CN106479521B - 焦炉上升管防结焦高效余热回收装置及其防结焦方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种焦炉上升管防结焦高效余热回收装置，在上升管外壁与盘管筒体之间填充有保温隔热层；所述盘管筒体由能够承压的承压管环绕为筒状而构成，承压管管腔中的饱和水蒸汽压力大于或等于2.5MPa；在盘管筒体的筒体壁上涂覆有防腐热阻层。本发明的防结焦方法是，当向盘管筒体的筒体通道通以高温荒煤气时，盘管筒体及其承压管中工质水的温度升高而形成水蒸汽，通过控制承压管中的水蒸汽输出量以使承压管中工作压力或工作温度稳定于设定饱和水蒸汽压力或最低饱和水蒸汽温度值，从而使得荒煤气温度始终维持在设定工作温度上。本发明不仅能避免荒煤气中焦油蒸汽的凝结，而且能有效防止荒煤气的高温腐蚀，具有使用寿命长、热回收效率高的优点。

Description

焦炉上升管防结焦高效余热回收装置及其防结焦方法
技术领域
本发明涉及焦炉荒煤气余热回收技术领域，尤其涉及焦炉上升管螺旋盘管套筒式余热回收利用装置。本发明还涉及该装置的防结焦方法。
背景技术
从焦炉炭化室上升管逸出的荒煤气温度在650℃—750℃，荒煤气离开炭化室时所带走的热量约占焦炉总输出热量的35%左右，具有较高的回收利用价值。常规工艺下为冷却高温荒煤气必须在连接上升管与集气管的桥管处用氨水喷洒冷却，使其温度降至78℃—85℃。为了达到冷却荒煤气，在这一过程中不但使大量优质煤气热能资源被白白浪费而无法得到有效利用，而且还要消耗大量氨水和制冷能耗。因而长期以来，针对荒煤气余热利用研究人员均作了大量工作，形成了不少荒煤气余热利用技术。
目前荒煤气余热利用技术形式众多，各有其优点缺点，但余热回收技术不外乎两种类型：一类是夹层水套式，即在上升管内筒外再加一层套管，形成水套夹层，中间通过夹层热水回收余热；其优点是传热效率高，缺点是使用中频繁出现上升管水套漏水损坏炉体，上升管盖揭启困难，蒸汽产量不稳定水套易“干锅”，甚至导致锅炉汽包爆炸等问题，不能长期平稳安全使用；尤其是上升管水套大量热量被无节制地传递出而导致其温度低于荒煤气结焦温度点，在上升管内壁尤其是上升管根部结成坚硬石墨层或结焦油饼堵塞上升管，既影响上升管的顺畅排出，又阻止热能传导，严重限制热能的回收利用。第二类是螺旋管套筒式，如中国专利“一种螺旋盘管套筒式焦炉荒煤气显热回收装置”、专利号201520772829.3，该焦炉荒煤气显热回收装置包括上升管内筒、上升管外筒和盘管，上升管内筒的内侧为荒煤气流道，盘管则位于上升管内筒和上升管外筒之间的空腔中，为了提高传热效率，盘管始终紧密无间隙的盘绕在所述上升管内筒的外侧壁上，在该结构中，虽然荒煤气与螺旋盘管间的传热自始至终都在进行，正是因为这种自始至终且无节制的取热过程，不可避免地造成煤气中焦油气凝结，回流炭化室或粘附在上升管内壁影响荒煤气导出。同时高温荒煤气是具有强腐蚀性的复杂化学物质，对余热回收利用装置形成严重的腐蚀作用，使余热回收利用装置的使用寿命大大缩短。
因此现有的荒煤气余热利用技术均在技术存在一些不足，一方面无法控制荒煤气中焦油蒸汽的结焦，导致集气管、吸气管等通道中焦油流动阻力增加，阻碍热能传递，制约余热的高效回收利用；另一方面荒煤气对余热回收利用装置的高温强腐蚀，严重影响使用寿命。阻碍了荒煤气余热回收利用的广泛应用。
发明内容
针对现有技术所存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种焦炉上升管防结焦高效余热回收装置，它不仅能使荒煤气温度始终保持在结焦温度点以上，避免荒煤气中焦油蒸汽的凝结，而且能有效防止荒煤气的高温腐蚀，使用寿命长，热回收效率高。本发明另一要解决的技术问题是应用该余热回收装置而达到防止荒煤气结焦的方法。
为了解决上述技术问题，本发明的焦炉上升管防结焦高效余热回收装置，包括上升管外壁，所述上升管外壁套装于盘管筒体的外侧，在上升管外壁与盘管筒体之间填充有保温隔热层；所述盘管筒体由能够承压的承压管环绕为筒状而构成，工作时承压管管腔中的水蒸汽处于饱和状态，该承压管管腔中的饱和水蒸汽压力大于或等于2.5MPa；在盘管筒体的筒体壁上涂覆有防腐热阻层，该防腐热阻层的厚度为1mm—5mm。
本发明的防结焦方法是，首先依据荒煤气的结焦特性设定盘管筒体承压管的最低饱和水蒸汽温度，根据该承压管腔的最低饱和水蒸汽温度，确定承压管腔中与所述最低饱和水蒸汽温度对应的设定饱和水蒸汽压力值，同时根据选定的防腐热阻层材料及其导热系数，确定盘管筒体的防腐热阻层厚度，以通过控制承压管腔的设定饱和水蒸汽压力和防腐热阻层来稳定承压管腔的工作温度；当向盘管筒体的筒体通道通以高温荒煤气时，高温荒煤气的热能经过防腐热阻层不断向盘管筒体传递，盘管筒体及其承压管中工质水的温度升高而形成水蒸汽，使得承压管管腔中的水蒸汽压力升至设定饱和水蒸汽压力，通过控制承压管中的水蒸汽输出量以使承压管中工作压力或工作温度稳定于设定饱和水蒸汽压力或最低饱和水蒸汽温度值，从而使得荒煤气温度始终维持在设定工作温度上；一旦荒煤气温度降至承压管设定最低饱和水蒸汽温度，承压管中的水蒸汽停止输出，防腐热阻层两侧温差趋于零，荒煤气热能向盘管筒体的热传递终止，荒煤气温度不再降低，使得荒煤气温度维持在结焦温度之上，以达到防止荒煤气结焦的目的。
本发明由于采用上述技术方案，使之与现有技术相比具有以下的积极效果和优点。
首先本发明突破了传统焦炉余热装置的设计思路实现了余热的有节制回收利用，创造性地通过控制盘管筒体承压管管腔中水蒸汽的饱和压力和饱和温度，来控制盘管筒体承压管内外的温度差。余热回收取热过程中，荒煤气温度高于盘管筒体承压管腔中水蒸汽温度时，余热装置处于热能的回收利用工作状态，承压管腔内外存在温度差，荒煤气热能不断地向盘管筒体承压管腔中的水蒸汽传导并使承压管腔中的水不断汽化而输出可用蒸汽以供利用。且荒煤气温度越高，承压管腔内外的温度差越大，热传递速度越快，输出的蒸汽量越大，通过控制蒸汽的输出量，实现稳定的承压管腔水蒸汽压力和温度。而一旦当荒煤气温度波动并降至设定和饱和水蒸汽温度时，承压管腔内外温度差趋于零，热能传递停止，荒煤气温度不再降低。在上述过程中通过稳定盘管筒体承压管的压力和温度，实现盘管筒体对荒煤气取热或停止取热的“开关”作用，使得荒煤气温度始终维持在结焦温度以上，从而彻底避免了荒煤气中焦油蒸汽的凝结。
第二，本发明在盘管筒体的筒体壁上涂覆有防腐热阻层，并且将防腐热阻层的厚度控制在合理范围内，通过防腐热阻层和防腐热阻层厚度的选择设计，有效控制荒煤气热能的传热能力和传递速度，将荒煤气热能向盘管筒体的导热能力控制在合理的范围内。也由于在筒体壁上涂覆有防腐热阻层，起到很好的抗腐防腐作用，高温荒煤气含有复杂的腐蚀性化学物质，加上高温作用荒煤气对金属材料有极强腐蚀作用，防腐热阻层能有效阻止高温荒煤气对盘管筒体的侵蚀，从而大大延长了余热回收利用装置的使用寿命，提高余热回收装置的使用效率。
第三，本发明采用盘管取热结构，既有效扩大了余热回收装置的换热面积，又能有效延长换热介质在整个回收装置中的换热时间，保证换热介质能够充分换热，实现荒煤气显热的持续稳定地有效回收和利用，而余热的有效回收又降低了系统中氨水、电力等消耗，实现焦炉余热的高效利用和节能减排。
第四，盘管筒体与上升管外壁体间填充有保温隔热层，该保温隔热层有效阻止已回收余热的再次损失；盘管结构又能有效避免换热介质的泄漏，保证焦炉碳化室的安全运行，改善工人操作环境，减少热污染。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，
图1是本发明焦炉上升管防结焦高效余热回收装置一种具体实施方式的结构示意图。
图中，1—上升管外壁、2—保温隔热层、3—盘管筒体、4—防腐热阻层、5—上升管连接法兰、6—盘管进出管。
具体实施方式
如图1所示的焦炉上升管防结焦高效余热回收装置，该余热回收装置包括呈圆筒状的上升管外壁1，该上升管外壁1由优质碳素钢板卷制而成，其直径为1000mm，该上升管外壁1也可用无缝管或螺旋管等材料制成。在圆筒状的上升管外壁上下两端分别焊接有上升管连接法兰5，用此连接固定上升管外壁及余热回收装置。当然该上升管外壁的连接固定方式除法兰结构外，还可以是用螺旋连接等常用的连接固定方式。
在上升管外壁1内套装有盘管筒体3，盘管筒体3由一钢质的能够承压的圆管呈螺旋状环绕而构成圆筒状，该构成盘管筒体的承压管上下两端分别与对应端的盘管进出管6相连接通连，两根盘管进出管6分别与导热水的输入管或输出管相互连接通连。由于盘管筒体3由圆长管构成，具有极好的耐压能力，这种结构有利于提高承压管的耐压能力，并方便对承压管中压力和温度的调节控制。本发明中的盘管筒体3的另一种实施方式，盘管筒体3由6根钢质能够承压的圆形管相互并列的呈螺旋状环绕而成，每根承压管的螺旋环绕节距相等，相邻圆管紧密相贴，在盘管筒体3的两端位置分别设置有圆形环管状的集合环管，构成盘管筒体3的螺旋状承压管两端均与其对应端的集合环管相并接而通连，在上下两端的集合环管上均连通有盘管进出管6，故上、下两端的盘管进出管6是通过集合环管与盘管筒体的各根承压管相连通的。构成盘管筒体3的承压管并不限于由一根或6根螺旋圆管环绕而构成，可以根据上升管直径大小和实际使用环境优先选择为2—30根并列螺旋环绕而成，以减少水及蒸汽的流动阻力并获得最大的导热效率。
在盘管筒体3与上升外壁1之间填充有保温隔热层2，该保温隔热层2由硅酸铝陶瓷纤维填充而成，当然也可以用其他常见的有机绝热材料或无机绝热材料等绝热材料填充而成。
在盘管筒体3的筒壁内侧面上涂覆有防腐热阻层4，该防腐热阻层4由金属陶瓷材料构成，防腐热阻层4既能较好地控制热传导，起到热阻作用，又具有极好的防腐抗腐性能。该防腐热阻层4的厚度为3mm。当然其厚度应根据实际使用情况优先选择为1—5mm。
该焦炉上升管防结焦高效余热回收装置实际使用时，首先依据荒煤气的结焦特性设定盘管筒体承压管的最低饱和水蒸汽温度，该最低饱和水蒸汽温度应能保证荒煤气在上升管段中不结焦，根据承压管腔的最低饱和水蒸汽温度，确定与之对应的设定饱和水蒸汽压力值，通过控制调节该饱和水蒸汽压力值来控制承压管中的最低饱和水蒸汽温度。同时综合考虑热阻效果与防腐蚀性能选定金属陶瓷作为防腐热阻层的材料，根据该选定的防腐热阻层材料及其对应的导热系数，确定盘管筒体的防腐热阻层的厚度的，经过反复的实际工程试验，选定金属陶瓷作为防腐热阻层材料时，其厚度优选在1mm—5mm之间。
由于控制承压管的工作压力不管在技术上还是在操作上均更加方便容易，因此通过控制承压管的饱和水蒸汽压力，结合防腐热阻层对传热速度的阻滞作用来稳定承压管腔的工作温度。当向盘管筒体通道（也即上升管的荒煤气通道）通以高温荒煤气，高温荒煤气的热能经过防腐热阻层不断地盘管筒体传递，盘管筒体及其承压管中的工质水的温度升高而汽化，并逐渐使得承压管管腔中的水蒸汽压力升至设定饱和水蒸汽压力，通过控制调节盘管筒体承压管中水蒸汽输出流量，以使得承压管中水蒸汽工作压力或工作温度稳定于设定饱和水蒸汽压力或最低饱和水蒸汽温度值，从而使得荒煤气温度始终维持在设定工作温度上。上述过程是一个向荒煤气连续取热的过程，在该取热过程中通过承压管水蒸汽输出流量的控制，确保有节制、有限度地从高温荒煤气中取热，从而达到防止荒煤气结焦的目的。
由于焦炉炭化室内产生的荒煤气在不同的结焦时段煤气量并不一样，当产气量较少时荒煤气热能较少。在取热过程中，一旦当荒煤气温度降至承压管设定最低饱和水蒸汽温度，与之对应承压管中的工作压力也降至设定饱和水蒸汽压力值，此时防腐热阻层两层的温度差也趋于零，荒煤气热能向盘管筒体的热传导暂停而终止，随着上升管中荒煤气的不断补充并流经盘管筒体通道，通道中荒煤气热能得以补充使荒煤气温度不再降低而重新升高，余热回收装置又恢复到取热工作过程。这就使得荒煤气温度高于结焦温度时，取热盘管筒体开始取热，反之则停止取热，达到防止荒煤气结焦的目的。
当荒煤气补充量不足或者焦炉炭化室荒煤气停止排出，盘管筒体的承压管工作压力连续下降，此时应停止取热，终止并关闭承压管输出蒸汽的阀门，使得余热回收装置处于停止工作状况。由于此时在上升管荒煤气通道中很少甚至没有荒煤气通过，故而也不会出现结焦问题。

Claims (5)

1.一种焦炉上升管防结焦高效余热回收装置的防结焦方法，其特征在于：所述焦炉上升管防结焦高效余热回收装置包括上升管外壁(1)，所述上升管外壁(1)套装于盘管筒体(3)的外侧，在上升管外壁(1)与盘管筒体(3)之间填充有保温隔热层(2)；所述盘管筒体(3)由能够承压的承压管环绕为筒状而构成，工作时承压管管腔中的水蒸汽处于饱和状态，该承压管管腔中的饱和水蒸汽压力大于或等于2.5MPa；在盘管筒体(3)的筒体壁上涂覆有防腐热阻层(4)，该防腐热阻层(4)的厚度为1mm—5mm，所述盘管筒体(3)至少由二根能够承压的承压管并列环绕为筒状而构成，相邻的承压管相互紧贴，所述防腐热阻层(4)由金属陶瓷材料涂覆而成；所述防结焦方法为：首先依据荒煤气的结焦特性设定盘管筒体承压管的最低饱和水蒸汽温度，根据该承压管管腔的最低饱和水蒸汽温度，确定承压管管腔中与所述最低饱和水蒸汽温度对应的设定饱和水蒸汽压力值，同时根据选定的防腐热阻层材料及其导热系数，确定盘管筒体的防腐热阻层厚度，以通过控制承压管管腔的设定饱和水蒸汽压力和防腐热阻层来稳定承压管管腔的工作温度；当向盘管筒体的筒体通道通以高温荒煤气时，高温荒煤气的热能经过防腐热阻层不断向盘管筒体传递，盘管筒体及其承压管中工质水的温度升高而形成水蒸汽，使得承压管管腔中的水蒸汽压力升至设定饱和水蒸汽压力，通过控制承压管中的水蒸汽输出量以使承压管中工作压力或工作温度稳定于设定饱和水蒸汽压力或最低饱和水蒸汽温度值，从而使得荒煤气温度始终维持在设定工作温度上；一旦荒煤气温度降至承压管设定最低饱和水蒸汽温度，承压管中的水蒸汽停止输出，防腐热阻层两侧温差趋于零，荒煤气热能向盘管筒体的热传递终止，荒煤气温度不再降低，使得荒煤气温度维持在结焦温度之上，以达到防止荒煤气结焦的目的。
2.根据权利要求1所述的一种焦炉上升管防结焦高效余热回收装置的防结焦方法，其特征在于：所述盘管筒体(3)及其承压管的设定饱和水蒸汽温度为250℃—500℃，该承压管的设定饱和水蒸汽压力为2.5MPa—25MPa。
3.根据权利要求1所述的一种焦炉上升管防结焦高效余热回收装置的防结焦方法，其特征在于：所述盘管筒体(3)由2—30根承压管并列环绕成筒状结构，各承压管通过两端的集合环管相互并联相通。
4.根据权利要求1所述的一种焦炉上升管防结焦高效余热回收装置的防结焦方法，其特征在于：所述保温隔热层(2)由有机绝热材料或无机绝热材料填充而成。
5.根据权利要求1所述的一种焦炉上升管防结焦高效余热回收装置的防结焦方法，其特征在于：所述盘管筒体(3)承压管的两端分别与对应端的盘管进出管(6)相连通。
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