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(kāi)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(guò)對(duì)流流動(dòng)，對(duì)金屬壁進(jìn)行冷卻；另一部分冷卻介質(zhì)通過(guò)離散孔進(jìn)入高溫氣體中，通過(guò)液相蒸發(fā)和液/氣膜對(duì)金屬壁進(jìn)行冷卻。本發(fā)明綜合了冷卻介質(zhì)對(duì)流換熱冷卻、蒸發(fā)冷卻和氣/液膜冷卻的特點(diǎn)，對(duì)與高溫氣體接觸的金屬壁進(jìn)行有效冷卻，實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)和傳熱過(guò)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(guò)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(shuō)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(guò)回收反應(yīng)后產(chǎn)物的高位顯熱來(lái)副產(chǎn)蒸汽，副產(chǎn)蒸汽的等級(jí)越高綜合能效越高。以氣態(tài)烴(天然氣、頁(yè)巖氣、煤層氣、油田氣、煉廠氣、焦?fàn)t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(guò)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(guò)設(shè)置火管式廢熱鍋爐副產(chǎn)中高壓蒸汽?；鸸苁綇U熱鍋爐管板主要實(shí)現(xiàn)高溫氣體的分配，將出轉(zhuǎn)化爐的高溫合成氣進(jìn)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(guò)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(wèn)題?；鸸苁綇U熱鍋爐管板直接與高溫氣體接觸，需對(duì)金屬壁進(jìn)行冷卻。目前火管式廢熱鍋爐管板冷卻常采用水強(qiáng)制循環(huán)的冷卻方式。對(duì)于大型化裝置，火管式廢熱鍋爐管板尺寸較大(直徑可達(dá)I米以上)，冷卻水難以在管板上均勻分配，可能會(huì)使得管板局部溫度過(guò)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(duì)流換熱難以迅速達(dá)到冷卻效果。管板由于未實(shí)現(xiàn)有效冷卻，因金屬壁的熱應(yīng)力過(guò)大會(huì)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(gè)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(wèn)題業(yè)已成為整個(gè)轉(zhuǎn)化裝置穩(wěn)定和長(zhǎng)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(wèn)題是公開(kāi)一種與高溫氣體接觸的金屬壁冷卻方法，可以通過(guò)在金屬壁上開(kāi)孔的途徑來(lái)解決上述問(wèn)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(duì)所述金屬壁進(jìn)行降溫保護(hù)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(kāi)通供所述冷卻介質(zhì)通過(guò)的多個(gè)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(duì)流換熱方式冷卻所述金屬壁、另一部分在壓差作用下通過(guò)所述離散孔；在流經(jīng)所述離散孔的過(guò)程中，部分所述冷卻介質(zhì)吸熱蒸發(fā)發(fā)生相變，通過(guò)對(duì)流冷卻和蒸發(fā)冷卻方式冷卻所述金屬壁；當(dāng)所述冷卻介質(zhì)到達(dá)所述金屬壁的高溫壁面時(shí)，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(duì)所述金屬壁進(jìn)行降溫保護(hù)；
[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(dāng)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(wú)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(duì)與所述高溫氣體混合無(wú)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(duì)流換熱冷卻、蒸發(fā)冷卻和氣/液膜冷卻的特點(diǎn)，對(duì)與高溫氣體接觸的金屬壁進(jìn)行有效冷卻，實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)和傳熱過(guò)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(guò)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(shuō)明】
[0017]圖1是本申請(qǐng)的金屬壁冷卻方法俯視圖；
[0018]圖2是本申請(qǐng)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(hào)說(shuō)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(shí)施方式】
[0024]以下為本發(fā)明的實(shí)施例，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)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(hù)范圍不受所舉實(shí)施例的限制。
[0025]參見(jiàn)圖1，金屬壁I上設(shè)有高溫氣體分配管2,同時(shí)金屬壁I開(kāi)有供冷卻介質(zhì)5通過(guò)的多個(gè)離散孔3。
[0026]參見(jiàn)圖2，金屬壁I的一側(cè)為高溫氣體4，另一側(cè)為對(duì)金屬壁I進(jìn)行降溫保護(hù)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(duì)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(guò)離散孔3。在流經(jīng)離散孔3的過(guò)程中，部分冷卻介質(zhì)5吸熱蒸發(fā)發(fā)生相變，通過(guò)對(duì)流冷卻和蒸發(fā)冷卻方式冷卻金屬壁I ;當(dāng)冷卻介質(zhì)5到達(dá)金屬壁I的高溫壁面7時(shí)，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(duì)金屬壁I進(jìn)行降溫保護(hù)。
[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(kāi)有若干直徑在毫米級(jí)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(dāng)是液體介質(zhì)時(shí)，冷卻介質(zhì)通過(guò)對(duì)流換熱冷卻、蒸發(fā)冷卻和氣/液膜冷卻對(duì)金屬壁I進(jìn)行冷卻。當(dāng)是氣體冷卻介質(zhì)時(shí)，冷卻介質(zhì)通過(guò)對(duì)流換熱冷卻和氣膜冷卻對(duì)金屬壁I進(jìn)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(hù)。
[0031]實(shí)施例1
[0032]火管式廢熱鍋爐管板直徑為800mm，管板開(kāi)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(lái)自轉(zhuǎn)化爐的高溫合成氣溫度為1300°c，壓力為4.0MPaG?；鸸苁綇U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(guò)離散孔進(jìn)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(duì)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(duì)所述金屬壁進(jìn)行降溫保護(hù)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(kāi)通供所述冷卻介質(zhì)通過(guò)的多個(gè)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(duì)流換熱方式冷卻所述金屬壁、另一部分在壓差作用下通過(guò)所述離散孔；在流經(jīng)所述離散孔的過(guò)程中，部分所述冷卻介質(zhì)吸熱蒸發(fā)發(fā)生相變，通過(guò)對(duì)流冷卻和蒸發(fā)冷卻方式冷卻所述金屬壁；當(dāng)所述冷卻介質(zhì)到達(dá)所述金屬壁的高溫壁面時(shí)，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(duì)所述金屬壁進(jìn)行降溫保護(hù)； 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(dāng)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(wú)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(duì)與所述高溫氣體混合無(wú)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(hào)】F22B1/18GK103807844SQ201410035246
【公開(kāi)日】2014年5月21日 申請(qǐng)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(qǐng)人:華東理工大學(xué)