CN116240036B - 一种降低盘管式上升管换热器底部热应力的结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低盘管式上升管换热器底部热应力的结构，包括外壳、内筒、盘管，内筒套设于外壳内，内筒的下端连接有内筒底座，外壳的下端连接有下部限位法兰，盘管布置于内筒与外壳之间的空腔中，下部限位法兰固定连接于上升管底座上，下部限位法兰内径方向压在内筒底座的上面；内筒的外表面与下部限位法兰的内表面预留厚度为C的间隙。本发明可以有效消除盘管式上升管换热器底部由于荒煤气温度剧烈变化引起的膨胀约束，降低热应力，防止盘管式上升管换热器底部开裂损坏，确保其安全运行，提高使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及炼焦技术领域，具体涉及一种降低盘管式上升管换热器底部热应力的结构。
背景技术
炼焦过程中，炼焦煤装入焦炉炭化室，在炭化室内隔绝空气干馏，生成大量荒煤气，荒煤气离开炭化室时温度650～950℃,经过上升管、三通、桥管到达集气管之后被输送到煤气净化工序。高温荒煤气在桥管处经过循环氨水喷洒降温到80～85℃左右，大量显热被浪费。若将荒煤气余热回收利用生产中低压蒸汽供焦化厂自用，是降低炼焦工序能耗、降低碳排放强度的有效手段之一。
在一个焦炉炭化室周转周期内，流经上升管阶段的气体温度是周期变化的，如图1所示，装煤和推焦阶段温度高、并且剧烈变化，最高温度达1100～1200℃。
目前现有的炼焦荒煤气显热回收方法，主要是采用换热介质通过盘管或水夹套式上升管换热器间接地回收荒煤气显热生产蒸汽，当上升管换热器采用螺旋盘管结构形式时，在一个焦炉炭化室周转周期内，由于推焦阶段和装煤阶段上升管换热器入口荒煤气温度在较短的时间内剧烈变化，上升管换热器底部温度梯度最大，所受的热应力最大，再加上上升管换热器上部设备的重力、本体设备自重以及换热介质的重力，上升管换热器底部受到的静力也是最大的部位，这样对于上升管换热器底部而言就是整个设备所受总应力最大的部位。在实际生产应用中，一旦这个部位的总应力超过其所用材料、结构所能承受的应力极限时，就会造成底部与上升管换热器内筒交界处开裂破坏，高温荒煤气从开裂处向外泄漏，泄漏的高温荒煤气不但造成环境污染，遇到空气还会马上燃烧或腐蚀盘管，继续形成局部高温，这种恶性循环最终造成上升管换热器损坏，国内一些焦化厂的6.25米捣固焦炉、7米顶装焦炉在使用盘管式上升管换热器进行荒煤气余热回收时，运行3个月～1年时，出现了40％～100％的上升管换热器从底部与内筒结合部位的开裂损坏现象。
这种损坏的原因是底部法兰与内筒结合部位的总应力超过其所用材料、结构所能承受的应力极限，造成底部与上升管换热器内筒交界处开裂破坏，高温荒煤气从开裂处向外泄漏，泄漏的高温荒煤气不但造成环境污染，遇到空气还会燃烧或腐蚀盘管，继续形成局部高温，这种恶性循环最终造成上升管换热器损坏。
降低整个周转周期内底部热应力是消除上升管换热器开裂损坏、保障设备安全运行直接、有效的方法；热应力的产生条件是存在温度梯度和膨胀约束阻力，通过降低或消除膨胀约束阻力的方法和合理结构设计，是降低盘管式上升管换热器底部与内筒间的热应力，消除上升管换热器开裂损坏、保障设备运行安全、延长设备使用寿命的方法之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种降低盘管式上升管换热器底部热应力的结构，可以有效消除盘管式上升管换热器底部由于荒煤气温度剧烈变化引起的膨胀约束，降低热应力，防止盘管式上升管换热器底部开裂损坏，确保其安全运行，提高使用寿命。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种降低盘管式上升管换热器底部热应力的结构，包括外壳、内筒、盘管，内筒套设于外壳内，内筒的下端连接有内筒底座，外壳的下端连接有下部限位法兰，盘管布置于内筒与外壳之间的空腔中，下部限位法兰固定连接于上升管底座上，下部限位法兰内径方向压在内筒底座的上面；内筒的外表面与下部限位法兰的内表面预留厚度为C的间隙。
按照上述技术方案，内筒与内筒底座垂直焊接成为一体，外壳垂直焊接在下部限位法兰的上部。
按照上述技术方案，间隙的厚度C＝X/100，其中X为内筒的内直径。
按照上述技术方案，下部限位法兰内径方向通过密封垫压在内筒底座的上面。
按照上述技术方案，下部限位法兰中部设有环形垂直沟槽，内筒底座外部为垂直台阶圆环，下部限位法兰和内筒底座叠放时，垂直台阶圆环处于环形垂直沟槽内，形成一个厚度为E的横向密封间隙。
按照上述技术方案，密封间隙为Z型密封间隙，密封垫为Z型滑动密封垫，设置于Z型密封间隙中。
按照上述技术方案，密封间隙的厚度E取值为5～10mm。
按照上述技术方案，内筒底座外部垂直台阶圆环的外立面与下部限位法兰中部的环形垂直沟槽外立面间预留有宽度为D的膨胀间隙。
按照上述技术方案，膨胀间隙的宽度D的取值为：D＝X/300；其中X为内筒的内直径。
按照上述技术方案，下部限位法兰通过限位螺栓固定在上升管底座上，下部限位法兰与上升管底座之间设有滑动垫片。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过盘管式上升管换热器内筒下端的外表面与下部限位法兰的内表面预留厚度为C的间隙，此间隙用于内筒下端在荒煤气温度剧烈变化时膨胀的空间，消除膨胀约束，降低其膨胀热应力；通过以上方法和结构设计，可以有效消除盘管式上升管换热器底部由于荒煤气温度剧烈变化引起的膨胀约束，降低热应力，防止盘管式上升管换热器底部开裂损坏，确保其安全运行，提高使用寿命。
2、下部限位法兰中部为环形垂直沟槽，内筒底座外部为垂直台阶圆环，两者垂直叠放成厚度为E的Z型密封间隙，间隙中采用易滑动的密封垫，用于在内筒底座沿圆周横向膨胀时，减少摩擦阻力和密封作用，通过Z型密封流道和滑动密封垫防止内筒内荒煤气进入外壳与内筒之间的腔体腐蚀盘管。
3、内筒底座外部垂直台阶圆环的外立面与下部限位法兰中部的环形垂直沟槽外立面间预留宽度为D的膨胀间隙，此间隙用于内筒底座在荒煤气温度剧烈变化时膨胀的空间，消除膨胀约束，降低其膨胀热应力。
附图说明
图1是本发明实施例中焦炉周转周期各阶段上升管入口荒煤气温度的曲线图；
图2是本发明实施例中降低盘管式上升管换热器底部热应力的结构的结构示意图；
图3是图2的局部K视图；
图4是图3的局部M视图；
图中，1-内筒，2-盘管，3-内筒底座，4-下部限位法兰，5-滑动密封垫，6-滑动垫片，7-限位螺栓，8-外壳，9-上升管底座。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图2～图4所示，本发明提供的一个实施例中的一种降低盘管式上升管换热器底部热应力的结构，包括外壳8、内筒1、盘管2，内筒1套设于外壳8内，内筒1的下端连接有内筒底座3，外壳8的下端连接有下部限位法兰4，盘管2布置于内筒1与外壳8之间的空腔中，下部限位法兰4固定连接于上升管底座9上，下部限位法兰4内径方向压在内筒底座3的上面；内筒1的外表面与下部限位法兰4的内表面预留厚度为C的间隙，此间隙用于内筒1下端在荒煤气温度剧烈变化时膨胀的空间，消除膨胀约束，降低其膨胀热应力。
进一步地，盘管式上升管换热器的内筒1与内筒底座3垂直焊接成为一体，盘管2布置在内筒1与外壳8之间的空腔中，下部限位法兰4通过限位螺栓7和滑动垫片6固定在上升管底座9上，下部限位法兰4内径方向通过Z型滑动密封垫5压在内筒底座3的上面，外壳8垂直焊接在下部限位法兰4的上部。
进一步地，间隙的厚度C＝X/100，其中X为内筒1的内直径。
进一步地，下部限位法兰4内径方向通过密封垫5压在内筒底座3的上面。
进一步地，下部限位法兰4中部设有环形垂直沟槽，内筒底座3外部为垂直台阶圆环，下部限位法兰4和内筒底座3叠放时，垂直台阶圆环处于环形垂直沟槽内，叠放形成一个厚度为E的密封间隙。
进一步地，密封间隙为Z型密封间隙，密封垫为滑动密封垫5，滑动密封垫为Z型滑动密封垫，设置于Z型密封间隙中；用于在内筒底座3沿圆周横向膨胀时，减少摩擦阻力和密封作用，通过Z型密封间隙和滑动密封垫5防止内筒内荒煤气进入外壳8与内筒之间的腔体腐蚀盘管。
进一步地，密封间隙的厚度E取值为5～10mm；当内筒1的内直径X为400～550时，E＝5；X为550～750时E＝10。
进一步地，内筒底座3外部垂直台阶圆环的外立面与下部限位法兰4中部的环形垂直沟槽外立面间预留有宽度为D的膨胀间隙；此间隙用于内筒底座3在荒煤气温度剧烈变化时膨胀的空间，消除膨胀约束，降低其膨胀热应力。
进一步地，膨胀间隙的宽度D的取值为：D＝X/300；其中X为内筒的内直径。
进一步地，下部限位法兰4通过限位螺栓7固定在上升管底座9上，下部限位法兰与上升管底座9之间设有滑动垫片6。
以本发明的一种降低双螺旋上升管换热器底部法兰热应力的方法和设备结构设计出来的双螺旋上升管换热器在某焦化厂的7.63米顶装焦炉荒煤气余热利用生产1.0MPa蒸汽的应用实例，有效消除了盘管式上升管换热器底部由于荒煤气温度剧烈变化引起的膨胀约束，降低热应力，防止盘管式上升管换热器底部开裂损坏，确保其安全运行，提高使用寿命。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种降低盘管式上升管换热器底部热应力的结构，其特征在于，包括外壳、内筒、盘管，内筒套设于外壳内，内筒的下端连接有内筒底座，外壳的下端连接有下部限位法兰，盘管布置于内筒与外壳之间的空腔中，下部限位法兰固定连接于上升管底座上，下部限位法兰内径方向压在内筒底座的上面；内筒的外表面与下部限位法兰的内表面预留厚度为C的间隙；
下部限位法兰中部设有环形垂直沟槽，内筒底座外部为垂直台阶圆环，内筒底座外部垂直台阶圆环的外立面与下部限位法兰中部的环形垂直沟槽外立面间预留有宽度为D的膨胀间隙。
2.根据权利要求1所述的降低盘管式上升管换热器底部热应力的结构，其特征在于，内筒与内筒底座垂直焊接成为一体，外壳垂直焊接在下部限位法兰的上部。
3.根据权利要求1所述的降低盘管式上升管换热器底部热应力的结构，其特征在于，间隙的厚度C=X/100，其中X为内筒的内直径。
4.根据权利要求1所述的降低盘管式上升管换热器底部热应力的结构，其特征在于，下部限位法兰内径方向通过密封垫压在内筒底座的上面。
5.根据权利要求4所述的降低盘管式上升管换热器底部热应力的结构，其特征在于，下部限位法兰和内筒底座叠放时，垂直台阶圆环处于环形垂直沟槽内，形成一个厚度为E的横向密封间隙。
6.根据权利要求5所述的降低盘管式上升管换热器底部热应力的结构，其特征在于，密封间隙为Z型密封间隙，密封垫为Z型滑动密封垫，设置于Z型密封间隙中。
7.根据权利要求5所述的降低盘管式上升管换热器底部热应力的结构，其特征在于，密封间隙的厚度E取值为5~10mm。
8.根据权利要求1所述的降低盘管式上升管换热器底部热应力的结构，其特征在于，膨胀间隙的宽度D的取值为：D=X/300；其中X为内筒的内直径。
9.根据权利要求1所述的降低盘管式上升管换热器底部热应力的结构，其特征在于，下部限位法兰通过限位螺栓固定在上升管底座上，下部限位法兰与上升管底座之间设有滑动垫片。
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