显热回收单体装置的制作方法

本发明涉及钢铁企业炼焦和煤化工装备领域，尤其是一种显热回收单体装置。

背景技术：

在钢铁企业炼焦单元和煤化工企业，焦炉炼焦是生产焦炭的主要方式。焦炉炼焦生产中伴随着大量热能的转化与释放，其过程中主要产生四种形态的显(余)热资源，分别是红焦显热、焦炉荒煤气显热、焦炉烟气余热和焦炉炉体散热。其中，焦炉荒煤气显热占到了焦炉生产排放总热资源的35％左右。焦炉炼焦过程中，焦炉上升管内的荒煤气温度高达650℃～850℃，含有大量的显热。实际生产中，为保证设备安全和工艺顺行，普遍的做法是采用喷氨水急冷的工艺对中高温荒煤气进行冷却，即在桥管与集气管喷洒循环氨水与荒煤气直接接触，使荒煤气急剧降温至80℃～85℃，降温后荒煤气在初冷器中再用冷却水间接冷却至常温。该工艺流程不仅浪费了大量荒煤气的显热，而且消耗大量的氨水和工业冷却水，造成了大量污水排放和电力消耗。焦炉排出的中高温荒煤气由于其成份复杂，流量、温度周期性变化，若荒煤气温度降低至450℃左右及以下，焦油组分将会大量析出造成通管堵塞影响生产顺行，一直以来荒煤气显热回收都是行业技术难题，因此焦炉荒煤气显热回收一直是焦化行业节能减排的研究热点之一。

国内少数焦化厂和研究单位对焦炉荒煤气显热回收技术和装置进行了研究，但普遍采用是夹套式和盘管式这两种在上升管筒体外表面进行显热回收的技术和装置，本质为一体式双层壁结构，由于受到筒体、管壳两级/两层传热的限制，存在换热效率低下的瓶颈性问题，直接导致产生的蒸汽品质不高。进一步的，这两种类型的装置体积庞大、用材量大，需对原有数米高的上升管进行整体替换，致使其单体价格达到了15～18万/根左右，价格昂贵、更换不便。特别的，夹套式显热回收装置由于采用腔体蓄水方式，一旦腔体鼓包、开裂漏水，较大的水量将对焦炉设备造成严重的安全隐患。

申请号为201821349087.3的专利申请“一种带翅片焦炉荒煤气显热回收装置”，提出了一种显热回收利用装置，其本质是由外筒和内筒组成夹套式一体式结构，通过新增加翅片来增大换热面积，能够适当提高显热回收的效率。但申请提出的装置仍然属于夹套式结构，本质性不能解决腔体开裂漏水的问题。

申请号为201420811623.2，名为“焦炉荒煤气上升管显热回收装置”的专利申请，提出了采用螺旋盘管和熔盐导热介质，以解决设备漏水和导热介质变质等问题。该申请提出的回收装置由于在上升管内部采用螺旋盘管结构，将增加荒煤气流动的阻力易造成气流不畅的问题，同时容易导致螺旋盘管上荒煤气结焦，造成管道腐蚀和换热效率急剧降低等问题。

申请号为201410309838.9，名为“上升管余热插入式温控热膨胀除焦热管导出方法及设备”的专利申请，较为创新的采用内置式单体显热回收方式，单体显热回收装置独立安装于上升管内，具有更换及维护成本低等优点，但最关键的问题是由于其内部为空体式结构，存在汽水不分的问题，其也只能产生价值不高的饱和蒸汽。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种对焦炉荒煤气余热进行的有效的回收，能够显著提高焦炉的节能水平的显热回收单体装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：显热回收单体装置，包括换热器壳体、进水管和过热蒸汽出口管，所述换热器壳体内设置有汽水分离装置，汽水分离装置将换热器壳体分隔为上腔室和下腔室，所述进水管穿过汽水分离装置且进水管的出水口端设置于下腔室内，上腔室通过过热蒸汽出口管与外界连通；其中，所述下腔室内设置有汽水隔离杯，所述汽水隔离杯的上开口与汽水分离装置底部连接，所述汽水隔离杯底部设置有液滴流出孔。

进一步的是，所述汽水隔离杯为倒锥形，所述倒锥形的汽水隔离杯的开口方向向上。

进一步的是，所述汽水隔离杯为圆柱形。

进一步的是，所述汽水隔离杯套接设置于进水管上。

进一步的是，所述液滴流出孔为汽水隔离杯的底部与进水管外壁面之间设置的间隙。

进一步的是，所述换热器壳体的外壁面设置有翅片。

进一步的是，包括支撑固定管，所述支撑固定管设置于上腔室所在的换热器壳体的外壁面。

进一步的是，所述过热蒸汽出口管设置于支撑固定管内。

进一步的是，所述进水管的进水口段设置于支撑固定管内。

进一步的是，所述进水管的出口端设置有散射器。

本发明的有益效果是：在实际使用时，以除盐水、除氧水、不饱和水、饱和蒸汽等为代表的换热工质首先通过进水管进入，并通过进水管的出水口端输送到下腔室内，换热工质在下腔室内快速吸收热量生成蒸汽，蒸汽通过汽水分离装置上升到换热器壳体的上腔室，其中，未汽化的液体部分则无法通过汽水分离装置，并汇聚于汽水隔离杯内，最终通过汽水隔离杯底部的液滴流出孔直接流动到下腔室底部，并再次吸收热量生成蒸汽。这样将蒸汽与液态换热工质分离的方式，避免了液滴对上升蒸汽的干扰和温降，同时挤压初始蒸汽沿换热器壳体下端的空腔内壁上升，实现快速吸热，总体有利于快速形成蒸汽，提高换热效率。本发明尤其适用于焦炉炼焦显热回收之中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中标记为：进水管1、散射器2、汽水隔离杯3、汽水分离装置4、翅片5、换热器壳体6、吊耳7、过热蒸汽出口管8、支撑固定管9、上升管10。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示的显热回收单体装置，包括换热器壳体6、进水管1和过热蒸汽出口管8，所述换热器壳体6内设置有汽水分离装置4，汽水分离装置4将换热器壳体6分隔为上腔室和下腔室，所述进水管1穿过汽水分离装置4且进水管1的出水口端设置于下腔室内，上腔室通过过热蒸汽出口管9与外界连通；其中，所述下腔室内设置有汽水隔离杯3，所述汽水隔离杯3的上开口与汽水分离装置4底部连接，所述汽水隔离杯3底部设置有液滴流出孔。

本发明将内置式设计与多腔多态和相变换热结构巧妙结合，设计了一种体积轻巧、更换方便的单层结构的显热回收单体装置，可根据需要产生不同压力和温度过热蒸汽，并可把焦炉荒煤气出口温度控制在预期温度区间或荒煤气焦油大量析出的450℃温度点之上，高于焦油临界析出温度，彻底杜绝设备粘接事故。本发明解决了现有产品中的蒸汽品质不高、价格昂贵、换热设备易结焦、安装难、更换及维护成本高等问题，保证焦炉正常运行基础上，对焦炉荒煤气余热进行的有效的回收，能够显著提高焦炉的节能水平。其中，本发明巧妙的利用了汽水隔离杯3的作用，将未汽化的液体汇聚于汽水隔离杯内，最终通过汽水隔离杯底部的液滴流出孔直接流动到下腔室底部，并再次吸收热量生成蒸汽。这样将蒸汽与液态换热工质分离的方式，避免了液滴对上升蒸汽的干扰和温降，同时挤压初始蒸汽沿换热器壳体下端的空腔内壁上升，实现快速吸热，总体有利于快速形成蒸汽，提高换热效率。其中，优选换热器壳体6管壁中不包括翅片部分的厚度选择范围为2mm-10mm，换热器壳体6与上升管10内壁至少相距10mm的距离，汽水隔离杯3材质优选为硬质低导热性绝热材料。在实际使用时，本装置可多组并联或串联安装在一个上10升管内，实现蒸汽产能的提升或蒸汽品质的提升。

为了进一步提高汽水隔离杯3隔离水汽的效果，可以选择这样的方案：所述汽水隔离杯3为倒锥形，所述倒锥形的汽水隔离杯3的开口方向向上。如图1所示，倒锥形的汽水隔离杯3上部开口较大，可以最大程度的收集未汽化的液体，底部的液滴流出孔将汇聚的液体输送到下腔室底部，作为再一次蒸发的液体工质。同时，也可以结合实际的需求，选择所述汽水隔离杯3为圆柱形。

为了便于汽水隔离杯3的位置布置，从而方便液体回收，可以选择这样的方案：所述汽水隔离杯3套接设置于进水管1上。如图1所示，汽水隔离杯3可以很好的将收集的液体沿进水管1底部方向输送出，从而加快液体的再次蒸发效率。优选所述液滴流出孔为汽水隔离杯3的底部与进水管1外壁面之间设置的间隙。

为了便于引导上升管10内高温气体的流动，以及获得更好的热交换效果，可以选择在所述换热器壳体6的外壁面设置翅片5。

在实际使用时，为了安装和固定的方便，优选包括支撑固定管9，所述支撑固定管9设置于上腔室所在的换热器壳体6的外壁面。如图1所示，支撑固定管9可以选择固定在上升管10管壁上，从而很好的将支撑固定管9固定在上升管10管壁，保证回收过程平稳的进行。在此基础之上，为了结构的精简，优选所述过热蒸汽出口管8设置于支撑固定管9内，以及优选所述进水管1的进水口段设置于支撑固定管9内。优选支撑固定管9内其余的空隙部分用绝热材料充填，在换热器壳体6与上升管10内壁距离之间用外壁打结耐火材料或用绝热材料包裹，达到支撑固定管9热强度能够支撑换热器壳体6即可。

为了进水管1喷出液体工质时，更够更好的将工质雾化，从而实现快速的加热生发成蒸汽，可以选择这样的方案：所述进水管1的出口端设置有散射器2。作为热量回收的换热工质而言，优选除盐水、除氧水、不饱和水、饱和蒸汽等，在实际热量回收时，散射器2将换热工质均匀分成多股紊流体喷射到换热器壳体6的下腔室的内壁上进行加热以及换热，形成汽水混合物；随后，汽水混合物沿换热器壳体6内壁通道上升加热，液态水进一步减少并在汽水分离装置4内完成汽水分离得到饱和蒸汽，分离得到的液滴通过汽水隔离杯3重新滴落至换热器壳体6空腔最下部；最后，饱和蒸汽继续在换热器壳体6空腔内向上流动并吸热，最终产生过热蒸汽。过热蒸汽通过过热蒸汽出口管8进入蒸汽管网，供工艺使用，装置完成对焦炉上升管荒煤气显热的回收。

实施例

实施例1

换热器壳体6管壁厚度2.5mm，换热器壳体6下端壳体封头形状为半球形，按本显热回收单体装置的结构形式单根放置于上升管10内，该上升管10内一段时间内的上部测点温度约815℃左右。带压不饱和水为换热工质，一定压力条件下通过进水管1输送至本显热回收单体装置内，从本显热回收单体装置的出口排出的过热蒸汽温度可以达到261℃，测点温降约105℃，实现了过热蒸汽的产出，并确保荒煤气换热后温度高于460℃。

实施例2

两根结构一致的管壁厚度8mm的换热器壳体6，换热器壳体6外壁均喷涂高导热性材料，下端壳体封头形状为圆锥形，按本显热回收单体装置的结构形式，采用并联方式放置于同一根上升管10内。该上升管10内一段时间内的上部测点温度约694℃左右，除氧水为换热工质，一定压力条件下分别通过进水管1输送至两个显热回收单体装置内，从两个显热回收单体装置出口汇合的过热蒸汽温度可以达到183℃，测点温降约164℃，实现了过热蒸汽的产出增加的同时，荒煤气换热后温度高于460℃。

通过上述实施例可以得出，本发明可以明显的提高显热回收效率，对钢铁冶金企业或焦化领域的节能具有重要意义，市场推广前景十分广阔。