一种焦炉换热装置及制备方法与流程

本发明涉及焦炉换热装置技术领域。具体地说是一种焦炉换热装置及制备方法。

背景技术：

换热式两段焦炉把传统焦炉的蓄热室改为了换热室，把底排烟改为了上排烟，通过换热室把烟气温度由1250℃降低到600℃左右，再通过预热室把煤粉预热至250℃左右，煤粉水分含量由10％降为0，可缩短炼焦时间8小时左右。

换热式两段焦炉与传统的蓄热式焦炉相比优势明显，主要体现在以下几个方面：1、降低炼焦成本，吨焦用煤可节约250元；2、减少污染，剩余氨水量减少85％，酚氰污水量减少三分之二以上，氮氧化物排放量大幅度减少，无装煤污染。3、节约能源，炼焦耗热量降低18.88％，可节能约699亿kcal(按2016年焦炭产量4.5亿吨计算)，相当于节约0.1亿吨标准煤。4、降低投资成本，比传统焦炉节省投资1/3。

采用换热式两段焦炉炼焦工艺节能减排潜力巨大，推广换热式两段焦炉的使用，可实现环境效益与经济效益双赢。

而要实现预热煤炼焦，通过换热装置把烟气温度由1250℃降到600℃左右，普通的换热器结构和材料都很难经受如此高温度差的冲击，而产生大应力释放，造成换热装置破坏。

技术实现要素：

为此，本发明所要解决的技术问题提供一种焦炉换热装置及制备方法，通过焦炉换热装置把焦炉烟气温度由1250℃左右降低到600℃左右，并要保持整个换热系统长期稳定运行。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种焦炉换热装置，由若干组换热单元组成，每组换热单元由若干层单层换热器组成，单层换热器由碳化硅连接砖及换热管通过火泥连接而成；换热管两端的碳化硅连接砖分别为连接砖一和连接砖二；换热管两端的连接砖一及连接砖二都分别由2块碳化硅连接半砖组装而成，连接砖中的连接砖一由连接半砖一和连接半砖二组装而来，连接砖二由连接半砖一和连接半砖三组装而成；

所述连接砖一的连接半砖一的第一表面上开设有连接半砖一换热管安装半槽和连接半砖一导气半槽，所述连接半砖二的第一表面上开设有连接半砖二换热管安装半槽、连接半砖二导气半槽和连接半砖二砖间导气孔；所述连接半砖二砖间导气孔的另一端延伸至所述连接半砖二的第二表面；所述连接半砖一的第一表面和所述连接半砖二的第一表面之间通过碳化硅火泥层固定密封连接；所述连接半砖一换热管安装半槽和所述连接半砖二换热管安装半槽组成连接砖一换热管安装孔，所述连接砖一导气半槽和所述连接半砖二导气半槽组成连接砖一砖内导气孔；所述连接砖一砖内导气孔的一端与所述连接砖一换热管安装孔流体导通，所述连接砖一砖内导气孔的另一端与所述连接半砖二砖间导气孔的一端流体导通；所述连接砖一换热管安装孔和所述连接半砖二砖间导气孔之间的夹角大于0°且小于或等于180°；

所述连接砖二的连接半砖一的第一表面上开设有连接半砖一换热管安装半槽和连接半砖一导气半槽，所述连接半砖三的第一表面上开设有连接半砖三换热管安装半槽、连接半砖三导气半槽和连接半砖三砖间导气孔；所述连接半砖三砖间导气孔的另一端延伸至所述连接半砖三的第二表面；所述连接半砖一的第一表面和所述连接半砖三的第一表面之间通过碳化硅火泥层固定密封连接；所述连接半砖一换热管安装半槽和所述连接半砖三换热管安装半槽组成连接砖二换热管安装孔，所述连接半砖一导气半槽和所述连接半砖三导气半槽组成连接砖二砖内导气孔；所述连接砖二砖内导气孔的一端与所述连接砖二换热管安装孔流体导通，所述连接砖二砖内导气孔的另一端与所述连接半砖三砖间导气孔的一端流体导通；所述连接砖二换热管安装孔和所述连接半砖三砖间导气孔之间的夹角大于0°且小于或等于180°；

所述连接半砖二砖间导气孔和连接半砖三砖间导气孔开口方向相反，并通过碳化硅换热管连接而实现流体导通；所述碳化硅换热管一端伸入到所述连接砖一换热管安装孔内，另一端伸入到所述连接砖二换热管安装孔内，并且所述碳化硅换热管的外表面与所述连接砖一换热管安装孔及所述连接砖二换热管安装孔内壁之间通过碳化硅火泥层固定密封连接。

上述焦炉换热装置，所述连接砖一换热管安装孔的孔径大于所述连接半砖二砖间导气孔和所述连接砖一砖内导气孔的孔径，所述连接砖二换热管安装孔的孔径大于所述连接半砖三砖间导气孔和所述连接砖二砖内导气孔的孔径。

上述焦炉换热装置，所述连接砖一的连接半砖二中第二表面与所述连接半砖二砖间导气孔接触处设置为连接半砖二连接凹槽，连接砖二的连接半砖三的第二表面与连接半砖三砖间导气孔接触处设置为连接半砖三连接凸台；所述连接半砖二连接凹槽与所述连接半砖三连接凸台凹凸配合。

上述焦炉换热装置，所述碳化硅换热管采用等静压成型。

上述焦炉换热装置，在所述碳化硅换热管中：sic的质量分数为50～80％，n的质量分数为6～16％。

上述焦炉换热装置，在每个单层换热器中：碳化硅换热管束横向排列。

上述焦炉换热装置，在每个单层换热器中：碳化硅换热管数量为3～8根。

上述焦炉换热装置，换热管壁厚5～10mm，外径30～100mm，长度300～3000mm。

上述焦炉换热装置，换热管插入连接砖的深度为10～100mm，所述碳化硅换热管与所述碳化硅连接砖之间采用火泥密封。

上述焦炉换热装置，换热单元由若干组单层换热器组装而成；换热单元组装时，上下相邻的两层换热器的所述连接半砖二连接凹槽与连接半砖三连接凸台相配合，通过火泥层连接密封，实现气体转向导通。

上述焦炉换热装置，单层换热器层数≥10层。

上述焦炉换热装置，包括若干组换热单元，相邻换热单元各自独立，沿碳化硅换热管长度方向平行布置，气体不相互流通；焦炉换热装置位于焦炉燃烧室上部、换热室内部，每个燃烧室对应2组焦炉换热装置，每组之间采用隔墙隔开。

上述焦炉换热装置，包括以下步骤：

(1)碳化硅换热管的制备：

(1-1)准备物料：原料由如下组分组成：

(1-2)将粒径为大于0.5mm且小于等于1.43mm的碳化硅颗粒一、粒径为大于0.088mm且小于等于0.5mm的碳化硅颗粒二和结合剂酚醛树脂，倒入混练机中混练均匀，再倒入碳化硅粉、硅粉、黏土粉和金属铝粉，继续混练，直至所有物料混练均匀、且易成型，出料，过筛，即得到混合物a；

(1-3)将混合物a，倒入磨具，在等静压机上等静压成型，压力为80～150mpa，得到管件b；

(1-4)管件b经过干燥烘干后，干燥温度为100～120℃，烘干时间为大于等于12h，切割得到长度合格的管件c；

(1-5)管件c送入氮化窑内，氮化烧成得到碳化硅换热管d，烧成温度为1300～1450℃，烧成时间≥60小时；

(2)碳化硅连接砖的制备：生产上述所示结构的碳化硅连接半砖一、连接半砖二和连接半砖三；所制备的碳化硅连接砖：sic的质量分数大于等于70wt％，si3n4的质量分数大于等于14wt％；

(3)用碳化硅火泥将碳化硅换热管和碳化硅连接砖组装成上述任一所述的单层换热器；所述碳化硅换热管之间相互平行且横向排列；

(4)利用碳化硅火泥将步骤(3)中的单层换热器组装成换热单元，若干组换热单元组成所述的焦炉换热装置。

上述焦炉换热装置，在步骤(3)中，包括如下步骤：

(3-1)将碳化硅换热管d和碳化硅连接半砖一、连接半砖二和连接半砖三的表面清理干净；

(3-2)通过碳化硅火泥层把碳化硅换热管d和碳化硅连接砖半砖粘结在一起，得到上述任一所示结构的单层换热器f；

(3-3)单层换热器f自然干燥后烘干，烘干温度为大于或等于110℃，烘干时间为大于等于6h；

(3-4)烘干后的单层换热器f进行烧成，烧成温度为大于或等于1200℃，烧成时间为大于等于24h，得到单层换热器g；

(3-5)单层换热器g经过检验，合格的单层换热器g进行包装、入库。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

本发明的上述技术方案与现有技术相比具有以下优点：(1)本发明的焦炉换热装置生产工艺简单、生产成本低、效率高，适合大规模工业化生产；(2)单层换热器在施工前进行了烧成，更能保证整个换热系统的气密性能；(3)单层换热器重量适当，在现场施工过程中便于操作，更适合施工要求；(4)本发明焦炉换热装置导热性好，更易满足系统的换热要求；(5)本发明焦炉换热装置抗侵蚀及抗热冲击性好，能保证更长的稳定运行时间。

附图说明

图1-1为本发明的碳化硅连接砖的连接半砖一的结构示意图(主视)；图1-2为本发明的碳化硅连接砖的连接半砖一的结构示意图(侧视)；图1-3为本发明的碳化硅连接砖的连接半砖一的结构示意图(立体)；

图2-1为本发明的碳化硅连接砖的连接半砖二的结构示意图(主视)；图2-2为本发明的碳化硅连接砖的连接半砖二的结构示意图(侧视)；图2-3为本发明的碳化硅连接砖的连接半砖二的结构示意图(立体)；

图3-1为本发明的碳化硅连接砖的连接半砖三的结构示意图(主视)；图3-2为本发明的碳化硅连接砖的连接半砖三的结构示意图(侧视)；图3-3为本发明的碳化硅连接砖的连接半砖三的结构示意图(立体)；

图4为本发明的碳化硅连接砖一结构示意图；

图5为本发明的碳化硅连接砖二结构示意图；

图6-1为本发明的单层换热器结构示意图(主视)；图6-2为本发明的单层换热器结构示意图(俯视)；

图7-1为本发明的换热单元结构示意图(俯视)；图7-2为本发明的换热单元结构示意图(剖面)；图7-3为本发明的换热单元结构示意图(立体)；

图8-1为本发明的换热装置结构示意图(主视)；图8-2为本发明的换热装置结构示意图(俯视)。

其中，1-连接半砖一；2-连接半砖二；3-连接半砖三；4-连接半砖一换热管安装半槽；5-连接半砖一导气半槽；6-连接半砖二换热管安装半槽；7-连接半砖二导气半槽；8-连接半砖二砖间导气孔；9-碳化硅火泥层；10-连接砖一换热管安装孔；11-连接砖一砖内导气孔；12-连接半砖三换热管安装半槽；13-连接半砖三导气半槽；14-连接半砖三砖间导气孔；15-连接砖二换热管安装孔；16-连接砖二砖内导气孔；17-碳化硅换热管；18-连接半砖二连接凹槽；19-连接半砖三连接凸台。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

实施例1碳化硅连接砖

本实施例碳化硅连接砖如图4和图5所示，包括连接砖一和连接砖二，换热管两端的连接砖一及连接砖二都分别由2块碳化硅连接半砖组装而成；连接砖中的连接砖一由连接半砖一1和连接半砖二2组装而来，连接砖二由连接半砖一1和连接半砖三3组装而成。

如图1-1至图1-3所示，所述连接半砖一1的第一表面上开设有连接半砖一换热管安装半槽4和连接半砖一导气半槽5。

如图2-1至图2-3所示，所述连接半砖二2的第一表面上开设有连接半砖二换热管安装半槽6、连接半砖二导气半槽7和连接半砖二砖间导气孔8，如图4所示，所述连接半砖二2的第二表面与连接半砖二砖间导气孔8接触处设置为连接半砖二连接凹槽18。

如图3-1至图3-3所示，所述连接半砖三3的第一表面上开设有连接半砖三换热管安装半槽12、连接半砖三导气半槽13和连接半砖三砖间导气孔14，如图5所示，所述连接半砖三3的第二表面与连接半砖三导气孔14接触处设置为连接半砖三连接凸台19。

如图4所示，连接砖一中所述连接半砖一1的第一表面和所述连接半砖二2的第一表面之间通过碳化硅火泥层9固定密封连接；所述连接半砖一换热管安装半槽4和所述连接半砖一换热管安装半槽6组成连接砖一换热管安装孔10，所述连接半砖一导气半槽5和所述连接半砖二导气半槽7组成连接砖一砖内导气孔11；所述连接砖一砖内导气孔11的一端与所述连接砖一换热管安装孔10流体导通，所述连接砖一砖内导气孔11的另一端与所述连接半砖二砖间导气孔8的一端流体导通；所述连接砖一换热管安装孔10和所述连接半砖二砖间导气孔8之间的夹角大于0°且小于或等于180°。所述连接砖一换热管安装孔10的孔径大于所述连接半砖二砖间导气孔8和所述连接砖一砖内导气孔11的孔径。

如图5所示，连接砖二中所述连接半砖一1的第一表面和所述连接半砖三3的第一表面之间通过碳化硅火泥层9固定密封连接；所述连接半砖一换热管安装半槽4和所述连接半砖三换热管安装半槽12组成连接砖二换热管安装孔15，所述连接半砖一导气半槽5和所述连接半砖三导气半槽13组成连接砖二砖内导气孔16；所述连接砖二砖内导气孔16的一端与所述连接砖二换热管安装孔15流体导通，所述连接砖二砖内导气孔16的另一端与所述连接半砖三砖间导气孔14的一端流体导通；所述连接砖二换热管安装孔15和所述连接半砖三砖间导气孔14之间的夹角大于0°且小于或等于180°。所述连接砖二换热管安装孔15的孔径大于所述连接半砖三砖间导气孔14和所述连接砖二砖内导气孔16的孔径。

实施例2单层换热器

本实施例单层换热器如图6-1所和6-2所示，包括碳化硅换热管17和两个所述的碳化硅连接砖一和碳化硅连接砖二，连接砖一的连接半砖二砖间导气孔8开口与连接砖二的连接半砖三砖间导气孔14开口朝向相反；所述碳化硅换热管17一端伸入到所述连接砖一换热管安装孔10内，所述碳化硅换热管17另一端伸入到所述连接砖二换热管安装孔15内，并且所述碳化硅换热管17的外表面与所述连接砖一换热管安装孔10及所述连接砖二换热管安装孔15的内壁之间通过碳化硅火泥层9固定密封连接；所述碳化硅换热管17厚度5～10mm，所述碳化硅换热管17外径30～100mm，长度300～3000mm；插入连接砖一和连接砖二的深度为10～100mm。在每个单层换热器中：碳化硅换热管17数量为3～8根，4～5根尤佳。

实施例3换热单元

如图7-1至图7-3所示所示，在由本实施例单层换热器组装成换热单元的时候，相邻两层单层换热器通过连接砖一的所述连接半砖二连接凹槽18和连接砖二的所述连接半砖三连接凸台19装配在一起，采用碳化硅火泥层9密封，实现气流换向。所述所有碳化硅换热管17之间相互平行；一组换热单元，单层换热器≥10层，一般为偶数层。

实施例4焦炉换热装置

本实施例焦炉换热装置如图8所示，由实施例3中的换热单元排列而成，相邻换热单元各自独立，沿换热管方向平行布置，气体不相互流通。

所述焦炉换热装置，位于焦炉燃烧室上部，换热室内部，每个燃烧室对应2组焦炉换热装置，每组之间采用隔墙隔开。

应用本实施例的焦炉换热装置进行换热，在焦炉换热装置外部走高温烟气，内部走空气或煤气，以达到换热的目的。

如图7-1至图7-3所示，空气或煤气从每组换热单元的顶部入口进入，通过连接半砖三砖间导气孔14，流入连接砖二砖内导气孔16，进入碳化硅换热管17，然后进入到连接砖一砖内导气孔11及连接半砖二砖间导气孔8，然后进入下一层的连接半砖三砖间导气孔14，实现气体换向。如此往复，最后从换热单元底部的连接半砖二砖间导气孔8流出，导入到燃烧室底部进行燃烧，最终完成焦炉内热量的传递。

实施例5焦炉换热装置的制备方法

实施例5-1

1.碳化硅换热管的制备：

1-1、准备物料：

碳化硅换热管17由如下组分组成：

碳化硅颗粒一为10kg，碳化硅颗粒一的粒径大于0.5mm且小于或等于1.43mm；

碳化硅颗粒二为55kg，碳化硅颗粒二的粒径大于0.088mm且小于或等于0.5mm；

碳化硅粉为5kg，碳化硅粉的粒径大于0且小于或等于0.088mm；

硅粉为20kg，硅粉的粒径小于或等于0.088mm；

黏土粉为5kg；金属铝粉为5kg，结合剂为5kg，结合剂为酚醛树脂；

1-2、将粒径为大于0.5mm且小于等于1.43mm的碳化硅颗粒一、粒径为大于0.088mm且小于等于0.5mm的碳化硅颗粒二倒入倾斜式混练机中混练1～2分钟，倒入结合剂酚醛树脂混练2～3分钟，再按上述配比倒入碳化硅粉、硅粉、黏土粉、金属铝粉混练15分钟，直至所有物料混练均匀、且易成型，出料，过2mm筛网，得到混合物a。

1-3、将混合物a在等静压机上120mpa压力下成型，得到管件b。

1-4、然后将管件b，在温度为110℃的干燥房内进行烘干，烘干24小时后，把多余的尺寸切割掉，得到管件c。

1-5、将管件c送入氮化窑内氮化烧成，烧成温度为1420℃，烧成时间为84小时，即得到碳化硅换热管d。

2.碳化硅连接半砖的制备：按照传统工艺生产氮化硅结合碳化硅连接半砖，得到碳化硅连接半砖e。所制备的碳化硅连接砖：sic的质量分数大于等于70wt％，si3n4的质量分数大于等于14wt％。

3.碳化硅换热管和碳化硅连接半砖的组装：

3-1、将碳化硅换热管d和碳化硅连接半砖一、连接半砖二和连接半砖三采用水洗的方式把表面清理干净。

3-2、按照实施例2单层换热器的组装方法，用碳化硅火泥把4根碳化硅换热管d和4块碳化硅连接半砖粘结在一起得到单层换热器f。

3-3、单层换热器f经过自然干燥后烘干，烘干温度150℃，12小时。

3-4、把单层换热器f放入窑内1200℃烧成36小时，便生产出了单层换热器g。

3-5、单层换热器g经过检验合格，进行包装、入库。

3-6、按照订单要求，单层换热器g发往施工现场进行施工，施工时采用碳化硅火泥把单层换热器g组装成换热单元，12层单层换热器为一个换热单元。

3-7、每组换热装置由16个换热单元组成，沿换热管方向平行排列。

实施例5-2

1.碳化硅换热管的制备：

1-1、准备物料：

碳化硅换热管17由如下组分组成：

碳化硅颗粒一为5kg，碳化硅颗粒一的粒径大于0.5mm且小于或等于1.43mm；

碳化硅颗粒二为60kg，碳化硅颗粒二的粒径大于0.088mm且小于或等于0.5mm；

硅粉为25kg，硅粉的粒径小于或等于0.088mm；

黏土粉为10kg；结合剂为4.5kg，结合剂为酚醛树脂；

1-2、将粒径为大于0.5mm且小于等于1.43mm的碳化硅颗粒一、粒径为大于0.088mm且小于等于0.5mm的碳化硅颗粒二倒入倾斜式混练机中混练1～2分钟，倒入结合剂5408酚醛树脂混练2～3分钟，再按上述配比倒入硅粉、黏土粉混练15分钟，出料，过2mm筛网，得到混合物a。

1-3、将混合物a在等静压机上120mpa压力下成型，得到管件b。

1-4、然后将管件b，在温度为110℃的干燥房内进行烘干，烘干24小时后，把多余的尺寸切割掉，得到管件c。

1-5、将管件c送入氮化窑内氮化烧成，烧成温度为1350℃，烧成时间为92小时，即得到碳化硅换热管d。

2.碳化硅连接半砖的制备：按照传统工艺生产氮化硅结合碳化硅连接半砖，得到碳化硅连接半砖一、连接半砖二和连接半砖三。所制备的碳化硅连接砖：sic的质量分数大于等于70wt％，si3n4的质量分数大于等于14wt％。

3.碳化硅换热管和碳化硅连接半砖的组装：

3-1、将碳化硅换热管d和碳化硅连接砖e采用水洗的方式把表面清理干净。

3-2、采用实施例2单层换热器的组装方法，用碳化硅火泥把5根碳化硅换热管d和4块碳化硅连接半砖e粘结在一起得到单层换热器f。

3-3、单层换热器f经过自然干燥后烘干，烘干温度150℃，12小时。

3-4、把单层换热器f放入梭式窑内1200℃烧成48小时，便生产出了单层换热器g。

3-5、单层换热器g经过检验合格，进行包装、入库。

3-6、按照订单要求，单层换热器g发往施工现场进行施工，施工时采用碳化硅火泥把单层换热器g组装成换热单元，10层单层换热器为一个换热单元。

3-7、每组换热装置由16个换热单元组成，沿换热管方向平行排列。

实施例5-3

1.碳化硅换热管的制备：

1-1、准备物料：

碳化硅换热管17由如下组分组成：

碳化硅颗粒一为20kg，碳化硅颗粒一的粒径大于0.5mm且小于或等于1.43mm；

碳化硅颗粒二为45kg，碳化硅颗粒二的粒径大于0.088mm且小于或等于0.5mm；

碳化硅粉为15kg，碳化硅粉的粒径大于0且小于或等于0.088mm；

硅粉为15kg，硅粉的粒径小于或等于0.074mm；

金属铝粉为5kg，结合剂为6kg，结合剂为酚醛树脂；

1-2、将粒径为大于0.5mm且小于等于1.43mm的碳化硅颗粒一、粒径为大于0.088mm且小于等于0.5mm的碳化硅颗粒二倒入倾斜式混练机中混练1～2分钟，倒入结合剂5408酚醛树脂混练2～3分钟，再按上述配比倒入碳化硅粉、硅粉、金属铝粉混练15分钟，出料，过2mm筛网，得到混合物a。

1-3、将混合物a在等静压机上120mpa压力下成型，得到管件b。

1-4、然后将管件b，在温度为110℃的干燥房内进行烘干，烘干24小时后，把多余的尺寸切割掉，得到管件c。

1-5、将管件c送入氮化窑内氮化烧成，烧成温度为1450℃，烧成时间为60小时，即得到碳化硅换热管d。

2.碳化硅连接半砖的制备：按照传统工艺生产氮化硅结合碳化硅连接半砖，得到碳化硅连接半砖一、连接半砖二和连接半砖三。所制备的碳化硅连接砖：sic的质量分数大于等于70wt％，si3n4的质量分数大于等于14wt％。

3.碳化硅换热管和碳化硅连接半砖的组装：

3-1、将碳化硅换热管d和碳化硅连接半砖e采用水洗的方式把表面清理干净。

3-2、按照实施例2单层换热器的组装方法，采用碳化硅火泥把4根碳化硅换热管d和4块碳化硅连接半砖e粘结在一起得到单层换热器f。

3-3、单层换热器f，经过自然干燥后烘干，烘干温度150℃,12小时。

3-4、把单层换热器f放入梭式窑内1250℃烧成36小时，便生产出了单层换热器g。

3-5、单层换热器g经过检验合格，进行包装、入库。

3-6、按照订单要求，单层换热器g发往施工现场进行施工，施工时采用碳化硅火泥把单层换热器g组装成换热单元，14层单层换热器为一个换热单元。

3-7、每组换热装置由16个换热单元组成，沿换热管方向平行排列。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。