溫壁面；7高溫壁面。
【具體實施方式】
[0024]以下為本發(fā)明的實施例，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，其目的僅在于更好地理解本發(fā)明的內(nèi)容。因此本發(fā)明的保護范圍不受所舉實施例的限制。
[0025]參見圖1，金屬壁I上設(shè)有高溫氣體分配管2,同時金屬壁I開有供冷卻介質(zhì)5通過的多個離散孔3。
[0026]參見圖2，金屬壁I的一側(cè)為高溫氣體4，另一側(cè)為對金屬壁I進行降溫保護的冷卻介質(zhì)5。一部分冷卻介質(zhì)5在金屬壁I的低溫壁面6上以對流換熱方式冷卻金屬壁I,另一部分冷卻介質(zhì)5在壓差作用下通過離散孔3。在流經(jīng)離散孔3的過程中，部分冷卻介質(zhì)5吸熱蒸發(fā)發(fā)生相變，通過對流冷卻和蒸發(fā)冷卻方式冷卻金屬壁I ;當冷卻介質(zhì)5到達金屬壁I的高溫壁面7時，在離散孔3出口處形成氣/液膜，氣/液膜隔斷高溫氣體4與高溫壁面7之間的直接傳熱，從而對金屬壁I進行降溫保護。
[0027]離散孔3的中心線與金屬壁I軸線的夾角大于等于O度，小于90度。離散孔3的傾角可以交叉設(shè)置，使得在離散孔3出口形成氣/液膜更穩(wěn)定。
[0028]可采用激光打孔的方式在金屬壁I上開有若干直徑在毫米級別的離散孔3。
[0029]冷卻介質(zhì)5可以是水等液體介質(zhì)，也可是水蒸氣、工藝氣體等氣體介質(zhì)。當是液體介質(zhì)時，冷卻介質(zhì)通過對流換熱冷卻、蒸發(fā)冷卻和氣/液膜冷卻對金屬壁I進行冷卻。當是氣體冷卻介質(zhì)時，冷卻介質(zhì)通過對流換熱冷卻和氣膜冷卻對金屬壁I進行冷卻。[0030]本發(fā)明可用于火管式廢熱鍋爐管板、燒嘴頭部等與高溫氣體接觸的金屬壁冷卻保護。
[0031]實施例1
[0032]火管式廢熱鍋爐管板直徑為800mm，管板開有直徑為3mm的離散孔，離散孔所占面積為管板面積的10%，離散孔的中心線與管板軸線的夾角為O度。來自轉(zhuǎn)化爐的高溫合成氣溫度為1300°c，壓力為4.0MPaG。火管式廢熱鍋爐管板采用25°C水作為冷卻介質(zhì)，壓力為
5.0MPaG，冷卻水流量為200?250m3/h，其中10%的冷卻水通過離散孔進入高溫氣體中。
[0033]圖3為不設(shè)離散孔管板內(nèi)外壁溫度分布，圖4為設(shè)置離散孔后管板內(nèi)外壁溫度分布。從圖中可看出，設(shè)置離散孔后，管板高溫壁面溫度從700?800K降低到了約400?500K，高溫壁面溫度大幅度降低。設(shè)置離散孔對與高溫氣體接觸的金屬管板起到了很好的冷卻效果。
【權(quán)利要求】
1.一種與高溫氣體接觸的金屬壁冷卻方法，其特征在于，所述金屬壁上設(shè)有高溫氣體分配管，且所述金屬壁的一側(cè)為高溫氣體、另一側(cè)為對所述金屬壁進行降溫保護的冷卻介質(zhì)； 所述冷卻方法包括如下步驟: 在所述金屬壁上開通供所述冷卻介質(zhì)通過的多個離散孔，使所述冷卻介質(zhì)的一部分在所述金屬壁的低溫壁面上以對流換熱方式冷卻所述金屬壁、另一部分在壓差作用下通過所述離散孔；在流經(jīng)所述離散孔的過程中，部分所述冷卻介質(zhì)吸熱蒸發(fā)發(fā)生相變，通過對流冷卻和蒸發(fā)冷卻方式冷卻所述金屬壁；當所述冷卻介質(zhì)到達所述金屬壁的高溫壁面時，在所述離散孔的出口處形成氣/液膜，所述氣/液膜隔斷高溫氣體與所述高溫壁面之間的直接傳熱，對所述金屬壁進行降溫保護； 所述低溫壁面一側(cè)的冷卻介質(zhì)的壓力高于所述高溫壁面一側(cè)的高溫氣體的壓力； 所述離散孔的當量直徑為I?5毫米，為圓柱形或非圓柱形；所述離散孔占所述金屬壁(I)的面積百分比為5?50%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬壁冷卻方法，其特征在于，所述離散孔的中心線與所述金屬壁的軸線的夾角大于等于O度，小于90度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬壁冷卻方法，其特征在于，所述離散孔的傾角為交叉設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的.金屬壁冷卻方法，其特征在于，所述冷卻介質(zhì)是無腐蝕性氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的.金屬壁冷卻方法，其特征在于，所述冷卻介質(zhì)是水、水蒸氣、工藝氣體以及對與所述高溫氣體混合無危害的物質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的.金屬壁冷卻方法，其特征在于，所述金屬壁是火管式廢熱鍋爐管板或燒嘴頭部。
【文檔編號】F22B1/18GK103807844SQ201410035246
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】代正華, 王輔臣, 許建良, 梁欽鋒, 李超, 劉海峰, 于廣鎖, 龔欣, 王亦飛, 周志杰, 陳雪莉, 李偉鋒, 王興軍, 郭曉鐳, 郭慶華, 陸海峰, 趙輝, 龔巖 申請人:華東理工大學(xué)