適于炭黑生產(chǎn)的熱交換器的制造方法
【專利說明】適于炭黑生產(chǎn)的熱交換器
[0001]本申請是申請日為2009年9月16日、申請?zhí)枮?009801368817、發(fā)明名稱為“適于炭黑生產(chǎn)的熱交換器”的發(fā)明專利申請的分案申請。
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及在炭黑生產(chǎn)中用于預熱燃燒空氣的管式熱交換器。更具體地，涉及一種待用于將燃燒空氣預熱到例如800°C以上的高溫的管式熱交換器。本發(fā)明還涉及一種包括燃燒室和管式熱交換器的炭黑生產(chǎn)設備。
【背景技術】
[0003]圖1中示出一種用于炭黑生產(chǎn)的傳統(tǒng)設備的示意性圖示。燃燒空氣經(jīng)由導管I被引入到管式熱交換器2(也是已知的空氣預熱器)的上部，在其中，燃燒空氣在接下來油在燃燒器3和燃燒室4中燃燒之前被預熱。來自熱交換器的預熱空氣經(jīng)由導管6被引入到燃燒室。油經(jīng)由導管7被加入到反應器。在某些情況下，驟冷水8被加入到燃燒室。消耗的燃燒空氣中的懸浮炭黑的混合物被引入到蒸發(fā)室5中，隨后穿過熱交換器并經(jīng)由導管9從熱交換器的頂部引入到過濾裝置10。在該過濾裝置10中，炭黑被從氣流中完全過濾掉。
[0004]圖2示出了用在如圖1所示的設備中的傳統(tǒng)管式熱交換器2的簡化實例。熱交換器2包括豎直布置的基本圓柱形腔室11。腔室11被基本圓柱形的殼體12、下端壁23和上端壁14圍繞。下端壁23也被認為是管板。管15被布置在腔室內。管15基本彼此平行布置并從下端壁23到上端壁14延伸穿過整個腔室。待預熱的燃燒空氣經(jīng)由入口 16被引入到熱交換器并經(jīng)由出口 17離開，其從出口 17被引入到燃燒室。
[0005]燃燒后的油(現(xiàn)在已經(jīng)是消耗的燃燒空氣中的懸浮炭黑的混合物)被從管內腔室的底部(如箭頭18所示)引入到腔室的頂部，隨后經(jīng)由出口(如箭頭19所示)引入到過濾裝置。
[0006]熱交換器也可以具有從殼體12延伸到腔室11中的水平布置的板20。這種板20促使流過腔室的氣體經(jīng)過較長部分(如箭頭21所示)，從而增加在腔室中的時間進而增加排出的預熱空氣的溫度。
[0007]當今使用的大多數(shù)熱交換器將燃燒空氣預熱到大約800°C。煙道氣體的高溫引起熱交換器的管和殼體上的高溫載荷，這在使用過程中又引起相當大的熱膨脹。由于有限的膨脹可能，熱膨脹引起管和殼體上的大的熱應力。各種方案已經(jīng)被應用以解決這一問題，例如雙殼體式熱交換器，其中熱交換器具有第一內殼體和第二外殼體，燃燒空氣在熱交換器的位于外殼體與內殼體之間的下端被引入到熱交換器，并在殼體之間向上被引向熱交換器的頂部，隨后與熱交換器的管接觸。從而降低了外殼體的溫度。
[0008]另外，用于允許管膨脹的各種方案已經(jīng)被提出。這種方案的一個實例在US6334482中示出，其中管板配備有補償裝置，以實現(xiàn)管的膨脹。
[0009]此外，底板的冷卻已經(jīng)被提出。這也在圖2中被示出，其中底端壁23與下底板13一起限定了封閉空間22。冷卻空氣如箭頭24所示被引入到空間22中并如箭頭25所示通過出口離開空間22。冷卻底板的另一實例在US6334483中公開，其中板包括形成有管延伸穿過的翼梁空間的上翼梁板和下翼梁板(spar plate)。翼梁空間提供有適合于冷卻介質的內通道。
[0010]US5826647公開了一種用于炭黑生產(chǎn)的熱交換器的替代設計，其中熱交換器被構造為由沸水冷卻的雙管座。熱交換器包括延伸穿過整個腔室的多個管。每個管被第二管形狀的護套包圍，護套內周界繞管的外周界留有間隔。待預熱的空氣僅在間隔內被引導穿過腔室。附加的熱傳遞表面被提供在間隔中，意圖改進從管到待預熱的空氣的熱傳遞。然而，由于待預熱的空氣在管和護套之間非常有限的空間內流動，流動非常受限，因此熱交換器僅能夠被用于將空氣預熱到最高800°C。此外，如果操作中雙管座內的壓力增大，通過沸水冷卻雙管座需要復雜設計并具有安全風險。
[0011]希望能夠將預熱燃燒空氣的溫度增加到約900°C，以增加炭黑生產(chǎn)過程的效率。預熱空氣的更高溫度將帶來燃料成本的節(jié)省、更高的原料流動和更高的炭黑生產(chǎn)率。然而，由于管的熱膨脹將增加，這種溫度的增加具有甚至更大的問題。此外，為了實現(xiàn)有效的熱傳遞，考慮過不得不增加管的長度。更長的管將導致熱交換器更高，并在某些情況下導致熱交換器的降低的機械穩(wěn)定性。
[0012]WO 2006/074830公開了一種用于炭黑生產(chǎn)的裝置的預熱器，其適于通過熱交換將空氣預熱到至少800°C。預熱器包括延長的護套和多個布置在護套內的管。為了實現(xiàn)護套的有效機械穩(wěn)定性，護套被懸浮裝置支撐。護套能夠向上膨脹到懸浮裝置上方并向下膨脹到懸浮裝置下方。因而，護套將受到較小的壓縮應力，因此更長的管能夠被應用到預熱器中，從而實現(xiàn)更高的操作溫度。
[0013]然而，WO 2006/074830提供的方案需要構建用于支撐懸浮裝置的某種形式的外部支撐。這需要用于設備的額外空間。
[0014]本發(fā)明的目的是提供一種適用于炭黑生產(chǎn)的管式熱交換器，其中燃燒空氣能夠被預熱到高于800°C的溫度，并克服在先已知的用于炭黑生產(chǎn)的管式熱交換器的缺陷。

【發(fā)明內容】

[0015]該目的通過如下述所限定的適用于炭黑生產(chǎn)的管式熱交換器實現(xiàn)。本發(fā)明的實施例通過其他優(yōu)選實施例限定。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的管式熱交換器包括:基本豎直布置的基本圓柱形的腔室，該腔室被基本圓柱形的殼體、下端壁和上端壁圍繞；從所述下端壁到所述上端壁延伸穿過整個所述腔的豎直布置的管；用于使氣體(即待預熱的燃燒空氣)在所述管的外側且在所述腔室內流動的入口和出口。所述熱交換器中的所述管至少部分地提供有外散熱片。所述散熱片增加所述管的表面積，從而增加從所述管向所述待預熱的燃燒空氣的熱傳遞。
[0017]所述管是單層壁，并且所述管的外表面面對基本圓柱形的腔室的內部。
[0018]提供有散熱片的所述管實現(xiàn)改進的熱傳遞，從而實現(xiàn)將燃燒空氣預熱到完全高于傳統(tǒng)熱交換器將燃燒空氣預熱所達到的800°C。事實上，當管提供有根據(jù)本發(fā)明的散熱片時，可以將燃燒空氣預熱到至少900°C。預熱后燃燒空氣的更高溫度帶來燃料成本的節(jié)省、更高的原料流動和更高的炭黑生產(chǎn)率。
[0019]另外，管的表面通過提供在所述管的外表面上的散熱片而被增大，因此沒有必要增加管的長度，這在以前被認為是必需的。因此，熱膨脹能夠被保持在最小并且熱交換器的機械穩(wěn)定性被維持。
[0020]根據(jù)優(yōu)選的實施例，所述管至少在所述管的下部提供有外散熱片，因為流動在所述管內的氣體的溫度在這一部分是最高的，并且因此所述管的溫度在這一部分也是最高的。所述散熱片將因此在管的這一部分具有最佳效果。
[0021]優(yōu)選地，每個管的長度的至少20%提供有散熱片，以便實現(xiàn)所期望的從所述管到所述待預熱的燃燒空氣的熱傳遞。
[0022]根據(jù)另一優(yōu)選實施例，散熱片以預定的螺距螺旋提供在所述管的外表面周圍。所述螺距可以是恒定的或變化的。例如，所述螺距可以在所述管的下部較小，在所述管的下部溫度是最高的，所述管的表面應當盡可能大而且沿著所述管越高越大。
[0023]所述散熱片可以優(yōu)選地從所述管的外表面基本水平地延伸到所述腔室中。然而，所述散熱片也可以具有沿所述管的側面的基本豎直的伸展范圍。
[0024]所述散熱片可以優(yōu)選地以恒定外徑從不間斷(solid)的管的表面延伸，即所述管至少部分地是所稱的高散熱片管?？商娲兀錾崞梢酝ㄟ^加工不間斷的管的外表面以在所述外表面上形成槽而被提供，從而形成散熱片，由此，所述散熱片的外部被所述管的初始外表面限定，并且所述散熱片的下部被所述槽的底部限定，即所述管至少部分地是所稱的低散熱片管。
[0025]所述管式熱交換器可以是單殼體設計或者雙殼體設計。雙殼體設計減少所述熱交換器的外殼體的應力，從而實現(xiàn)預熱后的空氣的甚至更高的溫度。
[0026]包括燃燒室和根據(jù)本發(fā)明的管式熱交換器的炭生產(chǎn)設備實現(xiàn)了引入到燃燒室中的燃燒空氣的更高溫度，因為如前所述，燃燒空氣可以在管式熱交換器中被預熱到更高溫度。由于燃燒空氣的更高溫度改進燃燒，炭黑生產(chǎn)過程將因此更加有效。這又帶來燃料成本的節(jié)省，改進的原料流動和更高的炭黑生產(chǎn)率。
【附圖說明】
[0027]圖1示意性地示出用于炭黑生產(chǎn)的傳統(tǒng)設備。
[0028]圖2示出根據(jù)現(xiàn)有技術的管式熱交換器的簡化橫截面圖。
[0029]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的管式熱交換器的側視圖，其部分為橫截面。
[0030]圖4示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的提供有散熱片的管的一部分的橫截面圖。
[0031]圖5示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的提供有散熱片的管的一部分的側視圖，其中散熱片螺旋卷繞在管的外表面周圍。
[0032]圖6