CN114836223A - 一种焦炉上升管余热回收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种焦炉上升管余热回收系统，属于余热回收技术领域。该系统包括焦炉上升管，焦炉上升管内设有进液压力单元、蒸汽压力单元和换热单元，所述进液压力单元包括进液压力容器，所述进液压力容器侧面设有进液管，底部设有进液口，进液口与换热管内壁上端连接；所述蒸汽压力单元包括蒸汽压力容器，所述蒸汽压力容器侧面设有出汽管，底部设有出汽口，出汽口与换热管外壁上端连接；所述换热单元设于进液压力容器和蒸汽压力容器下方，其包括至少一根换热管，换热管内壁和换热管外壁之间设有空腔，所述空腔中设有肋片，所述肋片固定在换热管内壁上。本发明的余热回收系统换热效果增强，实现了荒煤气余热高效回收与利用。
Description
技术领域
本发明属于余热回收技术领域，更具体地说，涉及一种焦炉上升管余热回收系统。
背景技术
炼焦作为炼钢行业重要的一环，占能源总耗的70％～80％，其中荒煤气带走的热量又占炼焦能源消耗的36％左右。如果能对其进行有效的余热回收，那么就能获得极大的经济效益。理论数据表明，每生产1吨红焦产生的高温荒煤气余热回收后至少能产生0.1吨0.6兆帕蒸汽，节能潜力巨大。因此，荒煤气的余热回收对节能减排的意义重大，是焦化厂提高资源利用率的有效途径之一。换热器是一种将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，已经广泛应用于各种工业领域，在生产过程中占有重要地位。目前焦化厂荒煤气余热回收的研究，大多数都是在焦炉上升管部分进行热交换。而目前市场上大多采用传统的水夹套式换热器对焦炉上升管荒煤气进行余热回收，水夹套式换热器最大的问题是采用上升管外包覆式的结构会导致换热效率很低，水夹套式换热器为了防止漏水，往往需要20毫米的壁厚，这会极大降低了水夹套式换热器的传热系数；其次，水夹套式换热器的结构决定了夹套类水走的流程为单向前进，这就导致了荒煤气在水夹套换热器换热过程中的停留时间很短，大概不到3秒钟的时间，从而使得换热时间很短，这会极大减弱换热效率。如CN2444950Y、CN101614498A。
为解决这一问题，专利CN103320149A公开了一种焦炉上升管荒煤气余热回收系统，包括上升管换热器，所述上升管换热器包括外套筒，所述外套筒的内壁连接有内套筒，形成双套筒结构，所述内套筒的中心处设有中心管，所述外套筒、内套筒和中心管的底部设有分流及汇流通道，所述内套筒的内壁和中心管的外壁均设有受热面；所述外套筒和内套筒的顶部连接处设有波纹管折流区，中心管的顶部设有中心管折流区；所述外套筒、内套筒和中心管内均设有螺旋回流通道。所述冷却气体从进口处分成二路进入到外套筒及中心管中间的螺旋回流通道内，由下而上，然后分别经波纹管折流区和中心管折流区再至上而下，通过受热面经荒煤气加热后的冷却气体通过底部出口汇集。但该发明的荒煤气在上升管内与换热器的换热时间短，换热效率低，且该换热器的结构稳定性较差，中心管在气体的冲击下易断裂且汇流通道放置上升管荒煤气进口端需要承受很高的温度，寿命更短。
此外，专利CN102925165A公开了上升管换热器由内、外套管构成，内、外套管之间设多股螺旋回流通道，内、外套管两端各设一个汇流集箱。荒煤气通过焦炉炉顶的上升管换热器，将荒煤气的热量传递给在上升管换热器套管内设多股螺旋回流通道中流动空气或惰性气体，受热后的空气通过上升管换热器的上部汇流集箱后流入到主集气管。该发明冷却效率有限，且其利用大量空气或惰性气体进行冷却，耗能大。专利CN110822400A公开了一种上升管换热器包括导热内筒、盘管、外筒、保温层、外护板和漏水监测装置，所述导热内筒、盘管、外筒、保温层和外护板由内向外依次排布连接为一体，所述漏水监测装置安装在底部且测试端位于所述导热内筒与外筒间的空腔内；所述上升管换热器的底端通过法兰与焦炉连接，所述焦炉排出的荒煤气通过管道传输至所述导热内筒内；所述导热内筒具体设计为多层结构，包括由内向外设置的纳米导热层、耐高温耐腐蚀合金层和导热体层，专利CN111721145A包括内管、外管和换热管，所述内管和外管同心套设，所述换热管置于内管和外管之间；本发明还包括翅片，所述换热管通过翅片连接于内管，所述翅片横截面为弧形板或折弯板，所述翅片两自由端分别与内管和换热管连接，以上技术方案的上升管换热器中，冷却介质均为下进上出形式，冷却形式为单程冷却，换热时间短、换热效率有限。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有技术中荒煤气余热回收装置换热时间短、换热效率低的问题，本发明提供一种焦炉上升管余热回收系统，该系统有效增强换热效果，实现荒煤气余热高效回收与利用。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种焦炉上升管余热回收系统，包括焦炉上升管，所述焦炉上升管内设有进液压力单元、蒸汽压力单元和换热单元，
所述焦炉上升管内壁设有耐火砖，用于放置进液压力单元和蒸汽压力单元；
所述进液压力单元包括进液压力容器，所述进液压力容器侧面设有进液管，底部设有进液口；
所述蒸汽压力单元包括蒸汽压力容器，所述蒸汽压力容器侧面设有出汽管，底部设有出汽口，所述进液压力容器和蒸汽压力容器之间设有隔板；
所述换热单元设于进液压力容器和蒸汽压力容器下方，其包括至少一根换热管，所述换热管和进液口、出汽管连接连通，用于实现气液换热。其中，液体可以是水，也可以是液氮等可以实现换热的液体。
在一种实现方式中，所述换热管包括换热管通孔、换热管内壁、换热管外壁和换热管下壁，所述换热管通孔贯穿换热管，所述换热管内壁和换热管外壁之间设有空腔，所述空腔中设有肋片，所述肋片固定在换热管内壁上。换热管下壁和换热管外壁下端与托盘固定连接，一方面利用托盘固定换热管下端，方便安装和拆卸，另一方面，气液由换热管上端落入下端时伴随冲击力，对耐火砖的承受力考验较大，因此将换热管下端于托盘固定，分散竖直方向上的冲击力。
此外，现有技术中其他气液交换形式如喷淋，都可以实现本发明余热回收系统的换热。
所述进液压力单元和蒸汽压力单元的上下位置可互换，即进液压力单元可在蒸汽压力单元的上方，也可在蒸汽压力单元的下方。
当进液压力单元位于蒸汽压力单元上方时，所述换热管内壁上端连接进液压力容器底部的进液口，下端通至换热管下壁的上方，所述换热管外壁上端连接蒸汽压力容器底部的出汽口，下端与换热管下壁连接，液体从进液管进入进液压力容器，由底部的进液口通过换热管通孔，经过换热，得到的蒸汽由换热管内壁和换热管外壁之间的空腔上升，经肋片强化换热，通过出汽口进入蒸汽压力容器中，由出汽管排出至蒸汽汇总管，实现了换热介质双程流向换热，从而提升了换热效率。
当进液压力容器位于蒸汽压力容器下方时，所述换热管内壁上端连接进液压力容器底部的进液口，下端通至换热管下壁的上端，所述换热管外壁上端连接蒸汽压力容器底部的出汽口，下端与换热管下壁连接，当水从进液管进入进液压力容器，从底部的进液口经由换热管内壁和换热管外壁之间的空腔经过一次换热，得到的蒸汽由换热管通孔上升，经肋片强化换热，通过出汽口进入蒸汽压力容器中，由出汽管排出至蒸汽汇总管。
实际使用过程中，水既可从进液管进入进液压力容器，从进液口通过换热管通孔，得到的蒸汽由换热管内壁和换热管外壁之间的空腔上升，通过出汽口进入蒸汽压力容器中，也可从出汽管进入蒸汽压力容器，从底部的出汽口经由换热管内壁和换热管外壁之间的空腔，得到的蒸汽由换热管通孔上升，通过进液口进入进液压力容器。即进液压力容器和蒸汽压力容器的功能可互换，实现功能互换的条件在于，所述进液压力容器和蒸汽压力容器的制造标准均满足使用要求，由于蒸汽压力容器的压力和温度要求高于进液压力容器，因此实际制造过程中，可以将蒸汽压力容器和进液压力容器的制造标准设为一致，也可不一致，但制造标准均需满足使用要求。
更进一步地，所述换热管的数量为6～8根。
更进一步地，所述肋片均匀间断直条式排布固定于换热管内壁，用于强化换热，所述换热管横截面肋片数目为12～16，肋片横截面形状为三角形、矩形、凹槽形或圆弧形，除此之外，横截面为其他形状的肋片固定于换热管内壁也可起到强化传热的作用，所述肋片的材质为G-钢片。
更进一步地，所述进液口直径为100～120mm，所述出汽口直径为180～200mm，所述通风孔的直径为280～300mm，所述进液压力容器和蒸汽压力容器的外侧距离焦炉上升管内壁的距离为40～50mm。
更进一步地，所述换热管内壁、换热管侧壁、换热管下壁的壁厚均为2～5mm，相比于传统的夹套式换热管提高了传热效率。
更进一步地，所述耐火砖围绕360°砌于焦炉上升管内壁，所述耐火砖的材质为氧化铝质耐火材料，可防止荒煤气酸碱性腐蚀，并且具有较高的强度。荒煤气在上升过程中流经进液压力单元、蒸汽压力单元和换热单元的外侧与焦炉上升管内壁的间隙中，由于上方耐火砖的阻挡，又折返从焦炉上升管的通风孔中流出，增大了气流的紊流度，延长了荒煤气在余热回收系统中停留的时间，进一步提高了换热效率。
更进一步地，本发明还包括气液处理单元，所述气液处理单元包括除盐除氧装置、汽包和液泵，所述除盐除氧装置与汽包通过管道A联通，所述汽包与液泵通过管道B联通，所述液泵中的液体由进液汇总管输出，分别经由进液管进入余热回收系统，各余热回收系统的出汽管与蒸汽汇总管连接，用于汇集余热回收系统产生的蒸汽，蒸汽经由蒸汽汇总管通入汽包，汽包内的蒸汽通过蒸汽管道排出。
所述汽包与蒸汽汇总管联通，所述蒸汽汇总管与至少一个出汽管联通，用于汇总出汽管的蒸汽。
所述液泵与进液汇总管联通，所述进液汇总管与至少一个进液管联通，用于将液泵打的水通入各个进液管。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的冷水从换热管进液口进入换热管内壁空间，并从出液口变成蒸汽后，通过肋片换热从出汽口排至蒸汽压力容器，实现了双程流向换热，增大了荒煤气在换热器内的换热时间，从而极大提升换热效果；
(2)本发明的换热器中增设肋片，用于换热管强化传热，提高换热效率；
(3)本发明的焦炉上升管余热回收系统中，荒煤气在上升过程中流经进液压力单元、蒸汽压力单元和换热单元的外侧与焦炉上升管内壁的间隙中，由于耐火砖的阻挡，又折返从焦炉上升管的通风孔中流出，增大了气流的紊流度，延长了荒煤气在余热回收系统中停留的时间，进一步提高了换热效率；
(4)本发明的荒煤气气体与换热器壁面直接接触，换热器壁厚较薄，增大了换热器的传热系数，相较于传统水夹套式换热器，为了防止漏水需要将换热管的壁厚加工为20mm左右，本发明的壁厚更薄，换热系数更大。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1为本发明实施例1焦炉上升管余热回收系统的三维结构剖面图；
图2为本发明实施例1焦炉上升管余热回收系统的纵截面结构示意图；
图3为本发明换热单元横截面结构示意图；
图4为本发明换热管纵截面结构示意图；
图5为本发明实施例2焦炉上升管余热回收系统的纵截面结构示意图；
图6为本发明换热器横截面的四种肋片横截面示意图；
图7为本发明焦炉上升管余热回收系统的作业流程图；
图中：
100、焦炉上升管；110、耐火砖；120、通风孔；
200、进液压力单元；210、进液压力容器；220、进液管；230、进液口；240、隔板；
300、蒸汽压力单元；310、蒸汽压力容器；320、出汽管；330、出汽口；
400、换热单元；410、换热管；411、换热管内壁；412、换热管外壁；413、换热管下壁；414、换热管通孔；420、肋片；430、出液口；440、托盘；
500、气液处理单元；510、除盐除氧装置；511、管道A；520、汽包；521、管道B；530、液泵；540、进液汇总管；550、蒸汽汇总管；560、蒸汽管道。
具体实施方式
下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。
实施例1
采用水为换热介质，水通入气液处理单元500，所述气液处理单元500包括除盐除氧装置510、汽包520和液泵530，所述除盐除氧装置510与汽包520通过管道A 511联通，所述汽包520与液泵530通过管道B 521联通，所述液泵530中的水由进液汇总管540输出，分别经由进液管220进入余热回收系统，各余热回收系统的出汽管320与蒸汽汇总管550连接，用于汇集余热回收系统产生的蒸汽，蒸汽经由蒸汽汇总管550通入汽包520，汽包520内的蒸汽通过蒸汽管道560排出，其具体过程如下，如图7所示：
水通入除盐除氧装置510，然后打入汽包520，汽包520内的水为除盐水，然后用液泵530将汽包520内的水通过进液汇总管540分别供给到各个余热回收系统中，余热回收系统中的换热单元400可将除盐水变成蒸汽，每个余热回收系统产生的蒸汽通过蒸汽汇总管550通入汽包520，最后由蒸汽管道560排出，由于从余热回收系统输出的蒸汽中还含有一定量的水汽，在汽包520中可以再次与除盐水一起通过液泵530打入各个余热回收机构，从而实现水循环及余热回收系统，如图6所示。
如图1-6所示，本发明的一种焦炉上升管余热回收系统，包括焦炉上升管100，所述焦炉上升管100内设有进液压力单元200、蒸汽压力单元300和换热单元400，
所述焦炉上升管100内壁设有氧化铝质耐火砖110，所述进液压力单元200和蒸汽压力单元300置于氧化铝质耐火砖110上，
所述进液压力单元200包括进液压力容器210，所述进液压力容器210侧面设有进液管220，
所述蒸汽压力单元300包括蒸汽压力容器310，所述蒸汽压力容器310侧面设有出汽管320，
所述进液压力容器210和蒸汽压力容器310之间设有隔板240，
所述进液压力容器210和蒸汽压力容器310下方设有换热单元400，所述换热单元400包括至少一根换热管410，所述换热管410包括由内向外的换热管通孔414、换热管内壁411、换热管外壁412和换热管下壁413，所述换热管内壁411和换热管外壁412之间设有空腔，所述空腔中设有肋片420，所述肋片420均匀间断直条式固定在换热管内壁411上。换热管下壁413与托盘440固定连接，一方面利用托盘440固定换热管410下端，方便安装和拆卸，另一方面，水汽由换热管410上端落入下端时伴随冲击力，对耐火砖110的承受力考验较大，因此将换热管410下端于托盘440固定，分散竖直方向上的冲击力。
如图1至图4所示，在本实施例中，所述进液压力容器210位于蒸汽压力容器310上方。所述换热管内壁411上端连接进液压力容器210底部的进液口230，下端通至换热管下壁413的上端，所述换热管外壁412上端连接蒸汽压力容器310底部的出汽口330，下端与换热管下壁413连接，当水从进液管220进入进液压力容器210，从底部的进液口230通过换热管通孔414，经过一次换热，得到的蒸汽由换热管内壁411和换热管外壁412之间的空腔上升，经肋片420强化换热，通过出汽口330进入蒸汽压力容器310中，由出汽管320排出至蒸汽汇总管550，实现了换热介质双程流向换热，从而提升了换热效率。
所述换热管410均匀排列于托盘440上方，数量为6个，换热管内壁411的壁厚为2mm、换热管外壁412的壁厚为3mm、换热管下壁413的壁厚为3mm。
所述进液口230直径为100mm，所述出汽口330直径为180mm，所述通风孔120的直径为280mm，所述进液压力容器210和蒸汽压力容器310的外侧距离焦炉上升管100内壁411的距离为40mm。
所述肋片420材质为G-钢片，所述换热单元400横截面肋片420数目为12，所述肋片420横截面形状为三角形，如图6所示。
利用本发明的系统进行余热回收时，荒煤气由通风孔120自下向上经余热回收系统换热后，温度由650-750℃降低为500℃左右，冷却水由25℃升至饱和蒸汽。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于，所述进液压力容器210位于蒸汽压力容器310下方。如图5所示，所述换热管内壁411上端连接进液压力容器210底部的进液口230，下端通至换热管下壁413的上端，所述换热管外壁412上端连接蒸汽压力容器310底部的出汽口330，下端与换热管下壁413连接，当水从进液管220进入进液压力容器210，从底部的进液口230经由换热管内壁411和换热管外壁412之间的空腔经过一次换热，得到的蒸汽由换热管通孔414上升，经肋片420强化换热，通过出汽口330进入蒸汽压力容器310中，由出汽管320排出至蒸汽汇总管550。
所述换热管410均匀排列于托盘440上方，数量为8个，所述换热管内壁411的壁厚为3mm、换热管外壁412的壁厚为5mm、换热管下壁413的壁厚为5mm。
所述进液口230直径为120mm，所述出汽口330直径为200mm，所述通风孔120的直径为300mm，所述进液压力容器210和蒸汽压力容器310的外侧距离焦炉上升管100内壁411的距离为50mm。
所述肋片420材质为G-钢片，所述换热单元400横截面肋片420数目为16，所述肋片420横截面形状为矩形，如图6所示。
实施例3
实施例3与实施例1的结构基本相同，其不同之处在于，所述换热管410均匀排列于托盘440上方，数量为7个，所述换热管内壁411的壁厚为2.5mm、换热管外壁412的壁厚为4mm、换热管下壁413的壁厚为4mm。
所述进液口230直径为110mm，所述出汽口330直径为190mm，所述通风孔120的直径为290mm，所述进液压力容器210和蒸汽压力容器310的外侧距离焦炉上升管100内壁411的距离为45mm。
所述肋片420材质为G-钢片，所述换热单元400横截面肋片420数目为14，所述肋片420横截面形状为凹槽形，如图6所示。
实施例4
实施例4与实施例1的结构基本相同，其不同之处在于，所述换热管410均匀排列于托盘440上方，数量为7个，所述换热管内壁411的壁厚为2.4mm、换热管外壁412的壁厚为4.5mm、换热管下壁413的壁厚为4.5mm。
所述进液口230直径为115mm，所述出汽口330直径为185mm，所述通风孔120的直径为295mm，所述进液压力容器210和蒸汽压力容器310的外侧距离焦炉上升管100内壁411的距离为46mm。
所述肋片420材质为G-钢片，所述换热单元400横截面肋片420数目为15，所述肋片420横截面形状为圆弧形，如图6所示。
Claims (10)
1.一种焦炉上升管余热回收系统，包括焦炉上升管(100)，其特征在于，所述焦炉上升管(100)内设有进液压力单元(200)、蒸汽压力单元(300)和换热单元(400)；
所述进液压力单元(200)包括进液压力容器(210)，所述进液压力容器(210)侧面设有进液管(220)，底部设有进液口(230)；
所述蒸汽压力单元(300)包括蒸汽压力容器(310)，所述蒸汽压力容器(310)侧面设有出汽管(320)，底部设有出汽口(330)；所述进液压力容器(210)和蒸汽压力容器(310)之间设有隔板(240)；
所述换热单元(400)设于进液压力容器(210)和蒸汽压力容器(310)下方，其包括至少一根换热管(410)，所述换热管(410)和进液口(230)、出汽管(320)连接连通。
2.根据权利要求1所述一种焦炉上升管余热回收系统，其特征在于，所述换热管(410)包括换热管通孔(414)、换热管内壁(411)、换热管外壁(412)和换热管下壁(413)，所述换热管通孔(414)贯穿换热管(410)，所述换热管内壁(411)和换热管外壁(412)之间设有空腔；所述换热管内壁(411)上端连接进液压力容器(210)底部的进液口(230)，下端出液口(430)通至换热管下壁(413)的上方，所述换热管外壁(412)上端连接蒸汽压力容器(310)底部的出汽口(330)，下端与换热管下壁(413)连接。
3.根据权利要求2所述一种焦炉上升管余热回收系统，其特征在于，所述进液压力单元(200)在蒸汽压力单元(300)的上方。
4.根据权利要求2所述一种焦炉上升管余热回收系统，其特征在于，所述进液压力单元(200)在蒸汽压力单元(300)的下方。
5.根据权利要求3或4所述一种焦炉上升管余热回收系统，其特征在于，还包括托盘(440)，所述托盘(440)与换热管下壁(413)和换热管外壁(412)下端固定连接。
6.根据权利要求5所述一种焦炉上升管余热回收系统，其特征在于，所述换热管内壁(411)和换热管外壁(412)之间的空腔中设有肋片(420)，所述肋片(420)固定于换热管内壁(411)上，所述换热管(410)横截面肋片(420)数目为12～16，肋片(420)横截面形状为三角形、矩形、凹槽形或圆弧形。
7.根据权利要求6所述一种焦炉上升管余热回收系统，其特征在于，所述换热管(410)的数量为6～8根。
8.根据权利要求7所述一种焦炉上升管余热回收系统，其特征在于，所述进液口(230)直径为100～120mm，所述出汽口(330)直径为180～200mm，所述通风孔(120)的直径为280～300mm，所述进液压力容器(210)和蒸汽压力容器(310)的外壁与焦炉上升管(100)内壁的距离为40～50mm，所述换热管内壁(411)、换热管外壁(412)和换热管下壁(413)的壁厚为2～5mm。
9.根据权利要求8所述一种焦炉上升管余热回收系统，其特征在于，所述焦炉上升管(100)内壁设有耐火砖(110)，用于放置进液压力单元(200)和蒸汽压力单元(300)，所述耐火砖(110)围绕360°砌于焦炉上升管(100)内壁，所述耐火砖(110)的材质为氧化铝质耐火材料。
10.根据权利要求9所述一种焦炉上升管余热回收系统，其特征在于，还包括气液处理单元(500)，所述气液处理单元(500)包括除盐除氧装置(510)、汽包(520)和液泵(530)，所述除盐除氧装置(510)与汽包(520)通过管道A(511)联通，所述汽包(520)与液泵(530)通过管道B(521)联通，所述液泵(530)与进液汇总管(540)联通，所述进液汇总管(540)与至少一个进液管(220)联通，用于将液泵(530)中的液体通入进液管(220)，所述汽包(520)与蒸汽汇总管(550)联通，所述蒸汽汇总管(550)与至少一个出汽管(320)联通，用于汇总出汽管(320)的蒸汽，汽包(520)内的蒸汽通过蒸汽管道(560)排出。
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