本發明涉及焦爐荒煤氣余熱回收技術領域，尤其涉及焦爐上升管螺旋盤管套筒式余熱回收利用裝置。本發明還涉及該裝置的防結焦方法。

背景技術：

從焦爐炭化室上升管逸出的荒煤氣溫度在650℃—750℃，荒煤氣離開炭化室時所帶走的熱量約占焦爐總輸出熱量的35%左右，具有較高的回收利用價值。常規工藝下為冷卻高溫荒煤氣必須在連接上升管與集氣管的橋管處用氨水噴灑冷卻，使其溫度降至78℃—85℃。為了達到冷卻荒煤氣，在這一過程中不但使大量優質煤氣熱能資源被白白浪費而無法得到有效利用，而且還要消耗大量氨水和制冷能耗。因而長期以來，針對荒煤氣余熱利用研究人員均作了大量工作，形成了不少荒煤氣余熱利用技術。

目前荒煤氣余熱利用技術形式眾多，各有其優點缺點，但余熱回收技術不外乎兩種類型：一類是夾層水套式，即在上升管內筒外再加一層套管，形成水套夾層，中間通過夾層熱水回收余熱；其優點是傳熱效率高，缺點是使用中頻繁出現上升管水套漏水損壞爐體，上升管蓋揭啟困難，蒸汽產量不穩定水套易“干鍋”，甚至導致鍋爐汽包爆炸等問題，不能長期平穩安全使用；尤其是上升管水套大量熱量被無節制地傳遞出而導致其溫度低于荒煤氣結焦溫度點，在上升管內壁尤其是上升管根部結成堅硬石墨層或結焦油餅堵塞上升管，既影響上升管的順暢排出，又阻止熱能傳導，嚴重限制熱能的回收利用。第二類是螺旋管套筒式，如中國專利“一種螺旋盤管套筒式焦爐荒煤氣顯熱回收裝置”、專利號201520772829.3，該焦爐荒煤氣顯熱回收裝置包括上升管內筒、上升管外筒和盤管，上升管內筒的內側為荒煤氣流道，盤管則位于上升管內筒和上升管外筒之間的空腔中，為了提高傳熱效率，盤管始終緊密無間隙的盤繞在所述上升管內筒的外側壁上，在該結構中，雖然荒煤氣與螺旋盤管間的傳熱自始至終都在進行，正是因為這種自始至終且無節制的取熱過程，不可避免地造成煤氣中焦油氣凝結，回流炭化室或粘附在上升管內壁影響荒煤氣導出。同時高溫荒煤氣是具有強腐蝕性的復雜化學物質，對余熱回收利用裝置形成嚴重的腐蝕作用，使余熱回收利用裝置的使用壽命大大縮短。

因此現有的荒煤氣余熱利用技術均在技術存在一些不足，一方面無法控制荒煤氣中焦油蒸汽的結焦，導致集氣管、吸氣管等通道中焦油流動阻力增加，阻礙熱能傳遞，制約余熱的高效回收利用；另一方面荒煤氣對余熱回收利用裝置的高溫強腐蝕，嚴重影響使用壽命。阻礙了荒煤氣余熱回收利用的廣泛應用。

技術實現要素：

針對現有技術所存在的上述不足，本發明所要解決的技術問題是提供一種焦爐上升管防結焦高效余熱回收裝置，它不僅能使荒煤氣溫度始終保持在結焦溫度點以上，避免荒煤氣中焦油蒸汽的凝結，而且能有效防止荒煤氣的高溫腐蝕，使用壽命長，熱回收效率高。本發明另一要解決的技術問題是應用該余熱回收裝置而達到防止荒煤氣結焦的方法。

為了解決上述技術問題，本發明的焦爐上升管防結焦高效余熱回收裝置，包括上升管外壁，所述上升管外壁套裝于盤管筒體的外側，在上升管外壁與盤管筒體之間填充有保溫隔熱層；所述盤管筒體由能夠承壓的承壓管環繞為筒狀而構成，工作時承壓管管腔中的水蒸汽處于飽和狀態，該承壓管管腔中的飽和水蒸汽壓力大于或等于2.5MPa；在盤管筒體的筒體壁上涂覆有防腐熱阻層，該防腐熱阻層的厚度為1mm—5mm。

本發明的防結焦方法是，首先依據荒煤氣的結焦特性設定盤管筒體承壓管的最低飽和水蒸汽溫度，根據該承壓管腔的最低飽和水蒸汽溫度，確定承壓管腔中與所述最低飽和水蒸汽溫度對應的設定飽和水蒸汽壓力值，同時根據選定的防腐熱阻層材料及其導熱系數，確定盤管筒體的防腐熱阻層厚度，以通過控制承壓管腔的設定飽和水蒸汽壓力和防腐熱阻層來穩定承壓管腔的工作溫度；當向盤管筒體的筒體通道通以高溫荒煤氣時，高溫荒煤氣的熱能經過防腐熱阻層不斷向盤管筒體傳遞，盤管筒體及其承壓管中工質水的溫度升高而形成水蒸汽，使得承壓管管腔中的水蒸汽壓力升至設定飽和水蒸汽壓力，通過控制承壓管中的水蒸汽輸出量以使承壓管中工作壓力或工作溫度穩定于設定飽和水蒸汽壓力或最低飽和水蒸汽溫度值，從而使得荒煤氣溫度始終維持在設定工作溫度上；一旦荒煤氣溫度降至承壓管設定最低飽和水蒸汽溫度，承壓管中的水蒸汽停止輸出，防腐熱阻層兩側溫差趨于零，荒煤氣熱能向盤管筒體的熱傳遞終止，荒煤氣溫度不再降低，使得荒煤氣溫度維持在結焦溫度之上，以達到防止荒煤氣結焦的目的。

本發明由于采用上述技術方案，使之與現有技術相比具有以下的積極效果和優點。

首先本發明突破了傳統焦爐余熱裝置的設計思路實現了余熱的有節制回收利用，創造性地通過控制盤管筒體承壓管管腔中水蒸汽的飽和壓力和飽和溫度，來控制盤管筒體承壓管內外的溫度差。余熱回收取熱過程中，荒煤氣溫度高于盤管筒體承壓管腔中水蒸汽溫度時，余熱裝置處于熱能的回收利用工作狀態，承壓管腔內外存在溫度差，荒煤氣熱能不斷地向盤管筒體承壓管腔中的水蒸汽傳導并使承壓管腔中的水不斷汽化而輸出可用蒸汽以供利用。且荒煤氣溫度越高，承壓管腔內外的溫度差越大，熱傳遞速度越快，輸出的蒸汽量越大，通過控制蒸汽的輸出量，實現穩定的承壓管腔水蒸汽壓力和溫度。而一旦當荒煤氣溫度波動并降至設定和飽和水蒸汽溫度時，承壓管腔內外溫度差趨于零，熱能傳遞停止，荒煤氣溫度不再降低。在上述過程中通過穩定盤管筒體承壓管的壓力和溫度，實現盤管筒體對荒煤氣取熱或停止取熱的“開關”作用，使得荒煤氣溫度始終維持在結焦溫度以上，從而徹底避免了荒煤氣中焦油蒸汽的凝結。

第二，本發明在盤管筒體的筒體壁上涂覆有防腐熱阻層，并且將防腐熱阻層的厚度控制在合理范圍內，通過防腐熱阻層和防腐熱阻層厚度的選擇設計，有效控制荒煤氣熱能的傳熱能力和傳遞速度，將荒煤氣熱能向盤管筒體的導熱能力控制在合理的范圍內。也由于在筒體壁上涂覆有防腐熱阻層，起到很好的抗腐防腐作用，高溫荒煤氣含有復雜的腐蝕性化學物質，加上高溫作用荒煤氣對金屬材料有極強腐蝕作用，防腐熱阻層能有效阻止高溫荒煤氣對盤管筒體的侵蝕，從而大大延長了余熱回收利用裝置的使用壽命，提高余熱回收裝置的使用效率。

第三，本發明采用盤管取熱結構，既有效擴大了余熱回收裝置的換熱面積，又能有效延長換熱介質在整個回收裝置中的換熱時間，保證換熱介質能夠充分換熱，實現荒煤氣顯熱的持續穩定地有效回收和利用，而余熱的有效回收又降低了系統中氨水、電力等消耗，實現焦爐余熱的高效利用和節能減排。

第四，盤管筒體與上升管外壁體間填充有保溫隔熱層，該保溫隔熱層有效阻止已回收余熱的再次損失；盤管結構又能有效避免換熱介質的泄漏，保證焦爐碳化室的安全運行，改善工人操作環境，減少熱污染。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步說明，

圖1是本發明焦爐上升管防結焦高效余熱回收裝置一種具體實施方式的結構示意圖。

圖中，1—上升管外壁、2—保溫隔熱層、3—盤管筒體、4—防腐熱阻層、5—上升管連接法蘭、6—盤管進出管。

具體實施方式

如圖1所示的焦爐上升管防結焦高效余熱回收裝置，該余熱回收裝置包括呈圓筒狀的上升管外壁1，該上升管外壁1由優質碳素鋼板卷制而成，其直徑為1000mm，該上升管外壁1也可用無縫管或螺旋管等材料制成。在圓筒狀的上升管外壁上下兩端分別焊接有上升管連接法蘭5，用此連接固定上升管外壁及余熱回收裝置。當然該上升管外壁的連接固定方式除法蘭結構外，還可以是用螺旋連接等常用的連接固定方式。

在上升管外壁1內套裝有盤管筒體3，盤管筒體3由一鋼質的能夠承壓的圓管呈螺旋狀環繞而構成圓筒狀，該構成盤管筒體的承壓管上下兩端分別與對應端的盤管進出管6相連接通連，兩根盤管進出管6分別與導熱水的輸入管或輸出管相互連接通連。由于盤管筒體3由圓長管構成，具有極好的耐壓能力，這種結構有利于提高承壓管的耐壓能力，并方便對承壓管中壓力和溫度的調節控制。本發明中的盤管筒體3的另一種實施方式，盤管筒體3由6根鋼質能夠承壓的圓形管相互并列的呈螺旋狀環繞而成，每根承壓管的螺旋環繞節距相等，相鄰圓管緊密相貼，在盤管筒體3的兩端位置分別設置有圓形環管狀的集合環管，構成盤管筒體3的螺旋狀承壓管兩端均與其對應端的集合環管相并接而通連，在上下兩端的集合環管上均連通有盤管進出管6，故上、下兩端的盤管進出管6是通過集合環管與盤管筒體的各根承壓管相連通的。構成盤管筒體3的承壓管并不限于由一根或6根螺旋圓管環繞而構成，可以根據上升管直徑大小和實際使用環境優先選擇為2—30根并列螺旋環繞而成，以減少水及蒸汽的流動阻力并獲得最大的導熱效率。

在盤管筒體3與上升外壁1之間填充有保溫隔熱層2，該保溫隔熱層2由硅酸鋁陶瓷纖維填充而成，當然也可以用其他常見的有機絕熱材料或無機絕熱材料等絕熱材料填充而成。

在盤管筒體3的筒壁內側面上涂覆有防腐熱阻層4，該防腐熱阻層4由金屬陶瓷材料構成，防腐熱阻層4既能較好地控制熱傳導，起到熱阻作用，又具有極好的防腐抗腐性能。該防腐熱阻層4的厚度為3mm。當然其厚度應根據實際使用情況優先選擇為1—5mm。

該焦爐上升管防結焦高效余熱回收裝置實際使用時，首先依據荒煤氣的結焦特性設定盤管筒體承壓管的最低飽和水蒸汽溫度，該最低飽和水蒸汽溫度應能保證荒煤氣在上升管段中不結焦，根據承壓管腔的最低飽和水蒸汽溫度，確定與之對應的設定飽和水蒸汽壓力值，通過控制調節該飽和水蒸汽壓力值來控制承壓管中的最低飽和水蒸汽溫度。同時綜合考慮熱阻效果與防腐蝕性能選定金屬陶瓷作為防腐熱阻層的材料，根據該選定的防腐熱阻層材料及其對應的導熱系數，確定盤管筒體的防腐熱阻層的厚度的，經過反復的實際工程試驗，選定金屬陶瓷作為防腐熱阻層材料時，其厚度優選在1mm—5mm之間。

由于控制承壓管的工作壓力不管在技術上還是在操作上均更加方便容易，因此通過控制承壓管的飽和水蒸汽壓力，結合防腐熱阻層對傳熱速度的阻滯作用來穩定承壓管腔的工作溫度。當向盤管筒體通道（也即上升管的荒煤氣通道）通以高溫荒煤氣，高溫荒煤氣的熱能經過防腐熱阻層不斷地盤管筒體傳遞，盤管筒體及其承壓管中的工質水的溫度升高而汽化，并逐漸使得承壓管管腔中的水蒸汽壓力升至設定飽和水蒸汽壓力，通過控制調節盤管筒體承壓管中水蒸汽輸出流量，以使得承壓管中水蒸汽工作壓力或工作溫度穩定于設定飽和水蒸汽壓力或最低飽和水蒸汽溫度值，從而使得荒煤氣溫度始終維持在設定工作溫度上。上述過程是一個向荒煤氣連續取熱的過程，在該取熱過程中通過承壓管水蒸汽輸出流量的控制，確保有節制、有限度地從高溫荒煤氣中取熱，從而達到防止荒煤氣結焦的目的。

由于焦爐炭化室內產生的荒煤氣在不同的結焦時段煤氣量并不一樣，當產氣量較少時荒煤氣熱能較少。在取熱過程中，一旦當荒煤氣溫度降至承壓管設定最低飽和水蒸汽溫度，與之對應承壓管中的工作壓力也降至設定飽和水蒸汽壓力值，此時防腐熱阻層兩層的溫度差也趨于零，荒煤氣熱能向盤管筒體的熱傳導暫停而終止，隨著上升管中荒煤氣的不斷補充并流經盤管筒體通道，通道中荒煤氣熱能得以補充使荒煤氣溫度不再降低而重新升高，余熱回收裝置又恢復到取熱工作過程。這就使得荒煤氣溫度高于結焦溫度時，取熱盤管筒體開始取熱，反之則停止取熱，達到防止荒煤氣結焦的目的。

當荒煤氣補充量不足或者焦爐炭化室荒煤氣停止排出，盤管筒體的承壓管工作壓力連續下降，此時應停止取熱，終止并關閉承壓管輸出蒸汽的閥門，使得余熱回收裝置處于停止工作狀況。由于此時在上升管荒煤氣通道中很少甚至沒有荒煤氣通過，故而也不會出現結焦問題。