CN115930638A - 一种荒煤气余热回收换热器 - Google Patents

Abstract

本发明属于换热设备技术领域，具体是涉及到一种荒煤气余热回收换热器，包括：内筒，所述内筒两端贯通，用于流通荒煤气；中间筒，所述中间筒设置在内筒外侧，所述中间筒内壁与所述内筒外壁形成中间导热腔，所述中间导热腔内填充有导热填充物；外筒，所述外筒设置在中间筒外侧，所述外筒内壁与所述中间筒外壁形成外侧换热腔，所述外侧换热腔用于流通换热介质；所述导热填充物在所述中间导热腔内的填充深度与内筒的长度之比为0.55‑0.85。本发明将常规荒煤气余热回收换热器中成本较高，易损坏的内筒通过上述结构改进，在降低成本的同时提高了使用寿命，且同时保证换热器的传热效率和荒煤气余热回收的效果。

Description

一种荒煤气余热回收换热器

技术领域

本发明属于换热设备技术领域，具体是涉及到一种荒煤气余热回收换热器。

背景技术

在余热回收过程中，当焦炉荒煤气温度下降到一定程度时，荒煤气中的焦油蒸汽就会在换热壁面冷凝析出，黏附在换热壁面形成焦油粘附层，影响传热系数。荒煤气中冷却温度越低，冷凝在传热壁面的焦油量就会越多，对传热系数影响越大。相关试验研究表明，荒煤气中重质焦油成分的冷凝开始温度(冷凝点)，在常压下为400～500℃。当温度低于450℃时，煤焦油蒸汽会发生冷凝，凝结在上升管内壁上，换热器换热效率下降甚至失去换热效果；当温度高于900℃时，荒煤气中的碳氢化合物又会在高温下析出，积碳而生成石墨，因此，荒煤气中焦油蒸汽的结焦问题，严重阻碍荒煤气余热回收利用。另外，目前现有的荒煤气余热回收换热器(亦即上升管换热器)中，上升管破裂损坏的几率远高于换热器内的其它零部件，这会造成液态介质漏入碳化室，引发安全事故。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种同时解决荒煤气中焦油蒸汽的结焦、内筒使用寿命短问题的荒煤气余热回收换热器。

本发明提供一种荒煤气余热回收换热器，包括：内筒，所述内筒两端贯通，用于流通荒煤气；中间筒，所述中间筒设置在内筒外侧，所述中间筒内壁与所述内筒外壁形成中间导热腔，所述中间导热腔内填充有导热填充物；外筒，所述外筒设置在中间筒外侧，所述外筒内壁与所述中间筒外壁形成外侧换热腔，所述外侧换热腔用于流通换热介质；所述导热填充物在所述中间导热腔内的填充深度与内筒的长度之比为0.55-0.85。

更进一步地，所述导热填充物包括导热蓄热粉末和多个导热蓄热体，所述导热蓄热粉末填充在多个导热蓄热体之间的空隙内。

更进一步地，所述导热蓄热体的形状为颗粒状、片状或带状中的一种或多种。

更进一步地，所述内筒、中间筒和外筒轴线铅垂设置，所述导热填充物填充在中间导热腔的中下部。

更进一步地，所述中间导热腔底部设置有连通至外筒外侧的漏液排放通道。

更进一步地，在所述中间导热腔上设置有单向阀，所述单向阀的开启压力根据所述内筒内的压力酌情设定，以减小所述内筒的内外压力差。

更进一步地，所述外筒下端设置有连通外侧换热腔的进液通道，所述外筒上端设置有连通外侧换热腔的出液通道，所述换热介质流通方向与荒煤气流通方向一致。

更进一步地，所述内筒内壁处设置有边界层流体旋转扰流件。

更进一步地，所述外筒外侧还设置有保温层，所述保温层外侧还设置有防护层。

本发明还包括连接内筒上端外侧的上法兰和连接内筒下端外侧的下法兰，所述中间筒内壁、内筒外壁、上法兰和下法兰围合形成所述中间导热腔，所述外筒内壁、中间筒外壁、上法兰和下法兰围合形成所述外侧换热腔。

更进一步地，所述内筒、中间筒和外筒中设置有膨胀节。

本发明的有益效果是，本发明内筒为用于流通荒煤气的结构件，通过在内筒外侧设置限定填充深度的导热填充物。以导热填充物在中间导热腔内的填充深度与内筒的长度优选比值0.7为例，即内筒的长度为H，导热填充物的填充深度为0.7H。一方面，流过内筒的荒煤气会先经过所述内筒进口处0.7H高度范围内，高温荒煤气依次经由内筒筒体、导热填充物、中间筒筒体传给外侧换热腔内的换热介质，荒煤气将大部分热量传递给换热介质。此时，中间筒筒体具有较高温度。随之，经过热交换后的荒煤气经过内筒上部0.3H部分，此处中间导热腔上部0.3H高度范围内的导热介质为空气，而空气的热阻比导热填充物的热阻大得多，在所述内筒出口处0.3H高度范围内，荒煤气依次经由内筒筒体、空气、中间筒筒体传给外侧换热腔内的换热介质，因为中间存在空气，所传递的热量少，此处的荒煤气经过换热后温度降低幅度较小，因而，内筒出口处0.3H高度范围内的荒煤气温度和此处内筒内壁的温度同样可以具有较高温度。以此，可以减少内筒内壁整个长度范围内的焦油粘附，以保证换热器的传热效率和荒煤气余热回收的效果。

另一方面，荒煤气在内筒内的压力在150Pa左右，本申请可以通过调节中间导热腔内的压力，使内筒承受的内外压力差减小，由于内筒的壁厚与其承受的内外压力差正相关，所以内筒的壁厚可大幅度减小，同时，热应力近似与内筒的壁厚成正比，减小壁厚可使内筒内的总应力降低，因此内筒筒体内的热应力也可大幅度降低，从而可以大幅度减缓内筒的腐蚀疲劳，延长内筒的使用寿命。另外，由于内筒的壁厚可大幅度减小，内筒的高温耐腐蚀合金的消耗量也可大量减少，进而降低建造费用。

本发明将常规荒煤气余热回收换热器中成本较高，易损坏的内筒通过上述结构改进，在降低成本的同时提高了使用寿命，且同时保证换热器的传热效率和荒煤气余热回收的效果。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图。

在图中，1-内筒；2-导热填充物；3-中间筒；4-外筒；5-保温层；6-防护层；7-上法兰；8-下法兰；9-进液通道；10-出液通道；11-漏液排放通道；12-膨胀节；13-边界层流体旋转扰流件；14-荒煤气进口；15-荒煤气出口。

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的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如附图1所示，本发明提供一种荒煤气余热回收换热器，包括：

内筒1，所述内筒1两端贯通，一端为荒煤气进口14，另一端为荒煤气出口15，用于流通荒煤气；中间筒3，所述中间筒3设置在内筒1外侧，所述中间筒3内壁与所述内筒1外壁形成中间导热腔，所述中间导热腔内填充有导热填充物2，所述导热填充物2用于将荒煤气的余热传递给所述外侧换热腔；外筒4，所述外筒4设置在中间筒3外侧，所述外筒4内壁与所述中间筒3外壁形成外侧换热腔，所述外侧换热腔用于流通换热介质，换热介质用于吸收导热填充物2所传递的热量，进而回收荒煤气的余热；所述导热填充物2在所述中间导热腔内的填充深度与内筒1的长度之比为0.55-0.85。

本发明内筒1为用于流通荒煤气的结构件，通过在内筒1外侧设置限定填充深度的导热填充物2。以导热填充物2在中间导热腔内的填充深度与内筒1的长度优选比值0.7为例，即内筒1的长度为H，导热填充物2的填充深度为0.7H。一方面，流过内筒1的荒煤气会先经过所述内筒1进口处0.7H高度范围内，高温荒煤气依次经由内筒1筒体、导热填充物2、中间筒3筒体传给外侧换热腔内的换热介质，荒煤气将大部分热量传递给换热介质。此时，中间筒3筒体具有较高温度。随之，经过热交换后的荒煤气经过内筒1上部0.3H部分，此处中间导热腔上部0.3H高度范围内的导热介质为空气，而空气的热阻比导热填充物2的热阻大得多，在所述内筒1出口处0.3H高度范围内，荒煤气依次经由内筒1筒体、空气、中间筒3筒体传给外侧换热腔内的换热介质，因为中间存在空气，所传递的热量少，而此处的荒煤气经过换热后温度降低的幅度较小，因而，内筒1出口处0.3H高度范围内的荒煤气温度和此处内筒1内壁的温度同样可以满足较高温度。以此，可以减少内筒1内壁整个长度范围内的焦油粘附，以保证换热器的传热效率和荒煤气余热回收的效果。

另一方面，荒煤气在内筒1内的压力在150Pa左右，本申请可以通过在中间导热腔上设置单向阀来调节中间导热腔内的压力(在其中一个优选实施例中，所述单向阀设置在漏液排放通道11上)，使内筒1承受的内外压力差减小，由于内筒1的壁厚与其承受的内外压力差正相关，所以内筒1的壁厚可大幅度减小，热应力近似与内筒1的壁厚成正比，减小壁厚可使内筒1内的总应力降低，因此内筒1筒体内的热应力也可大幅度降低，从而可以大幅度减缓内筒1的腐蚀疲劳，延长内筒1的使用寿命。另外，由于内筒1的壁厚可大幅度减小，内筒1的高温耐腐蚀合金的消耗量也可大量减少，进而降低建造费用。

本发明将常规荒煤气余热回收换热器中成本较高，易损坏的内筒1通过上述结构改进，在降低成本的同时提高了使用寿命，且同时保证换热器的传热效率和荒煤气余热回收的效果。

在其中一个实施例中，所述导热填充物2包括导热蓄热粉末和多个导热蓄热体，所述导热蓄热粉末填充在多个导热蓄热体之间的空隙内。其中，所述导热蓄热体的形状为颗粒状、片状或带状中的一种或多种。导热蓄热体和导热蓄热粉末的材质为导热性能良好的固态金属和/或导热性能良好的非金属，具体可以直接利用或加工利用金属或非金属零件制造过程产生的金属屑、碎片、细条、粉体等，以回收资源，降低成本，材料可以选用固态的钢、铁、铜、铝、导热无机材料(例如陶瓷)、导热有机材料(例如导热聚合物)等材料中的一种或多种。导热蓄热体和导热蓄热粉末的组合，既容易保证大范围的换热面积，又可以减小多个导热蓄热体之间空隙的热阻，提高换热效率。另外，导热填充物2的熔点高于300℃，在运行过程中不会由固态转变为液态，以保证在内筒1管壁破裂时，不会有液体从内筒1漏入连通内筒1的碳化室，避免液体漏入碳化室导致的安全事故。

在具体使用时，优选将所述内筒1、中间筒3和外筒4轴线铅垂设置，即内筒1竖直放置，使得荒煤气由下至上流通，利用热空气上升的原理，辅助提高荒煤气的流通效率，此时，所述导热填充物2填充在中间导热腔的中下部，即中间导热腔上部0.15－0.45倍高度(导热腔整体高度)范围内没有填充导热填充物2。

在其中一个实施例中，所述中间导热腔底部设置有连通至外筒4外侧的漏液排放通道11，通过设置漏液排放通道11以及导热填充物2，在使用时即使内筒1和中间筒3同时破裂，漏入中间导热腔的液态换热介质由于会首先接触导热填充物2并由导热填充物2稀释，最后只会从导热填充物2的底部聚集并从漏液排放通道11流出，不可能从内筒1漏入连通内筒1的碳化室，可完全避免液态换热介质漏入碳化室导致的安全事故，极大的提高了安全性能。

在其中一个实施例中，所述外筒4下端设置有连通外侧换热腔的进液通道9，所述外筒4上端设置有连通外侧换热腔的出液通道10，本实施例中，所述换热介质流通方向与荒煤气流通方向一致。本实施例中，荒煤气流向为下进上出，液态换热介质的流向也是下进上出，荒煤气和液态换热介质进行顺流换热，以便控制所述内筒1内壁的温度，便于保证内筒1内部温度不低于焦油露点，减除内筒1内壁的焦油粘附量。

在其中一个实施例中，所述内筒1内壁处设置有边界层流体旋转扰流件13。边界层流体旋转扰流件13可以为插入内筒1内的螺旋线圈，或螺旋弹簧，或扭带，或静态混合器等，内筒1内壁处插入边界层流体旋转扰流件13后，荒煤气在管内发生旋转，增加了荒煤气的流动路径，加强了流体边界层的扰动，提高了接近内筒1壁面处荒煤气的湍流强度，可以有效减免内筒1内壁的焦油粘附，减小焦油粘附导致的污垢热阻，并促进边界层流体和主流流体的混合，强化对流换热过程，保证传热效果。在传热量一定的情况下，减小污垢热阻，稳定传热效果，可以减小换热器的传热面积，降低换热器的建造成本。所述边界层流体旋转扰流件13采用插入式结构，制造、安装简便，既可用于新建焦炉荒煤气余热回收换热器，也可用来改造在用的焦炉荒煤气余热回收换热器。另外，边界层流体旋转扰流件13的高度约等于所述内筒1的长度，从而有效减免所述内筒1整个内壁的焦油粘附。

在其中一个实施例中，所述外筒4外侧还设置有保温层5，保温层5可减少散热损失，节约能源，改善工作环境，防止烫伤。所述保温层5的形态为多孔状(聚苯乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、泡沫玻璃、软质耐火材料、微孔硅酸钙、碳化软木等材料)，或纤维状(岩棉、玻璃棉、矿渣棉、陶瓷纤维等材料)，或粉末状(硅藻土、蛭石、珍珠岩等材料)，或层状(金属箔、金属镀膜等材料)。所述保温层5外侧还设置有防护层6。所述防护层6设置在保温层5外表面，所述防护层6结构应严密和牢固，在环境变化与振动情况下不渗雨、无裂纹、无微逢、不坠落，外表整齐、美观，以阻挡环境和外力对保温材料的影响，延长保温层5的使用寿命。焦炉炉顶的环境介质具有腐蚀性，所述防护层6宜采用非金属防护层。

本发明还包括连接内筒1上端外侧的上法兰7和连接内筒1下端外侧的下法兰8，以便于中间导热腔和外侧换热腔的围合形成，同时也便于整体的安装，具体所述中间筒3内壁、内筒1外壁、上法兰7和下法兰8围合形成所述中间导热腔，所述外筒4内壁、中间筒3外壁、上法兰7和下法兰8围合形成所述外侧换热腔。

在其中一个实施例中，所述内筒1、中间筒3和外筒4中设置有膨胀节12，优选地，膨胀节12设置在内筒1、中间筒3和外筒4的同一轴向高度处，膨胀节12促使内筒1、中间筒3和外筒4能够较好适应高温引起的热膨胀，用来减小热胀冷缩造成的应力。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种荒煤气余热回收换热器，其特征是，包括：

内筒(1)，所述内筒(1)两端贯通，用于流通荒煤气；

中间筒(3)，所述中间筒(3)设置在内筒(1)外侧，所述中间筒(3)内壁与所述内筒(1)外壁形成中间导热腔，所述中间导热腔内填充有导热填充物(2)；

外筒(4)，所述外筒(4)设置在中间筒(3)外侧，所述外筒(4)内壁与所述中间筒(3)外壁形成外侧换热腔，所述外侧换热腔用于流通换热介质；

所述导热填充物(2)在所述中间导热腔内的填充深度与内筒(1)的长度之比为0.55-0.85。

2.如权利要求1所述的荒煤气余热回收换热器，其特征是，所述导热填充物(2)包括导热蓄热粉末和多个导热蓄热体，所述导热蓄热粉末填充在多个导热蓄热体之间的空隙内。

3.如权利要求2所述的荒煤气余热回收换热器，其特征是，所述导热蓄热体的形状为颗粒状、片状或带状中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的荒煤气余热回收换热器，其特征是，所述内筒(1)、中间筒(3)和外筒(4)轴线铅垂设置，所述导热填充物(2)填充在中间导热腔的中下部。

5.如权利要求4的荒煤气余热回收换热器，其特征是，所述中间导热腔底部设置有连通至外筒(4)外侧的漏液排放通道(11)。

6.如权利要求1-5任一项所述的荒煤气余热回收换热器，其特征是，所述外筒(4)下端设置有连通外侧换热腔的进液通道(9)，所述外筒(4)上端设置有连通外侧换热腔的出液通道(10)，所述换热介质流通方向与荒煤气流通方向一致。

7.如权利要求1-5任一项所述的荒煤气余热回收换热器，其特征是，所述内筒(1)内壁处设置有边界层流体旋转扰流件(13)。

8.如权利要求1-5任一项所述的荒煤气余热回收换热器，其特征是，所述外筒(4)外侧还设置有保温层(5)，所述保温层(5)外侧还设置有防护层(6)。

9.如权利要求1-5任一项所述的荒煤气余热回收换热器，其特征是，还包括连接内筒(1)上端外侧的上法兰(7)和连接内筒(1)下端外侧的下法兰(8)，所述中间筒(3)内壁、内筒(1)外壁、上法兰(7)和下法兰(8)围合形成所述中间导热腔，所述外筒(4)内壁、中间筒(3)外壁、上法兰(7)和下法兰(8)围合形成所述外侧换热腔。

10.如权利要求1-5任一项所述的荒煤气余热回收换热器，其特征是，所述内筒(1)、中间筒(3)和外筒(4)中设置有膨胀节(12)。

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