[发明专利]带有强化传热元件的急冷锅炉换热管

说明书

技术领域

本发明涉及用于乙烯裂解技术的设备，具体涉及一种带有强化传热元件的急冷锅炉换热管。

背景技术

裂解原料在裂解炉炉管中经过高温裂解后，生成乙烯，同时得到丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯等重要副产品。裂解炉出口的高温裂解气在出口高温条件下将继续进行裂解反应(二次反应)，如果停留时间过长，二次反应增加，其结果是使裂解产物中烯烃收率下降，甲烷、氢气、重质焦油增加，结焦趋势加大。若要使乙烯收率保持稳定，减少二次反应，就必须使裂解气尽快地冷却下来，终止二次反应，使裂解气处于稳定状态的温度之下。

裂解炉炉管中出来的裂解气温度为750-900℃，为了防止二次反应的发生，减少烯烃损失，裂解气进入急冷锅炉进行快速冷却，一般认为当裂解气温度降至600℃以下时，二次反应基本终止。在裂解气急冷降温过程中，放出的大量热能是利用价值很高的热源，回收后用来产生12.0MPa左右的高压蒸汽。

目前裂解气的急冷方式大多采用急冷锅炉(也称为输送线换热器)进行间壁式换热。急冷锅炉与一般换热器的不同点在于热强度高、操作条件严格、同时承受高温和高压等。目前裂解气急冷锅炉大多采用火管式锅炉，即换热管内走高温介质-800℃左右的高温裂解气，换热管外走冷却介质-350℃左右的水汽混合物。裂解气急冷锅炉从工艺上讲主要有一级急冷锅炉技术和二级急冷锅炉技术，对于气体原料有时也采用三级急冷锅炉技术，其结构主要有套管式和列管式。

众所周知，为了迅速冷却裂解炉炉管中出来的高温裂解气，就需要强化高温裂解气与水汽混合物之间的换热过程。急冷锅炉内的传热过程分为以下几个步骤，首先高温裂解气通过对流传热方式将热量传给换热管内壁(或焦层内壁)，然后通过焦层和换热管管壁的热传导将热量由换热管内壁(或焦层内壁)传递到换热管外壁，最后由换热管外壁通过沸腾传热将热量传给管外冷却介质。因为换热管外沸腾传热的给热系数远远大于管内对流给热系数，所以急冷锅炉内传热的控制因素在管内传热。根据边界层理论，当流体沿固体壁面流动时，靠近壁面有一层极薄的流体，附着在换热管壁面，这样在换热管内壁面(或焦层内壁)形成了一个层流边界层，由于在层流边界层内基本上依靠热传导进行传热，因此，它虽然很薄，但其热阻很大。因此由以上分析可知，换热管内传热的最大阻力在于换热管内壁的层流边界层，如果能够减小这一边界层的阻力，将大大强化换热管的传热，使裂解炉炉管中出来的高温裂解气迅速冷却，带有强化传热元件的急冷锅炉换热管正是依据这一原理设计的。

单相流体管内对流换热的强化传热技术很多，应根据流体流动状态的不同分别应用不同的强化传热手段。强化单相流体管内对流换热的有效措施，是应用人工粗糙壁面法和管内流体旋转法，目前用得较多、效果较显著的强化传热手段是螺纹槽管、横槽纹管、缩放管、管内加插入物等。但由于裂解气急冷锅炉具有高温、高压、易结焦的特点，所以螺纹槽管、横纹槽管和缩放管无法在急冷锅炉上采用，因此裂解气急冷锅炉的强化传热应采用管内加入强化传热元件的方法，即采用带有强化传热元件的急冷锅炉换热管。迄今为止，国内外在换热管内使用强化传热元件方面已经做了大量的研究工作，研究方法包括实验和数值计算，流体流动区域包括层流区、过渡区和湍流区，工质范围为0.7≤Pr≤100。