本實(shí)用新型涉及一種換熱裝置，進(jìn)一步的本實(shí)用新型涉及一種立式流化床換熱裝置。

背景技術(shù)：

煤氣化技術(shù)是指把經(jīng)過處理的煤粉、煤漿或渣油等送入氣化爐內(nèi)，在一定的溫度和壓力下，與氣化劑反應(yīng)后制得粗煤氣。無論是干法除塵的煤氣化技術(shù)還是濕法除塵的煤氣化技術(shù)，在粗煤氣的初步處理過程中均會(huì)產(chǎn)生大量高溫黑灰水，為節(jié)省水資源，需要對(duì)該部分黑灰水降溫后處理回收并循環(huán)利用。

如德士古煤氣化的鎖斗沖洗水冷卻器、廢水冷卻器等均為水平布置的管殼式換熱器，管程為高溫灰水、殼層為循環(huán)水，設(shè)備制造全部采用碳鋼材料。

氣化黑灰水不僅具有一定的腐蝕性，而且懸浮物含量高，鈣鎂硬度大，總?cè)芄潭啵趽Q熱器的正常運(yùn)行中易出現(xiàn)設(shè)備結(jié)垢、堵塞等現(xiàn)象。因此生產(chǎn)裝置在運(yùn)行過程中都按一備一或是一備二方式設(shè)置的備用換熱器，待運(yùn)行換熱器出現(xiàn)故障后投入備用換熱器并對(duì)故障換熱器進(jìn)行隔離清洗，單臺(tái)換熱器從投入使用到必須隔離清洗的時(shí)間根據(jù)各地區(qū)煤質(zhì)不同，時(shí)間各有長(zhǎng)短，如在某化工裝置上該灰水換熱器運(yùn)行時(shí)間僅為15天，不僅影響整套裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，而且對(duì)每臺(tái)結(jié)垢或堵塞的換熱器還要投如大量人力、物力進(jìn)行清洗。

另外，在石油化工領(lǐng)域也存在高溫廢水需要進(jìn)行熱交換處理，需要應(yīng)用換熱裝置以利用能源和處理廢水。

而且，為了便于顆粒在換熱器內(nèi)部管路中能夠從下至上順暢流動(dòng)，現(xiàn)有技術(shù)中的立式換熱器需要是一體式結(jié)構(gòu)，換熱器長(zhǎng)度往往過長(zhǎng)，一般說來流化床換熱器由于工況的不同，常見高度從6-30米不等因此在設(shè)備運(yùn)輸帶來了極其不便，過長(zhǎng)的一體化設(shè)備無論對(duì)運(yùn)輸車輛，道路，轉(zhuǎn)彎半徑等都提出了較高的要求、而且運(yùn)輸費(fèi)用極高，而現(xiàn)場(chǎng)吊車安裝和維修時(shí)造成很多不便，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

有鑒于此，本實(shí)用新型的目的在于，提供一種立式流化床換熱裝置，以解決以上所述的至少一項(xiàng)技術(shù)問題。

(二)技術(shù)方案

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種立式流化床換熱裝置，包括換熱主體，所述換熱主體的底部設(shè)置有流體入口，換熱主體底部的流體入口的上方還設(shè)置有顆粒與循環(huán)流體混合入口，換熱主體底部配置為供進(jìn)入換熱主體的流體和顆粒進(jìn)行混合；所述換熱主體的中部為熱交換器，所述熱交換器為垂直布置的多段式結(jié)構(gòu)，每段熱交換器都具有垂直布置的換熱管，該熱交換器配置為使混合后的流體和顆粒依次通過各段熱交換器中的換熱管，到達(dá)換熱主體上部；所述各段熱交換器之間的換熱管相鄰出入口的垂直間距大于0且小于等于500mm；或者是所述各段換熱器之間相鄰出入口之間設(shè)有至少一塊含有通孔的分布板，且滿足x/(n+1)≤500mm，其中x為各段熱交換器之間的換熱管出入口的垂直間距，n為分布板數(shù)量。

優(yōu)選的，所述熱交換器為2-6段式結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述各段熱交換器之間的換熱管相鄰出入口的垂直間距大于等于10mm且小于等于300mm。

優(yōu)選的，所述換熱主體上部設(shè)置有一供換熱后的流體和顆粒流出的伸入管，所伸入管連接一流出管的一端，流出管另一端連接至一流入管一端，流入管的另一端連接至一沉降式固液分離器，其中，所述流出管的內(nèi)管徑小于所述流入管的內(nèi)管徑。

優(yōu)選的，所述伸入管上開設(shè)有一個(gè)或多個(gè)氣孔。

優(yōu)選的，所述伸入管下端口距離熱交換器最上端的換熱管上出口的距離為0.05-1.2倍的熱交換器的水力學(xué)直徑。

優(yōu)選的，所述換熱主體底部設(shè)置有分布裝置，所述分布裝置包括多層間隔設(shè)置的開孔板，其中，

所述流體入口位于最下部的開孔板下方，所述顆粒與循環(huán)流體混合入口位于最下部的開孔板上方。

優(yōu)選的，所述分布裝置最上部的開孔板與熱交換器最下部的換熱管間距大于等于10mm，且小于等于450mm。

優(yōu)選的，從顆粒與循環(huán)流體混合入口所進(jìn)入顆粒的圓球度大于等于0.6且小于1。

優(yōu)選的，所述顆粒的外接球直徑與換熱管內(nèi)徑的比例為1∶3.5至1：10。

(三)有益效果

基于上述技術(shù)方案，可以獲知本實(shí)用新型的有益效果在于：

(1)通過在換熱主體中部設(shè)置多段式熱交換器，在保證交換器管路內(nèi)的固體顆粒能夠從下至上順暢流動(dòng)的同時(shí)，還能減少單個(gè)熱交換器的長(zhǎng)度，以提高搬運(yùn)、安裝和維修效率；

(2)通過特定的顆粒尺寸，能夠更好的提高顆粒通過多段式熱交換器的效果；

(3)通過流出管的內(nèi)管徑小于所述流入管的內(nèi)管徑，以降低進(jìn)入重力沉降式固液分離器的流體流速，提高混合流體的后續(xù)分離效率。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的立式流化床換熱裝置換熱主體部分的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中各段熱交換器之間的放大示意圖。

圖3是圖1中沿A-A線的截面示意圖。

圖4A-4C分別是流出管和流入管之間三種不同方式的連接示意圖。

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例立式流化床換熱裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例立式流化床換熱裝置與其它裝置配合使用的示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。在說明書中，相同或相似的附圖標(biāo)號(hào)指示相同或相似的部件。下述參照附圖對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施方式的說明旨在對(duì)本實(shí)用新型的總體實(shí)用新型構(gòu)思進(jìn)行解釋，而不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)本實(shí)用新型的一種限制。

在本實(shí)用新型中的一些技術(shù)術(shù)語或者用語具有以下含義：“立式流化床”是相對(duì)于臥式流化床或者水平設(shè)置的流化床而言的，即流化床為豎直方向設(shè)置，使流化床內(nèi)部的固體、液體混合物在豎直方向流動(dòng)進(jìn)行換熱；在本實(shí)用新型中“底部”，“中部”和“上部”屬于相對(duì)概念，舉例來說，“換熱主體底部”是位于換熱主體底端的位置，位于熱交換器的的下方，該位置用于輸入流體和固體顆粒并且使兩者進(jìn)行混合，類似的“換熱主體中部”是指熱交換器所在位置，是實(shí)現(xiàn)熱交換的主要部位；“水力直徑”是在管內(nèi)流動(dòng)中引入的，其目的是為了給非圓管流動(dòng)取一個(gè)合適的特征長(zhǎng)度來計(jì)算其雷諾數(shù)。常用表達(dá)式是：4A/P，即橫截面積A的四倍除以周長(zhǎng)P。

根據(jù)本實(shí)用新型總體上的構(gòu)思，提供一種立式流化床換熱裝置，包括換熱主體，通過在換熱主體中部設(shè)置多段式熱交換器，在保證交換器管路內(nèi)的固體顆粒能夠從下至上順暢流動(dòng)的同時(shí)，還能減少單個(gè)熱交換器的長(zhǎng)度，以提高搬運(yùn)、安裝和維修效率。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的立式流化床換熱裝置換熱主體部分的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中主要從換熱主體101進(jìn)行說明，立式流化床換熱裝置包括換熱主體10部分。

其中，換熱主體101底部設(shè)置有流體入口1，從流體入口1進(jìn)入的流體6可以是高溫流體，例如可以是煤氣化工藝中氣化爐產(chǎn)生的高溫黑灰水，或者是其它的高溫工業(yè)廢水，或者是其它需要降溫的流體，此時(shí)高溫流體通過換熱管內(nèi)部與換熱管外部(也即殼層)的循環(huán)水換熱；從流體入口1進(jìn)入的流體還可以是低溫流體介質(zhì)，例如低溫工業(yè)廢水、城市污水、地下水、湖水或者海水，此時(shí)低溫流體通過換熱管內(nèi)部與換熱管外部，也即殼層的高溫流體換熱。優(yōu)選的，采用前者所述的換熱方式實(shí)施本實(shí)用新型。對(duì)于換熱主體101底部，其不一定是一個(gè)平面，也可以是一個(gè)曲面或者是不規(guī)則面形結(jié)構(gòu)，流體入口1的設(shè)置位于為與相應(yīng)的面型的任意位置，優(yōu)選的位于底部結(jié)構(gòu)的中間位置，以使進(jìn)入換熱主體101內(nèi)部的流體6能夠均勻分布。

圖1中，換熱主體101的底部采用錐形封頭2，其形狀為倒錐形結(jié)構(gòu)，此時(shí)流體入口1設(shè)置在錐形封頭2的倒錐形的頂端；當(dāng)然該底部也不僅僅限于該種結(jié)構(gòu)，也可以是一個(gè)半球形的底部結(jié)構(gòu)，底部結(jié)構(gòu)的選擇在于引導(dǎo)流體在換熱主體101的底部均勻分布，分布面積與進(jìn)行換熱的主體截面尺寸匹配。

進(jìn)一步的，在換熱主體101的底部設(shè)置有顆粒與循環(huán)流體混合入口10，該顆粒與循環(huán)流體混合入口10的選取位置應(yīng)盡量靠近下方，但應(yīng)在流體入口1的上方。優(yōu)選的，該設(shè)置位置位于換熱主體的側(cè)壁上，以使顆粒能夠水平方向噴射進(jìn)入換熱主體101內(nèi)部，與垂直向上的流體6充分混合。

如圖1所示，換熱主體101的底部還設(shè)置有分布裝置3，該分布裝置可以是多層開孔板結(jié)構(gòu)，各層開孔板之間間隔一定的距離，其中最底部一層的開孔板將流體入口1和顆粒與循環(huán)流體混合入口10隔開，流體入口1位于該層開孔板下方，而顆粒與循環(huán)流體混合入口10則位于該層開孔板的上方。

優(yōu)選的，相鄰兩層開孔板之間的間距為30-450mm，進(jìn)一步優(yōu)選的，間距為100-250mm。

在本實(shí)施例中，對(duì)于顆粒種類的選擇可以是本領(lǐng)域中常用的沙粒、鋼球、銅球、玻璃粒子、氧化鋯球、有機(jī)物粒子等等，目的在于能具有一定硬度，能夠沖刷熱交換器的換熱管壁，在熱交換過程中能夠起到自清潔作用即可。

如圖1中所示，換熱主體101的中部為熱交換器5，具有管內(nèi)的殼層為循環(huán)水例如換熱主體中部為熱交換器，該熱交換器5為垂直布置的多段式結(jié)構(gòu)，每段熱交換器5都具有垂直布置的換熱管12，該熱交換器5配置為使混合后的流體6和顆粒依次通過各段熱交換器中的換熱管，到達(dá)換熱主體上部。在換熱管內(nèi)部構(gòu)成供混合流體和顆粒通過的管程，在換熱主體101的中部壁還分別開設(shè)有入水口和出水口(圖1中未示出)，冷卻水從入水口進(jìn)入在殼層中與管內(nèi)的混合流體進(jìn)行換熱，然后從出水口流出，以此形成循環(huán)。

在本實(shí)施例中，分布裝置最上端與熱交換器5最下端的垂直距離為10-450mm。通過多層的分布裝置和設(shè)定分布裝置與熱交換器5的位置，顆粒經(jīng)過多次分布后變得在液體中更加的均勻。

圖2是圖1中各段熱交換器之間的放大示意圖。對(duì)于每段熱交換器來說，其由至少一根單管程豎管構(gòu)成，每個(gè)單管程豎管與相對(duì)接的另一段熱交換器中的單管程豎管對(duì)接，彼此之間相鄰出入口的垂直間距d為大于0且小于等于500mm，進(jìn)一步優(yōu)選的大于等于10mm且小于等于300mm。設(shè)置該間距的目的是，使含顆粒的流體能夠正常通過，此時(shí)配合的通過分布裝置3最上部開孔板的流體的流速為0.3-3.5m/s，可以通過調(diào)節(jié)流體入口1的流速實(shí)現(xiàn)相應(yīng)效果；傳統(tǒng)技術(shù)中往往不設(shè)置多段式，因?yàn)閭鹘y(tǒng)工藝中設(shè)置多段式后不能避免各段之間結(jié)垢和堵塞。

而另外一種設(shè)置方式是：各段換熱器之間相鄰出入口之間設(shè)有至少一塊含有通孔的分布板，且滿足x/(n+1)≤500mm，其中x為各段熱交換器之間的換熱管出入口的垂直間距，n為分布板數(shù)量。該情況下，尤其在間距大于500mm時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)多段式熱交換器的方案。

此時(shí)，對(duì)于顆粒尺寸的選擇，優(yōu)選的，進(jìn)行循環(huán)的顆粒的圓球度為ψ，其中0.6＜ψ≤1，顆粒外接球直徑與換熱管內(nèi)徑的比例為1∶3.5至1∶10，還優(yōu)選的，顆粒在流體6中的靜態(tài)安息角≤32°。

圖3是圖1中沿A-A線的截面示意圖。該圖只是起到示范性作用，傳統(tǒng)的熱交換器并不選擇多段式結(jié)構(gòu)，因?yàn)橥鶗?huì)因?yàn)楣艿纼?nèi)通過的顆粒不能傳送到上一段的熱交換器，在圖3所示的各段的端部形成堵塞，造成換個(gè)管道不能正常工作，影響換熱效果。本實(shí)施例中通過選擇特定的間隔尺寸可以實(shí)現(xiàn)顆粒的順利通過，另外再配以相應(yīng)的顆粒尺寸設(shè)計(jì)和流體流速，更優(yōu)的實(shí)現(xiàn)了顆粒在多段式熱交換器中順暢通過，在減少損耗和減少成本的基礎(chǔ)上能夠同時(shí)保證換熱效率。圖3中示意性的表示了各段熱交換器由多根單管程的換熱管構(gòu)成，換熱管優(yōu)選的在熱交換器內(nèi)均勻分布，以提高散熱效果。換熱管道優(yōu)選的為截面呈圓形的換熱管道，以更大限度的供顆粒沖刷和通過，避免尺寸不均引起顆粒堵塞。

在本實(shí)施例中，如圖1所示，在換熱主體101的上部，提供經(jīng)換熱后的流體流出的管道。該上部結(jié)構(gòu)可以是一上錐形封頭7結(jié)構(gòu)，當(dāng)然設(shè)置方式不僅限于此，類似于錐形封頭2的設(shè)置方式，該部分的目的是將流體通道收斂，以使換熱后的流體能夠充分流出。在上錐形封頭7上設(shè)置有一插入內(nèi)部的伸入管4，流體能通過該伸入管4流出換熱主體101。

圖1中，還進(jìn)一步設(shè)置有一流出管8，其入口端連接至伸入管4的出口端，流出管8的出口端進(jìn)一步連接至流入管9的入口端，然后在經(jīng)流入管9的出口端流入以重力沉降式固液分離器102中，重力沉降式固液分離器102的底部再連接至顆粒與循環(huán)流體混合入口10，至此，實(shí)現(xiàn)整個(gè)換個(gè)裝置的換熱循環(huán)過程。

優(yōu)選的，伸入管4下端口距離熱交換器最上端的換熱管12上出口的距離為0.05-1.2倍的熱交換器的水力直徑。

圖4A-4C分別是流出管和流入管之間三種不同方式的連接示意圖。為保證流入到重力沉降式固液分離器的流速能下降，需要在流體路程中增加流體管道的截面積，根據(jù)流體流速計(jì)算公式可知，截面尺寸越大，則流速越低，圖4A-4C分別給出了三種流入管9和流出管8之間的接入方式，可以是兩個(gè)截面不同的管路直接連接(如圖4A)所示，或者是通過線性過度，逐漸增加管路截面積(如圖4B)，抑或是通過非線性的曲面進(jìn)行過過渡(如圖4C)。由于流出管的內(nèi)管徑小于所述流入管的內(nèi)管徑，降低了進(jìn)入重力沉降式固液分離器的流體流速，產(chǎn)生的結(jié)果是提高了混合流體的后續(xù)分離效率。

圖1中所示，在伸入管4的管壁上還開設(shè)有一個(gè)或者多個(gè)氣孔11，用于釋放深入管4下端距離上封頭頂端的空氣，使流體能夠順利實(shí)現(xiàn)流動(dòng)。氣孔11的開設(shè)位置可以是盡量靠近上封頭頂端，開孔的孔徑應(yīng)盡可能的小，以防止流體從該氣孔流出。

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例立式流化床換熱裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。除包含換熱主體101外，立式流化床換熱裝置還可以包括重力沉降式固液分離器102，兩者之間首尾相連，構(gòu)成密閉循環(huán)。

圖5中，分離器102包含以直筒13，直筒下部連接之一顆粒下行管16，顆粒下行管16設(shè)置有顆粒運(yùn)動(dòng)控制裝置18(即控制下行管的啟動(dòng)和關(guān)閉)。另外，顆粒下行管16上還設(shè)置有流體壓力入口閥17以控制下行管16內(nèi)的壓力，其中運(yùn)動(dòng)控制裝置18和流體壓力入口閥17與控制裝置18電氣連接，通過該控制裝置18控制兩者的啟動(dòng)和關(guān)閉。下行管16底部與顆粒橫管22聯(lián)通，顆粒橫管22隨后連接至顆粒與循環(huán)流體混合入口10，即實(shí)現(xiàn)循環(huán)。進(jìn)一步的，在顆粒橫管22與下行管16連接處設(shè)置底部顆粒放料口20。

在重力沉降式固液分離器102中，混合物的運(yùn)動(dòng)原理如下：

在混合物經(jīng)過流入管9后，再進(jìn)入重力沉降式固液分離器102的直筒13進(jìn)行分離，分離后的流體6上行，經(jīng)由流體最終出口23排出，循環(huán)顆粒14沉降后經(jīng)由分離器下錐形封頭15后進(jìn)入顆粒下行管16。在分離器102的底部還設(shè)有裝填顆粒的顆粒裝填口24，在顆粒減少或者循環(huán)開始階段可以選擇從該裝填口裝填足量的循環(huán)顆粒14以維持換熱過程中的顆粒自清潔循環(huán)。

隨后，當(dāng)下行管16內(nèi)充滿大量的循環(huán)顆粒14，則控制器25開始控制流體壓力入口閥17打開，同時(shí)顆粒運(yùn)動(dòng)控制裝置18關(guān)閉，則循環(huán)顆粒M在帶壓流體的推動(dòng)下進(jìn)入顆粒橫管22和顆粒與循環(huán)流體混合入口10，完成顆粒的循環(huán)。當(dāng)完成上述循環(huán)后，控制器25控制顆粒運(yùn)動(dòng)控制裝置18打開，流體壓力入口閥門17關(guān)閉，則循環(huán)顆粒14自動(dòng)收集至下行管16內(nèi)。

為了避免顆粒橫管22內(nèi)的顆粒造成堆積，因此下部液體流入口19處于常開狀態(tài)，避免了循環(huán)顆粒14在顆粒橫管22內(nèi)的堆積和堵塞。

圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例立式流化床換熱裝置與其它裝置配合使用的示意圖。本實(shí)用新型的換熱裝置可以與煤化工或石油化工中其它的裝置配套使用，以實(shí)現(xiàn)高溫黑灰水降溫后回收以及循環(huán)利用。

圖6中在一定的溫度和壓力下，黑水進(jìn)入高溫閃蒸罐200，經(jīng)閃蒸后形成高閃汽(上部箭頭所示方向)同時(shí)產(chǎn)生大量高溫黑水(底部箭頭方向)，該高溫黑水如直接排放會(huì)產(chǎn)生大量的能量浪費(fèi)和環(huán)境污染，可以將該高溫黑水導(dǎo)入本實(shí)用新型實(shí)施例的立式流化床換熱裝置中，從換熱主體的底部流體入口導(dǎo)入，經(jīng)多段式熱交換器進(jìn)行換熱后，從換熱主體上端經(jīng)一系列管道排入重力沉降式固液分離器進(jìn)行固液分離，黑水降溫后最終從流體最終出口排出，以供后續(xù)過程中再利用。

在循環(huán)換熱過程中，雖然黑灰水中懸浮物含量高，鈣鎂硬度大，總?cè)芄潭?，但是由于熱交換器中多段式設(shè)計(jì)、流出管的內(nèi)管徑小于所述流入管的內(nèi)管徑設(shè)計(jì)以及流體流速等設(shè)計(jì)，使循環(huán)顆粒能夠充分沖刷熱交換器中換熱管管壁，減少阻塞，在使用過程中無需頻繁更換和檢修。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。