CN116857625A - 一种以液态金属为工质的上升管换热系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焦炉高温烟气余热回收技术，提供一种以液态金属为工质的上升管换热系统及方法，包括：液态金属储液箱、液态金属蒸发器和上升管换热装置，上升管换热装置包括：液态金属支路进口管、液态金属支路出口管、荒煤气进口管、荒煤气出口管和上升管盘管。本发明采用液态金属为换热工质，取消了传统换热系统中的强制循环泵和汽包给水泵等动力装置，使得能耗更小，且在高温情况下没有强制循环泵工作，避免汽蚀发生，使系统可靠性更高。本发明没有汽包装置，由蒸发器直接产生饱和蒸汽用于工业生产，系统稳定可靠。本发明没有采用汽包装置和泵房装置，系统的结构简单，设备单元减小，因此本系统的占地面积大幅度减小。

Description

一种以液态金属为工质的上升管换热系统及方法

技术领域

本发明涉及一种焦炉高温烟气余热回收技术，具体涉及一种以液态金属为工质的上升管换热系统及方法。

背景技术

焦炉炼焦过程中上升管荒煤气温度高达750℃～850℃，且含有大量热量，是高品位热能资源。目前焦炉上升管荒煤气显热回收系统大多采用除氧水作为换热介质，与汽包组成汽水循环系统，汽包由除氧器进行补水，汽包中下降管内的除氧水通过强制循环泵输送到上升管换热器中，与高温荒煤气进行换热，除氧水经过换热后成为两相流汽水混合物，然后经汽包上升管道进入汽包中进行汽水分离，产生饱和蒸汽供工业使用。

现有的焦炉上升管荒煤气显热回收系统采用强制循环泵、汽包和上升管换热器等设备组成系统装置，需要建立设备框架楼。系统工作过程中能耗较大，在系统换热不稳定和高温的情况下强制循环泵工作容易导致系统内发生汽蚀，而且系统的结构复杂，设备管道多，占地面积较大。

发明内容

本发明提供一种以液态金属为工质的上升管换热系统及方法，以解决传统换热系统中强制循环泵工作过程中易导致汽蚀现象，以及换热系统采用汽包装置和框架楼导致设备结构复杂、占地面积大的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种以液态金属为工质的上升管换热系统，包括：液态金属储液箱、液态金属蒸发器和上升管换热装置，液态金属储液箱、液态金属蒸发器和上升管换热装置之间通过液态金属输送管道进行连接；

上升管换热装置包括：液态金属支路进口管、液态金属支路出口管、荒煤气进口管、荒煤气出口管和上升管盘管，所述液态金属输送管道包括液态金属支路进口管和液态金属支路出口管，液态金属支路进口管和荒煤气出口管设置在上升管换热装置的上部，液态金属支路出口管和荒煤气进口管设置在上升管换热装置的下部，液态金属支路进口管和液态金属支路出口管之间通过上升管盘管连接，荒煤气出口管内设置温度检测器。

进一步地，液态金属储液箱和上升管换热装置之间的所述液态金属输送管道上设置流量监测器、压力检测器和上升管液态金属总进口温度表，上升管换热装置和液态金属蒸发器之间的所述液态金属输送管道上设置流量监测器、压力检测器和上升管液态金属总出口温度表。

进一步地，包括若干上升管换热装置，且若干上升管换热装置之间通过液态金属支路进口管和液态金属支路出口管并联连接。

进一步地，每个上升管换热装置的液态金属支路进口管上均设置流量监测器。

进一步地，液态金属储液箱和上升管换热装置之间的靠近液态金属储液箱的液态金属输送管道上安装液下泵，液下泵配置变频电机。

进一步地，液态金属储液箱的底部安装排污管，液态金储液箱的内部安装液位计；液态金属储液箱采用长方体或正方体结构。

进一步地，液态金属蒸发器包括：蒸发器下封头、筒体、蒸发器上封头，筒体的上方安装蒸发器上封头，筒体的下方安装蒸发器下封头。

进一步地，筒体上设置除氧水进口和蒸发器液位计，除氧水进口设置在蒸发器液位计的下方并靠近蒸发器下封头；筒体内部设置蒸发器盘管，除氧水进口连接蒸发器盘管，除氧水进口处设置流量计。

进一步地，蒸发器上封头上设置蒸发器检修孔、蒸汽出口和蒸发器安全阀，蒸汽出口位于液态金属蒸发器内腔的上方，蒸汽出口的两侧分别设置蒸发器检修孔和蒸发器安全阀，蒸汽出口处设置流量计。

一种以液态金属为工质的上升管换热方法，基于所述的以液态金属为工质的上升管换热系统，包括以下步骤：

S1：液态金属储液箱中的液态金属通过液态金属支路进口管进入上升管换热装置；

与此同时，荒煤气通过荒煤气进口管进入上升管换热装置，与所述液态金属进行换热；

S2：经过换热后的液态金属通过液态金属支路出口管进入液态金属蒸发器进行换热，产生饱和蒸汽；

与此同时，经过换热后的荒煤气通过荒煤气出口管排出；

S3：在液态金属蒸发器中换热后的液态金属，通过液态金属输送管道进入液态金属储液箱完成换热。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种以液态金属为工质的上升管换热系统，包括液态金属储液箱、液态金属蒸发箱和上升管换热装置，上升管换热装置包括液态金属支路进口管、液态金属支路出口管、荒煤气进口管、荒煤气出口管和上升管盘管，本发明采用液态金属为换热工质，取消了传统换热系统中的强制循环泵和汽包给水泵等动力装置，使得能耗更小，且在高温情况下没有强制循环泵工作，避免汽蚀发生，使系统可靠性更高。本发明没有汽包装置，由蒸发器直接产生饱和蒸汽用于工业生产，系统稳定可靠。本发明没有采用汽包装置和泵房装置，无需建立大型框架楼，系统的结构简单，设备单元减小，因此本系统的占地面积大幅度减小。

进一步地，本发明在液态金属输送管道上换热前和换热后都设置压力检测器和温度表，在每个液态金属支路进口管都设置流量监测器，以及在液态金属储液箱和液态金属蒸发器上设置液位计进行液位高低检测，使本发明检测控制系统更加完善，系统安全可靠。

进一步，本发明采用液下泵作为动力输送，进行变频控制，可以根据实际负载的情况调节电机的转速，从而节约能源消耗，且能提高液下泵的运行效率，使本系统更加安全可靠。

本发明提供一种以液态金属为工质的上升管换热方法，在上升管换热装置中液态金属与荒煤气进行换热，放热后的荒煤气温度能够确保大于500℃，防止温度过低产生结焦，吸热后的液态金属进入蒸发器与除氧水进行换热，能够产生2MPa的饱和蒸汽，饱和蒸汽并入总蒸汽系统管网，供工业使用。蒸发器中的放热后的液态金属回流到液态金属储液箱中，能够再次循环输送到上升管换热装置中进行换热。

附图说明

图1为以液态金属为工质的上升管换热系统的结构示意图。

其中，1、排污管；2、液态金属储液箱；3、液下泵；4、液态金属蒸发器；5、蒸发器下封头；6、除氧水进口；7、筒体；8、蒸发器盘管；9、蒸发器液位计；10、蒸发器上封头；11、蒸发器检修孔；12、蒸汽出口；13、蒸发器安全阀；14、上升管液态金属总出口温度表；15、荒煤气进口管；16、液态金属支路出口管；17、上升管换热装置；18、上升管盘管；19、上升管液态金属总进口温度表；20、荒煤气出口管；21、液态金属支路进口管。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图和实施例，对本发明技术方案进行进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明涉及一种焦炉上升管中荒煤气余热回收利用系统，具体公开了一种以液态金属为工质的上升管换热系统，上升管热利用系统设备包括排污管1、液态金属储液箱2、液下泵3、液态金属蒸发器4、蒸发器下封头5、除氧水进口6、筒体7、蒸发器盘管8、蒸发器液位计9、蒸发器上封头10、蒸发器检修孔11、蒸汽出口12、蒸发器安全阀13、上升管液态金属总出口温度表14、荒煤气进口管15、液态金属支路出口管16、上升管换热装置17、上升管盘管18、上升管液态金属总进口温度表19、荒煤气出口管20、液态金属支路进口管21。该系统工艺具体是液态金属储液箱2中的液态金属经液下泵3输送到上升管换热装置17中。液态金属与高温荒煤气进行换热，吸热后的液态金属经管道输送到液态金属蒸发器4中。液态金属蒸发器4中液态金属与除氧水进行换热，产生饱和蒸汽。放热后的液态金属回流到液态金属储液箱2中，再经液下泵3输送到上升管换热装置与荒煤气换热，如此往复循环。

本发明所提供的换热系统设置检测单元，该检测单元包括设置于上升管换热器烟气出口的温度检测，蒸汽出口管道上设有流量计，除氧水进水管道上设有流量计，储液箱上设有液位计，管道上设置有压力和温度检测装置，蒸发器上设有安全阀装置、检修孔、温度检测装置、压力检测装置。

本系统包括液态金属储液系统，上升管换热系统，蒸汽发生系统，管路循环系统。蒸发器上蒸汽出口通过蒸汽管网管道输送到外界应用处。每个上升管换热器进液管路上均设置流量监测器，用于监测和调节控制上升管换热器的液态金属流量，监测上升管换热器管路中液态金属流量，保证上升管换热器安全稳定运行。

一种以液态金属为工质的上升管换热方法，包括以下步骤：

S1：液态金属储液箱2中的液态金属通过液态金属支路进口管21进入上升管换热装置17；

与此同时，荒煤气通过荒煤气进口管15进入上升管换热装置17，与所述液态金属进行换热；

S2：经过换热后的液态金属通过液态金属支路出口管16进入液态金属蒸发器4进行换热，产生饱和蒸汽；

与此同时，经过换热后的荒煤气通过荒煤气出口管20排出；

S3：在液态金属蒸发器4中换热后的液态金属，通过液态金属输送管道进入液态金属储液箱2完成换热。

实施例一

一种以液态金属为工质的上升管换热系统，在焦炉上升管荒煤气余热利用中，荒煤气温度高达800℃，采用镓基液态金属作为换热工质与高温荒煤气进行换热，高温液态金属进入蒸发器与除氧水进行换热产生蒸汽，从而进行余热利用。液态金属以镓为基材，常温下为液态，沸点高达2000℃，且换热效率高。本发明上升管换热系统包括排污管1、液态金属储液箱2、液下泵3、液态金属蒸发器4、蒸发器下封头5、除氧水进口6、筒体7、蒸发器盘管8、蒸发器液位计9、蒸发器上封头10、蒸发器检修孔11、蒸汽出口12、蒸发器安全阀13、上升管液态金属总出口温度表14、荒煤气进口管15、液态金属支路出口管16、上升管17、上升管盘管18、上升管液态金属总进口温度表19、荒煤气出口管20、液态金属支路进口管21。此上升管换热系统用于焦炉上升管荒煤气显热的回收利用，主要产生饱和蒸汽用于工业生产。液态金属储液箱2中的液态金属经液下泵3输送至上升管换热装置17中，液态金属与上升管荒煤气进行换热，荒煤气温度由800℃降到约500℃，液态金属吸热升温后进入液态金属蒸发器4进行换热，产生饱和蒸汽。进入蒸发器中的液态金属放热后，回流到液态金属储液箱2，储液箱中的液态金属经液下泵3输送到上升管换热装置中，完成循环。该换热系统液态金属经液下泵3输送，分别进入不同的上升管换热装置，进入上升管换热装置的液态金属管路并联设计，各上升管换热装置支路管道独立，支路管道进出口设计双阀门，确保系统安全。

液态金属储液箱2的液态金属经过液下泵3输送到上升管换热装置17中，液态金属与上升管中的荒煤气进行换热。液态金属储液箱2为方形容器，设计容积为系统中液态金属总体积的1.5倍，在底部设有排污装置、上部安装温度检测装置、液下泵3等，该储液箱设计为密封装置，杜绝空气进入。

因为液态金属比重是水的8倍，且输送中要保证密封性，本发明提供的换热系统的液态金属使用量较大，因此采用液下泵3作为输送动力，把液态金属输送到上升管换热装置17中。

输送液态金属的液下泵3，叶轮采用316L材质，有效避免液下泵3叶轮的腐蚀和磨损。

在液态金属输送总管道上设有流量监测装置，压力和温度检测装置。

上升管液态金属总进口管道采用梯级变径布管方式，有利于进入各上升管换热装置的液态金属流量平衡。

上升管液态金属总出口管道采用梯级变径布管方式，有利于各上升管换热装置流出的液态金属均匀混流。

上升管换热装置17的烟气出口端(荒煤气出口管20)设置温度检测器。

上升管换热装置17采用上升管外盘管换热，液态金属在盘管内流动，荒煤气在该换热装置内筒体内流动。

上升管盘管18材质为316L，上升管换热装置17的内筒体材质为15CrMoG高性能合金结构钢。

上升管换热装置的上升管盘管18的出口位置高于液态金属蒸发器4的进口位置，使液态金属能顺利流动，减少阻力。

液态金属蒸发器4采用立式筒体结构，且内部的蒸发器盘管8为螺旋盘管结构。

液态金属蒸发器4的螺旋盘管采用316L，筒体7材质采用Q345R。

液态金属蒸发器4中的液态金属在蒸发器盘管8内流动，除氧水在筒体7内与液态金属进行换热。

参考附图1，一种以液态金属为工质的上升管换热系统，主要包括液态金属储液箱2、输送液态金属的液下泵3、液态金属蒸发器4、上升管换热装置17，液态金属储液箱2中的液态金属通过液下泵3输送到上升管换热装置17中，液态金属与荒煤气进行换热，放热后的荒煤气温度确保大于500℃，防止温度过低产生结焦等。吸热后的液态金属经管道进入液态金属蒸发器4，液态金属与所述蒸发器中的除氧水进行换热，产生2MPa的饱和蒸汽。放热后的液态金属回流到液态金属储液箱2中，经液下泵3再次循环输送到上升管换热装置17中进行换热。饱和蒸汽并入总蒸汽系统管网，供工业使用。

实施例二

一种以液态金属为工质的上升管换热系统包括：液态金属储液箱2、液态金属蒸发器4和上升管换热装置17，液态金属储液箱2、液态金属蒸发器4和上升管换热装置17之间通过液态金属输送管道进行连接；上升管换热装置17包括：液态金属支路进口管21、液态金属支路出口管16、荒煤气进口管15、荒煤气出口管20和上升管盘管18，所述液态金属输送管道包括液态金属支路进口管21和液态金属支路出口管16，液态金属支路进口管21和荒煤气出口管20设置在上升管换热装置17的上部，液态金属支路出口管16和荒煤气进口管15设置在上升管换热装置17的下部，液态金属支路进口管21和液态金属支路出口管16之间通过上升管盘管18连接，荒煤气出口管20内设置温度检测器。

具体的，液态金属储液箱2和上升管换热装置17之间的所述液态金属输送管道上设置流量监测器、压力检测器和上升管液态金属总进口温度表19，上升管换热装置17和液态金属蒸发器4之间的所述液态金属输送管道上设置流量监测器、压力检测器和上升管液态金属总出口温度表14。

具体的，包括若干上升管换热装置17，且若干上升管换热装置17之间通过液态金属支路进口管21和液态金属支路出口管15并联连接。每个上升管换热装置17的液态金属支路进口管21上均设置流量监测器。

具体的，液态金属储液箱2和上升管换热装置17之间的靠近液态金属储液箱2的液态金属输送管道上安装液下泵3，液下泵3配置变频电机。液态金属储液箱2的底部安装排污管1，液态金储液箱2的内部安装液位计。

具体的，液态金属储液箱2采用长方体或正方体结构。液态金属蒸发器4包括：蒸发器下封头5、筒体7、蒸发器上封头10，筒体7的上方安装蒸发器上封头10，筒体7的下方安装蒸发器下封头5。

具体的，筒体7上设置除氧水进口6和蒸发器液位计9，除氧水进口6设置在蒸发器液位计9的下方并靠近蒸发器下封头5；筒体7内部设置蒸发器盘管8，除氧水进口6连接蒸发器盘管8，除氧水进口6处设置流量计。

具体的，蒸发器上封头10上设置蒸发器检修孔11、蒸汽出口12和蒸发器安全阀13，蒸汽出口12位于液态金属蒸发器4内腔的上方，蒸汽出口12的两侧分别设置蒸发器检修孔11和蒸发器安全阀13，蒸汽出口12处设置流量计。

本发明所提供的换热系统采用镓基液态金属作为换热工质在上升管换热装置17中与荒煤气进行换热，之后高温状态下的液态金属进入液态金属蒸发器4中与除氧水进行换热产生蒸汽。本系统具有完善的检测控制系统，包括进出上升管液态金属的流量监测控制、液态金属输送管道系统内的压力和温度检测、液下泵动力输送系统的变频控制以及各设备中液位高低检测，整个检测控制系统更加完善，使换热系统安全可靠，并且该系统减少了传统装置中的汽包和强制循环泵等动力装置，能耗更小，且避免汽蚀的产生，系统安全性更高。

实施例三

一种以液态金属为工质的上升管换热系统包括：液态金属储液箱2、液态金属蒸发器4和上升管换热装置17，液态金属储液箱2、液态金属蒸发器4和上升管换热装置17之间通过液态金属输送管道进行连接；

上升管换热装置17包括：液态金属支路进口管21、液态金属支路出口管16、荒煤气进口管15、荒煤气出口管20和上升管盘管18，所述液态金属输送管道包括液态金属支路进口管21和液态金属支路出口管16，液态金属支路进口管21和荒煤气出口管20设置在上升管换热装置17的上部，液态金属支路出口管16和荒煤气进口管15设置在上升管换热装置17的下部，液态金属支路进口管21和液态金属支路出口管16之间通过上升管盘管18连接，荒煤气出口管20内设置温度检测器。

本发明所提供的换热系统采用镓基液态金属作为换热工质在上升管换热装置17中与荒煤气进行换热，之后高温状态下的液态金属进入液态金属蒸发器4中与除氧水进行换热产生蒸汽。该系统减少了传统装置中的汽包和强制循环泵等动力装置，能耗更小，设备单元减小，结构简单，整个换热系统的占地面积大幅减少，且本系统不采用强制循环泵能够避免汽蚀的产生，系统安全性更高。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种以液态金属为工质的上升管换热系统，其特征在于，包括：液态金属储液箱(2)、液态金属蒸发器(4)和上升管换热装置(17)，液态金属储液箱(2)、液态金属蒸发器(4)和上升管换热装置(17)之间通过液态金属输送管道进行连接；

上升管换热装置(17)包括：液态金属支路进口管(21)、液态金属支路出口管(16)、荒煤气进口管(15)、荒煤气出口管(20)和上升管盘管(18)，所述液态金属输送管道包括液态金属支路进口管(21)和液态金属支路出口管(16)，液态金属支路进口管(21)和荒煤气出口管(20)设置在上升管换热装置(17)的上部，液态金属支路出口管(16)和荒煤气进口管(15)设置在上升管换热装置(17)的下部，液态金属支路进口管(21)和液态金属支路出口管(16)之间通过上升管盘管(18)连接，荒煤气出口管(20)内设置温度检测器。

2.根据权利要求1所述的一种以液态金属为工质的上升管换热系统，其特征在于，液态金属储液箱(2)和上升管换热装置(17)之间的所述液态金属输送管道上设置流量监测器、压力检测器和上升管液态金属总进口温度表(19)，上升管换热装置(17)和液态金属蒸发器(4)之间的所述液态金属输送管道上设置流量监测器、压力检测器和上升管液态金属总出口温度表(14)。

3.根据权利要求1所述的一种以液态金属为工质的上升管换热系统，其特征在于，包括若干上升管换热装置(17)，且若干上升管换热装置(17)之间通过液态金属支路进口管(21)和液态金属支路出口管(15)并联连接。

4.根据权利要求3所述的一种以液态金属为工质的上升管换热系统，其特征在于，每个上升管换热装置(17)的液态金属支路进口管(21)上均设置流量监测器。

5.根据权利要求1所述的一种以液态金属为工质的上升管换热系统，其特征在于，液态金属储液箱(2)和上升管换热装置(17)之间的靠近液态金属储液箱(2)的液态金属输送管道上安装液下泵(3)，液下泵(3)配置变频电机。

6.根据权利要求1所述的一种以液态金属为工质的上升管换热系统，其特征在于，液态金属储液箱(2)的底部安装排污管(1)，液态金属储液箱(2)的内部安装液位计；液态金属储液箱(2)采用长方体或正方体结构。

7.根据权利要求1所述的一种以液态金属为工质的上升管换热系统，其特征在于，液态金属蒸发器(4)包括：蒸发器下封头(5)、筒体(7)、蒸发器上封头(10)，筒体(7)的上方安装蒸发器上封头(10)，筒体(7)的下方安装蒸发器下封头(5)。

8.根据权利要求7所述的一种以液态金属为工质的上升管换热系统，其特征在于，筒体(7)上设置除氧水进口(6)和蒸发器液位计(9)，除氧水进口(6)设置在蒸发器液位计(9)的下方并靠近蒸发器下封头(5)；筒体(7)内部设置蒸发器盘管(8)，除氧水进口(6)连接蒸发器盘管(8)，除氧水进口(6)处设置流量计。

9.根据权利要求7所述的一种以液态金属为工质的上升管换热系统，其特征在于，蒸发器上封头(10)上设置蒸发器检修孔(11)、蒸汽出口(12)和蒸发器安全阀(13)，蒸汽出口(12)位于液态金属蒸发器(4)内腔的上方，蒸汽出口(12)的两侧分别设置蒸发器检修孔(11)和蒸发器安全阀(13)，蒸汽出口(12)处设置流量计。

10.一种以液态金属为工质的上升管换热方法，基于权利要求1～9任意一项所述的上升管换热系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1：液态金属储液箱(2)中的液态金属通过液态金属支路进口管(21)进入上升管换热装置(17)；

与此同时，荒煤气通过荒煤气进口管(15)进入上升管换热装置(17)，与所述液态金属进行换热；

S2：经过换热后的液态金属通过液态金属支路出口管(16)进入液态金属蒸发器(4)进行换热，产生饱和蒸汽；

与此同时，经过换热后的荒煤气通过荒煤气出口管(20)排出；

S3：在液态金属蒸发器(4)中换热后的液态金属，通过液态金属输送管道进入液态金属储液箱(2)完成换热。