（流体机械及工程专业论文）炭黑工业急冷器的结构设计研究.pdf

硕士学位论文 摘要 在炭黑生产过程中 炭黑炉气需要急冷 以生产出不同性能的炭黑产品 目前国内的急冷工艺是直接向炭黑炉气中喷冷却水 这种急冷过程一方面会使炭 黑尾气中的水蒸汽含量增高 提高了尾气露点温度 使得尾气排放温度升高 同 时炉气体积增大 增加了炭黑收集布袋的处理量 另一方面 增加了尾气中不可 燃烧成分的含量 使其燃烧较为困难 降低了炭黑尾气集中处理时的燃烧效率 不利于有效地利用这部分能量 为了在提高炭黑品质的同时 实现节能减排的目 的 根据炭黑生产的工艺要求 开发设计了一种高温炭黑急冷器 用它来代替冷 却水对高温炭黑炉气进行急冷 针对炭黑的生产工艺要求 高温炭黑炉气需要快速冷却 即要求炭黑炉气 能在o 2 秒之内从1 2 0 0 1 5 0 0 急冷到9 0 0 1 0 0 0 以得到不同性能的炭黑产 品 因此解决高温炭黑急冷器的高温膨胀 减小热应力 同时防止炭黑阻塞急冷 器的换热管问题 是开发设计高温炭黑急冷器的两个关键问题 所开发设计的高温炭黑急冷器采用新型腰形集流管箱 双椭圆形管板和 加强波纹管筒节相结合的管箱 很好地解决了换热套管因温差效应所产生的热应 力问题 首先根据炭黑生产具体工程要求 设计了新型腰形集流管箱结构 参考 国家标准g b l 5 0 1 9 9 8 和g b t 1 2 7 7 7 2 0 0 8 确定了腰形集流管箱的椭圆形管板和 加强波纹管筒节的厚度 然后采用a n s y s 软件模拟进行设计校核 结果表明 新 型腰形集流管箱 其结构能很好地承受换热套管因温差效应所产生的热应力 其 加强后的波纹管筒节不仅能吸收换热套管因温度变化而产生的轴向位移 而且能 承受4 m p a 的压力 利用c f d 模拟设计对急冷器的腰形集流管箱内的流场和换热套管内外传热 性能进行了研究 流场数值分析结果表明 波纹管筒节的特殊结构使靠近腰形集 流管内壁面的流体产生很多涡流 使得传热强化 冷 热端集流管箱除了进 出 口的流体速度很大以外 其他部位流体速度很小 这起到了水 汽分离的作用 传热模拟设计 得到高温急冷器换热套管长度为7 5 m 时 环隙内水流速在0 6 o 8 m s 范围内 能满足炭黑生产的工艺要求 即炭黑炉气能在o 2 秒内从1 2 0 0 摘要 1 5 0 0 急冷到9 0 01 0 0 0 炭黑炉气是一种高含尘量工艺气体 使得急冷器运行一段时间后就会造成 换热套管堵塞 严重影响急冷器的换热性能 根据炭黑炉气特性设计了一套在线 除垢系统 并对高压喷咀和高温急冷器传热管出口端关系进行理论模型化研究 结果表明 喷咀每一次喷射1 秒钟 能够在每根管内引入不小于0 2 3 1 m 3 的气体 把尚未固结在管壁上的炭黑除掉 对开发设计的高温炭黑急冷器 采用软件模拟设计分析研究 为优化设计 制造适用于炭黑工艺要求的高温急冷器提供了理论基础 关键词 急冷器腰形集流管椭圆形管板脉冲除垢系统炭黑 硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fc a r b o nb l a c kp r o d u c t i o n t h ec a r b o nb l a c kf u r n a c eg a sw a s r e q u i r e dt oq u e n c hf o rp r o d u c i n gd i f f e r e n c ek i n d so fc a r b o nb l a c k i tn o to n l y i n c r e a s e sw a t e rv a p o rc o n t e n to ft a i lg a s r a i s e st h ed e w p o i n tt e m p e r a t u r eo ft a i lg a s t h a tm a k et h et e m p e r a t u r e h i g h e r a n di t w i l li n c r e a s et h et h r o u g h p u to fc a r b o n b l a c k b a gf i l t e rw h e nt h ev o l u m eo ff u m a c eg a se n l a r g e d b u ta l s oi n c r e a s e s n o n c o m b u s t i b l ec o m p o n e n t so ft h et a i lg a st h a tm a k ei th a r dt oc o m b u s ta n dd e c r e a s e t h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c yo ft h et a i lg a s i no r d e rt os a v et h ee n e r g ya n dr e d u c et h e e x h a u s tg a sw h e ni m p r o v et h eq u a l i t yo fc a r b o nb l a c k ah i g ht e m p e r a t u r e c a r b o n b l a c kq u e n c hc o o l e rw a sd e s i g n e dt oi n s t e a do ft h ec o o l i n gw a t e rf o rq u e n c h i n gt h e h i g ht e m p e r a t u r ef u m a c eg a sa c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t s t h et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t sa r et h a tt h ef u r n a c eg a sn e e d st oc o o lq u i c k l y i e t h ef u r n a c eg a sr e q u i r e dt oq u e n c hf r o m12 0 0 15 0 0 ct o9 0 0 10 0 0 cw i t h i n0 2 s e c o n d st h a ti tc a no b t a i nt h ed i f f e r e n c ek i n d so fc a r b o nb l a c k s oi ti sv e r yi m p o r t a n t t od e s i g nag o o dq u e n c hc o o l e rt h a th o wt os o l v et h eh i g ht e m p e r a t u r ei n f l a t i o na n d t h e r m a ll o a dp r o b l e m sa n dh o wt op r e v e n tt h et u b e so fq u e n c hc o o l e rf r o mb e i n g b l o c k e db yt h ec a r b o nb l a c k t h ep r o b l e mo ft h et h e r m a ls t r e s sw h i c hc a u s e db yt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ee f f e c t w a sw e l ls o l v e db yu s i n gt h en e ww a i s tf o r mh e a d e r o fq u e n c hc o o l e rw h i c h c o m p o s e do fd o u b l ee l l i p t i cs h e e ta n ds t r e n g t h e n e db e l l o w s f i r s t l y t h es t r u c t u r eo f n e ww a i s tf o r mh e a d e rw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t s t h e b o t he l l i p t i ct u b es h e e ta n ds t r e n g t h e n e db e l l o w st h i c k n e s so ft h ew a i s tf o r mh e a d e r w e r ed e t e r m i n e dw i t hr e f e r e n c e df o rt h eg b l 5 0 1 9 9 8a n dg b t 1 2 7 7 7 2 0 0 8 a n dt h e s o f t w a r ea n s y sw a su s e dt od e s i g na n dc h e c kt h et h i c k n e s s t h er e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h ed o u b l ee l l i p t i cs h e e ts t r u c t u r eo fn e ww a i s tf o r mh e a d e rc o u l ds u s t a i nt h e t h e r m a ls t r e s sw h i c hc a u s e db yt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ee f f e c t a n dt h es t r e n g t h e n e d b e l l o w sc a nn o to n l ya b s o r ba x i a ld i s p l a c e m e n tc a u s e db yt e m p e r a t u r ec h a n g ei n i l l a b s t r a c t c a s i n gb u ta l s os u p p o r tt h ep r e s s u r eo f4 m p a t h ew a i s tf o r mh e a d e rf l o wf i e l do fq u e n c hc o o l e ra n dt h eh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c eo f t h ec a s i n gw e r es t u d i e db ym e a n so fs o f t w a r ec f d t h en u m e r i c a l a n a l y s i so ff l o wf i e l ds h o w st h a tt h es p e c i a ls t r u c t u r eo fb e l l o w sm a k e s t h ef l u i dn e a r t h ew a l lp r o d u c eam o u n t so fv o r t e xt h a te n h a n c e dh e a tt r a n s f e r t h es p e e do ff l u i di s v e r ys l o we x c e p tt h ei n l e t o u t l e ti nt h eh o t w a i s tf o r mh e a d e r s ot h ew a t e rc o u l d s e p a r a t e sf r o mt h ev a p o r i tw a s o b t a i n e df r o mt h eh e a tt r a n s f e rs i m u l a t e dc a l c u l a t i o n t h a tt h el e n g t ho fq u e n c hc o o l e rc a s i n gi s7 5 ma n dt h ew a t e rv e l o c i t yi nt h ea n n u l a r s p a c er a n g e sf r o m0 6 r n st o0 8 m s i tc a nm e e tt h et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t st h a t t h ef u r n a c eg a sr e q u i r e dt oq u e n c hf r o m12 0 0 15 0 0 c t o9 0 0 i0 0 0 cw i t h i n0 2 s e c o n d s t h e r ew a sam a s so fc a r b o nb l a c ki nt h ef u m a c eg a s s ot h eh e a te x c h a n g e rp i p e w a sb l o c k e df r e q u e n t l y i ti n f l u e n c e ss e r i o u s l yt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo f q u e n c hc o o l e r ap u l s es c a l ec a r b o nb l a c kr e m o v e ds y s t e mw a sd e s i g n e d b a s e do nt h e f e a t u r e so fc a r b o nb l a c kg a s a n dt h er e l a t i o n s h i pw a sm o d e l e db e t w e e nt h eh i g h p r e s s u r en o z z l ea n d t h eo u t l e to fh e a tt r a n s f e rp i p eo fh i g ht e m p e r a t u r eq u e n c hc o o l e r t h er e s u i t sd e m o n s t r a t e dt h a ti fe a c hn o z z l ec o u l de j e c tl a s t1s e c o n da n db r i n gi n m o r et h a n0 2 31m 3g a s t h ec a r b o nb l a c ko nt h ew a l lw i l lb ec l e a r e d t h eq u e n c hc o o l e rw a sd e v e l o p e db yt h es o f t w a r es i m u l a t i o nd e s i g n i to f f e r st h e t h e o r e t i c a lb a s i st od e s i g nt h eq u e n c hc o o l e rw h i c hc a n b e o p t i m i z e d a n d m a n u f a c t u r e ds u i t a b l ef o r t h et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t so fc a r b o nb l a c kp r o d u c t i o n k e y w o r d s q u e n c hc o o l e r w a i s tf o r mh e a d e r e l l i p t i ct u b e s h e e t p u l s es c a l e r e m o v e ds y s t e m c a r b o nb l a c k 1 v 硕士学位论文 目录 摘要 i a b s t r a c t i i i 目录 一v 第一章绪论 1 1 1 前言 l 1 2 课题研究目的与意义 2 1 3 国内外高温急冷器的发展状况 3 1 3 1 急冷器的发展历程 3 1 3 2 新技术的开发 上 4 1 3 3 急冷器的发展动向 5 1 4 急冷器在炭黑工业的应用 6 1 5研究内容 7 1 5 1 主要研究内容 7 1 5 2 研究方法及技术路线 7 第二章高温急冷器的设计 9 2 1 高温急冷器的结构参数选取 9 2 2 高温急冷器设计需要考虑的几个问题 1 0 2 3 排堵系统的设计 1 0 2 4 高温急冷器的结构性能特点 1 1 2 5 高温急冷器的结构与系统设计 1 2 2 5 1 技术指标和设计参数 1 2 2 5 2 高温急冷器本体设计说明 1 4 2 5 3高温急冷器系统设计说明 17 第三章腰形集流管的设计研究 l9 v 目录 3 1 集流管技术 19 3 1 1 经典集流管的结构特点 1 9 3 1 2 腰形集流管 2 2 3 2 椭圆形管板应力三维的有限元分析 3 0 3 2 1 应力强度评定方法 3 0 3 2 2 椭圆形管板的设计工况及结构 31 3 2 3 椭圆形管板在单一工作压力的作用下有限元分析 31 3 2 4 椭圆形管板在压力和套管作用力下有限元分析 3 8 3 2 5 椭圆形管板应力分析小结 5 1 3 3集流管波纹管强度非线性有限元分析 5 2 3 3 波纹管设计 5 2 3 3 2 波纹管理论应力计算 5 3 3 3 3 波纹管强度非线性有限元分析 5 5 3 3 4 波纹管应力分析小结 二 6 8 第四章急冷器腰形集流管流场与套管的传热模拟 6 9 4 1 数值计算的基本过程 6 9 4 1 1前处理 6 9 4 1 2 计算求解 7 1 4 1 3后处理 7 1 4 2 急冷器热端集流管和换热管之间流动的数值模拟 7 1 4 2 i 结构参数 7 1 4 2 2 建模及网格划分 7 2 4 2 3 模型求解设置 7 2 4 2 4 数值计算结果分析 7 3 4 3 急冷器单根套管换热数值模拟 8 1 4 3 1 单根套管的结构参数 81 4 3 2 建模及网格划分 8i 4 3 3 数值计算相关设置 8 2 4 3 4 传热模拟结果分析 8 2 v i 硕士学位论文 4 3 5 传热模拟结果与理论结果比较 8 7 第五章在线脉冲排堵系统的设计 8 8 5 1 在线脉冲排堵系统 8 9 5 1 1 在线脉冲排堵系统的防止结垢的方法特点 8 9 5 1 2 在线脉冲排堵系统的主要装置 8 9 5 1 3 清除污垢所使用的不燃性气体 9 0 5 2 在线脉冲排堵系统的工作原理 9 0 5 2 1传热管内壁结垢随时间的的变化 9 0 5 2 2 在线脉冲排堵系统 9 1 5 2 3 高压喷咀和高温急冷器传热管出口端关系理论模型 9 4 5 3 小结 9 7 第六章结论与展望 9 8 6 1 本文的主要结论 9 8 6 2 今后的工作展望 9 9 参考文献 1 0 1 攻读硕士学位期间发表论文情况 1 0 5 致谢 1 0 6 v i i 硕士学位论文 第一章绪论 1 1前言 随着我国经济的高速发展 能源供给与需求的矛盾日益突出 能源危机逐渐 显现 能源新技术开发和利用 技术创新 建立节约型社会是我国可持续发展的 必然选择 在现代的炭黑工业当中 炭黑生产过程当中能量消耗非常高 污染较为严重 为解决这个问题 我国多年以来一直致力在炭黑生产的节能环保换热设备的研究 开发 但到目前为止 应用在炭黑生产中的换热设备还未能充分利用炭黑生产过 程中所产生的大量热能 例如 炭黑反应区的温度为1 3 0 0 1 5 0 0 通常用水 急冷以终止炭黑反应并降温冷却至9 0 0 这就意味着 每条2 0 0 0 0 吨 年的炭黑 生产线每年在这一过程中就损失了1 6 0 0 2 2 0 0 亿万千卡热量和4 6 万吨水 这 部分的能量白白浪费掉了 且这不仅增大了能量的损失 更主要的是增加了尾气 总量 加大了尾气中不可燃烧成分的含量 降低了燃烧热值 不仅燃烧困难 而 且不利于有效的利用这部分能量 更不利是对炭黑生产设备造成严重的酸雾腐 蚀 缩短了设备的使用寿命或增加了炭黑生产设备的防腐要求 并迫使炭黑尾气 的排放温度提高到2 0 0 左右 因此 在随着世界范围内原料油消耗的日益增加 原料油价格的节节攀升 如何实现资源和能源的科学合理利用 不断地降低产品 能耗和生产成本 已成为高耗能的炭黑生产全行业生存和发展的当务之急 所以 尽快开发研制出新型急冷器 实现资源和能源的科学合理利用 具有极其重要的 现实意义 近年来 尤其是近期国外炭黑公司关于采用急冷器取代全部或部分急冷水 以及急冷器已在某些国家进行工业化试验已经获得成功等等的报道 为我们开发 新型急冷器增添了信心 因此 以新型的换热设备取代或部分取代急冷水来终止 炭黑反应有已经是迫在眉睫 此外 炭黑生产用原料油的曰益紧缺 尤其是最近 全行业炭黑生产用原料油面临断档的严峻局势 更加剧了我们开发在线新型急冷 器的紧迫感和责任感 所以开展新型急冷器的研究对企业长远发展有着重大的意 义 第一章绪论 1 2 课题研究目的与意义 能源短缺早已成为人类不得不面对的问题 节能减排已经成为了现代社会的 主题 在人类在发现新的能源来代替石油之前 必须想尽一切的把办法来减少能 源的消耗 提高能源的利用率 面对这一严峻的问题 全世界的化工行业不得不 调整用高消耗来换取高收益发展的策略 而是致力于研制高端的技术 用低的消 耗换取高的收益 急冷器充分利用了例如烟道气 高炉炉气 以及需要冷却的化 学反应工艺气等的余热就是为了适应这一策略而研制的 因此我们必须利用最简 单化的结构 耗材量最小的 同时又能满足工艺要求和达到最大限度实现节能效 果的设计理念来探讨急冷器的研制 炭黑工业是能耗高 污染较严重的行业 因此 炭黑生产装置的综合能耗指 标是炭黑制造技术的基本表征 而炭黑生产装置的环境排放指标则是炭黑制造技 术水平和环境保护水平的基本综合表征 炭黑生产过程中的节能 环保主要体现 在烟气的物理热和尾气的化学热的综合利用 所以目前国内炭黑行业能量回收系 统 1 3 主要是在炭黑反应炉后安装空气预热器和原料油预热器 回收烟气的部分 物理热 利用炭黑尾气的化学热供热发电 同时减轻直至消除有害气体大气的污 染 这部分能量的回收约占炭黑生产过程排放的总能量的6 0 通常 炭黑生产 工艺要求向反应炉内喷入急冷水以终止炭黑反应 这为回收高温炭黑炉气的热量 提供了更大的空间 然而 由于必须提供炭黑炉气的急剧冷却速度 对于超高温 工艺介质 1 5 0 0 以及炭黑炉气易附壁阻塞的特殊性 使得急冷器的开发有 相当的技术难度 所以必须根据炭黑生产工艺要求 炭黑炉气特性对急冷器的结 构 参数选取 防堵措施等诸方面做慎密的研究 本项目针对目前我国炭黑原料 资源匮乏导致困扰炭黑全行业发展的问题 发展高效换热设备的前提下开展的 值得乐观的是炭黑生产过程能量回收尚有较大空间的现状 研究开发的新型急冷 器虽然技术起点高 却更加安全可靠 且研究成果在炭黑企业有相当大的推广应 用价值 本项目将改变我国炭黑生产能量回收技术落后的现状 缩短与国外先进 技术的差距 不断降低原料消耗和生产成本 对我国炭黑企业的生存和发展 增 强参与国际市场的竞争力有非常重要的意义 2 硕 学位论文 1 3 国内外高温急冷器的发展状况 1 3 1 急冷器的发展历程 在大多数的文献m 1 里涉及到的急冷器都是关于乙烯工业方面的应用 而且 在这方面的发展已经取得了显著的突破 而且渐渐发展成为较成熟的技术 在急 冷器的发展史里面 曾经经历过美国福斯特一惠勒公司的d s g 型 西德斯密特 公司的s c h m i d t 型急冷器 德国的f f i m ab o r i s g 公司的b o r s i g 型急冷器 8 瑚 日 本三菱油化公司m t l x 型急冷器 三井公司的三井型急冷器 斯通 韦伯斯特 公司的u s x 型急冷器和s c h m i d t 与s w 公司合作开发的s l e 型急冷器 1 等等 由于急冷器应用于不同的工艺条件 以及各个研制公司不同的技术开发水平 所 以它们有着不同的结构形式 但是基本的工作原理是相同 它们有各自的优点 但也存在着缺点 下面是几种急冷器的结构图 n 1 j 1 l q 一 图卜1b o r s i g 型废热锅炉 f i 9 1 jt h eb o r s i g w a mh e a t b o i l e r l 一分布器 2 检查管 3 一挡板 4 单层厚管板 5 双层薄管板 6 耐火衬里 图卜2m t l x 废热锅炉 f i 9 1 2 t h e m t l x w a s t h e a t b o i l e r 1 一人孔 2 壳体 3 液面计 4 汽包 5 一气体出口导管 6 一壳体 7 托耳 8 下 降管 9 职套营 l o 排放管 1 气体进 v i 1 2 接管 1 3 一平衡管 1 4 给水进口 二兰望l 一 图卜3 三井急冷锅炉和u s x 型急冷锅炉 f i 9 1 3 t h e m i t s u i q u e n c h b o i l e ra n d t h e u s xq u e n c hb o i l e r 各种只是目前国内各种外急冷锅炉其中的几种 经过多年的发展 改造 其 性能很优秀 但是有些急冷锅炉已经满足不了新工艺的要求 并且科学技术是不 断的发展的 人们的要求也越来越高 越来越苛刻 对新技术的探讨的决心永不 后退 也不会满于现状 由于急冷器应用的领域不断的推广 所以以后还会不断 涌现出更多性能更为优越 更能适应各种工艺条件急玲器 1 3 2 新技术的开发 k t t 公司和k e l l o g g 公司对目前急冷器发展趋势的总结 发现乙烯装置急冷 器能量回收系统 要再降低能耗已经没有什么余地 缩短裂解气从离开炉管到进 入急冷器的时间可以提高乙烯的收率 直到现在为止这一时间缩短到了00 1 秒 s w 公司 k e i i o g g 公司和c b l 开发组就是按照这一思想实现乙烯收率达到了 最佳水平的 因为单位流量在绝热输送管线内所占的体积越小 则裂解气在此停 留时间越短 烯烃产品收率损失越少 s w 公司在原u s x 型式的基础上 与 s c h m i d t 合作开发出s l e 型急冷器锅炉 使用效果非常好 正在推广使用 l u r m u s 硕士学位论文 公司的s r t 炉 l l 17 1 由于炉管单组生产能力较大 在急冷系统一直选用大容量 的s c h m i d t 型急冷器 近年来采用了b a s f 在线清焦技术 使用效果也不错 而 且最近他们进行了一次突破性的急冷技术革新 下面介绍的是其中的两种 1 快速急冷器 l u m m u s 公司和s h g 公司合作开发的这种新型急冷器 而且已经用在s r t v i 型炉上 每台急冷器有1 6 根双套管换热管与4 根炉管出口相连 裂解气在 绝热管线内的停留时间小于0 0 1 2 秒 仅为原来t l x 的1 4 它继续保留了s c h m i d t 的双套管 椭圆管结构特点 气流入口处无旋涡 减少了结焦 增加了乙烯收率 s h g s c h a c k 和它在美国 日本的子公司已进行过细节的实验 这种新型 的急冷器现在不仅可以制造而且能买到 对炭黑生产装置的经济运行起着十分重 要的作用 同时 还能减少对烟气进行冷却 使之达到袋滤器允许温度所需的急 冷水量 2 直接冷却器 为了尽可能快的将裂解气冷却 美国埃克森研究工程公司 设计了裂解炉管 出口直接连急冷器 其结构是前部为y 型分布器 换热管为双套管 裂解气在 整个急冷器内停留时间为0 0 1 2 秒 与传统急冷器相比 乙烯少损失冷0 7 5 以 上 1 3 3 急冷器的发展动向 自2 0 世纪7 0 年代以来 由于世界性的能源短缺 各种工业部门都十分重视 节约能源 回收余热 急冷器作为回收热能的主要设备 其发展也很迅速 综合 了急冷器的进展情况 主要有下列几点发展动向 引 1 大型化 2 高参数 高温 高压 3 自动化 4 定型化 5 高 中 低温余热同时开发利用 6 强化传热技术引入急冷器 7 可在线除垢 第一章绪论 1 4 急冷器在炭黑工业的应用 急冷器在炭黑工业应用的设想 1 8 l 它的工作原理是 急冷器将炭黑反应炉下 游的炭黑炉气的温度 由1 5 0 0 c 下降到1 0 0 0 9 0 0 c 这样 原先由喷雾急冷水 对高温的炭黑炉气进行冷却 损失的炭黑炉气的显热非常大 现在则由在急冷器 产生高压蒸汽进行余热回收来代替喷急冷水 急冷器的结构是卧式 圆筒形的列 管式的换热器 但列管是两层夹套式的列管 炭黑炉气在夹套管的内管中流动 而 冷却水则在两层夹套管之间的环隙中流动 炭黑炉气和冷却水进行热交换 炭黑 炉气从反应炉的下游 通过进气导管进到急冷器的人口 并分配到各夹套管的内 管中去 将在夹套管外管和内管之间的环隙中的冷却水加热 并将炭黑炉气下降 到所要求的温度 炭黑炉气则通过急冷器的出口导管 离开急冷器 锅炉的冷却 水软水的给水 则通过上部的蒸汽包的下降管 分配到冷端集流管 进到各夹套 管的外管和内管之间的环隙中去 水 汽的混合物则通过热端集流管 以及上升 管回到蒸汽包 并在蒸汽包中进行水汽分离 它的流程图如 图l 一4 4 n r 1 反应炉2 急冷器3 空气预热器4 锅炉5 油热器6 袋滤器 7 燃烧炉8 蒸汽分配器9 发电厂1 0 造粒机11 包装机 图1 4 炉法炭黑生产的工艺示意图 f i g 1 4t h ep r o c e s so fs c h e m a t i cd i a g r a ma b o u tf u r n a c ec a r b o nb l a c k 急冷器产生的饱和蒸汽量为4 吨 时 蒸汽压力为4 2 公斤 平方厘米 由于在 6 硕士学位论文 炭黑炉气中每小时减少了4 吨急冷水 相应增加了尾气的热值 并减少了主袋滤 器的通风负荷 1 5 研究内容 1 5 1 主要研究内容 由于炭黑急冷器是应用在特高温工艺条件当中 不仅要考虑到制造材料的耐 高温性质 由高温给急冷器主要部件带较高的热应力 而且要根据工艺介质物理 性质开发出防止换热管堵塞的除垢系统 所以本课题要联系起一切可能影响到高 温急冷器性能的因素 抓住主要因素 研制出有优秀性能的高温急冷器 为了设计出一种高效率的高温急冷器 必须结合过去的 现在的 国内的和 国外的应用在各种工业场合的急冷器的结构特点 扬长避短 再注入新的技术创 新 并且结合实际来开发出适应现代企业所需求急冷器 本文根据实际工况实例 的现实需要进行急冷器结构设计 其研究主要内容包括 1 烟气冷却速度的设计 2 蒸发器的管径设计 3 蒸发器的炉管长度设计 4 蒸汽压力的选择 5 解决管板的热应力问题 6 排堵系统的开发 在研究的过程当中涉及了几个关键技术及难点 解决这些技术是急冷器能够 安全 稳定运行的保证 它包括如下几点 1 确定总传热系数 蒸发量和受热面积 提供烟气急剧冷却速度 保证产品 质量和收率 2 确定炉管直径和长度 同时考虑烟气质量流速和压力降 得到最优条件 减少系统积垢现象 3 新型薄管板结构设计和应力分析 采用薄管板结构和套管保护措施 提高 管板耐受热应力能力 4 针对炭黑易附壁堵管的特殊性 开发一套实用的防堵系统 1 5 2 研究方法及技术路线 进行急冷器的结构设计必须要深入了解急冷器工作性能 结合国内外优秀技 第一章绪论 术 攻克急冷器关键技术并且对它进行有效的改造 根据国内换热设备标准 对 急冷器的关键部件进行初级理论计算及安全性校核研究 再通过f l u e n t a n s y s 等大型分析软件来协助模拟 在研究经费充足的情况下 按设计的急冷 器结构尺寸的1 4 制造实验模型 并辅助于实验台进行对急冷器关键数据收集并 通过这些数据的分析研究 设计出结构更加合理 工作性能更加优越的急冷器 硕士学位论文 第二章高温急冷器的设计 炭黑生成反应时间仅有约1 l o 秒时间 不同的炭黑品种生成反应温度差异 较大 一般在1 3 0 0 1 5 0 0 c 范围 炭黑生成后 必须在极短时间 约1 0 七秒 内 使反应体系的温度降低至1 0 0 0 c 以下 部分学者认为是9 0 0 c 终止烟气中其 它成份与先生成的炭黑的表面发生进一步的反应 这些副反应不仅会消耗部分已 生成的炭黑成品 同时 增加了炭黑表面粗糙度 降低了产品质量 由此可见 应当急剧提高炭黑炉气的冷却速度 缩短炭黑粒子在高温区的停留时间 炭黑生产用高温急冷器与其它化工行业用废热锅炉的最大区别是 高温介质 炭黑炉气 和低温介质 水 的热交换速度非常快 尤其在烟气进入高温急冷 器的开始端 此外 炭黑炉气中的炭黑含量约有2 0 2 5 9 m 3 炭黑极易富集在换 热管壁堵塞管道 使得炭黑生产在线高温急冷器的开发有相当的技术难度 本项 目的关键技术在于高温急冷器的结构设计和参数选取 排堵系统的开发 以及炭 黑品种变化时高温急冷器所具备的操作弹性 2 1高温急冷器的结构参数选取 为充分利用炭黑炉气的热能 用高温急冷器对烟气物理热的回收来代替部分 急冷水用量 高温急冷器的设计 应该在保证产品质量和收率的前提下合理利用 这部分热能 本项目拟利用高温急冷器把1 5 0 0 c 的高温烟气的温度在极短的时 间内下降到1 0 0 0 9 0 0 c 这就会及时终止了烟气中的炭黑继续反应 提高了炭 黑产品质量 通常 急冷器的基本结构是由管壳式蒸发器与汽包组成 通常有火管式和水 管式两种型式 2 1 2 2 l 水管式锅炉的烟气的流速较低 不利于浓度较高的气固相炭 黑粉尘的输送 将使大量炭黑粉尘沉积 无法达到生产要求 而火管式锅炉气相 空间较小 流速较快 热效率高 更适应炭黑炉气停留的要求 因此 本项目高 温急冷器采用火管式作为基本形式 研究内容包括 1 烟气冷却速度的设计 应考虑缩短炭黑粒子在高温区的停留时间 以保证炭黑的收率和产品 质量 2 蒸发器的管径设计 9 第二章高温急冷器整体设计 为了能安全冷却具有高度热应力的区域 必须保证很高的水 汽速度 需要设计高的质量流速 同时考虑炭黑炉气通过高温急冷器有一个合适的 对炭黑生产不会造成影响的压力降 3 蒸发器的炉管长度设计 应考虑烟气温度下降引起后部烟气速度降低 导致烟气流速不足以夹 带和输送炭黑粒子而熬成的炉管堵塞 4 蒸汽压力的设计 在满足使用要求的前提下 尽可能选择相对高的蒸汽压力 使管壁有 较高的温度 减小管壁内外的温差 5 管板是火管锅炉的关键部件之一 直接影响锅炉的安全性和经济性 管板将受到很高的热应力 炉管在管板上的焊缝受到高温烟气的直接 冲刷 易引起开裂 采用薄管板结构和套管保护措施 可提高高温急冷器 对上述问题的耐受能力 延长使用寿命 2 2 高温急冷器设计需要考虑的几个问题 炭黑根据其用途分为常规橡胶用炭黑和特种炭黑两大类 橡胶用炭黑又分为 硬质炭黑和软质炭黑 列入国际标准的常规橡胶 2 3 用炭黑品种就有4 8 个 特种 炭黑涉及的应用领域更为广泛 品种分类更细 多达上百种 由于各种炭黑的生 产工艺条件不同 造成了炭黑炉气特性及烟气量随生产品种的变化而变化 特别 是硬质炭黑和软质炭黑之间有较大的差异 因此 炭黑炉气的特性与高温急冷器 涉及参数的选取紧密相关 高温急冷器的设计应满足炭黑品种变化的需要 具有 较大的操作弹性 主要研究内容包括 1 炭黑炉气成份分析 露点测定 2 炭黑炉气特性 如密度 热值 露点等 对锅炉热力 水力系统的影响 3 建立炭黑品种与锅炉蒸发量之间关系的数学模型 2 3 排堵系统的设计 尽管我们在高温急冷器的结构设计中已从多方面考虑较少系统的结垢堵塞 但由于烟气中炭黑含量2 0 2 5 9 m 3 烟气流量和炭黑物性又随品种变化差别较 大 再考虑开 停车易引起炭黑粉尘堵塞烟气管 本项目将开发一套在线脉冲排 1 0 硕士学位论文 堵系统 在不停止炭黑生产的状态下 排除炭黑在烟气管中的沉积 避免堵管 2 4 高温急冷器的结构性能特点 早在上世纪六十年代 国际上知名的炭黑公司在开发炭黑新品种 新技术 的同时 就注重能源利用和环境保护的技术和装备的开发 已开始利用炭黑炉气 的物理热 在反应炉后安装了预热反应炉燃烧空气的空气预热器 原料油预热器 和废热锅炉 a l s t o m 公司早在1 9 5 7 年就为德国炭黑工厂提供了一台4 0 06 c 空气 预热器 七十年代的石油危机 更促进了炭黑炉气物理热的回收工作 空气预热 器也逐步发展到6 0 0 c 级 8 0 0 c 级 利用炭黑尾气化学供热发电 以解决有害 可燃气体对大气的污染和余热利用技术也日趋完善 进入二十一世纪 随着能源 和原 燃 料油价格的上涨 提供了回收炭黑炉气热量的更大空间 近年来 新 型高温急冷器的开发使炭黑工业节能技术有了新的进展 2 4 l 以高温急冷器代替全 部或部分终止炭黑反应的急冷水 在充分利用炭黑炉气物理热 节约宝贵的水资 源的同时 降低了后部收集系统的过滤负荷 或提高了装置产能 延长了后部 设备的使用寿命 提高了尾气锅炉的热效率 尾气湿含量降低 可以说 新型 高温急冷器的开发和利用 开创了现代炭黑生产能量回收技术和装备的崭新局 面 代表着炭黑工业的国际先进水平 我国炭黑生产烟气物理热的回收利用 始于八十年代由某研究院开发的新 工艺炭黑生产技术 新工艺炭黑生产技术不仅使产品性能比传统产品有了质的变 化 而且 由于在流程中加入了预热入炉物料的空气预热器和原料油预热器 使 炭黑生产的能耗下降了2 5 新工艺炭黑生产技术带动了汽车轮胎产品质量的明 显提高 对我国炭黑生产技术的发展具有划时代意义 九十年代 有我国开发的 炭黑尾气发电 供热 技术已在国内炭黑厂推广应用 但是尾气锅炉热效率较低 废热锅炉也曾应用于炭黑生产装置中 但由于当时炭黑生产规模小 热值不稳定 废热锅炉因适应性差 运行不稳定 时常堵管而被逐渐淘汰 随着炭黑工业的发 展 我国炭黑生产技术日趋成熟 与此同时 炭黑工业也接受了日益严苛的环保 法规的挑战和与日益俱增的民众环保意识的抉择 进一步强化了节能环保意识 加大了炭黑生产余热利用技术和装备的开发力度 加紧本项目新型高温急冷器的 开发的步伐已经是刻不容缓 本课题充分考虑炭黑炉气特性 生产品种变化及工艺波动等因素给高温急 第二章高温急冷器整体设计 冷器开发带来的技术难度 研究起点高 项目完成后 将填补我国炭黑工业高温 急冷器的空白 缩短与国外炭黑生产余热回收利用技术和装备的差距 达到或接 近国际先进水平 本项目研发的高温急冷器结合国内外其它工艺过程急冷器器结构和换热性 能的优点 以及汲取国内前辈从事炭黑生产热能综合利用技术和装备开发的基础 上所总结出的经验 研究急冷器在其他工业领域生产应用过程中经验教训 大胆 创新 开发具有自主知识产权的新型高温急冷器 本项目技术起点高 研究难度 大 不易模仿和代替 本课题主要特点包括以下几个方面 1 新型弧形薄管板结构 这种结构可明显降低高温急冷器管程和壳程的热温差膨胀效应 使得锅炉在 操作参数温度变化较大的情况下 仍然可稳定 安全运行 此外 这种结构可有 效降低高温急冷器的制造成本 2 管口防冲刷结构 以往的防冲刷结构一般采用的是陶瓷套管结构 这种陶瓷套管制作难度大 且在操作中的使用寿命短 本项目通过对进口处烟气流量精确测定和模拟冲刷试 验 进行合理的选材 做到既实用又节约成本 3 脉冲排堵系统 以前的炭黑废热锅炉的防堵系统 几乎形同虚设 一旦发生堵管 只有停车 靠人工清理堵管 本项目拟采用脉冲和机械相结合的防堵系统 使锅炉运行可靠 平稳 同时 考虑操作的安全性 使高温急冷器火管金属壁保持在2 0 0 以上 在这样的温度下炭黑炉气不易冷凝 发生堵管的几率可降低2 0 4 操作弹性大 在设计过程中考虑了各种炭黑的特性和参数 高温急冷器能满足大多数品种 生产要求 2 5 高温急冷器的结构与系统设计 2 5 1 技术指标和设计参数 炉法新工艺炭黑是用富含芳烃的碳氢化合物原料油在高温下裂解而生产的 产物 在炭黑反应炉的燃烧室 从轴向进入的燃料油完全燃烧 产生的高温气流 为碳氢化合物原料油的裂解提供热量 原料油在受控的条件下 温度和压力 硕士学位论文 在高压下通过喷嘴将原料油雾化 形成超细的油滴 吸热好裂解生成炭黑 高温 的炭黑炉气具有很高的温度和热量 在炭黑生产线的不同部位进行热量回收 而 后进入主袋滤器 炭黑炉气在主袋滤器进行过滤 收集下来的炭黑 最后输送至 造粒 干燥和包装工段 进行包装为成品 炭黑是一种高能耗产品 每吨产品需要消耗约2 吨原料油 进入反应体系的 折算能为7 5 0 0 8 5 0 0 万k j 相当于每年生产一吨炭黑要消耗2 9 吨标煤的能 排出体系的能量中 炭黑产品带出的能量不足5 0 其余5 0 以上的能耗随着 炭黑尾气排入大气 排入大气的这部分能量中 炭黑尾气的化学能 尾气中含有 h 2 c o 等可燃成份 含量随生产品种不同而变化 约占总能量耗的2 8 一 8 5 0 0 物理能约占总能耗的2 3 2 5 炭黑的生成反应通常采用喷入高压急冷水的方 式 将1 3 0 0 1 5 0 0 c 的反应物 炭黑炉气 在很短的时间 约1 0 秒 内迅速终 止反应 并降温至7 5 0 左右 以适应后部设备的操作温度 喷入的急冷水在这 一过程中从炭黑炉气中交换出的热量约8 0 0 1 1 0 0 万千卡 吨 炭黑仅占总排出 能量的1 2 1 4 我国炭黑工业经过近二十年的工艺研究和装备技术开发 已成功地开发并推 广应用了炭黑尾气燃烧发电技术 空气预热器 6 5 0 c 级 原料油预热器等回收 约6 0 的能量 相当于降低炭黑生产总能耗的3 0 但目前我国现有的炭黑生产 技术 仍然有2 0 的总能量被排放到大气中或以其他形式浪费了 以每年2 o 万 吨新工艺炭黑装置计 每年能量损失约3 0 0 0 亿k j 相当于1 0 2 4 0 吨标煤 炭黑生产过程中 每产1 吨炭黑约需喷入2 3 吨急冷水 使尾气中的水蒸 气含量达到3 5 3 8 体积含量 这不仅增大了能量的损失 更主要的是增加 了尾气总能量 加大了尾气中不可燃烧成分的含量 降低了燃烧热值 不仅燃烧 困难 而且不利于有