[发明专利]热交换器

说明书

技术领域

本发明涉及U形管热交换器中的热交换，其中U形管热交换器设计为在例如高温、大温差、高压差以及侵蚀媒介的危险工艺条件下工作。更具体地，本发明涉及一种U形管废热锅炉，并且更具体地涉及一种使用水或蒸汽作为冷却媒介的合成气废热锅炉。

以下将解释本发明，其涉及一种使用合成气作为加热媒介并且使用水或蒸汽作为冷却媒介的废热锅炉。需要理解的是，根据本发明的热交换器也适用于使用其他加热和冷却媒介的废热锅炉，或者甚至适用于具有挑战性工作条件的其他热交换领域，其中将对材料损伤给予适当关注而热交换器中没有不可接受的高压损失。

氨的工业生产是基于氨合成工艺，借由氨合成工艺氢和氮在放热工艺中反应形成氨。当氮和氢流过具有合适催化剂的床时，在处于高压和升高温度的反应器中执行氨合成。这种反应器称为氨转换器。经常通过在合成气废热锅炉中产生蒸汽来回收在转换器中由放热工艺产生的热量。合成气废热锅炉是一种热交换器，在其中通过至沸水的间接热传递冷却来自氨转换器的热气。

合成气废热锅炉工作在挑战性条件下，在许多方面挑战性条件要求锅炉的特殊设计。最严厉的条件涉及进气管与管板的接合处。

在根据本发明的热交换器中，没有进气管与管板的接合处。此外，管板以及管板接合处仅在加热媒介冷却之后暴露给该加热媒介。因此，根据本发明的设计避免了引起锅炉故障的许多原因。

背景技术

例如合成气废热锅炉的热交换器要经受许多特殊条件，这难以通过在一个设计中的组合来解决。

这些条件涉及压力、温度、氮化、氢侵蚀以及应力腐蚀。

氨合成气通常将处于120～220巴的压力。沸水通常将处于低压（5～15巴）、中压（30～50巴）或高压（90～130巴）。合成气与沸水之间的间隔壁必须设计为应对两种流体的最高压力差。在管壳式热交换器中，这将通常导致非常厚的管板，通常具有300～450mm的厚度。

氨合成气在锅炉的入口处可以介于380℃与500℃之间，而在出口处可以介于200℃与380℃之间。取决于蒸汽压力，沸水可以介于150℃与330℃之间。

通常将合成气废热锅炉设计为具有非常厚管板的U形管交换器。厚管板将获得接近板穿透管的气体温度的金属温度。在U形管的情况中，这在现有技术中意味着入口管区域将是热的，而出口管区域将是冷的。因此如果在入口和出口气体之间的温差太高，将存在高热诱导应力的风险。在需要产生低压和中压蒸汽的情况中，200℃至300℃的温差将是可以接受的。但是在现有技术中显示难以或者不可能设计出U形管废热锅炉用于这种大的温差。

氮化是由合成气的氨组分引起的材料侵蚀。氮化的强度取决于金属合金和金属温度。低合金钢不可接受地在380℃被侵蚀。不锈钢可以用于450℃或更高，而铬镍铁合金（Iconell）甚至在500℃也不被严重侵蚀。在U形管锅炉中管板的入口管区域经常比420℃更热。因此与合成气接触的材料必须为高合金。在管板的气体侧以及整个入口孔表面将需要通过敷层或加衬来保护表面。

当材料暴露给含氢气体时，氢侵蚀将引起材料脆化。重要的参数是氢分压、温度以及钢铁的合金成分。工业合成气组分、压力以及温度通常要求2％Cr以及1％Mo的钢铁合金。

对于与水有关的材料，存在应力腐蚀的风险。但是这种腐蚀对于铁素体材料不严重，但是奥氏体材料对于这种腐蚀敏感。

典型的合成气废热锅炉是在管侧具有合成气而在壳侧具有水/蒸汽的U形管热交换器。管板非常厚。通过铬镍铁合金（Inconell）敷层来保护管板的入口侧。如果管焊接至管板的气体侧，在整个管板上就必须使用铬镍铁合金在内表面上全部加衬。如果管焊接至管板的水侧，就必须通过铬镍铁合金衬来保护管板的入口。

由于所述机械和/或腐蚀现象的一个或组合引起的裂缝，合成气废热锅炉经常故障。这之中最严厉的条件集中在入口管孔周围。这是由于高温、入口管与出口管之间的温差、应力腐蚀、在不同组分的材料之间的氢聚积（build up）、氮化以及氢侵蚀。合成气锅炉的另一方面是流经交换器的合成气的压降，由于考虑到合成气压缩机的功率/能耗，必须保持低压降。

在US3568764中，公开了一种U形管热交换器，其中在靠近多管程热交换器的管板的出口侧设有导流板。一部分冷输入流体流经导流板与管板之间，而不是流经管，因此管板维持为大致均匀并且冷的温度。套圈将已加热的出口气体部分从管输送至通道的出口腔。但是由于部分输入流体绕过热交换器管，热交换效率降低了。加热流体在交换器的壳侧上，与本发明相反，本发明中冷却流体在壳侧上。