煤化工企業(yè)粗煤氣冷卻需求下的固定管板式換熱器設(shè)計(jì)

石方惠(中煤平朔集團(tuán)宇辰公司 山西 朔州 036006)

在煤化企業(yè)中，炭化室產(chǎn)生的粗煤氣溫度一般都比較高，必須進(jìn)行冷卻處理達(dá)到工業(yè)所需溫度。粗煤氣的冷卻處理一般是通過固定管板式列管換熱器進(jìn)行的，此換熱器不僅結(jié)構(gòu)簡單緊湊，而且價格低廉。但是在實(shí)際應(yīng)用中仍然有些問題需要繼續(xù)改進(jìn)，以便更好的處理粗煤氣冷卻的問題。

一、換熱器簡介

換熱器是具有不同溫度的流體之間傳遞熱量的設(shè)備，常用于工業(yè)生產(chǎn)上進(jìn)行各種不同的熱交換工作，它主要作用是使熱量有溫度較高的流體向溫度較低的流體傳遞，直至使溫度降至工業(yè)需求點(diǎn)。另外，換熱設(shè)備一般也有回收余熱、廢熱以及低品位熱能的作用。煤化工業(yè)中運(yùn)用比較多的是固定管板式換熱器，它主要用于煤化工企業(yè)粗煤氣冷卻，它的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示：1是折流擋板，2是管束，3是殼體，4是封頭，5是接管，6是管板。

圖1：固定管板式換熱器

它的管束連接在管板上，管板與軀殼焊接。這種換熱器雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是能夠承載較大的壓力，管程清洗非常方便，管子損壞時便于堵塞和更換；但是它也有自身的缺點(diǎn)，比如當(dāng)管束與殼體的溫度與材料的線脹系數(shù)相差較大時，管束與殼體就會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。

二、固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)分析

用于粗煤冷卻的固定管板式換熱器的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)有：設(shè)計(jì)壓力，它的管程和殼程分別為：0.75M pa、0.4M pa；操作壓力的管程和殼程為：0.6M pa、0.3M pa；設(shè)計(jì)溫度的管程和殼程為：50℃、350℃；換熱管溫度的管程為146℃；介質(zhì)的管程和殼程為：冷卻水和粗煤氣；腐蝕容量的管程和殼程都是2毫升；鋼板負(fù)偏差的管程和殼程都是0.6毫米；程數(shù)的管程和殼程分別為：2、1；焊縫系數(shù)的管程和殼程都是0.85。

2.材料的改進(jìn)

管板式換熱器在材料選擇要根據(jù)換熱器工作過程中的介質(zhì)與工藝特性來制定，另外還要考慮此設(shè)備制造過程中的材料的焊接工藝性與緊急性，綜合這些特點(diǎn)進(jìn)行材料的選擇，保障換熱器的質(zhì)量。

3.管箱封頭蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)

一般情況下，使用厚鋼板來制作換熱器的蓋板，這種材質(zhì)制作起來比較困難，我們使用30毫米的封頭板來制作換熱器的蓋板，這種材質(zhì)能有效的減輕蓋板的重量，同時有利于換熱器的檢修。

4.進(jìn)出口改造優(yōu)化

（1）接管外延長度

換熱器的接管外延長度一般要根據(jù)管程和殼程的規(guī)格來制定，在本次設(shè)計(jì)中計(jì)算的殼程接管規(guī)格為α210×6.30 mm；管程接管規(guī)格是α114.0×3.6 0mm；根據(jù)這個規(guī)格進(jìn)行接管外延，保證接管外延程序的順利展開。

（2）接管與筒體、管箱殼體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

固定管板式換熱器的接管、筒體以及管箱殼體的連接方式一般采用同一種方式--插入式焊接。需要注意的是，這種焊接方式在焊接時不能凸出殼體內(nèi)表面。

5.換熱器管板與換熱管的優(yōu)化

（1）管板優(yōu)化

管板優(yōu)化在原來管板的基礎(chǔ)上做簡單的外延，延長部分兼做法蘭，管板優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2：管板優(yōu)化結(jié)構(gòu)

（2）管板與換熱段連接接頭的優(yōu)化

本次設(shè)計(jì)換熱器的管板與換熱段連接形式用焊接的形式，在生產(chǎn)過程中，換熱器容易因?yàn)閼?yīng)力作用以及長時間的腐蝕作用而產(chǎn)生失效，致使機(jī)械被迫停產(chǎn)。焊接時由于高溫，產(chǎn)熱區(qū)的附近組織容易出現(xiàn)塑性變形。另外，換熱器在焊接時可能沒有嚴(yán)格按照焊接工藝焊接，容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，從而腐蝕換熱器。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，要保證冷卻水出口處前添加適當(dāng)?shù)囊缌鲹醢澹估鋮s水占滿整個管板的空間，避免空氣進(jìn)入管板而進(jìn)入而引起腐蝕。換熱管與管板的連接需要采用強(qiáng)度焊接貼脹的焊接方式，這種方式能夠有效的消除管與管板孔之間由于進(jìn)入空氣、雜質(zhì)而引起的腐蝕現(xiàn)象；最后采用液壓脹管，以便增加管板厚度，保證脹接長度。

在換熱器各部件制造過程中，要嚴(yán)格控制管道的加工技術(shù)，把換熱器的折流板與管板疊放在一起統(tǒng)一加工，使所有的管控同心。焊接時嚴(yán)格按照焊接工藝進(jìn)行焊接，注意在焊接過程中，防止大電流焊接引起的過熱而增加殘余應(yīng)力。在焊接時不能有裂紋、氣孔出現(xiàn)。為了使管板與管的連接處脹度一致，采用脹接的方法進(jìn)行貼脹，以便使整個應(yīng)力分布均勻。所有的設(shè)備制造完成以后，進(jìn)行必要的水壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)合格后進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，至此整個制造過程就完成了。

6.膨脹節(jié)的選型

膨脹節(jié)最好選用波形結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，另外因?yàn)閾Q熱管的殼體流速比較大，所以要在內(nèi)部設(shè)置襯套，緩解流速。

7.換熱器法蘭連接與管板的優(yōu)化

在固定管板式換熱器工藝設(shè)計(jì)中，一般采用螺栓連接法蘭連接與管板，這種連接方式是一種密閉性很強(qiáng)的連接方式，能有效的防止空氣進(jìn)入管子內(nèi)部而引起腐蝕，提高工藝質(zhì)量。

8.強(qiáng)度校核的設(shè)計(jì)優(yōu)化

在固定管板式換熱器的工藝過程中，換熱器的的筒節(jié)、管箱封頭、殼程筒體等部件的強(qiáng)度校核計(jì)算需要依據(jù)GB l50～1988進(jìn)行，根據(jù)相關(guān)計(jì)算結(jié)果，確定各零部件的名義厚度和計(jì)算厚度。

結(jié)語

粗煤氣冷卻需求下的固定管板式換熱器設(shè)計(jì)一直是煤化工企業(yè)改進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化程序的重要關(guān)注內(nèi)容，良好的換熱器能有效的降低煤氣出口的溫度，減少NH 4H CO 3結(jié)晶堵塞管道，避免不必要的停產(chǎn)而影響生產(chǎn)經(jīng)營。

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