焦爐荒煤氣廢熱回收利用系統的制作方法

本實用新型涉及煉焦熱工設備領域，具體涉及一種焦爐荒煤氣廢熱回收利用系統。

背景技術：

煉鋼冶金、陶瓷燒制、金屬加熱等工業過程，一般不能直接使用原煤燃燒進行加熱，而是先將原煤經過煉制，脫去原煤中的焦油，成為含有純煤氣可燃成分的焦炭，再用于工業加熱。用原煤煉制焦炭所用的窯爐稱為煉焦爐，煉制過程是原煤在煉焦爐內熱解燃燒脫去焦油，并直至焦油完全脫盡的工藝過程。脫焦燃燒過程排放大量的成分復雜的原煤釋放的高溫煙氣，叫做荒煤氣，將荒煤氣從煉焦爐內引出的裝置稱為上升管，上升管是安裝在煉焦爐頂部用于排放荒煤氣的金屬管狀附屬設備。荒煤氣在原煤燃燒時放熱產生的氣體熱膨脹驅動力作用下，從焦爐內部源源不斷逸出，通過上升管升騰、氨水降溫匯集到主管道，再存入荒煤氣罐等待焦化處理。荒煤氣經凈化與焦化處理，得到的焦爐煤氣是優質燃料，得到的萘等是優質煤化工產品，所以，煉焦過程回收荒煤氣是非常重要的工藝過程。

原煤在焦爐內的最高煉焦溫度控制在1050℃以下。原煤在350-480℃時，大分子被熱解，開始逸出煤氣類氣相物和焦油液相物；450-550℃時，以液相為主與氣相產物大量析出；700-1000℃時液相物逐漸終盡，脫焦完成，焦炭形成，焦炭中保留了純煤氣可燃性氣體成分，即：從原煤到煉焦的工藝結束。如果繼續升溫，焦炭便被碳化，可燃性氣體逸盡并自燃，焦炭成為煤渣。荒煤氣中的焦油是成分復雜的液態膠體，在低于臨界結焦溫度即350℃以下時出現體積濃縮，吸附在物體表面，逐漸聚集成堅硬的塊狀，稱為結焦。

現有焦爐上升管的基本結構，如圖6所示，包括主體鋼管21，作為上升管管體，主體鋼管的兩端分別設有法蘭24，在主體鋼管的外表面設有石棉保溫層23，在主體鋼管的內表面襯有黏土類耐火磚砌成的耐火襯22，上升管內部貼上耐火襯之后，上升管的有效內徑為400mm。耐火襯的保護作用起到對焦油進行隔離的效果，防止荒煤氣中的焦油與鋼管的鐵原子化合產生石墨反應，導致金屬管腐蝕；耐火襯的保溫作用起到除焦效果，防止荒煤氣溫度在低于350℃時，焦油便吸附在耐火襯上，導致荒煤氣逸除不暢，阻塞荒煤氣排放。

但是，上述現有結構的焦爐上升管存在以下問題：

(一)、高溫荒煤氣廢熱直接排放，未被有效回收利用。荒煤氣高于350℃防結焦溫度以上的，約占煉焦放熱30％左右的熱能全部成為廢熱，即相當于每噸煤發電能力為3000kwh時，有1000kwh電量成為廢熱被“上天入地”廢棄；部分熱能隨上升管外壁擴散到空中，外壁最高溫度達到450-500℃，最低溫度250-300℃；部分熱能隨荒煤氣匯集被氨水急冷降溫而消失。

(二)、上升管內容易結焦，且難于控制。由于這種上升管是一種單純的煙道式結構，只有被動的保護防結焦耐火襯，耐火襯表面粗糙極易使焦油吸附掛壁，即使高溫燒掉但仍然留有痕跡，并越積越多，形成難以清理的堅硬塊狀焦油；且上升管的耐火襯是在上升管管內采用耐火磚砌體的方式，故其壽命期較短，一般只有1年，需要每年更新一次上升管，更新耐火磚砌體；管內結焦時常發生，但不易察覺，沒有控制結焦的技術措施，需要有經驗的操作人員通過觀察煉焦爐頂的裝煤孔、觀察孔，當發現荒煤氣大量逸出時，則判斷為上升管嚴重結焦被阻塞，結焦后一般采取調火燃燒除焦措施，嚴重結焦后則需要更換上升管；由于工況惡劣，上升管處理結焦很困難。

(三)、現有上升管在內部貼上耐火襯之后，上升管的有效內徑為400mm，該尺寸從理論上滿足上升管在高度保溫、不取熱、不降溫的條件下，荒煤氣以0.3-1.0m/s升騰速度按層流形態通過上升管；但在使用含焦量比較大的煤種(即煙煤)煉焦時，每一爐均出現荒煤氣來不及從上升管逸出，而從焦爐爐頂的裝煤孔、觀察孔逃逸，甚至需要人工打開上升管上方的爐蓋，將帶火的荒煤氣對“天”排放、并泄壓，否則會因荒煤氣逸出不及時，在裝煤孔或觀察孔起火燃燒，甚至導致煉焦室“炸膛”事故。

(四)、現有上升管內荒煤氣的流體狀態是層流狀態，即：荒煤氣自下而上有序逸出。層流狀態使得荒煤氣到達橋管時內外溫度不一致，貼近上升管內部耐火襯的外層荒煤氣的溫度，低于上升管中心位置的內層荒煤氣的溫度，并且溫差平均高達150℃。該溫差的存在，對荒煤氣的廢熱回收產生以下不利因素：一是，荒煤氣廢熱回收量不完全，大約有40-60％的廢熱位居荒煤氣氣流的中心位置沒有被回收或被充分回收；二是，給荒煤氣降溫的噴氨水量沒有降低到可以實現的最低量。

技術實現要素：

有鑒于此，本實用新型所要解決的技術問題是：提供一種焦爐荒煤氣廢熱回收利用系統，高效回收焦爐上升管內高溫荒煤氣廢熱，并對回收的廢熱充分利用。

為解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是：焦爐荒煤氣廢熱回收利用系統，所述焦爐荒煤氣廢熱回收利用系統包括：廢熱回收單元、廢熱存儲單元和廢熱再利用單元；

所述廢熱回收單元包括：設置于焦爐頂部的若干焦爐上升管，所述焦爐上升管包括上升管管體，所述上升管管體的兩端分別設置有法蘭，所述上升管管體采用套管結構，所述套管結構包括上升管外管和套在所述上升管外管內的上升管內管，所述上升管外管、所述上升管內管、所述法蘭共同圍出套管容腔；在所述套管容腔內設置有水冷壁，所述水冷壁包括水冷壁內壁和水冷壁外壁，所述水冷壁內壁與所述水冷壁外壁之間為水冷壁內腔，所述水冷壁外壁的下部設有與所述水冷壁內腔連通的進水管口，所述水冷壁外壁的上部設有與所述水冷壁內腔連通的出汽管口；所述焦爐上升管的進水管口與進水匯集總管相連通，所述焦爐上升管的出汽管口與過熱蒸汽匯集總管相連通；

所述廢熱存儲單元包括：蒸汽儲能器，所述蒸汽儲能器設有蒸汽進口和冷凝水出口，所述蒸汽進口與所述過熱蒸汽匯集總管相連通，所述冷凝水出口與所述進水匯集總管相連通；

所述廢熱再利用單元包括：與所述蒸汽儲能器連接的發電系統或/和供暖系統。

本實用新型的焦爐荒煤氣廢熱回收利用系統，以水為介質作為回收荒煤氣廢熱的載體，水自水冷壁外壁下部的進水管口進入水冷壁內腔；高溫荒煤氣在上升管內管中上升過程中與其發生熱交換，水冷壁內腔中的水與高溫的上升管內管發生熱交換，水被加熱、汽化、成為過熱蒸汽，最終自水冷壁外壁上部的出汽管口導出，制得的過熱蒸汽進入蒸汽儲能器，蒸汽儲能器中的過熱蒸汽即可供向廢熱再利用單元，用來發電和/或供暖等，實現了高溫荒煤氣廢熱的有效回收利用。

以下為對本實用新型的焦爐荒煤氣廢熱回收利用系統的多項進一步優化設計：

其中，所述焦爐荒煤氣廢熱回收利用系統還包括：設置于所述廢熱存儲單元與所述廢熱再利用單元之間的蒸汽再熱單元。過熱蒸汽匯集總管內的過熱蒸汽品質有一定的波動，會在過熱蒸汽匯集總管內出現汽水混合物，影響過熱蒸汽的品質；設置蒸汽再熱單元，可以減少蒸汽中的水分，使過熱蒸汽的品質保持穩定。

其中，設定焦爐頂部共有N+M個所述焦爐上升管，N≥1，M≥1；其中，所述廢熱回收單元包括N個所述焦爐上升管，所述蒸汽再熱單元包括M個所述焦爐上升管；所述蒸汽儲能器設有蒸汽出口，所述蒸汽儲能器的蒸汽出口連接有過熱蒸汽供汽總管，M個所述焦爐上升管的進水管口與所述過熱蒸汽供汽總管相連通，M個所述焦爐上升管的出汽管口與再熱蒸汽匯集總管相連通；所述再熱蒸汽匯集總管連接所述廢熱再利用單元。

其中，所述上升管內管的內表面涂有耐高溫納米陶瓷涂層。納米材料致密度極高，在上升管內管的內表面涂覆耐高溫納米陶瓷涂層后，上升管內壁保持高度的致密度、光潔度、平整度，使荒煤氣中的焦油不能在上升管內壁上吸附掛壁，避免結焦；納米材料附著力極高，故不易出現納米涂層裂紋、爆裂、脫落，并既有保溫特性，又有極強的隔離特性，確保荒煤氣的焦油不與鋼管的鐵原子產生化合作用，保護鋼管不被腐蝕，延長使用壽命。

其中，所述水冷壁內壁與所述上升管內管之間為內氣密層，所述水冷壁外壁與所述上升管外管之間為外氣密層。內氣密層的設置，可以避免低溫的冷水壁與高溫的荒煤氣形成直接接觸的降溫界面，避免過大的溫差而造成低于結焦臨界點溫度，避免造成結焦危害，確保廢熱回收的同時不會結焦；外氣密層的設置，不但可以對水冷壁起到保溫作用，防止水冷壁向上升管外管散熱，確保荒煤氣廢熱的高效回收，又起到防止回收的熱量散向周圍環境，達到了降低周圍溫度，改善工況環境目的。

其中，所述水冷壁自下而上包括相連通的高溫熱水段、飽和汽化段和過熱蒸汽段。

其中，所述水冷壁內腔中設有導流結構。導流結構的設置，使水冷壁內腔中的流體擾動，增加換熱效果。

其中，所述導流結構包括：位于所述高溫熱水段的水流導流板、位于所述飽和汽化段的汽化導流板和位于所述過熱蒸汽段的蒸汽分流板；所述水流導流板、所述汽化導流板、所述蒸汽分流板一體設置，呈螺旋導流結構；所述水流導流板的螺距、所述汽化導流板的螺距、所述蒸汽分流板的螺距依次增大。可以減小流體阻力，增加換熱系數。

其中，所述上升管管體的上端設有上測溫點管口，所述上升管管體的下端設有下測溫點管口；所述上測溫點管口、所述下測溫點管口皆設置有溫度變送器，所述溫度變送器與溫度控制器連接，所述溫度控制器還與電動調節閥連接，所述電動調節閥設置于進水支路上，所述進水支路的一端連接所述進水匯集總管，所述進水支路的另一端連接所述水冷壁的進水管口。焦爐運行過程中，溫度變送器實時檢測上升管內部荒煤氣溫度，測得荒煤氣溫度高于臨界結焦溫度時，通過水冷壁內腔的循環水回收荒煤氣的高溫余熱，并控制上升管的溫度不高于600℃，即可起到避免上升管的鋼管連接焊縫出現高溫斷裂的問題；測得荒煤氣溫度接近臨界結焦溫度時，溫度控制器控制電動調節閥，迅速調低循環水的流量、流速，即可迅速提升上升管內荒煤氣的溫度，避免結焦；一旦出現偶然、瞬間結焦，在高于400℃后會將結焦迅速熔解。

其中，所述焦爐上升管的內徑為450mm～500mm。擴大上升管的內徑后，一方面是，可減小荒煤氣上升的阻力，縮短荒煤氣在上升管內逸出的時間，確保廢熱回收的同時荒煤氣不會結焦；另一方面，可改變荒煤氣在上升管內的氣流形態，由層流變成紊流，紊流現象使荒煤氣在上升管內部產生渦旋和翻騰，同時廢熱回收過程中上升管內襯耐高溫納米陶瓷涂層與被降溫的荒煤氣的界面的溫度偏低，推動了不同溫度的荒煤氣形成氣流團，氣流團密度差異形成氣旋，氣旋進一步促使荒煤氣內外層充分混合，最終使通過上升管任何橫截面的荒煤氣的截面溫度基本一致，使荒煤氣廢熱能最大程度地回收，降低了給荒煤氣降溫的氨水用量。

綜上所述，采用了上述技術方案后，本實用新型的焦爐荒煤氣廢熱回收利用系統，通過設置廢熱回收單元、廢熱存儲單元和廢熱再利用單元，實現了高溫荒煤氣廢熱的有效回收和利用；通過設置耐高溫納米陶瓷涂層及控制上升管內荒煤氣溫度，解決了荒煤氣中的焦油在上升管內壁吸附掛壁、結焦的難題，延長了上升管的使用壽命；上升管的內徑擴容后，降低了給荒煤氣降溫的氨水用量，根除了荒煤氣從裝煤孔和觀察孔逃逸或人工排氣的問題，為安全生產提供了保障。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例的焦爐荒煤氣廢熱回收利用系統原理示意圖；

圖2是本實用新型實施例的焦爐荒煤氣廢熱回收利用系統現場示意圖；

圖3是圖1中的焦爐上升管外形結構示意圖；

圖4是圖3的縱向剖視結構示意圖；

圖5是圖3的橫向剖視結構示意圖；

圖6是現有焦爐上升管的剖視結構示意圖；

圖中：I、廢熱回收單元；II、廢熱存儲單元；III、蒸汽再熱單元；IV廢熱再利用單元、；V、供水與補水單元；

1、本實用新型焦爐上升管；1-1、法蘭連接固定用螺栓孔；1-2、法蘭；1-3、上升管外管；1-4、外氣密層；1-5、水冷壁外壁；1-6、水冷壁內腔；1-7、水冷壁內壁；1-8、內氣密層；1-9、上升管內管；1-10、耐高溫納米陶瓷涂層；1-11、進水管口；1-12、水流導流板；1-13、汽化導流板；1-14、蒸汽分流板；1-15、出汽管口；1-16、下測溫點管口；1-17、上測溫點管口；1-18、巖棉底座；D、焦爐上升管內徑；H、焦爐上升管高度；H1、高溫熱水段；H2、飽和汽化段；H3、過熱蒸汽段；101、上部溫度變送器；102、下部溫度變送器；103、溫度控制器；104、電動調節閥；105、進水支路；

2、現有焦爐上升管；21、主體鋼管；22、耐火襯；23、石棉保溫層；24、法蘭；

3、蒸汽儲能器；4、進水匯集總管；5、過熱蒸汽匯集總管；6、過熱蒸汽供汽總管；7、再熱蒸汽匯集總管。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型的具體實施方式做非限制性的詳細說明。

如圖1所示，本實用新型的焦爐荒煤氣廢熱回收利用系統包括：廢熱回收單元I、廢熱存儲單元II和廢熱再利用單元IV；如圖2所示，還進一步包括設置于廢熱存儲單元II與廢熱再利用單元IV之間的蒸汽再熱單元III，以及用于向廢熱回收單元I供水/補水的供水與補水單元V。

如圖2、圖4和圖5所示，廢熱回收單元I包括：設置于焦爐頂部的若干焦爐上升管1，焦爐上升管1包括上升管管體，在上升管管體的兩端分別設置有法蘭1-2，在法蘭1-2上設置有法蘭連接固定用螺栓孔1-1；其中，上升管管體采用套管結構，該套管結構包括上升管外管1-3和套在上升管外管1-3內的上升管內管1-9，進一步地，在上升管內管1-9的內表面涂有耐高溫納米陶瓷涂層1-10，在上升管外管1-3的外表面涂有防銹層，由上升管外管1-3、上升管內管1-9和兩端的法蘭1-2共同圍出套管容腔；在套管容腔內設置有不銹鋼材質的水冷壁，該水冷壁包括水冷壁內壁1-7和水冷壁外壁1-5，水冷壁內壁1-7與上升管內管1-9之間為內氣密層1-8，水冷壁外壁1-5與上升管外管1-3之間為外氣密層1-4，水冷壁內壁1-7與水冷壁外壁1-5之間為水冷壁內腔1-6，在水冷壁外壁1-5的下部設有與水冷壁內腔1-6連通的進水管口1-11，在水冷壁外壁1-5的上部設有與水冷壁內腔1-6連通的出汽管口1-15；焦爐上升管的進水管口1-11通過進水支路105與進水匯集總管4相連通，進水支路105上設置有電動調節閥104；焦爐上升管的出汽管口1-15與過熱蒸汽匯集總管5相連通；進一步地，在上升管管體的上端設有上測溫點管口1-17，上測溫點管口1-17設置有上部溫度變送器101，在上升管管體的下端設有下測溫點管口1-16，下測溫點管口1-16設置有下部溫度變送器102，上部溫度變送器101和下部溫度變送器102皆與溫度控制器103連接，溫度控制器103還與電動調節閥104連接。在套管容腔內位于下部法蘭1-2的上表面設有巖棉底座1-18，水冷壁的底部支撐在巖棉底座1-18上。

如圖1所示，廢熱存儲單元II包括蒸汽儲能器3，蒸汽儲能器3設有蒸汽進口和冷凝水出口，其中，蒸汽進口與過熱蒸汽匯集總管5相連通，冷凝水出口與進水匯集總管4相連通。

如圖1所示，廢熱再利用單元IV包括：與蒸汽儲能器3連接的發電系統和供暖系統。

如圖2所示，設定焦爐頂部共有N+M個焦爐上升管1，N≥1，M≥1，最好是N≥M；其中，廢熱回收單元I包括N個焦爐上升管1，蒸汽再熱單元III包括M個焦爐上升管1；圖2示意出了每座煉焦爐有60個燃燒室即60個焦爐上升管的情形，其中，N﹦55，即第1#至第55#焦爐上升管用于廢熱回收單元I；M﹦5，即第56#至第60#焦爐上升管用于蒸汽再熱單元III；當然，N、M的數值可以根據實際需要進行調整。蒸汽儲能器3設有蒸汽出口，蒸汽儲能器3的蒸汽出口連接過熱蒸汽供汽總管6，M個焦爐上升管1的進水管口1-11與過熱蒸汽供汽總管6相連通，M個焦爐上升管1的出汽管口1-15與再熱蒸汽匯集總管7相連通；再熱蒸汽匯集總管7連接廢熱再利用單元IV。

如圖4所示，其中，所述水冷壁自下而上包括相連通的高溫熱水段H1、飽和汽化段H2和過熱蒸汽段H3。其中，高溫熱水段H1也是水冷段，設置在焦爐上升管1的下端，占焦爐上升管高度H的40％左右，進水溫度在10-40℃，通過水冷段吸收荒煤氣廢熱50-60％的熱能，將水的溫度迅速升高到95℃，達到近汽化程度。其中，飽和汽化段H2也是高溫冷凝段，位于高溫熱水段H1的上部，焦爐上升管1的中部，占焦爐上升管高度H的30％左右，其作用是通過吸收荒煤氣在底段廢熱的余熱，將高溫熱水汽化為飽和蒸汽，進一步回收荒煤氣廢熱。其中，過熱蒸汽段H3是為了提高所回收廢熱的熱品質，是實現廢熱回收與再利用的重要環節，過熱蒸汽段H3設置在焦爐上升管1的上端，位于飽和汽化段H2的上部，占焦爐上升管高度H的30％左右，通過過熱蒸汽段H3吸收荒煤氣上段的廢熱，將中段的飽和蒸汽升華為過熱蒸汽。

如圖4所示，其中，在水冷壁內腔1-6中設有導流結構。導流結構的設置，使水冷壁內腔1-6中的高溫熱水、飽和蒸汽、過熱蒸汽擾動，增加換熱效果。

其中，所述導流結構包括：位于高溫熱水段H1的水流導流板1-12、位于飽和汽化段H2的汽化導流板1-13和位于過熱蒸汽段H3的蒸汽分流板1-14。進一步地，水流導流板1-12、汽化導流板1-13、蒸汽分流板1-14一體設置，呈螺旋導流結構。更進一步地，水流導流板1-12的螺距、汽化導流板1-13的螺距、蒸汽分流板1-14的螺距依次增大。可以減小流體阻力，增加換熱系數。

如圖4所示，其中，焦爐上升管內徑D為450mm～500mm。擴大上升管的內徑后，一方面是，減小了荒煤氣在上升管內部的單位密度，可減小荒煤氣上升的阻力，縮短荒煤氣在上升管內逸出的時間，確保廢熱回收的同時荒煤氣不會結焦；另一方面，可改變荒煤氣在上升管內的氣流形態，由層流變成紊流，紊流現象使荒煤氣在上升管內部產生渦旋和翻騰，同時廢熱回收過程中上升管內襯耐高溫納米陶瓷涂層與被降溫的荒煤氣的界面的溫度偏低，推動了不同溫度的荒煤氣形成氣流團，氣流團密度差異形成氣旋，氣旋進一步促使荒煤氣內外層充分混合，最終使通過上升管任何橫截面的荒煤氣的截面溫度基本一致，使荒煤氣廢熱能最大程度地回收，降低了給荒煤氣降溫的氨水用量。同時，焦爐上升管內徑擴容后，根除了荒煤氣從裝煤孔和觀察孔逃逸或人工排氣的問題。

綜上所述，本實用新型的焦爐荒煤氣廢熱回收利用系統，通過設置廢熱回收單元、廢熱存儲單元和廢熱再利用單元，實現了高溫荒煤氣廢熱的有效回收和利用；通過設置耐高溫納米陶瓷涂層及控制上升管內荒煤氣溫度，解決了荒煤氣中的焦油在上升管內壁吸附掛壁、結焦的難題，延長了上升管的使用壽命；上升管的內徑擴容后，降低了給荒煤氣降溫的氨水用量，根除了荒煤氣從裝煤孔和觀察孔逃逸或人工排氣的問題，為安全生產提供了保障。