CN104845645B - 焦炉煤气余热回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焦炉煤气余热回收系统，包括分体式热管，该分体式热管包括蒸发器装置和冷凝器。蒸发器装置包括由焦炉导气管路构成的受热面域，冷凝器包括汽包和设于汽包内的冷凝管道，冷凝管道的入口端通过气体工质管路与蒸发器装置的工质出口连通，冷凝管道的出口端通过液体工质管路与蒸发器装置的工质入口连通；受热面域内设有填充腔，填充腔内设有相变材料层。本发明通过将焦炉导气管路（上升管、桥管）改造成分体式热管的蒸发器，通过该分体式热管回收焦炉煤气余热；通过在受热面域内设置相变材料层，可避免对余热回收装置产生周期性的热冲击而造成设备损坏，从而有效提高余热回收效果以及生产的稳定性。

Description

焦炉煤气余热回收系统

技术领域

本发明涉及焦炉煤气显热回收技术，具体涉及一种焦炉煤气余热回收系统。

背景技术

焦炉是将炼焦煤隔绝空气加热而干馏产生焦炭的大型炉窑，炼焦过程中同时要产生大量的焦炉煤气以及用来加热而燃尽排出的焦炉烟道气，在焦炉输出的热量中，焦炉煤气显热约占36%，出炉红焦显热约占37%，焦炉烟道气带走热量约占17%，炉体表面散热约占10%。焦炉产生的焦炉煤气经过炭化室顶部上升管、桥管汇入集气管，通常在桥管处喷入氨水将650~700℃左右的焦炉煤气冷却到84℃，不仅浪费了大量焦炉煤气显热，也增加了氨水处理量。国内外学者对于焦炉煤气显热的回收经过多年的研究但尚未取得成功，其中一个原因是在炼焦过程中煤气温度在700℃左右，而在出焦、装煤过程中上升管、桥管的温度骤降，对余热回收装置产生周期性的热冲击而导致损坏，甚至导致生产事故。

因此有必要设计一种焦炉煤气余热回收系统，以克服上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种焦炉煤气余热回收系统，实现焦炉煤气余热回收的同时避免炼焦过程周期性的热冲击对余热回收装置的损坏。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种焦炉煤气余热回收系统，所述焦炉煤气由焦炉产生，所述焦炉包括多个炭化室，每个所述炭化室连接有焦炉导气管路。所述余热回收系统包括分体式热管，所述分体式热管包括蒸发器装置和冷凝器；所述蒸发器装置包括由焦炉导气管路构成的受热面域，所述冷凝器包括汽包和设于所述汽包内的冷凝管道，所述冷凝管道的入口端通过气体工质管路与所述蒸发器装置的工质出口连通，所述冷凝管道的出口端通过液体工质管路与所述蒸发器装置的工质入口连通；所述受热面域内设有填充腔，所述填充腔内设有相变材料层。

进一步地，沿所述焦炉导气管路内煤气流通的方向，所述填充腔分为多层腔室，每层腔室内铺设有相变材料；沿所述焦炉导气管路内煤气流通的方向，所述相变材料的固液相变温度依次降低。

进一步地，所述汽包的位置高于所述蒸发器装置的位置。

进一步地，所述焦炉导气管路为上升管、桥管的至少一种。

进一步地，所述焦炉导气管路包括上升管和桥管，所述上升管与所述炭化室连通，所述桥管与所述上升管连通；所述蒸发器装置包括由上升管构成内壁的上升管蒸发器和由桥管构成内壁的桥管蒸发器，所述上升管蒸发器和所述桥管蒸发器的工质出口分别与所述气体工质管路连通，所述上升管蒸发器和所述桥管蒸发器的工质入口分别与所述液体工质管路连通；所述上升管蒸发器内壁内的相变材料的固液相变温度高于所述桥管蒸发器内壁内的相变材料的固液相变温度。

进一步地，每个所述炭化室连接有一所述上升管蒸发器和一所述桥管蒸发器；所述余热回收系统还包括集气管和液体工质分配管，各所述上升管蒸发器和各所述桥管蒸发器的工质出口分别与所述集气管的入口端连通，所述集气管的出口端与所述气体工质管路连通；各所述上升管蒸发器和各所述桥管蒸发器的工质入口分别与所述液体工质分配管的出口端连通，所述液体工质分配管的入口端与所述液体工质管路连通。

进一步地，所述上升管蒸发器和所述桥管蒸发器均包括环形毛细芯、环形液态工质储槽和环形补偿器；对应蒸发器的内壁、环形毛细芯、环形液态工质储槽和环形补偿器由内至外依次同轴设置，所述环形毛细芯与所述内壁之间设有多条蒸汽槽道，所述蒸汽槽道与所述内壁平行；所述蒸汽槽道为梯形槽道，自所述内壁至所述环形毛细芯的方向，所述蒸汽槽道的宽度逐渐增大。

进一步地，所述相变材料由混合无机盐制成，所述相变材料的熔点为450~500℃。

进一步地，所述蒸发器装置的工质为液态汞。

进一步地，所述汽包包括汽水分离网、排汽管和补水管，所述汽水分离网设于所述汽包内上部，所述排汽管设于所述汽包顶部且连接有蒸汽管网。

本发明具有以下有益效果：通过将焦炉导气管路（上升管、桥管）改造成分体式热管的蒸发器，通过该分体式热管回收焦炉煤气余热；通过在蒸发器内壁内设置相变材料层，相变材料在炼焦过程中煤气温度较高时蓄热，而在出焦、装煤等过程中上升管、桥管的温度骤降时放热，可避免对余热回收装置产生周期性的热冲击而造成设备损坏，从而有效提高余热回收效果以及生产的稳定性。

本发明的进一步有益效果是：沿煤气流通的方向，设置相变材料的固液相变温度依次降低，可适应煤气温度逐渐降低的情况，利于煤气余热的回收。

本发明的进一步有益效果是：设置汽包的位置高于蒸发器的位置，保证蒸发器内始终储存有液态工质，避免高热流密度下蒸发器烧干，保证该余热回收系统运行的稳定性。

本发明的进一步有益效果是：通过将蒸汽槽道设置为梯形槽道，使得蒸发器内液态工质更易于汽化，提高余热回收效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的焦炉煤气余热回收系统的结构示意图；

图2为图1沿A-A的剖视示意图（蒸汽槽道为矩形槽道）；

图3为图1沿A-A的剖视示意图（蒸汽槽道为梯形槽道）。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1，本发明实施例提供一种焦炉煤气余热回收系统，所述焦炉煤气由焦炉产生，所述焦炉包括多个炭化室，每个所述炭化室连接有焦炉导气管路。所述余热回收系统包括分体式热管，所述分体式热管包括蒸发器装置和冷凝器；所述蒸发器装置包括由焦炉导气管路构成的受热面域，所述冷凝器包括汽包11和设于所述汽包11内的冷凝管道，所述冷凝管道的入口端通过气体工质管路9与所述蒸发器装置的工质出口连通，所述冷凝管道的出口端通过液体工质管路10与所述蒸发器装置的工质入口连通。所述受热面域内设有填充腔，所述填充腔内设有相变材料层。即通过由焦炉导气管路构成的受热面域吸收焦炉煤气的余热，进而对蒸发器装置内的工质进行传热。其中，焦炉导气管路为上升管、桥管的至少一种，即可以将上升管或桥管改造成蒸发器，或者将二者均改造成蒸发器；本实施例中优选为将上升管和桥管均改造成蒸发器。

即：所述焦炉导气管路包括上升管和桥管，所述上升管与所述炭化室连通，所述桥管与所述上升管连通；所述蒸发器装置包括由上升管构成内壁的上升管蒸发器和由桥管构成内壁的桥管蒸发器，所述上升管蒸发器和所述桥管蒸发器的工质出口分别与所述气体工质管路9连通，所述上升管蒸发器和所述桥管蒸发器的工质入口分别与所述液体工质管路10连通。所述上升管蒸发器内壁6内的相变材料5的固液相变温度高于所述桥管蒸发器内壁6内的相变材料5的固液相变温度；由于焦炉煤气的流通方向为炭化室-上升管-桥管，在蒸发器的吸热作用下，焦炉煤气的温度逐渐降低，因此设置桥管蒸发器内壁6内的相变材料5的固液相变温度低于蒸发器内的相变材料5的固液相变温度，可适应焦炉煤气温度逐渐降低的情况，从而利于焦炉煤气余热的回收。

进一步地，所述焦炉包括多个炭化室，每个所述炭化室连接有一所述上升管蒸发器和一所述桥管蒸发器；所述余热回收系统还包括集气管7和液体工质分配管8，各所述上升管蒸发器和各所述桥管蒸发器的工质出口分别与所述集气管7的入口端连通，所述集气管7的出口端与所述气体工质管路9连通；各所述上升管蒸发器和各所述桥管蒸发器的工质入口分别与所述液体工质分配管8的出口端连通，所述液体工质分配管8的入口端与所述液体工质管路10连通。即每个炭化室的上升管及桥管都改造成独立的蒸发器，但是汽包11共用一个，形成多蒸发器-单冷凝器的分体式热管，这样可以保证系统蒸汽的产生量稳定，避免单个的蒸发器内产生的蒸汽量不足而影响分体式热管的正常稳定运行。由于分体式热管的蒸发器、冷凝器的布置方式灵活，因此可适应该余热回收系统内多个蒸发器位置分散分布的情况。

作为本实施例的一种优选结构，沿所述焦炉导气管路内煤气流通的方向，所述填充腔分为多层腔室，每层腔室内铺设有相变材料5；沿所述焦炉导气管路内煤气流通的方向，所述相变材料5的固液相变温度依次降低。在同一蒸发器内，沿煤气流通的方向，由于蒸发器内壁6吸热以及相变材料5的相变吸热，煤气的温度是逐渐降低的；如果该蒸发器内相变材料5的固液相变温度不变，随着煤气温度的降低，可能存在该煤气的温度低于相变材料5的固液相变温度，从而相变材料5不能发生固液相变反应而影响吸热效果。因此，设置相变材料5的固液相变温度随煤气流通方向依次降低，可适应煤气温度逐渐降低的情况，保证蒸发器的吸热效果以及余热回收效果。

各蒸发器内，相变材料5的固液相变温度应比工质在工作压力下的沸点高，从而相变材料5在发生固液相变反应时，工质也能够发生相变反应，从而保证焦炉煤气的余热能够得到回收利用。本实施例中，所述相变材料5优选为由混合无机盐制成，所述相变材料5的熔点为450~500℃。混合无机盐是通过多种无机盐按照不同比例混合在一起形成的，混合无机盐具有熔化潜热大、熔化时体积变化小、传热特性好等优点，而且控制不同无机盐的成分及比例，可获得熔点在120~850℃范围内的混合无机盐，适用范围较广。本实施例中控制混合无机盐的熔点在450~500℃范围内，可在蒸发器内通过700℃左右高温的焦炉煤气时蓄热，而在出焦、装煤等过程中上升管、桥管的温度骤降（可降为200℃）时放热，从而防止该过程中的周期性热冲击损坏余热回收装置。以下列举一种具体的混合无机盐：纯净NaCl、MgCl₂、KCl的熔点分别为801℃、714℃和774℃，当NaCl、MgCl₂、KCl以3:1:6的质量比混合后，其得到的混合无机盐的熔点为463.5℃。相应地，所述蒸发器的工质可采用液态汞（沸点为356.6℃）。

如图2-图3，各蒸发器（各上升管蒸发器和各桥管蒸发器）分别包括环形毛细芯3、环形液态工质储槽2和环形补偿器1，蒸发器内壁6、环形毛细芯3、环形液态工质储槽2和环形补偿器1由内至外依次同轴设置，所述环形毛细芯3与蒸发器内壁6之间设有多条蒸汽槽道4，所述蒸汽槽道4与所述蒸发器内壁6平行，多条蒸汽槽道4环绕所述蒸发器内壁6设置。蒸汽槽道4分别与蒸发器内壁6和环形毛细芯3连接，通过毛细芯3的毛细力作用，液态工质储槽2中的液态工质不断进入蒸汽槽道4内，在蒸发器内壁6的传热作用下，蒸汽槽道4内的液态工质汽化形成气体工质。其中，所述蒸汽槽道4可以为矩形槽道或梯形槽道；当为梯形槽道时，自所述蒸发器内壁6至所述环形毛细芯3的方向，所述蒸汽槽道4的宽度逐渐增大，通过设置梯形槽道，该槽道靠近蒸发器内壁6一侧截面积小，便于传热，因此液态工质更易于汽化，从而提高余热回收效率。

另外，如图1，汽包11的结构为：所述汽包11包括汽水分离网12、排汽管15和补水管13，所述汽水分离网12设于所述汽包11内上部，所述排汽管15设于所述汽包11顶部且连接有蒸汽管网14。当汽包11内产生的水蒸汽达到一定压力时，打开排汽管15将水蒸汽输入蒸汽管网14；测量并控制汽包11内的水位，可由补水管13补充软水。可在汽包11底部设置排水管16，当汽包11内的水质变成硬水时，通过该排水管16排出后补充新的软水。汽包11排出的蒸汽可用于炼焦生产或发电，实现焦炉煤气余热的回收利用，节能且环保。冷凝管道在汽包11内蛇形布置，可提高气态工质与汽包11的换热效果。由于蒸发器和冷凝器的相对位置可以灵活布置，为了保证分体式热管的工作稳定性，设置汽包11的位置高于蒸发器的位置，保证蒸发器内始终储存有液态工质，避免高热流密度下蒸发器烧干。

本实施例的工作过程如下：以多个炭化室的上升管和桥管均分别改造成上升管蒸发器和桥管蒸发器为例，焦炉煤气显热通过蒸发器内壁6使蒸发器内部液态工质汽化，汽化后的工质汇集于集气管7内，然后通过气体工质管路9导入汽包11，使汽包11内产生水蒸汽，同时气体工质管路9内气态工质冷却为液态形成液态工质（一般具有10°C以上的过冷度），在毛细芯3产生的毛细力以及自身重力的作用下，液态工质通过液体工质管路10和液体工质分配管8回流到各蒸发器的液态工质储槽2内，毛细芯3将液态工质导向蒸发器内壁6吸收热量变为气态工质，从而完成一个循环。

本发明实施例具有以下有益效果：通过将焦炉导气管路（上升管、桥管）改造成分体式热管的蒸发器，通过该分体式热管回收焦炉煤气余热；通过在蒸发器内壁6内设置相变材料层，相变材料5在炼焦过程中煤气温度较高时蓄热，而在出焦、装煤等过程中上升管、桥管的温度骤降时放热，可避免对余热回收装置产生周期性的热冲击而造成设备损坏，从而有效提高余热回收效果以及生产的稳定性。沿煤气流通的方向，设置相变材料5的固液相变温度依次降低，可适应煤气温度逐渐降低的情况，利于煤气余热的回收。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种焦炉煤气余热回收系统，所述焦炉煤气由焦炉产生，所述焦炉包括多个炭化室，每个所述炭化室连接有焦炉导气管路，其特征在于：所述余热回收系统包括分体式热管，所述分体式热管包括蒸发器装置和冷凝器；所述蒸发器装置包括由焦炉导气管路构成的受热面域，所述冷凝器包括汽包和设于所述汽包内的冷凝管道，所述冷凝管道的入口端通过气体工质管路与所述蒸发器装置的工质出口连通，所述冷凝管道的出口端通过液体工质管路与所述蒸发器装置的工质入口连通；所述受热面域内设有填充腔，所述填充腔内设有相变材料层；

焦炉煤气使蒸发器装置内部液态工质汽化，汽化后的工质通过气体工质管路导入汽包，使汽包内产生水蒸汽，同时气体工质管路内气态工质冷却形成液态工质，液态工质通过液体工质管路回流到蒸发器装置内；

所述相变材料层中的相变材料在炼焦过程中蓄热，当所述焦炉导气管路温度降低时放热。

2.根据权利要求1所述的焦炉煤气余热回收系统，其特征在于：沿所述焦炉导气管路内煤气流通的方向，所述填充腔分为多层腔室，每层腔室内铺设有相变材料；沿所述焦炉导气管路内煤气流通的方向，所述相变材料的固液相变温度依次降低。

3.根据权利要求1所述的焦炉煤气余热回收系统，其特征在于：所述汽包的位置高于所述蒸发器装置的位置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的焦炉煤气余热回收系统，其特征在于：所述焦炉导气管路为上升管、桥管的至少一种。

5.根据权利要求4所述的焦炉煤气余热回收系统，其特征在于：所述焦炉导气管路包括上升管和桥管，所述上升管与所述炭化室连通，所述桥管与所述上升管连通；所述蒸发器装置包括由上升管构成内壁的上升管蒸发器和由桥管构成内壁的桥管蒸发器，所述上升管蒸发器和所述桥管蒸发器的工质出口分别与所述气体工质管路连通，所述上升管蒸发器和所述桥管蒸发器的工质入口分别与所述液体工质管路连通；所述上升管蒸发器内壁内的相变材料的固液相变温度高于所述桥管蒸发器内壁内的相变材料的固液相变温度。

6.根据权利要求5所述的焦炉煤气余热回收系统，其特征在于：每个所述炭化室连接有一所述上升管蒸发器和一所述桥管蒸发器；所述余热回收系统还包括集气管和液体工质分配管，各所述上升管蒸发器和各所述桥管蒸发器的工质出口分别与所述集气管的入口端连通，所述集气管的出口端与所述气体工质管路连通；各所述上升管蒸发器和各所述桥管蒸发器的工质入口分别与所述液体工质分配管的出口端连通，所述液体工质分配管的入口端与所述液体工质管路连通。

7.根据权利要求5所述的焦炉煤气余热回收系统，其特征在于：所述上升管蒸发器和所述桥管蒸发器均包括环形毛细芯、环形液态工质储槽和环形补偿器；对应蒸发器的内壁、环形毛细芯、环形液态工质储槽和环形补偿器由内至外依次同轴设置，所述环形毛细芯与所述内壁之间设有多条蒸汽槽道，所述蒸汽槽道与所述内壁平行；所述蒸汽槽道为梯形槽道，自所述内壁至所述环形毛细芯的方向，所述蒸汽槽道的宽度逐渐增大。

8.根据权利要求1或2所述的焦炉煤气余热回收系统，其特征在于：所述相变材料由混合无机盐制成，所述相变材料的熔点为450～500℃。

9.根据权利要求8所述的焦炉煤气余热回收系统，其特征在于：所述蒸发器装置的工质为液态汞。

10.根据权利要求1所述的焦炉煤气余热回收系统，其特征在于：所述汽包包括汽水分离网、排汽管和补水管，所述汽水分离网设于所述汽包内上部，所述排汽管设于所述汽包顶部且连接有蒸汽管网。