CN111238245A - 一种无管式炉脱苯的余热回收装置及工艺 - Google Patents

Abstract

一种无管式炉脱苯的余热回收装置及工艺，属于煤化工蒸苯生产工艺技术领域，可解决现有煤化工生产过程中焦炉产生的荒煤气在产生和使用过程中资源的浪费的问题，包括如下步骤：除氧水经过除氧给水泵送入汽包，汽包内的水有强制循环泵打入上升管换热器Ⅰ吸收高温荒煤气的显热，产生的气液混合物再返回汽包，气液混合物在汽包内进行汽水分离，产出的饱和蒸汽一部分并入蒸汽管网，另一部分饱和蒸汽进入上升管换热器Ⅱ再次换热成过热蒸汽进入富油加热器蒸苯，汽水分离后产出的饱和水进入上升管换热器Ⅰ继续进行循环。采用本工艺后，既能节约投资，又能减少许多设备的维护费用，成本随之大幅度降低。

Description

一种无管式炉脱苯的余热回收装置及工艺

技术领域

本发明属于煤化工蒸苯生产工艺技术领域，具体涉及一种无管式炉脱苯的余热回收装置及工艺。

背景技术

随着全球能源危机的日益严重，环境形势的日趋严峻，传统煤化工工业投资越来越大，成本越来越高，利润越来越低，煤化工产品对能源的消耗成为了凸显问题，另一方面人们对生存环境的高度重视，与之相应的环境法规逐渐严格，使煤化工节能的呼声日趋高涨，节能减排、清洁生产、降低成本已成为煤化工发展的重要方向。

传统煤化工生产过程中焦炉产生的荒煤气由上升管、上升管体、上升管内衬硅砖、桥管、氨水喷头，经氨水喷洒使煤气冷却的方式，荒煤气在产生和使用过程中温度由800±50℃冷却到80±50℃，这个过程中的热能白浪费掉；在煤化工后续脱苯生产中又需要用煤气加热管式炉，而浪费煤气。

发明内容

本发明针对现有煤化工生产过程中焦炉产生的荒煤气在产生和使用过程中资源的浪费的问题，提供一种无管式炉脱苯的余热回收装置及工艺。

本发明采用如下技术方案：

一种无管式炉脱苯的余热回收装置，包括除氧水槽、除氧给水泵、汽包、上升管换热器和强制循环泵，所述上升管换热器包括上升管换热器Ⅰ和上升管换热器Ⅱ，除氧水槽的出水口与除氧给水泵的进水口连接，除氧给水泵的出水口与汽包一侧的进水口连接，汽包底部的出水口与强制循环泵的进水口连接，强制循环泵的出水口与上升管换热器Ⅰ的进水口连接，上升管换热器Ⅰ的出水口与汽包另一侧的进水口连接，汽包顶部的出水口Ⅰ与用户蒸汽管网连接，汽包顶部的出水口Ⅱ与上升管换热器Ⅱ的进水口连接，上升管换热器Ⅱ的出水口与用户蒸汽管网连接。

所述上升管换热器Ⅰ和汽包另一侧的进水口之间依次设有三通桥管和监测装置。

所述上升管换热器Ⅱ的出水口与用户蒸汽管网之间依次设有三通桥管和监测装置。

所述上升管换热器包括采用硅铝合金复合材料制备的上升管体，上升管体的外侧由内至外依次设有内壁、水套管换热器和外壁，所述内壁由内至外包括纳米导热层、耐磨耐腐合金层和金属导热体Ⅰ，所述外壁由外至内包括不锈钢保护套、纳米保温层和金属导热体Ⅱ，上升管体的两侧分别设有进水口和出水口。

所述三通桥管包括由耐高温球墨铸铁铸造而成的桥管弯头，桥管弯头两端分别连接有法兰，一端的法兰分别与上升管换热器Ⅰ和上升管换热器Ⅱ连接，另一端的法兰分别与汽包和用户蒸汽管网的集气管连接，桥管弯头的侧壁上部设有用于喷射高压氨水的喷头。

一种无管式炉脱苯的余热回收工艺，包括如下步骤：除氧水经过除氧给水泵送入汽包，汽包内的水由强制循环泵打入上升管换热器Ⅰ吸收高温荒煤气的显热，产生的气液混合物再返回汽包，气液混合物在汽包内进行汽水分离，产出的饱和蒸汽一部分并入用户蒸汽管网，另一部分饱和蒸汽进入上升管换热器Ⅱ再次换热成过热蒸汽进入富油加热器蒸苯，汽水分离后产出的饱和水进入上升管换热器Ⅰ继续进行循环。

本发明的有益效果如下：

本发明利用生产过程中的荒煤气余热产生蒸汽，进而产生饱和蒸汽，取代管式炉加热，性能好、产生废物少、消耗原材料少，具有明显的节能、降低成本作用，采用本工艺后，既能节约投资，又能减少许多设备的维护费用，成本随之大幅度降低。

本发明的上升管换热器有效消除了周期性热应力的破坏问题。该装置与传统换热器相比，具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、使用寿命长、换热效率高等优点，且能够满足余热资源节能回收利用周期短、效果好的要求。

附图说明

图1为本发明的余热回收工艺流程图；

图2为本发明的上升管换热器的结构示意图；

图3为本发明的三通桥管的结构示意图；

其中：1-除氧给水泵；2-汽包；3-强制循环泵；4-上升管换热器Ⅰ；5-上升管换热器Ⅱ；6-三通桥管；7-监测装置；8-纳米导热层；9-耐磨耐腐合金层；10-金属导热体Ⅰ；11-不锈钢保护套；12-纳米保温层；13-金属导热体Ⅱ；14-水套管换热器；15-进水口；16-出水口；17-桥管弯头；18-法兰；19-喷头。

具体实施方式

结合附图，对本发明做进一步说明。

如图所示，一种无管式炉脱苯的余热回收装置，包括除氧水槽、除氧给水泵1、汽包2、上升管换热器和强制循环泵3，所述上升管换热器包括上升管换热器Ⅰ4和上升管换热器Ⅱ5，除氧水槽的出水口与除氧给水泵1的进水口连接，除氧给水泵1的出水口与汽包2一侧的进水口连接，汽包2底部的出水口与强制循环泵3的进水口连接，强制循环泵3的出水口与上升管换热器Ⅰ4的进水口连接，上升管换热器Ⅰ4的出水口与汽包2另一侧的进水口连接，汽包2顶部的出水口Ⅰ与用户蒸汽管网连接，汽包2顶部的出水口Ⅱ与上升管换热器Ⅱ5的进水口连接，上升管换热器Ⅱ5的出水口与用户蒸汽管网连接。

所述上升管换热器Ⅰ4和汽包2另一侧的进水口之间依次设有三通桥管6和监测装置7。

所述上升管换热器Ⅱ5的出水口与用户蒸汽管网之间依次设有三通桥管6和监测装置7。

所述上升管换热器包括采用硅铝合金复合材料制备的上升管体，上升管体的外侧由内至外依次设有内壁、水套管换热器14和外壁，所述内壁由内至外包括纳米导热层8、耐磨耐腐合金层9和金属导热体Ⅰ10，所述外壁由外至内包括不锈钢保护套11、纳米保温层12和金属导热体Ⅱ13，上升管体的两侧分别设有进水口15和出水口16。

所述三通桥管6包括由耐高温球墨铸铁铸造而成的桥管弯头17，桥管弯头17两端分别连接有法兰18，一端的法兰18分别与上升管换热器Ⅰ4和上升管换热器Ⅱ5连接，另一端的法兰18分别与汽包2和用户蒸汽管网的集气管连接，桥管弯头17的侧壁上部设有用于喷射高压氨水的喷头19。三通桥管连接了集气管、高压氨水、上升管换热器三大部分，是荒煤气的重要交通要道。

上升管换热器的内壁的纳米导热层既可以保证上升管筒体内壁表面的光滑平整，又能将热量快速的向外传递，防止内壁温度持续偏高导致大面积结焦现象的发生；纳米导热层采用非金属材料制成，喷涂在一种耐磨耐腐合金内表面；耐磨耐腐合金层采用高温抗腐蚀材质，具有较好的抗氧化、渗碳、渗氮特性，可以很好的适应上升管内部这种长期高温及复杂物理化学腐蚀环境，从而有效延长换热器的使用寿命；最外一层为金属导热体，这种导热体的特点就是导热速度快，可以将荒煤气的热量快速传递给中间层的水套管换热器，最大限度的降低内壁温度负荷，减轻设备腐蚀。

处于中间层位置的水套管换热器是余热换热系统的关键部件，除氧水在通过中间夹层过程中与高温荒煤气进行热交换，荒煤气温度由750℃被冷却至450-500℃左右，除氧水最后以气液混合物的形式进入汽包进行分离。

上升管换热器的外壁纳米保温层采用保温材料，不但可以提高热交换效率，而且可以有效控制热量向外扩散，从而显著改善原有上升管存在的表面温度过高的问题；最外一层采用的是不锈钢保护套，起到对中间层核心换热装置保护的作用。

所述上升管换热器为一个整体结构的无缝钢管，内壁为纳米导热层，导热层耐磨耐热，是防止漏水的第一层保护。在纳米导热层的外侧是耐磨耐腐耐高温的合金材料，经过2600℃以上高温熔化成型的一种无缝管结构型式，是防止漏水的第二层保护。在合金材料层的外侧是金属导热体材料，也就是无缝钢管，是防止漏水的第三层保护。水-汽换热在封闭空间内进行，封闭空间在上升管内筒外侧，经过三层保护，水汽不会渗漏至炭化室。

纳米导热材料由单晶硅粉、硅酸铝、纳米级硅粉、纳米级氮化铝、纳米高温陶瓷微珠、过渡族元素氧化铬、氧化锆组成，其中相应成分的重量占比分别为5%：65%：2%：8%：13%：4%：3%。

上升管换热器的三层结构结合为一体，在工艺上，硅铝合金材料和纳米防腐耐高温耐磨材料通过合理的配比，在无缝钢金属管道内利用自蔓延燃烧工艺将这两种材质和无缝钢管烧制结合，可以起到耐磨、耐高温和耐腐蚀的作用，并加装空气助燃系统，一旦结焦通入高压空气，利用高压产生高速离心旋转，松动结焦层并利用高温将结焦燃烧掉。

三通桥管装置可使上升管中荒煤气的热量在流动过程中能够均匀的分布到上升管内壁，从而有利于加大上升管换热器的换热量，在进水管口和出水管口设置有导流板。内侧设置了一层由耐火粉料、过渡族元素氧化物和氧化锆、硅酸盐耐火材料等组成的耐高温且导热性能较强的耐高温的导热涂层，可以防止烟气对换热器的高温腐蚀，提高辐射传热能力，显著提高了热传递效果及能源的利用率。外壁上设有隔热保温层，隔热保温层由高温粘结剂、纳米高温陶瓷微珠、高温填料、添加剂组成，该设计的作用在于将换热通道内部的热量不至于迅速散布到外面，一方面使得外界温度得到有效降低，保护环境，另一方面使得热量不外散，保证内部换热通道内的充分热交换。

由于焦炉操作环境恶劣，荒煤气的温度及流量波动较大，上升管换热器在运行过程中受到的冲击较大，为了保证上升管换热器安全平稳运行，需要对上升管换热器的运行状态进行实时监测。为了防止焦炉上升管换热器出现泄露或断水干烧情况造成的损坏，实时监控焦炉上升管的运行状态。

焦炉上升管的内筒与中筒之间形成的夹层为内夹层，中筒与外筒之间形成的夹层为外夹层，进液管、出液管和内夹层相通。在外筒上开设有与外夹层连通的泄漏孔。在上升管外壁内保温层设置有用于实时测量换热器外筒温度的测温元件，以及用于测温元件所发出的信号的控制器，该控制器连接有报警装置。而在上升管换热器发生泄漏时，蒸汽或水进入外夹层中，并通过泄漏孔向外冒出，可直观地检查出发生泄漏的上升管换热器，便于及时检修。同样，位于上升管外壁内保温层的测温仪能够获得换热器的温度，当超过设定范围时，通过上面的报警装置产生报警。可高效率地实时监测上升管换热器的工作状态。

该监测装置的开发应用，能够对焦炉上升管换热器运行状态进行实时监测，可有效避免上升管换热器出现泄露或断水干烧等事故。

一种无管式炉脱苯的余热回收工艺，包括如下步骤：除氧水经过除氧给水泵送入汽包，汽包内的水有强制循环泵打入上升管换热器Ⅰ吸收高温荒煤气（约750℃）的显热，产生的气液混合物再返回汽包，气液混合物在汽包内进行汽水分离，产出的饱和蒸汽一部分并入蒸汽管网，另一部分饱和蒸汽进入上升管换热器Ⅱ再次换热成过热蒸汽进入富油加热器蒸苯，汽水分离后产出的饱和水进入上升管换热器Ⅰ继续进行循环。循环倍率约为4-6倍。

采用水—蒸汽—水封闭循环，通过利用上升管换热器及配套系统，吸收荒煤气显热后产生0.6-1.2MPa（表压）的蒸汽与现有的蒸汽管网并网。

（1）上升管换热器

数量：上升管换热器110套，另外加送2套作为备件。

主要参数：φ710（外径）×φ550（内径），内径与原上升管相同，L=2999mm，设计压力：p=1.5MPa，工作压力：pc=1.2MPa，设计温度：175℃。

每台换热器进水处设置手动切断阀门，出口处设置手动切断阀门，切断阀门均为2道，1道焊接连接，1道法兰连接。

（2）上升管换热器

数量：上升管换热器10套，另外加送1套作为备件。

主要参数：φ760（外径）×φ550（内径），内径与原上升管相同，L=2999mm，设计压力：p=1.5MPa，工作压力：pc=0.5MPa，设计温度：330℃，工作温度：280℃。

每台换热器进水处设置手动切断阀门，出口处设置手动切断阀门，切断阀门均为2道，1道焊接连接，1道法兰连接。

富油换热器

数量：1套，设计压力：管程1MPa，壳程1.5MPa；蒸汽进口设有流量计、压力表、温度计等。

蒸汽温度192℃，蒸汽工作压力1.2MPa，蒸汽量5-6吨/h ，富油流量110吨/h，富油进口温度140℃，富油出口温度170-185℃，富油工作压力（泵出口）0.8MPa，富油换热器换热面积为350m²，换热管材质为316L，换热器壳体材质为3459R。

富油换热器设置蒸汽安全阀、放散阀。管口均设置一次阀门。故障时富油排放管线，排放至地池处。

设置温度、压力现场及远程监侧。

布置在脱苯塔框架四层处。设计压力：1.5MPa；工作压力：1.2MPa；温度：200℃；容积：3m³；材质：Q345R；布置在低于富油换热器2m以上位置；设置磁翻板液位计（带远传功能），与冷凝液泵变频连锁，控制液位。设置安全阀、排放。

数量：2台，1用1备。

单台参数：流量12m³/h、扬程60m，使用温度200℃，耐压1. 5MPa，机械密封，配套变频圈爆电机4kw。防爆等级为d II BT6。

冷凝液泵布置在富油换热器平台下泵房内，循环水由附近循环水总网接取。

富油换热器使用的饱和蒸汽来自上升管余热回收利用系统产出饱和蒸汽。

脱苯塔及再生器所用过热蒸汽来自于上升管余热回收利用系统产出过热蒸汽，上升管过热器总管处设置放散阀，与温度连锁。过热蒸汽的流量控制利用现有控制完成。

管路主要包括低压蒸汽管道、凝结水管道、富油管道等，均采用架空敷设管道，管道采用硅酸铝保温，厚度80-100mm，外保护层采用0.5mm的铝板。

饱和蒸汽、过热蒸汽及冷凝液管道敷设过程中充分考虑焦炉及现有管廊承受能力，亦考虑设计的管道支撑长度，在通过煤气通廊时，需要敷设衍架的必须设置。

水泵供电采用380V，照明电压采用220V。

2台变频冷凝液泵采用变频调速装置进行调速控制。

所有传动控制设备均采用机旁手动控制和计算机集中控制两种操作模式。机旁操作为调试、检修时的操作模式，计算机操作为正常生产情况下联控操作模式。控制方式以PLC自动控制为主，同时设现场操作箱，可实现手动功能。

低压变频器：采用ABB变频器。

仪表与电信主要包括富油换热器、冷凝液槽、变频冷凝液泵等设备工序的过程检测、控制。

生产过程参数的检测和控制仪表以满足生产要求为原则，并与工艺整体设备水平和工厂的自动化技术水平相适应。生产过程参数的采集、控制、显示、报警灯功能由PLC完成。

按设备具备先进性、可靠性、稳定性，经济合理、维护方便、使用简便、测量点设置满足工艺控制需要的原则，防护等级为IP65，地下设备选型防护等级IP68。

汽包及配套设施

数量：2套；参数：设计压力：1.5MPa（G），工作压力：0.4~1.3MPa（G），额定蒸发量：15t/h；采用2台单窗式磁敏双色液位计就地显示，2套平衡容器远传。每台汽包设置两个安全阀。

一座焦炉对应一台汽包，年检时两座焦炉共用一台汽包，另一台检修，保证不影响系统连续生产。

汽包辅助系统主要包括：

排污系统：汽包、除氧器等均设有排污出水口，可定期清除内部残留污物及水垢，系统配置1台2m³定排扩容器。汽包设置事故紧急放水，当汽包水位高于紧急水位时，打开电动事故放水阀，防止汽包满水。

放空、放散、放净系统：在系统的最高点，设置放气点，当上水和启动时，排出锅炉系统内空气和不凝结气体，放气阀位置设于便于运行操作处；为保证系统安全，汽包设有安全阀，供事故状态泄压；汽包本体范围内的设备、管道的最低点设置疏、放水点，确保疏、放水的畅通，疏水阀位置便于运行操作。

除氧器，处理能力为15t/h的旋膜热力除氧器一台，工作压力0.02MPa，工作温104，无明显尾气排放。

除盐水箱，1 台装配隔板开式除盐水箱 24m³，材质不锈钢 304。

水泵，两台除氧水泵（一用一备），两台汽包给水泵（一用一备），四台变频强制循环泵（两用两备）。

加药系统，为防止给水中存在微量钙在汽包内形成坚硬的钙垢，采用炉水中加入磷酸三钠的处理方法，使钙与磷酸三钠形成水渣并随污水排出，同时可防止碱性腐蚀。加药系统包括 1 台电动搅拌磷酸盐溶液箱及两台磷酸盐溶液加药泵，加药点设在汽包上。

冷却取样器，材质：不锈钢；数量：3 台。分别用于给水取样，炉水取样，低压蒸汽取样。

Claims (6)

1.一种无管式炉脱苯的余热回收装置，其特征在于：包括除氧水槽、除氧给水泵（1）、汽包（2）、上升管换热器和强制循环泵（3），所述上升管换热器包括上升管换热器Ⅰ（4）和上升管换热器Ⅱ（5），除氧水槽的出水口与除氧给水泵（1）的进水口连接，除氧给水泵（1）的出水口与汽包（2）一侧的进水口连接，汽包（2）底部的出水口与强制循环泵（3）的进水口连接，强制循环泵（3）的出水口与上升管换热器Ⅰ（4）的进水口连接，上升管换热器Ⅰ（4）的出水口与汽包（2）另一侧的进水口连接，汽包（2）顶部的出水口Ⅰ与用户蒸汽管网连接，汽包（2）顶部的出水口Ⅱ与上升管换热器Ⅱ（5）的进水口连接，上升管换热器Ⅱ（5）的出水口与用户蒸汽管网连接。

2.根据权利要求1所述的一种无管式炉脱苯的余热回收装置，其特征在于：所述上升管换热器Ⅰ（4）和汽包（2）另一侧的进水口之间依次设有三通桥管（6）和监测装置（7）。

3.根据权利要求1所述的一种无管式炉脱苯的余热回收装置，其特征在于：所述上升管换热器Ⅱ（5）的出水口与用户蒸汽管网之间依次设有三通桥管（6）和监测装置（7）。

4.根据权利要求1所述的一种无管式炉脱苯的余热回收装置，其特征在于：所述上升管换热器包括采用硅铝合金复合材料制备的上升管体，上升管体的外侧由内至外依次设有内壁、水套管换热器（14）和外壁，所述内壁由内至外包括纳米导热层（8）、耐磨耐腐合金层（9）和金属导热体Ⅰ（10），所述外壁由外至内包括不锈钢保护套（11）、纳米保温层（12）和金属导热体Ⅱ（13），上升管体的两侧分别设有进水口（15）和出水口（16）。

5.根据权利要求2所述的一种无管式炉脱苯的余热回收装置，其特征在于：所述三通桥管（6）包括由耐高温球墨铸铁铸造而成的桥管弯头（17），桥管弯头（17）两端分别连接有法兰（18），一端的法兰（18）分别与上升管换热器Ⅰ（4）和上升管换热器Ⅱ（5）连接，另一端的法兰（18）分别与汽包（2）和用户蒸汽管网的集气管连接，桥管弯头（17）的侧壁上部设有用于喷射高压氨水的喷头（19）。

6.一种无管式炉脱苯的余热回收工艺，其特征在于：包括如下步骤：除氧水经过除氧给水泵（1）送入汽包（2），汽包（2）内的水由强制循环泵（3）打入上升管换热器Ⅰ（4）吸收高温荒煤气的显热，产生的气液混合物再返回汽包（2），气液混合物在汽包（2）内进行汽水分离，产出的饱和蒸汽一部分并入用户蒸汽管网，另一部分饱和蒸汽进入上升管换热器Ⅱ（5）再次换热成过热蒸汽进入富油加热器蒸苯，汽水分离后产出的饱和水进入上升管换热器Ⅰ（4）继续进行循环。

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