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哈雷釬焊板式換熱器
專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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空心環縮放管管殼式換熱器生產應用

點擊:2197 日期:[ 2014-04-26 22:05:52 ]
                                空心環縮放管管殼式換熱器生產應用                                             鄭潮方                             (廣東省石油化工建設工程質量監督站 廣州 510300) 摘要:針對空心環縮放管管殼式換熱器在廣東兩家廠家工業化應用所取得的良好效果,論述了 其技術特點及設計、制造的要點。 關鍵詞:空心環縮放管 換熱器 應用技術 設計制造 1 前言 1990年廣東省石油化工專用設備公司根據華 南理工大學化工研究所研究的“空心環管網支撐 熱交換器”的中試成果(專利號89218353)和廣 東省硫酸行業專家提供的轉化工藝參數,設計、制 造了我國第一臺空心環縮放管管殼式換熱器,在 廣東樂昌市磷肥廠25kt/a硫鐵礦制酸生產裝置中 投運“??招沫h管網支撐熱交換器” 1995年被列入 “九五”國家級科技成果重大推廣計劃項目。1995 年、1996年廣東省石油化工專用設備公司在廣東 鶴山市磷肥廠硫鐵礦制酸,兩轉兩吸生產裝置 40kt/a與60kt/a 硫酸兩條生產線成套設計、制造了 空心環縮放管管殼式換熱器,設備投用達到了預 期效果。經各方共同努力,成功地實踐了產學研 一體化合作,邁出“空心環管網支撐熱交換器”工 業化應用的第一步。 2 新型換熱器生產化應用試驗內容 廣東樂昌市磷肥廠25kt/a硫酸生產裝置,采用 兩轉兩吸Ⅲ、Ⅰ—Ⅴ、Ⅳ、Ⅱ“3+2”工藝流程, 要求降低系統壓降,滿足生產要求。第一批生產 應用試驗內容為:以2臺空心環縮放管管殼式換熱 器,更換原工況較差、堵塞嚴重的兩臺ⅢA、ⅣA 傳統弓型折流板光滑管換熱器;第二批生產應用 試驗內容為:更換系統中余下4臺傳統弓型折流板 光滑管換熱器。 廣東鶴山市磷肥廠第一批生產應用試驗內容 為:采用兩轉兩吸Ⅲ、Ⅰ—Ⅴ、Ⅱ“3+2”工藝流 程的40kt/a硫酸生產裝置,以成套4臺空心環縮放 管管殼式換熱器,取代6臺傳統弓型折流板光滑管 換熱器;第二批應用試驗內容為:繼續采用成套4 臺空心環縮放管管殼式換熱器,用于新建的60kt/a 硫酸生產裝置,滿足系統生產要求,提高廠硫酸 生產能力。 3 應用效果 3.1 大輻減少了換熱面積 采用空心環縮放管管殼式換熱器,換熱面積 大輻減少,占地面積減小,換熱效果顯著。 廣東樂昌市磷肥廠25kt/a硫鐵礦制酸生產裝置用 空心環縮放管管殼式換熱器取代原有傳統的6臺弓型 折流板換熱器,傳熱面積由1835 m2降至1210 m2,減 少了34%,以該廠硫酸產量83t/d計,每日每噸酸 所需換熱面積由22.1m2/t?d降為14.6 m2/?td。 在廣東鶴山市磷肥廠硫鐵礦制酸,兩轉兩吸生 產裝置40kt/a與60kt/a 硫酸兩條生產線,均采用以 4臺(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)空心環縮放管管殼式換熱 器設計,代替傳統的6臺(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲa+Ⅲb和Ⅴ a+Ⅴb)折流板換熱器設計,在轉化段SO2氣濃度 為8.7%條件下,每日每噸酸所需換熱面積僅為7.84 m2/t?d,比原傳統弓型折流板換熱器的15.7 m2/t?d 節省了一半。實際該兩生產線每日每噸酸所需換熱 面積僅為7.09 m2/t?d和8.46m2/t?d,均優于國內先進的11.99 m2/t?d和國際先進的9.89 m2/t?d[1]。4臺 40kt/a硫酸空心環縮放管管殼式換熱器,設備直徑 ?。s為1.5 m),占地面積僅為7 m2,與采用傳統 的占地面積不少于13m2 [1]的6臺弓型折流板換熱器 相比,節省占地面積近半,這對于空間受限的鶴山 市磷肥廠此項技改應用優勢明顯。該廠要在原有生 產裝置旁新增生產裝置,只能利用現場狹窄剩余可 用地形設計,現有條件也只有選擇應用空心環縮放 管管殼式換熱器設計,才能達到目的。 3.2 大輻減少了壓降 空心環縮放管管殼式換熱器在廣東樂昌市磷 肥廠25kt/a硫鐵礦制酸生產裝置工業化試驗總壓 降,由使用原有傳統的 6臺弓型折流板換熱器的 15.05kPa降低到6.3kPa,總壓降減少58%;減輕 了系統風機負荷過重的壓力,解決了系統過載問 題,日產量由83噸擴大到90噸。 在廣東鶴山市磷肥廠硫鐵礦制酸,兩轉兩吸 生產裝置40kt/a與60kt/a 硫酸兩條生產線的投運 結果,實測總壓降為7.68kPa和6.01kPa,與傳統 換熱器初投總壓降15 kPa相比,均大幅度減少了 總壓降。據測40kt/a硫酸系統在72小時平均日產 酸152.1噸(超設計能力120噸26.7%),主風機出 口風壓僅16.8 kPa;60kt/a硫酸系統在72小時平均 日產酸210.9噸(原設計能力200噸),主風機出 口風壓僅14.2kPa。 實踐證明該設備與傳統換熱器比系統風機壓 降可減少20 ̄30%,并能長期維持低壓運行,從而 使系統風機電耗大幅度下降,降低操作費用,減 少硫酸生產成本。 3.3 改善了設備抗腐防積垢狀況 從廣東樂昌市磷肥廠25kt/a硫酸生產裝置,第 一批試驗改造,以2臺空心環縮放管管殼式換熱 器,取代原工況最差堵塞嚴重的ⅢA、ⅣA兩臺傳 統弓型折流板換熱器的運行情況來看,設備運行 一年后打開檢查,發現新型換熱器抗腐防積垢效果很好,沒有傳統換熱器運行開檢普遍存在的酸 泥堆積、結垢的現象。該廠運行六年后,僅有其中 一臺換熱器需要更換,其余設備運行了十余年,直 至廠擴建為100kt/a硫酸生產。比通常換熱器設備 3 ̄5年的使用壽命,延長了2倍以上。此抗腐防積 垢效果在廣東鶴山市磷肥廠同樣得到證實,第一 批投用的換熱設備,運行8年后更換2臺,之后因 擴大生產更換了4臺,有兩臺換熱設備一直運行至 今,運行長達8至11年。換熱設備更換前,均可 保持滿足生產工藝需要。 傳統弓型折流板光滑管式與空心環縮放管式 換熱器應用效果對比如表1所示。 3.4 提高了經濟效益 由于空心環縮放管管殼式換熱器的先進性, 可為企業節省設備投資和運行費用,創造良好的 經濟效益。 3.4.1廣東樂昌市磷肥廠25kt/a硫酸生產裝置 實測經濟指標: 換熱器傳熱面積由原1835m2 減少為1210m2, 換熱器重量由原63.9噸,減輕為54.9噸,節省鋼 材9噸,價值約6.3萬元; 系統風機風壓減低30%,每年可節電52.5萬 度,價值約21 萬元; 硫酸日產量由83噸增至90噸,每年可增產硫 酸2100噸,增收利潤約10萬元; 換熱器體積減少1/3,每次更換保溫材料可節 省材料費和人工費1/4 ̄1/3,約1萬元; 一般使用傳統換熱器每3 ̄5年要更換一次。使 用空心環縮放管管殼式換熱器,改善換熱器積灰 堵塞、防止SO2與進口酸霧腐蝕,能延長換熱器壽 命2 ̄6年。為原壽命的2倍甚至更大。按延長4年 計算每年可節省設備投資約6.4 ̄11.4萬元。 3.4.2 廣東鶴山市磷肥廠40kt/a、60kt/a硫酸生 產裝置實測經濟指標: 節省鋼材52和76噸,分別降低設備造價36. 2 和56萬元; 氣體阻力降低7.2kPa,系統風機每年節電100 萬度,節約60 萬元; 以四臺替代六臺換熱器,節省該廠寶貴的占 地面積,節省地皮、保溫等基建費25萬元; 由于換熱器壓降低,操作彈性大,實際投產穩 定超產30噸/日,一年創增產利潤188萬元。 可延長換熱器壽命4 ̄8年,按原使用壽命4年 計算,折每年可節省設備投資約20 ̄26.7萬元。 3.4.3空心環縮放管管殼式換熱器應用經濟效 益如表2所示。 4 空心環縮放管管殼式換熱器應用技術分析 空心環縮放管管殼式換熱器是以空心環管網 支撐、異型縮放管、殼程環狀進出氣夾套為主要 構件的組合,其改變了傳統折流板光滑管換熱器 的結構、主要的氣流傳熱流向和方式、改善了設 備抗腐防積垢狀況,獲得了良好的傳熱和低阻長 效運行的效果。傳統折流板光滑管換熱器及空心 環縮放管管殼式換熱器結構圖及氣體傳導方式如 圖1所示。 4.1 空心環管網支撐 空心環管網支撐是空心環縮放管管殼式換熱 器改變傳統換熱器管外氣流傳熱方式(變橫向沖 刷為軸向流動傳熱),是減少換熱系統阻力的直接 原因。 傳統換熱器以弓型折流板作換熱管束支撐, 并通過折流板強制氣體流向的改變,形成橫向沖 刷換熱管進行熱交換。從傳熱機理上分析,這種 傳統換熱設備結構及其傳熱方式,由于強制氣流 流向反復改變,渦流阻力損失大,這部分只增大 了流體湍流中心與殼程局部的湍流強度,而對傳 熱邊界層的流體湍流沒有多少促進作用,整個殼 程傳熱面上湍流強度分布很不均勻,折流板弧形 滯留區流動死角大,易積灰,給熱系數低,傳熱 效果差。 采用空心環管網支撐結構一改傳統換熱器管 外氣流靠橫向沖刷傳熱方式,實行軸向流動傳熱。 由于空心環管網支撐殼體內空隙率高達 80%,流體阻力非常小。流體阻力絕大部分因軸向沖刷縮 放管,促進形成傳熱管界面流體湍流,減薄傳熱 滯留層、提高傳熱膜系數,而轉為傳熱做功。此 外,采用空心環管網支撐結構,避免了傳統折流 板易結酸泥的弊病。 4.2 異型縮放管作傳熱元件 異型縮放管作傳熱元件是空心環縮放管管殼 式換熱器獲取高傳熱系數,達到高傳熱效果,減 少換熱面積的重要元件。 空心環縮放管管殼式換熱器棄傳統光滑管而 采用雙面強化傳熱的縮放管作為傳熱元件。該異 型縮放管在軸向氣流的作用下,流體熱阻最大流 層底層厚度不斷發生變化,傳熱滯流底層產生界 面湍流,對管內外兩側氣體均提高了促進界面湍 流的強度,降低了熱阻,強化對流傳熱的作用,以 較低的流體輸送功獲取較高的傳熱系數。換熱器 總傳熱系數可高達30W/m2.k[1],大幅減少換熱面 積。使用縮放管氣流湍流示意如圖2所示。 由于縮放管管型不易落灰積垢,可長期保證傳 熱效果,相當適合作SO2、SO3氣體換熱傳熱元件。 采用強化傳熱的縮放管節約了鋼材和保溫材 料,設備投資降低。設備占地面積小,尤其對老 廠有限的生產用地利用,增產擴建技術改造具有 很好實用效果。 4.3 殼程環狀進出氣夾套設計 殼程環狀進出氣夾套設計,減緩進出口管束氣 流沖刷,有減輕入口管子濕壁現象[2],延長設備使 用壽命的作用。 一方面殼程環狀進出氣夾套設計,與傳統換 熱器比,增加了進氣口面積,減緩了入口氣速,減緩進出口局部管束氣流沖刷,延長了設備壽命。 另一方面,傳統的硫酸換熱器入口氣速很 高,使管外傳熱膜系數遠比管內(光滑管)的傳 熱膜系數高,入口段管壁金屬溫度接近管外冷氣 溫度(約60℃),低于常壓下水蒸氣溫度100℃ 許多,硫酸霧沫易在入口段管壁金屬留滯,產生 濕壁現象,易在此形成酸泥附著堆積,入口段產 生堵塞、氣阻上升的現象出現是較為普遍的現 象??招沫h縮放管管殼式換熱器,殼程環狀進出 氣夾套,增加了進氣口面積,減緩了入口氣速, 縮小了管外傳熱膜系數與縮放管管內的傳熱膜系 數差距,使氣體入口段管壁的金屬溫度居內外氣 體溫度之中值,如管外入口氣溫為60℃,管內出 口氣溫為180℃,兩者中值為120℃,高于常壓 下水蒸氣溫度100℃,從而減輕了入口管子的濕 壁現象,硫酸霧沫易被氣流帶走,不易附著在管 壁上形成酸泥。從而使設備使用壽命得以延長。 在廣東樂昌市磷肥廠和鶴山市磷肥廠,均有使 用兩種不同類型換熱器,對使用空心環縮放管 型管殼式換熱器,減輕入口金屬管濕壁現象、抗 腐蝕、長時間保持氣阻穩定作用的直接體會。 5 施工圖設計與加工制造 設計制造除常規設計和慣常制造方法外,空 心環縮放管管殼式換熱器有以下特點。 5.1縮放管設計為以傳統ˉ51×3.5的20#優質 碳素鋼管軋制成變徑異型管,節長 L 設計為 28mm,要求加工后最大管徑保持為ˉ51mm,壁 厚均勻,變徑連接圓滑過渡。實際制造過程通過 軋輥的刀具設計、進刀量、進刀次數調試可達到 設計要求,縮放管成型后經剖開測量,壁厚均勻, 且減薄量可忽略不計,經檢測均小于0.1mm。鋼 管原材料化學成分含碳量取較低限,鋼材硬度不 會太高,有利于二次加工軋制成縮放管。 5.2空心環管網設計用扁鐵將空心環點焊聯結成網,空心環外徑與縮放管最大外徑間距留大于 1mm 的間距,保證制造穿管組裝要求,對規格為 ˉ51×3.5換熱縮放管,空心環管網管長度設計為 略大于縮放管節長,比節長L長2 mm,使空心環 管網在殼程軸向任意位置設置支撐,均能保證與 縮放管最大外徑處有接觸支撐點??招沫h管網制 作可利用管板作模具,保證點焊短管管網的管間 距,從而保證穿管工序的安裝質量。 空心環管網與縮放管裝配如圖3所示。 5.3在Ⅲ、Ⅳ換熱氣入口增加保護殼體的耐酸 不銹鋼襯板。殼程環狀進出氣夾套設計,讓殼體進 出氣開口避開正對管口,氣體先進夾套緩沖后通 過殼體上的矩形大缺口減緩氣速進入殼體,減緩 了入口傳熱管濕壁現象。由于入口氣速高,正對管 口處的殼體處仍會受到冷氣硫酸霧沫侵蝕,因此 對入口溫度較低的Ⅲ、Ⅳ換熱器,在夾套入口正對 的殼體處,設計一耐酸不銹鋼襯板,能起到抗腐蝕 保護設備殼體損壞,延長使用壽命的作用。 6 結語 空心環縮放管管殼式換熱器在廣東首先得到 工業化應用,1996年廣東省科委在廣東鶴山市磷 肥廠組織現場技術鑒定,由中國硫酸工業協會、南 京化學工業公司研究院以及四川化工設計院等單 位專家組成的鑒定委員會對空心環管殼式換熱器 作技術評定,一致認為該項技術達到國際領先水 平[3]。廣東兩廠家對空心環縮放管硫酸換熱器的生產應用,是該項換熱先進技術在我國硫酸行業 的首次應用,是產學研相結合,將高校的先進研 究理論實驗成果,在工業化應用的成功實例,至 今該套裝置仍有部分設備在生產線上正常運行。 首次應用之后十幾年,這種先進的硫酸氣—氣換 熱管殼式換熱技術,在全國硫酸行業得到了不斷 推廣,高效節能型換熱器目前已在全國20多個省 份,300多家硫酸生產企業,近700臺換熱器上應 用,包括硫鐵礦制酸,硫磺制酸及冶煉煙氣制酸 多種制酸工況,年產20kt、40kt、60kt、100kt、300kt、 400kt直到600kt多種生產規模, 單臺換熱面積最小 115 m2, 現最大4100 m2[4]。其作為一種低阻、強 化傳熱的新型氣-氣換熱設備,打破了傳統硫酸換 熱結構形式,被全國硫酸行業所接受,成為了換 代產品。同時其創新的傳熱構思推動了硫酸換熱 技術應用的進步,開擴了人們對換熱設備的改良 思路?,F在換熱器支撐、傳熱管型等主要構件上,出現不少新的改良探索和應用,如:多孔板支撐、 旋流網板管間支撐;急擴加速流縮放管、螺旋(S) 縮放管等。 空心環縮放管管殼式換熱器應用,給企業帶 來延長設備使用壽命、節省設備投資、節約鋼 材、節省運行費用的顯著效果,相信隨著這種新 技術在我國硫酸業的廣泛應用,給更多的企業帶 來顯著的節能降耗經濟效益及更大的社會效益。 參考資料: [1] 鄧先和,葉樹滋,新型換熱器在硫酸轉化系統中的應用, 《硫酸工業》,1996 年第6 期 [2] 葉樹滋,兩轉兩吸流程中換熱器腐蝕原因剖析,《硫酸 工業》,1982 年第6 期 [3] 空心環管殼式換熱器工業應用研究科學技術成果鑒定證 書(粵科鑒字[1996]第186號) [4] 鄧先和 陳詳明 張志孝,空心環管殼式換熱器工業化應 用回顧,《有色冶煉》,2001 年6 月第3 期 
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