ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ГОРЯЧИХ ГАЗОВ И ТЕПЛООБМЕННАЯ СИСТЕМА
HEAT EXCHANGER FOR COOLING OF HOT GASES, AND HEAT EXCHANGE SYSTEM

Настоящее изобретение относится к теплообменнику с охлаждающей текучей средой для охлаждения горячего газа и одновременного производства пара. Более конкретно, оно относится к теплообменнику для охлаждения горячего газа, поступающего из процесса каталитического частичного окисления и с одновременным производством пара в отдельном потоке.
Проблемой первостепенной важности в способах выработки высокотемпературного газа является быстрое охлаждение произведенных горячих газов и последующая регенерация тепла, содержащегося в них.
Установка в способе, который производит высокотемпературный газ, обычно содержит:
реактор, который вырабатывает горячие газы, состоящий из огнеупорного материала,
транспортную линию для горячих газов по направлению к теплообменнику, причем и то и другое состоит из огнеупорного материала.
Нижняя часть и трубчатая решетка теплообменника состоят из огнеупорного материала. Теплообменник обычно функционирует с водой, и во время охлаждения он вырабатывает пар. Этот пар в избытке используется как наружный для процесса теплообмена. Одна из частей, наиболее подвергающаяся повреждению во время действия этих установок, образована посредством огнеупорных зон, которые должны быть точно обозначены и реализованы. Эти зоны во время действия могут подвергаться разрушениям как когда установка работает при стационарных условиях, так и также главным образом во время промежуточного запуска и периодов резкого охлаждения установки.
Дефекты укладки и износа огнеупорного материала могут ускорить образование трещин во время промышленной работы главным образом в частях, где имеется перепад теплового расширения между огнеупором и стальными частями. Это имеет место в особенности в точках, в которых произведенный горячий газ перемещается в секцию охлаждения и выработки пара. Трещины могут привести горячий газ в контакт с металлическими стенками реактора, транспортной линией и теплообменником и вызвать перегрев металлических стенок кожуха, которые функционируют при высоких давлениях. Для того чтобы контролировать эти ситуации, металлические стенки должны быть покрыты термохромной краской, которая изменяет цвет в случае перегрева и в некоторых критических точках, она подходит, чтобы присоединить несколько «поверхностных» термопар к металлическим поверхностям для того, чтобы измерить достигнутые величины температуры. Перегрев металлических стенок может вызвать превышение допустимых температур и требовать быстрого охлаждения установки, кроме того, восстановления поврежденной огнеупорной части.
Заявитель нашел инновационное техническое решение для разрешения критических аспектов, описанных выше. Техническое решение, предложенное заявителем, состоит в замене частей огнеупорного материала, присутствующих в транспортной линии, в нижней части теплообменника и в трубчатой решетке, теплообменником с циркуляцией охлаждающей текучей среды, как, например, воды.
Преимущества, предлагаемые настоящим изобретением, представляют собой обычно понижение вмешательств, связанных с техническим обслуживанием, повышение безопасности работы, энергетической эффективности, оперативности и надежности промышленного действия на установках.
Предложенное техническое решение может быть выгодно применено в способах Частичного Каталитического Окисления, которые вырабатывают высокотемпературный синтез-газ.
В этих случаях используемая охлаждающая текучая среда может быть интегрирована во внутреннюю циркуляцию процесса или поступать из бокового потока.
Патент США 7,552,701 раскрывает теплообменник, который производит перегретый пар посредством охлаждения горячего газа водой. Указанный котел представляет собой одну вертикальную емкость, имеющую впуск для горячих газов на нижней стороне части. Теплообменник содержит, по меньшей мере, два параллельных спиральных канала, составленных из вертикальной части, которая проходит вокруг оси емкости, и горизонтальной части, которая выступает вбок в нижней зоне емкости. Спиральные каналы, проходящие вдоль целой емкости и на определенную длину, погружены в ванну кипящей воды, тогда как с определенной точки по направлению вперед они проходят в верхней части емкости, в которую собирается насыщенный газ. В пространстве для сбора насыщенного газа каналы имеют рубашку, в которой циркулирует насыщенный пар, который далее охлаждает горячие газы, произведенные перегретым паром. Опускная труба вставлена по оси в вертикальную часть котла вблизи впуска для пресной воды, так чтобы обеспечить циркуляцию воды по направлению вниз в своей внутренней части. Вода циркулирует по направлению вверх снаружи опускной трубы. Спиральный канал оборачивается вокруг опускной трубы. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления теплообменник находится в сообщении по текучей среде с реактором для частичного окисления, в особенности выпуск реактора находится в сообщении по текучей среде со впуском теплообменника. Патент не указывает на присутствие огнеупорного материала в зоне впуска горячего газа теплообменника, но разумно полагать, что в объединенной системе реактор - теплообменник секция трубы, покидающей реактор, в которой протекают горячие газы, состоит из огнеупорного материала подобно остальному в реакторе. Часть соединения между реактором и теплообменником поэтому остается критической точкой с точки зрения механики, и она подвергается высоким температурам, которые могут вызвать образование трещин.
Патент США 4 029 054 раскрывает теплообменник для охлаждения посредством холодной текучей среды очень горячих газов, как, например, сырой синтез-газ, для того, чтобы регенерировать тепловую энергию, содержащуюся в указанных газах. Теплообменник содержит две различные камеры, отделенные посредством разделительной пластины (плоской или сферической), но соединенные друг с другом через трубы для прохода горячих газов. Нижняя камера представляет собой зону подачи горячих газов, и она покрыта огнеупорным материалом. Верхняя камера представляет собой зону охлаждения горячих газов и содержит, по меньшей мере, одну первичную линию для холодной текучей среды. Линии для прохода горячего газа проходят через разделительную пластину и снабжены рубашкой с холодной текучей средой, циркулирующей через вторичный контур холодной текучей среды. Указанный вторичный контур необходим, так как он является точкой, в которой газ имеет свою самую высокую температуру, это обеспечивает оптимальное охлаждение критической поверхности. Чтобы поддержать это нижняя часть разделительной пластины состоит из огнеупорного материала. Линии для прохода горячего газа соединены с линиями для выхода, расположенными в верхней части верхней камеры посредством винтообразных охлаждающих труб, навитых вокруг центральной осевой трубы. С целью получения чрезвычайно хорошего теплообмена холодная текучая среда нагнетается, чтобы циркулировать по направлению вниз в центральную зону указанной трубы и по направлению вверх в кольцевое пространство снаружи трубы, следуя за оборотным движением для того, чтобы способствовать более эффективному теплообмену.
Патент США 4 488 513 раскрывает теплообменник для охлаждения горячего газа, в особенности синтез-газа, поступающего от процессов частичного окисления, таким образом регенерируя сухое тепло и одновременно производя перегретый пар. Теплообменник содержит две расположенные одна над другой разделенные и различные зоны, соединенные одна с другой посредством ряда транспортных линий для прохода горячих газов, соответствующим образом снабженных рубашкой. Верхняя часть содержит вертикальную герметизированную емкость, цилиндрическую и замкнутую, имеющую выпуск в верхней части для перегретого пара. Эта емкость частично заполнена кипящей водой, которая образует первую охлаждающую поверхность горячих газов, в то время как верхняя часть свободна и насыщена перегретым паром, которая образует вторую охлаждающую поверхность. Пучки винтообразной трубы являются равномерными и радиально расположенными вокруг центральной оси, в которой одна спираль является восходящей и одна нисходящей. Ванна кипящей воды заполняет емкость до дна указанной емкости и соединена с подачей воды. Нижняя часть покрыта огнеупорным материалом и является зоной подачи горячего газа. В этой зоне горячий газ разделяется на ряд снабженных рубашкой труб для прохода, соединенных с пучками винтообразной трубы в верхней зоне. Рубашка труб для прохода предотвращает разрушения, связанные с высокими температурами.
Патент 4 462 339 раскрывает теплообменник для охлаждения горячих газов посредством воды, как, например, тех, которые поступают из частичных окислений, таким образом регенерируя сухое тепло и одновременно производя насыщенный и/или перегретый пар. Теплообменник содержит две различные и разделенные части, соединенные одна с другой посредством снабженных рубашкой кольцевых проходов, в которых циркулирует вода. Нижняя часть покрыта огнеупорным материалом и образует камеру подачи горячего газа. Верхняя часть представляет собой закрытую емкость, цилиндрическую, вертикальную и герметизированную, содержащую центральную цилиндрическую камеру, закрытую со дна и открытую в верхней части, содержащую, по меньшей мере, один пучок винтообразной трубы, центральный выпуск в верхней части для насыщенного газа, различные пучки винтообразной трубы, которые проходят в кольцевую зону между центральной камерой и стенкой емкости. Выпуск из винтообразных труб кольцевой зоны соединен с впуском винтообразных труб центральной камеры. Вода циркулирует в кольцевой зоне, испаряясь и производя насыщенный пар. Насыщенный пар может быть перегрет в центральной камере или выпущен через выпуск, расположенный вне камеры. Зона, в которой присутствует вода, представляет собой нижнюю часть верхней вертикальной емкости и разделена на две зоны посредством горизонтальной перегородки: которая расположена между дном емкости и перегородкой, через которую проходят снабженные рубашкой трубы для прохода газа и которая под центральной камерой и над перегородкой, в которой циркулирует кипящая вода. Трубы снабжены рубашкой для того, чтобы предотвратить повреждение в связи с высокой температурой входящих газов.
В варианте осуществления настоящее изобретение относится к теплообменнику для охлаждения горячих газов посредством охлаждающей текучей среды, предпочтительно воды, причем указанный теплообменник содержит:
по меньшей мере, одну вертикально ориентированную емкость, содержащую ванну охлаждающей текучей среды и имеющую пространство для сбора паровой фазы, генерированной над указанной ванной охлаждающей текучей среды,
по меньшей мере, один вертикальный трубчатый элемент, вставленный внутрь указанной емкости, открытый на концах и коаксиальный с указанной емкостью,
по меньшей мере, один спиральный канал, который оборачивается вокруг оси емкости, вставленный в указанный коаксиальный трубчатый элемент,
по меньшей мере, один выпуск для паровой фазы, генерированной в верхней части указанной емкости,
указанный теплообменник отличается тем, что, по меньшей мере, одна транспортная линия вставлена в нижнюю часть вертикальной емкости для подачи горячих газов в указанную емкость,
причем указанная транспортная линия открыта с двух концов, из которых один соединен с вертикальной емкостью и другой является свободным и находится снаружи указанной емкости,
причем указанная транспортная линия является трубчатой и выступает вбок снаружи указанного теплообменника,
причем указанная транспортная линия содержит, по меньшей мере, один центральный внутренний канал, имеющий наружную рубашку, в которой циркулирует охлаждающая текучая среда,
причем указанный центральный внутренний канал находится в сообщении по текучей среде со спиральным каналом и проходит вертикально вдоль трубчатого элемента, вставленного в вертикальную емкость.
Настоящее изобретение преимущественно обеспечивает полное исключение огнеупорного материала, который покрывает транспортную линию для горячих газов и всю нижнюю часть теплообменников, используемых в способах выработки высокотемпературных газов, и, в особенности, в традиционных способах Каталитического Частичного Окисления. Единственным функционирующим блоком, в котором остается огнеупорный материал, является реакционный аппарат. Далее, механическая конфигурация настоящего изобретения обеспечивает отделение высокотемпературных газообразных продуктов от металлических стенок теплообменника, который находится под давлением, посредством, по меньшей мере, двух металлических каналов, каждый из которых имеет, по меньшей мере, один охлаждающий контур с двойной циркуляцией охлаждающей текучей среды (например, воды). С этой целью преимущественно гарантируется, что металлические стенки транспортной линии и нижней части теплообменника, все герметизированные части, никогда не превышают температуру охлаждающей текучей среды, воды, таким образом, создавая существенную пассивную безопасность. Таким образом, существенная безопасность самого теплообменного процесса повышается. Вся система является благоприятной посредством повышения производительности по пару (если вода является охлаждающей текучей средой), поскольку она повышает проходность теплообменной поверхности.
В конце концов, замена части огнеупорного материала системой циркуляции охлаждающей текучей среды облегчает масштабирование по направлению к установкам больших размеров, поскольку транспортная линия для горячих газов может быть легко увеличена.
Дальнейшие проблемы и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из следующего описания и приложенных чертежей, предусмотренных в целях чисто иллюстративных и не ограничительных.
Фигура 1 представляет вариант осуществления теплообменника, задачи настоящего изобретения, в котором:
(5) представляет собой транспортная линия для подачи горячих газов (1),
(2) представляет собой центральный внутренний канал,
(3 и 3а) представляет собой перегородку, вставленную в рубашку центрального внутреннего канала (2),
(4) представляет собой рубашку вокруг центрального внутреннего канала (2),
(6) представляет собой конический промежуток, который разделяет ванну охлаждающей текучей среды на два пространства, одно открытое по направлению к вертикальной емкости (6а) и одно открытое по направлению к транспортной линии (6b),
(7) представляет собой соединительную линию,
(8) представляет собой средство для циркуляции охлаждающих текучих сред, например воды,
(9) представляет собой вертикальный канал,
(10) представляет собой спиральный канал,
(11) представляет собой выпускную горловину для охлажденных газов,
(12) представляет собой выпускную горловину для генерированной паровой фазы, например водяного пара,
(13) представляет собой вертикальный трубчатый элемент, вставленный в вертикальную емкость.
Подробное описание
Теплообменник, задача настоящего изобретения, имеет функцию охлаждения горячих газов посредством охлаждающей текучей среды, предпочтительно воды. Горячие газы представляют собой предпочтительно синтез-газ и предпочтительно поступают от процессов каталитического частичного окисления, в которых окислителем является кислород, и температура реакции находится в диапазоне от 500°С до 2000°С, предпочтительно от 750°С до 1600°С.
Теплообменник, задача настоящего изобретения, содержит:
по меньшей мере, одну вертикально ориентированную емкость, содержащую ванну охлаждающей текучей среды, предпочтительно воды, над которой имеется пространство для сбора генерированной паровой фазы, предпочтительно водяного пара,
по меньшей мере, один вертикальный трубчатый элемент, вставленный внутрь указанной емкости, причем указанный элемент открыт на концах и является коаксиальным с емкостью,
по меньшей мере, один спиральный канал, который оборачивается вокруг оси емкости, вставленный в указанный коаксиальный трубчатый элемент,
по меньшей мере, один выпуск для генерированной паровой фазы в верхней части указанной емкости.
Указанный теплообменник отличается тем, что, по меньшей мере, одна транспортная линия, горизонтальная или наклонная, вставлена в нижнюю часть вертикальной емкости для подачи горячих газов в указанную емкость. Указанная транспортная линия открыта с двух концов, из которых один соединен с вертикальной емкостью, и другой является свободным и находится снаружи указанной емкости. Указанная транспортная линия предпочтительно является трубчатой и выступает вбок снаружи теплообменника. Указанная транспортная линия содержит, по меньшей мере, один центральный внутренний канал, предпочтительно трубчатый, имеющий наружную рубашку, в которой циркулирует охлаждающая текучая среда, причем указанный центральный внутренний канал находится в сообщении по текучей среде со спиральным каналом и проходит вертикально вдоль трубчатого элемента, вставленного в вертикальную емкость.
Рубашка указанного центрального канала является предпочтительно трубчатой и коаксиальной с центральным внутренним каналом. Указанная рубашка также содержит перегородку, предпочтительно трубчатую и коаксиальную с центральным каналом для того, чтобы обеспечить внутреннюю циркуляцию охлаждающей текучей среды. Указанная перегородка предпочтительно проходит по всей длине центрального внутреннего канала до верхнего конца указанного канала.
Перегородка обеспечивает разделение потоков охлаждающей текучей среды: поток однофазной холодной текучей среды циркулирует от вертикальной емкости по направлению к свободному концу транспортной линии, смешанный поток горячей текучей среды, предпочтительно смешанной фазы вода-пар циркулирует по направлению к вертикальной емкости. Указанная перегородка в вертикальной части емкости образует промежуток между горячей текучей средой в смешанной фазе и однофазной холодной текучей средой, создавая перепад плотности и перепад давления, необходимый для того, чтобы обеспечить естественную циркуляцию охлаждающей текучей среды.
Промежуток, предпочтительно конический, также присутствует в транспортной линии, которая разделяет ванну охлаждающей текучей среды на два пространства, из которых одно пространство открыто по направлению к вертикальной емкости, и другое открыто по направлению к свободному и открытому концу транспортной линии. Перепад давления создается между двумя пространствами, что способствует возникновению естественной циркуляции охлаждающей текучей среды.
Теплообменник, задача настоящего изобретения, также содержит соединительную линию между дном вертикальной емкости и транспортной линией. По меньшей мере, одно средство для циркуляции охлаждающей текучей среды предпочтительно присутствует на указанной соединительной линии. Указанное средство представляет собой предпочтительно циркуляционный насос (принудительная циркуляция) или эжектор, питаемый циркуляционным насосом (естественная вспомогательная циркуляция).
Со ссылкой на фиг.1 горячий газ (1) входит в центральный внутренний канал (2) и продолжает движение вдоль транспортной линии (5), по всему вертикальному каналу (9) и спиральному каналу (10) до выпускной горловины (11). Все каналы погружены в ванну охлаждающей текучей среды, из которой образуется внутренняя циркуляция. Указанная охлаждающая текучая среда протекает вдоль соединительной линии (7), вдоль которой может быть вставлено средство для циркуляции указанной текучей среды (8). Охлаждающая текучая среда затем входит в конический промежуток (6b) до рубашки (4) центрального канала (2), разделенной посредством перегородки (3 и 3а). Охлаждающие текучей среды внутри и снаружи перегородки протекают в одном направлении по отношению к перегородке (3). Смешанная фаза охлаждающей текучей среды смешивается с ванной охлаждающей текучей среды в вертикальном трубчатом элементе (13). Фиг.1 также иллюстрирует присутствие трубчатого элемента (13) внутри вертикальной емкости, который содержит спиральные каналы (10) и создает кольцевую зону между стенками емкости и указанными спиральными каналами. В этой кольцевой зоне создается сильная направленная вниз циркуляция однофазной охлаждающей текучей среды, которая способствует теплообмену. Пар, генерированный во время охлаждения горячих газов, собирается в верхней части вертикальной емкости и покидает горловину в верхней части (12).
Дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения относится к теплообменной системе, содержащей, по меньшей мере, один реакционный аппарат для каталитического частичного окисления и теплообменник, описанный выше. Указанный реакционный аппарат содержит:
зону подачи, содержащую, по меньшей мере, один проход для жидких и газообразных реагентов и окисления,
зону распыления и/или испарения, содержащую, по меньшей мере, одно устройство для распыления и/или испарения,
зону смешения поданных соединений, расположенную ниже по потоку от устройств для распыления и/или испарения и имеющую постоянное или уменьшающееся сечение вдоль оси аппарата,
реакционную зону, содержащую, по меньшей мере, одну каталитическую систему и, по меньшей мере, один тепловой экран, в котором реагенты и окислитель превращаются в горячие газы,
зону быстрого охлаждения произведенных горячих газов.
Теплообменник, используемый в этой теплообменной системе, отличается тем, что транспортная линия для подачи горячих газов, поступающих из реакционного аппарата в теплообменник, непосредственно вставлена внутрь указанного реакционного аппарата, предпочтительно в зону быстрого охлаждения реакционного аппарата.
Реакционная зона предпочтительно имеет постоянное или увеличивающееся сечение вдоль оси аппарата, более предпочтительно она имеет форму цилиндра или усеченного конуса или усеченной пирамиды. Зона смешения предпочтительно имеет форму цилиндра или усеченного конуса или усеченной пирамиды.
Устройство для распыления и/или испарения может быть аналогичным устройству, описанному в выданном патенте EP 1796825, на который должна быть сделана ссылка для более конкретных подробностей, по существу, состоящее из:
зоны подачи, оборудованной средством, подходящим для подачи потока текучей среды, диспергированного газообразного потока и дополнительного газообразного потока,
- по меньшей мере, одной двухступенчатой зоны распыления потока текучей среды с диспергированным газообразным потоком,
- зоны распределения дополнительного газообразного потока, в которой
- первая ступень зоны распыления, состоящая из трубчатого сердечника, через который протекает поток жидкости, снабженного соответствующим рядом сопел, расположенных на той же высоте по отношению друг к другу, и наружной рубашки, коаксиальной с указанным сердечником, через которую протекает диспергированный газообразный поток, в котором указанные сопла обеспечивают вхождение диспергированного газообразного потока в трубчатый сердечник перпендикулярно к оси указанного трубчатого сердечника, вызывая первое распыление потока жидкости,
- вторая ступень зоны распыления, по существу, состоящая из одного или более сопел, соединенных на дне трубчатого сердечника параллельно оси указанного трубчатого сердечника, чтобы повысить его степень распыления,
- зона распределения, по существу, состоящая из дополнительного газообразного потока снаружи и коаксиально с рубашкой первой ступени распыления и ряда сопел, соединенных на дне указанной дополнительной рубашки, расположенных на той же высоте по отношению друг к другу и по отношению к оси трубчатого сердечника параллельно или наклонно под углом менее чем 40°.
Устройство для смешения может быть аналогичным устройству, раскрытому в заявке на патент US 08/0244974, на которую должна быть сделана ссылка для более конкретных подробностей, по существу, состоящее из:
- первой зоны подачи, оборудованной средством, чтобы обеспечить вхождение первой текучей среды, газообразной при рабочих условиях, в аксиальном направлении;
- нижележащей зоны распределения, содержащей пучок труб, параллельных оси, внутри которых указанная текучая среда равномерно распределена;
- второй зоны подачи, оборудованной средством, чтобы обеспечить вхождение второй текучей среды в зону распределения, содержащую пучок параллельных труб, и равномерное распределение снаружи указанных параллельных труб;
зону смешения, отделенную от зоны распределения посредством трубчатой решетки, поддерживающей указанные параллельные трубы.
Указанная трубчатая решетка, имеющая щели или отверстия для того, чтобы обеспечить равномерный выпуск второй текучей среды в зону смешения в осевом направлении, и указанные параллельные трубы, проходящие за указанную трубчатую решетку до зоны смешения.
Технические преимущества, полученные посредством теплообменной системы, описанной выше, и самого теплообменника, являются следующими:
уменьшение вмешательств, связанных с техническим обслуживанием,
создание прочно интегрированного модуля производства горячих газов и охлаждения указанных горячих газов с выработкой пара, когда охлаждающей текучей средой является вода,
возможность предварительной сборки транспортабельной системы и монтажа ее на соответствующих участках, понижая продолжительности и стоимости,
в применениях, относящихся к короткому времени контакта - процесса каталитического частичного окисления (SCT-CPO), имеется возможность монтажа производящих водород реакторов, существующих параллельно с установкой SCT-CPO в точках привязки, уменьшая вмешательства на используемых участках до минимума.
Вариант осуществления настоящего изобретения относится к способу каталитического частичного окисления для производства синтез-газа и водорода, начиная с реагентов, выбранных из жидких углеводородов, газообразных углеводородов и/или окисленных соединений, также полученных от биомасс и их смесей, причем указанный способ содержит:
этап предварительного нагрева указанных реагентов,
этап реакции реагентов с окисляющим потоком, выбранным из кислорода, воздуха или обогащенного воздуха, чтобы создать поток, содержащий синтез-газ,
этап быстрого охлаждения произведенного синтез-газа, эффективно используя теплообменник, задачу настоящего изобретения.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения окислителем является кислород, и температура реакции находится в диапазоне от 500°С до 2000°С, предпочтительно от 750°С до 1600°С.
Способ, задача настоящего изобретения, возможно содержит этап гидросероочистки. Указанный способ также содержит фазу конверсии монооксида углерода, содержащегося в синтез-газе, в диоксид углерода посредством реакции Конверсии Водяного Газа, за которой следует этап удаления указанного диоксида углерода и этап отделения и/или очистки водорода, содержащегося в продуктах реакции, после реакции Конверсии Водяного Газа.