焦炉荒煤气及废烟气余热综合利用系统的制作方法

本实用新型属于焦炉余热资源利用技术领域，具体涉及一种焦炉荒煤气及废烟气余热综合利用系统。

背景技术：

炼焦生产过程中伴随着大量的余热、余能资源，焦炉热支出绝大部分都是可利用的余热，其中：焦炭占37％～40％，废气占18％～20％，荒煤气占30％～35％，废气与荒煤气两项余热合计约占55％，即占焦化生产能耗的近50％。按2016年焦炭产量4.49亿吨计算，我国焦炉余热资源总量约1.85亿吨标煤，可以回收利用的约占30％～50％，即5600万～9250万吨标煤，其中荒煤气与烟气显热约2800万～4625万吨标煤。不管对于焦化企业还是余热回收设备制造企业，焦炉荒煤气与烟气余热回收都是值得关注和投入的方向，具有广阔的市场前景。

焦炉排放的气体主要有两部分：焦炉荒煤气和焦炉烟道废气。焦炉荒煤气是从焦炉炭化室逸出的未经任何处理的煤气，焦炉荒煤气(650℃～750℃)带出热占焦炉支出热量的35％；焦炉烟道废气是煤燃烧后排放的烟气，焦炉烟道废气(180℃～230℃)排烟热损失约占焦炉支出热的18％，焦炉荒煤气和焦炉烟道废气的能量损失巨大，因此有必要对焦炉荒煤气和焦炉烟道废气的余热进行回收利用。

目前已建成焦炉烟道排烟的余热回收工程，利用焦炉烟道排烟余热加热给水产生低压蒸汽供生产或生活应用。该方法在使用过程中具有一定的缺点：产生的蒸汽压力和温度较低，蒸汽能量品位较低，蒸汽利用方式受到了很大的限制。

荒煤气的余热回收技术仍然是冶金行业余热利用的难点。目前绝大部分焦炉采用喷洒氨水的方式对焦炉荒煤气进行冷却，在连接上升管与集气管的桥管处喷洒大量70℃～75℃的循环氨水，将650℃～750℃的荒煤气冷却至80℃～100℃，而且最终还要在初冷器中利用大量循环水冷却。常规冷却工艺使荒煤气中大量的中高温余热被白白浪费掉，而且消耗了大量氨水和电能。长期以来，国内外研究人员做了大量的工作，形成了多种焦炉荒煤气热利用的技术，主要包括：上升管汽化冷却技术、导热油换热技术、热管式换热技术、外置余热锅炉换热技术、氮气换热技术、半导体温差发电技术、荒煤气直接裂解技术等。但在这些技术的使用过程中存在较严重的结焦问题，其原因是由于荒煤气中焦油蒸气、粗苯等成分较多，焦油蒸气在降温的过程中存在着结焦反应，生成的结焦物质黏结在管道的内表面，使传热系数急剧下降，严重阻碍传热过程，热回收装置难以长时间高效地运行，致使已有的上升管余热回收技术仍存在问题，使其不能大规模工业化推广使用。尤其是荒煤气中焦油蒸气的结焦问题，严重地阻碍了荒煤气余热回收的实现。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种焦炉荒煤气及废烟气余热综合利用系统，能够利用焦炉荒煤气及废烟气余热来产生高温高压以及低温低压两种蒸汽。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：焦炉荒煤气及废烟气余热综合利用系统，其特征在于，所述焦炉荒煤气及废烟气余热综合利用系统包括上升管换热系统、排烟换热系统、以及汽水系统；所述汽水系统包括：补水水箱、高压给水泵、低压给水泵、低压汽包、以及高压汽包；所述高压给水泵的进水口与所述低压给水泵的进水口皆与所述补水水箱相连接；所述排烟换热系统包括：沿废烟气流动方向依次设置的高压省煤器、低压蒸发器、以及低压省煤器；所述低压给水泵的出水口与所述低压省煤器相连接，所述高压给水泵的出水口与所述高压省煤器相连接，所述高压省煤器通过所述高压汽包与所述上升管换热系统相连接；所述高压汽包位于所述上升管换热系统的上方，所述低压汽包位于所述排烟换热系统的上方。

进一步的，所述上升管换热系统包括上升管换热装置，所述上升管换热装置由内及外依次包括支撑层、换热盘管、以及保温层；所述换热盘管用作高压蒸发器与高压过热器，并且所述高压蒸发器位于所述高压过热器的上方；所述上升管装置的外表面上还设置有高压蒸发器入口集箱、高压蒸发器出口集箱、高压过热器入口集箱、以及高压过热器出口集箱。

进一步的，所述上升管换热装置还包括耐火层，所述耐火层位于所述支撑层的内侧。

进一步的，所述高压蒸发器与所述高压过热器皆为螺旋盘管结构；所述螺旋盘管结构为单头或者多头的螺旋盘管结构。

进一步的，所述上升管换热系统包括并列设置的多个上升管换热装置，每个所述上升管换热装置皆与所述高压汽包相连接。

进一步的，所述低压省煤器与所述低压汽包相连接，所述低压蒸发器与所述低压汽包相连接。

进一步的，所述高压省煤器、所述低压蒸发器、以及所述低压省煤器皆为蛇形光管结构。

进一步的，所述高压省煤器、所述低压蒸发器、以及所述低压省煤器皆为蛇形翅片管结构。

进一步的，所述焦炉荒煤气及废烟气余热综合利用系统还包括发电系统，所述发电系统包括蒸汽轮机，以及与所述蒸汽轮机相连接的发电机。

进一步的，所述发电系统还包括凝汽器，所述凝汽器与所述补水水箱相连接。

由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

焦炉荒煤气及废烟气余热综合利用系统包括上升管换热系统、排烟换热系统、以及汽水系统。低压给水泵与排烟换热系统的低压省煤器相连接，并且低压省煤器与低压蒸发器所产生的蒸汽与低压汽包相连接；高压给水泵与排烟换热系统的高压省煤器相连接，并且高压省煤器通过高压汽包与上升管换热系统相连接，对经过高压省煤器预热的汽水进一步加热，产生高温高压的汽水，这样一来，通过本实用新型的焦炉荒煤气及废烟气余热综合利用系统能够产生高温高压与低温低压两种蒸汽，增大了蒸汽的利用范围。

上升管换热装置采用多层结构，最内层为耐火材料形成的耐火层，其作用为两方面：首先，保护上升管支撑层的金属材料不被腐蚀；其次，耐火材料具有增大热阻的作用，适当厚度的耐火材料可以有效地减少烟气传热量，使上升管换热装置的内壁面温度不至于降低太多，保持内壁温度高于焦油蒸气的露点温度，从而减少焦油蒸气的冷凝量，确保上升管换热装置的安全运行。

上升管换热装置的高压蒸发器与高压过热器都采用了螺旋盘管的换热方式，螺旋盘管具有三个优点：首先，与夹套式换热装置相比，螺旋盘管可以承载更高压力的蒸汽；第二，螺旋盘管的换热行程长，可产生更高温度的蒸汽；第三，螺旋盘管空间结构合理，焊缝不与高温焦炉荒煤气直接接触，可以避免以往水夹套换热装置经常出现的焊缝受热开裂的现象。

汽水在进入上升管换热装置前先经过排烟换热系统进行预热，以保证在上升管换热装置内始终有高温蒸汽流动，即使在炼焦初期焦炉荒煤气温度最低的情况下，上升管换热装置的内壁面温度也能够维持在高于焦炉荒煤气的露点温度，从而上升管换热装置的内壁面上不会发生大量焦油粘结堵塞的现象，即不会造成上升管换热装置的堵塞。

附图说明

图1是本实用新型的焦炉荒煤气及废烟气余热综合利用系统的结构示意图；

图2是利用本实用新型的焦炉荒煤气及废烟气余热综合利用系统进行发电的结构示意图；

图3是本图1中上升管换热装置的结构示意图；

图中，箭头的方向表示气体的流向；

图中，1-高压蒸发器出口集箱，2-上升管换热装置，3-高压蒸发器，4-高压过热器入口集箱，5-高压过热器，6-高压过热器出口集箱，7-高压蒸发器入口集箱，8-补水水箱，9-高压省煤器，10-高压给水泵，11-高压省煤器入口集箱，12-低压蒸发器，13-低压给水泵，14-低压省煤器入口集箱，15-低压省煤器，16-低压省煤器出口集箱，17-低压汽包，18-低压蒸发器入口集箱，19-低压蒸发器出口集箱，20-高压省煤器出口集箱，21-排烟换热系统，22-高压汽包，23-蒸汽轮机，24-发电机，25-凝汽器，26-保温层，27-耐火层，28-支撑层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

结合图1、图2、以及图3共同所示，一种焦炉荒煤气及废烟气余热综合利用系统，它包括上升管换热系统、排烟换热系统21、以及汽水系统。

汽水系统包括：补水水箱8、高压给水泵10、低压给水泵13、低压汽包17、以及高压汽包22。高压给水泵10的进水口与低压给水泵13的进水口皆与补水水箱8相连接。高压汽包22位于上升管换热系统的上方，低压汽包17位于排烟换热系统的上方。

排烟换热系统21包括：沿废烟气流动方向依次设置的高压省煤器9、低压蒸发器12、以及低压省煤器15，三者按照换热温度由高到低依次排列，实现能量梯级利用，降低系统的损失。低压给水泵13的出水口与低压省煤器入口集箱14相连接，高压给水泵10的出水口与高压省煤器入口集箱11相连接，并且高压省煤器出口集箱20通过高压汽包22与上升管换热系统相连接。低压汽包17通过下降管与低压省煤器出口集箱16相连接，低压汽包17的下部蒸汽出口通过管道与低压蒸发器入口集箱18相连接，低压汽包17的上部蒸汽出口通过管道与低压蒸发器出口集箱19相连接。高压省煤器9、低压蒸发器12、以及低压省煤器15皆为蛇形光管结构。在保证管外积灰不严重的情况下，高压省煤器9、低压蒸发器12、以及低压省煤器15皆可以为蛇形翅片管结构。排烟换热系统21安装在焦炉烟气排烟管道处，并且采用卧式布置，这种布置方式不需要对排烟换热系统21进行吊装，便于安装。

上升管换热系统包括并列设置的多个上升管换热装置2，每个上升管换热装置2皆与高压汽包22相连接。上升管换热装置2由内及外依次包括支撑层28、换热盘管、以及保温层26。上升管换热装置2还包括耐火层27，耐火层27位于支撑层28的内侧。换热盘管用作高压蒸发器3与高压过热器5，高压蒸发器3与高压过热器5皆优选为螺旋盘管结构。螺旋盘管结构为单头或者多头的螺旋盘管结构。并且高压蒸发器3位于高压过热器5的上方。支撑层28优选为钢管，是上升管换热装置2的主要承重结构，支撑层28的钢管上、下两端皆设置焊接法兰，方便与下部的上升管底座和上部的气体收集管连接，并且便于上升管的更换。在上升管换热装置2的外表面上还设置有高压蒸发器入口集箱7、高压蒸发器出口集箱1、高压过热器入口集箱4、以及高压过热器出口集箱6。高压汽包22通过下降管与多个并联的上升管换热装置2的高压蒸发器入口集箱7相连接，高压汽包22通过管道分别与多个并联的上升管换热装置2的高压蒸发器出口集箱1相连接，高压汽包22的上部蒸汽出口通过管道分别与多个并联的上升管换热装置2的高压过热器入口集箱4相连接。

焦炉荒煤气及废烟气余热综合利用系统还包括发电系统，发电系统包括蒸汽轮机23，以及与蒸汽轮机23相连接的发电机24。发电系统还包括凝汽器25，凝汽器25与补水水箱8相连接。通过利用焦炉荒煤气及废烟气余热产生高温高压蒸汽，高温高压蒸汽通过高压过热器出口集箱6进入蒸汽轮机23做功带动发电机24运行发电，蒸汽轮机23排出的乏汽进入凝汽器25冷凝后排入补水水箱8。

下面以使用本实用新型的焦炉荒煤气及废烟气余热综合利用系统产生高温高压和低温低压两种蒸汽的过程详细介绍如下：

高压蒸汽流程为：补水水箱8中20℃的锅炉补水经高压给水泵10加压至3.8MPa，进入排烟换热系统21中的高压省煤器9，加热至240℃进入高压汽包22，由高压蒸发器入口集箱7分配给上升管换热系统中并联的多个上升管换热装置2，进入并联的上升管换热装置2，并在高压蒸发器3中循环加热汽化，汽化后的汽水混合物经过多个并联的高压蒸发器出口集箱1汇集后进入高压汽包22，高压汽包22的出口为247℃的饱和蒸汽，饱和蒸汽经过并联的高压过热器入口集箱4进入上升管换热装置2的高压过热器5，加热至400℃的过热蒸汽。产生的高温高压过热蒸汽可以供给工厂高压用汽或者进行发电。

低压蒸汽流程为：补水水箱8中20℃的锅炉补水经低压给水泵13加压至0.8MPa，进入排烟换热系统21中的低压省煤器9，加热至165℃进入低压汽包17，在排烟换热系统21中的低压蒸发器12加热汽化至0.8MPa、170℃的饱和蒸汽，可供给炼钢厂的生产工艺低压用汽。

在本说明书的描述中，需要理解的是，“上部”、“上方”、“外表面”等描述的方位或者位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，这些仅仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，在没有经过任何创造性的劳动下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。