煤化工企業粗煤氣冷卻需求下的固定管板式換熱器設計

石方惠(中煤平朔集團宇辰公司 山西 朔州 036006)

在煤化企業中，炭化室產生的粗煤氣溫度一般都比較高，必須進行冷卻處理達到工業所需溫度。粗煤氣的冷卻處理一般是通過固定管板式列管換熱器進行的，此換熱器不僅結構簡單緊湊，而且價格低廉。但是在實際應用中仍然有些問題需要繼續改進，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備，常用于工業生產上進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需求點。另外，換熱設備一般也有回收余熱、廢熱以及低品位熱能的作用。煤化工業中運用比較多的是固定管板式換熱器，它主要用于煤化工企業粗煤氣冷卻，它的典型結構如圖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。這種換熱器雖然結構簡單，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，比如當管束與殼體的溫度與材料的線脹系數相差較大時，管束與殼體就會產生很大的熱應力。

二、固定管板式換熱器的結構優化

1.結構設計參數分析

用于粗煤冷卻的固定管板式換熱器的主要結構設計參數有：設計壓力，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；設計溫度的管程和殼程為：50℃、350℃；換熱管溫度的管程為146℃；介質的管程和殼程為：冷卻水和粗煤氣；腐蝕容量的管程和殼程都是2毫升；鋼板負偏差的管程和殼程都是0.6毫米；程數的管程和殼程分別為：2、1；焊縫系數的管程和殼程都是0.85。

2.材料的改進

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

3.管箱封頭蓋優化設計

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

4.進出口改造優化

（1）接管外延長度

換熱器的接管外延長度一般要根據管程和殼程的規格來制定，在本次設計中計算的殼程接管規格為α210×6.30 mm；管程接管規格是α114.0×3.6 0mm；根據這個規格進行接管外延，保證接管外延程序的順利展開。

（2）接管與筒體、管箱殼體的結構優化

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表面。

5.換熱器管板與換熱管的優化

（1）管板優化

管板優化在原來管板的基礎上做簡單的外延，延長部分兼做法蘭，管板優化后的結構圖如圖2所示：

圖2：管板優化結構

（2）管板與換熱段連接接頭的優化

本次設計換熱器的管板與換熱段連接形式用焊接的形式，在生產過程中，換熱器容易因為應力作用以及長時間的腐蝕作用而產生失效，致使機械被迫停產。焊接時由于高溫，產熱區的附近組織容易出現塑性變形。另外，換熱器在焊接時可能沒有嚴格按照焊接工藝焊接，容易產生較大的殘余應力，從而腐蝕換熱器。

在結構設計上，要保證冷卻水出口處前添加適當的溢流擋板，使冷卻水占滿整個管板的空間，避免空氣進入管板而進入而引起腐蝕。換熱管與管板的連接需要采用強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入空氣、雜質而引起的腐蝕現象；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，要嚴格控制管道的加工技術，把換熱器的折流板與管板疊放在一起統一加工，使所有的管控同心。焊接時嚴格按照焊接工藝進行焊接，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力。在焊接時不能有裂紋、氣孔出現。為了使管板與管的連接處脹度一致，采用脹接的方法進行貼脹，以便使整個應力分布均勻。所有的設備制造完成以后，進行必要的水壓試驗，水壓試驗合格后進行氣密性試驗，至此整個制造過程就完成了。

6.膨脹節的選型

膨脹節最好選用波形結構進行設計，另外因為換熱管的殼體流速比較大，所以要在內部設置襯套，緩解流速。

7.換熱器法蘭連接與管板的優化

在固定管板式換熱器工藝設計中，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的連接方式，能有效的防止空氣進入管子內部而引起腐蝕，提高工藝質量。

8.強度校核的設計優化

在固定管板式換熱器的工藝過程中，換熱器的的筒節、管箱封頭、殼程筒體等部件的強度校核計算需要依據GB l50～1988進行，根據相關計算結果，確定各零部件的名義厚度和計算厚度。

結語

粗煤氣冷卻需求下的固定管板式換熱器設計一直是煤化工企業改進技術，優化程序的重要關注內容，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結晶堵塞管道，避免不必要的停產而影響生產經營。

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