CN110849173A - 一种焦炉上升管荒煤气高温显热回收利用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种焦炉上升管荒煤气高温显热回收利用装置，包括分别独立地设置于焦炉炉顶的第一上升管换热器，还包括换热装置、循环泵，所述第一上升管换热器、换热装置、循环泵连接成环形成一个换热循环，换热循环中采用水、导热油或其他热媒作为换热介质；换热介质在循环泵的驱动下通过第一上升管换热器吸热后成为汽水混合物或高温热媒，再通过换热装置后降温，再次进入循环泵，完成一个循环。该装置代替常规化产工艺中燃烧焦炉煤气的脱苯管式炉和蒸氨管式炉，提高焦炉生产工艺系统的热效率，同时减少了废气污染排放点。
Description
技术领域
本发明属于锅炉设备技术领域，特别涉及一种采焦炉上升管荒煤气高温显热回收利用装置。
背景技术
焦炉能对煤炭做高温干馏处理，将其高效地转换为焦炭、焦炉煤气、煤焦油、粗苯等产物，是高效的能量转换窑炉。在焦炉支出热中，650℃-700℃荒煤气的带出热约占36％，具有极高的回收利用价值。对于产生的荒煤气，内部含有苯、焦油等物质，降温以后要进行一系列处理环节才能工业应用，其中一个环节就是脱苯。常见的过程为：荒煤气经最终冷却至25℃左右后，首先进入第一台洗苯塔的底部，从塔顶导出，再依次经过各台洗苯塔。从最后一台洗苯塔顶出来的煤气含苯量要求低于2g/Nm3。从贫油槽来的贫油则从最后一台洗苯塔顶喷淋而下，与煤气逆向而行密切接触，吸收煤气中的苯。含苯为2.5％左右的富油从第一台洗苯塔的底部导出，用富油泵抽送至脱苯工序，脱苯后的贫油送回贫油槽循环使用。贫油吸收苯后变成富油。
各洗苯塔底部为洗油接受槽，用钢板与煤气隔开。从塔顶下来的洗油经U型管流入该槽，槽内油位应保持稳定。最后一台洗苯塔喷头上面捕雾层，以捕集煤气夹带的油滴，减少洗油损失，也避免洗油进入煤气。利用回收来的上升管内荒煤气热量进行加热贫油、富油时，但是在这一传统的化产工艺中，常采用管式炉进行燃烧焦炉煤气，其中排烟温度高达350℃，热效率却在60％左右。因此，如何更可能地减少化产工艺过程中的废气污染排放，且提高热效率一直是这一行业的关注重心。采用上升管换热器回收高温荒煤气的热量，用以加热富油、贫油、蒸氨用水、产生过热蒸汽等，替代管式炉，热效率提高35％以上，还减少了管式炉的废气排放点。因此，极大提高了焦化的经济和环保效益。
另外，对于生产中的焦炉，一般全年是不停产的，但是安装了上升管换热器后，如遇到紧急情况或者自然断电、停电、电机故障等突发事件时，驱动水或热媒的泵停止运转，上升管换热器内流经的水或热媒就会断流，产生上升管换热器内部的干烧状态，这一状态下对上升管换热器内的部件损伤大，大大地降低了上升管换热器的使用寿命。
发明内容
技术问题：为了解决现有技术的以上缺陷，本申请提供了一种焦炉上升管荒煤气高温显热回收利用装置。
技术方案：为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种焦炉上升管荒煤气高温显热回收利用装置，其特征在于：包括分别独立地设置于焦炉炉顶的第一上升管换热器(7)，还包括换热装置、循环泵(3)，所述第一上升管换热器(7)、换热装置、循环泵(3)连接成环形成一个换热循环，换热循环中采用水、导热油或其他热媒作为换热介质；第一上升管换热器(7)用于将上升管中的高温荒煤气的热量回收，水变成饱和蒸汽或者低温热媒变成高温热媒，换热装置用于将回收的热量传递至煤化工生产工艺上的富油、贫油、或蒸氨用水；换热介质在循环泵的驱动下通过第一上升管换热器(7)吸热后成为汽水混合物或高温热媒，再通过换热装置后降温，再次进入循环泵，完成一个循环。
作为改进，所述换热装置为汽包(2)、蒸氨用水加热器(4)、富油加热器(6)、导热油蒸发器(8)、贫油加热器(9)中的至少一种。
作为另一种改进，还包括独立地设置于焦炉炉顶的第二上升管换热器(5)；第二上升管换热器(5)中通入蒸汽，蒸汽在第二上升管换热器(5)中吸收热量变成过热蒸汽外送至煤化工生产工艺。
作为另一种改进，当以水为换热介质时，第一上升管换热器(7)即为上升管蒸发器(1)。
作为进一步改进，上升管蒸发器(1)的换热介质的出口端连接汽包(2)的一进口端，汽包(2)的一出口端连通循环泵(3)的入口端，循环泵(3)的出口端连通蒸氨用水加热器(4)的进口端，蒸氨用水加热器(4)的出口端连通上升管蒸发器(1)的换热介质的进口端，完成一个循环。
作为进一步改进，上升管蒸发器(1)的换热介质的出口端连接汽包(2)的一进口端，汽包(2)的一出口端连通循环泵(3)入口端，循环泵(3)出口端连通富油加热器(6)的进口端，富油加热器(6)的出口端连通蒸氨用水加热器(4)的进口端，蒸氨用水加热器(4)的出口端连通上升管蒸发器(1)的换热介质的进口端，完成一个循环。
作为进一步改进，上升管蒸发器(1)的换热介质的出口端连接汽包(2)的一进口端，汽包(2)的一出口端连通循环泵(3)的入口端，循环泵(3)的出口端连通上升管蒸发器(1)的换热介质的进口端，完成一个循环。
作为更进一步改进，汽包(2)内部设置有富油或贫油通道，富油或贫油通道与汽包内的蒸汽换热，对富油或贫油通道内的富油或贫油进行加热处理，当蒸汽加热富油或贫油的换热面积较大时，换热装置可设置于汽包(2)的上方，换热装置与汽包(2)之间由上升、下降连通管连通，蒸汽通过上升连通管向上进入换热装置，冷凝水通过下降连通管进入汽包内。
作为更进一步改进，所述汽包(2)内的饱和蒸汽出口与第二上升管换热器(5)的蒸汽进口连接，蒸汽经过第二上升管换热器(5)继续加热后形成过热蒸汽。
作为另一种改进，第一上升管换热器(7)的换热介质(导热油)的出口端连接富油加热器(6)的进口端，富油加热器(6)的出口端连通蒸氨用水加热器(4)的进口端，蒸氨用水加热器(4)的出口端连通导热油蒸发器(8)进口端，导热油蒸发器(8)出口端连接循环泵(3)进口端，循环泵(3)的出口端连通第一上升管换热器(7)进口端，完成一个循环。
作为另一种改进，第一上升管换热器(7)的换热介质(导热油)的出口端连接贫油加热器(9)入口端，贫油加热器(9)的出口端连接导热油蒸发器(8)进口端，导热油蒸发器(8)出口端连接循环泵(3)进口端，循环泵(3)的出口端连通第一上升管换热器(7)的进口端，完成一个循环。
作为进一步改进，所述第一上升管换热器(7)包括内筒(71)、换热管(72)、自然冷却管(73)、管帽(74)、导热层(75)，其中换热管(72)和自然冷却管(73)沉埋在导热层(75)内部；内筒(71)的外壁上相间地交替螺旋地缠绕有换热管(72)和自然冷却管(73)；自然冷却管(73)由多组段组成，每一组段均设置有一组与外界空气相通的进口端、出口端，管帽(74)固定安装在进口端处。
作为更进一步改进，每根自然冷却风管内部的空气动力应满足：
ΔH≥ΔP，其中ΔH为空气流动动力，ΔP为空气流动阻力；
ΔH＝Δρgh，Δρ为空气进出口的密度差，g为重力加速度，h为进出口的高度差；
ΔP＝(λL/d+Σξ)ρu2/2，λ为沿程阻力系数，L为管长，d为冷却风管的内径，Σξ为局部阻力系数之和；
工况流速为u＝G/(ρπd2/4)；
G为空气的质量流量，ρ为空气的平均温度对应的密度，平均温度为t＝(t1+t2)/2，t1为进口温度，t2为出口温度；
自然冷却风管的换热量为Q，等于空气的吸热量，Q＝GCp(t2-t1)，Cp为空气的平均温度对应的比热。
作为更一步改进，当遇停电，供给第一上升管换热器(7)的水泵或热媒泵不运转时，管帽(74)处于打开状态；当通电后，供给第一上升管换热器(7)的水泵或热媒泵通电运转时，管帽(74)处于闭合关闭状态。
有益效果：本发明提供的焦炉上升管荒煤气高温显热回收利用装置，有多种用途的工业应用，根据上升管换热器的回收热量及加热煤化工化产工艺中的富油、蒸氨用水、贫油、过热蒸汽等所需的热量，合理布置装置中上升管换热器和上升管过热器的数量，替换了常规工艺中采用焦炉煤气燃烧的脱苯管式炉和蒸氨管式炉，消除了该两种带来的排烟温度高达350℃、热效率却低于60％左右的加热方式的不利影响，具体包括蒸汽加热富油或泵后热水加热富油、蒸汽加热贫油、泵后热水加热蒸氨用水、高温导热油加热富油和蒸氨用水、贫油等类型，这些工业应用及结构的设置，已经能够大大提高了焦炉生产工艺系统的热效率，还减少了废气污染排放点，节能减排，环保意义很大。
同时，本发明中针对上升管换热器在断电时易发生的干烧现象，从物理力学角度，在自然冷却管进口端设置有管帽，有效地达到了干烧时对上升管换热器内的其他部件的降温目的，起到保护上升管换热器的作用。另外热风出口处的管口为坡形，可防止雨水进入自然冷却管。
附图说明
图1为本发明加热装置实施方式一的结构示意图。
图2为本发明加热装置实施方式二的结构示意图。
图3为本发明加热装置实施方式三的结构示意图。
图4为本发明加热装置实施方式四的结构示意图。
图5为本发明加热装置实施方式五的结构示意图。
图6为本发明上升管换热器的结构示意图。
附图中：1、上升管蒸发器；2、汽包；3、循环泵；4、蒸氨用水加热器；5、上升管过热器；6、富油加热器；7、上升管换热器；71、内筒；72、换热管；73、自然冷却管；74、管帽；75、导热层；76、保温层；77、外筒；8、导热油蒸发器；9、贫油加热器。
具体实施方式
下面对本发明附图结合实施例作出进一步说明。
焦炉上升管荒煤气余热高温显热回收加热利用装置，回收焦炉上升管荒煤气热显热，和化产工艺结合，将回收的热量用于加热化产工艺介质。本焦炉上升管荒煤气高温显热回收利用装置根据回收荒煤气显热所采用热媒介质的不同而不同：当利用水的强制循环吸收荒煤气热量产生蒸汽时，包括蒸汽加热富油、或泵后热水加热富油、泵后热水加热蒸氨用水等设备；当利用导热油的强制循环吸收荒煤气热量变成高温导热油时，包括高温导热油加热富油、或高温导热油加热贫油的类型的设备。焦炉的一部分上升管采用上述两种方法回收荒煤气的热量，另一部分则将饱和蒸汽通入上升管换热器中，饱和蒸汽吸收荒煤气的热量变成高温的过热蒸汽，该高温的过热蒸汽则被送到化产工艺中，替换了常规采用管式炉。焦炉上升管荒煤气高温显热回收利用装置，具体结构的实施方式见图1-5中的工艺：
实施方式一为：
包括有上升管过热器5、上升管蒸发器1、汽包2、第一循环泵3、蒸氨用水加热器4；上升管过热器5连通上升管蒸发器1，上升管蒸发器1出口端连接汽包2的一进口端，汽包2的一出口端连通循环泵3入口端，循环泵3出口端端连通蒸氨用水加热器4的进口端，蒸氨用水加热器4的出口端连通上升管蒸发器1进口端；其中汽包2内部设置有富油通道，汽包2上设置有富油进口端口和富油出口端口，富油通道用于对内部的富油进行换热加热处理；循环泵3内部可以设置为水媒介。本方式可替代富油脱苯的管式炉。
实施方式二为：
包括上升管过热器5、上升管蒸发器1、汽包2、循环泵3、蒸氨用水加热器4、富油加热器6；上升管蒸发器1出口端连接汽包2的一进口端，汽包2的一出口端连通循环泵3入口端，循环泵3出口端端连通富油加热器6的进口端，富油加热器6的出口端连通蒸氨用水加热器4的进口端，蒸氨用水加热器4的出口端连通上升管蒸发器1进口端；其中汽包2内部及循环泵3内部可以设置为水媒介。本方式可替代富油脱苯的管式炉。
汽包2内部设置有富油通道，富油通道与汽包内的蒸汽换热，对富油通道内的富油进行加热处理，当蒸汽加热富油的换热面积较大时，换热面可设置于汽包的上方，换热面与汽包之间由上升、下降连通管联通，蒸汽通过上升连通管向上进入换热面，冷凝水通过下降连通管进入汽包内。
所述汽包2内的饱和蒸汽出口可不与上升管过热器5的蒸汽进口连接，或者也可与上升管过热器5的蒸汽进口连接，蒸汽经过上升管过热器5继续加热后形成过热蒸汽。
实施方式三为：
包括上升管蒸发器1、汽包2、循环泵3；上升管蒸发器1出口端连接汽包2的一进口端，汽包2的一出口端连通循环泵3入口端，循环泵3出口端端连通上升管蒸发器1进口端；其中汽包2内部及循环泵3内部可以设置为水媒介。
汽包2内部设置有贫油通道，贫油通道与汽包内的蒸汽换热，对贫油通道内的贫油进行加热处理，当蒸汽加热贫油的换热面积较大时，换热面可设置于汽包的上方，换热面与汽包之间由上升、下降连通管联通，蒸汽通过上升连通管向上进入换热面，冷凝水通过下降连通管进入汽包内。本方式可替代贫油脱苯的管式炉。
实施方式四为：
包括上升管过热器5、上升管换热器7、富油加热器6、蒸氨用水加热器4、导热油蒸发器8、循环泵3，其中上升管换热器7出口端连接有富油加热器6的进口端，富油加热器6的出口端连接蒸氨用水加热器4进口端，蒸氨用水加热器4出口端连接导热油蒸发器8进口端，导热油蒸发器8出口端连接循环泵3进口端，循环泵3的出口端连通上升管换热器7的进口端；循环泵3内部设置有导热油媒介。本方式可替代富油脱苯的管式炉。
实施方式五为：
包括上升管换热器7，其中上升管换热器7出口端连接有贫油加热器9入口端，贫油加热器9的出口端连接导热油蒸发器8进口端，导热油蒸发器8出口端连接循环泵3进口端，循环泵3的出口端连通上升管换热器7的进口端；循环泵3内部设置有导热油媒介。本方式可替代贫油脱苯的管式炉。
实施方式一采用蒸汽加热富油、泵后热水加热蒸氨用水，替换富油管式炉；实施方式二采用泵后热水加热富油、加热蒸氨用水，替换了常规的富油管式炉。实施方式三采用蒸汽加热贫油，替换了常规的贫油管式炉。实施方式四采用高温导热油加热富油、加热蒸氨用水，替换了常规的富油管式炉。实施方式五采用高温导热油加热贫油，替换了常规的贫油管式炉。
同时，本发明中上升管换热器7包括内筒71、换热管72、自然冷却管73、管帽74、导热层75，其中换热管72和自然冷却管73沉埋在导热层75内部；内筒71的外壁上相间地交替螺旋地缠绕有换热管72和自然冷却管73；自然冷却管73由多组段组成，每一组段均设置有一组与外界空气相通的进口端、出口端，管帽74固定安装在进口端处。在导热层75外层设置有一层保温层76，用来进行保温，减少散热。还包括有外筒77，外筒77设置在保温层76的外侧面，用于固定保温层76及内部结构。
其中自然冷却管73分段数量，可根据物理力学来计算，以保证每段的管内空气受到的浮力足以克服流动阻力来确定应该设置多少组的自然冷却管。
为了克服流动阻力、保证空气循环速度，每根自然冷却风管内部的空气动力应满足：
ΔH≥ΔP，其中ΔH为流动动力，ΔP为流动阻力；
ΔH＝Δρgh，Δρ为空气进出口的密度差，g为重力加速度，h为进出口的高度差；
ΔP＝(λL/d+Σξ)ρu2/2，λ为沿程阻力系数，L为管长，d为冷却风管的内径，Σξ为局部阻力系数之和；
工况流速为u＝G/(ρπd2/4)；
G为空气的质量流量，ρ为空气的平均温度对应的密度，平均温度为t＝(t1+t2)/2，t1为进口温度，t2为出口温度；
自然冷却风管的换热量为Q，等于空气的吸热量，Q＝GCp(t2-t1)，Cp为空气的平均温度对应的比热。
自然冷却管73进口的管帽74在上升管换热器正常工作时是闭合的不打开，当上升管换热器7的停电泵不运转时，管帽74才处于打开状态。当停电时，驱动水或热媒的泵停止运转，换热管内流经的水或热媒就会断流，造成上升管换热器处于干烧状态。此时，可迅速旋下自然冷却管的进口处的管帽74，由于自然冷却管的出口位于相对上方，外界的环境冷空气进入自然冷却管，吸收上升管换热器内各部件积蓄的热量变成热空气，由于热空气的密度比冷空气的密度小，热空气在此密度差产生的浮力作用下会沿自然冷却管内螺旋线地向上流动，至出口处排放到大气中，达到了干烧时对上升管换热器内的其他部件的降温目的，起到保护上升管换热器的作用。同时本发明中设置热风出口处的管口为坡形，可防止雨水进入自然冷却管。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种焦炉上升管荒煤气高温显热回收利用装置，其特征在于：包括分别独立地设置于焦炉炉顶的第一上升管换热器(7)，还包括换热装置、循环泵(3)，所述第一上升管换热器(7)、换热装置、循环泵(3)连接成环形成一个换热循环，换热循环中采用水、导热油或其他热媒作为换热介质；第一上升管换热器(7)用于将上升管中的高温荒煤气的热量回收，水变成饱和蒸汽或者低温热媒变成高温热媒，换热装置用于将回收的热量传递至煤化工生产工艺上的富油、贫油、或蒸氨用水；换热介质在循环泵的驱动下通过第一上升管换热器(7)吸热后成为汽水混合物或高温热媒，再通过换热装置后降温，再次进入循环泵，完成一个循环。
2.根据权利要求1所述的焦炉上升管荒煤气高温显热回收利用装置，其特征在于：所述换热装置为汽包(2)、蒸氨用水加热器(4)、富油加热器(6)、导热油蒸发器(8)、贫油加热器(9)中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的焦炉上升管荒煤气高温显热回收利用装置，其特征在于：还包括独立地设置于焦炉炉顶的第二上升管换热器(5)；第二上升管换热器(5)中通入蒸汽，蒸汽在第二上升管换热器(5)中吸收热量变成过热蒸汽外送至煤化工生产工艺。
4.根据权利要求3所述的焦炉上升管荒煤气高温显热回收利用装置，其特征在于：上升管蒸发器(1)的换热介质的出口端连接汽包(2)的一进口端，汽包(2)的一出口端连通循环泵(3)的入口端，循环泵(3)的出口端连通蒸氨用水加热器(4)的进口端，蒸氨用水加热器(4)的出口端连通上升管蒸发器(1)的换热介质的进口端，完成一个循环。
5.根据权利要求3所述的焦炉上升管荒煤气高温显热回收利用装置，其特征在于：上升管蒸发器(1)的换热介质的出口端连接汽包(2)的一进口端，汽包(2)的一出口端连通循环泵(3)入口端，循环泵(3)出口端连通富油加热器(6)的进口端，富油加热器(6)的出口端连通蒸氨用水加热器(4)的进口端，蒸氨用水加热器(4)的出口端连通上升管蒸发器(1)的换热介质的进口端，完成一个循环。
6.根据权利要求3所述的焦炉上升管荒煤气高温显热回收利用装置，其特征在于：上升管蒸发器(1)的换热介质的出口端连接汽包(2)的一进口端，汽包(2)的一出口端连通循环泵(3)的入口端，循环泵(3)的出口端连通上升管蒸发器(1)的换热介质的进口端，完成一个循环。
7.根据权利要求4所述的焦炉上升管荒煤气高温显热回收利用装置，其特征在于：汽包(2)内部设置有富油或贫油通道，富油或贫油通道与汽包内的蒸汽换热，对富油或贫油通道内的富油或贫油进行加热处理，当蒸汽加热富油或贫油的换热面积较大时，换热装置可设置于汽包(2)的上方，换热装置与汽包(2)之间由上升、下降连通管连通，蒸汽通过上升连通管向上进入换热装置，冷凝水通过下降连通管进入汽包内。
8.根据权利要求7所述的焦炉上升管荒煤气高温显热回收利用装置，其特征在于：所述汽包(2)内的饱和蒸汽出口与第二上升管换热器(5)的蒸汽进口连接，蒸汽经过第二上升管换热器(5)继续加热后形成过热蒸汽。
9.根据权利要求1所述的焦炉上升管荒煤气高温显热回收利用装置，其特征在于：第一上升管换热器(7)的换热介质(导热油)的出口端连接富油加热器(6)的进口端，富油加热器(6)的出口端连通蒸氨用水加热器(4)的进口端，蒸氨用水加热器(4)的出口端连通导热油蒸发器(8)进口端，导热油蒸发器(8)出口端连接循环泵(3)进口端，循环泵(3)的出口端连通第一上升管换热器(7)进口端，完成一个循环。
10.根据权利要求1所述的焦炉上升管荒煤气高温显热回收利用装置，其特征在于：第一上升管换热器(7)的换热介质(导热油)的出口端连接贫油加热器(9)入口端，贫油加热器(9)的出口端连接导热油蒸发器(8)进口端，导热油蒸发器(8)出口端连接循环泵(3)进口端，循环泵(3)的出口端连通第一上升管换热器(7)的进口端，完成一个循环。
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