一种焦炉上升管换热器辅助安全密封装置的制作方法

本发明涉及焦炉设备，具体涉及一种焦炉上升管换热器辅助安全密封装置。

背景技术：

1、焦炉在炼焦的过程中需要消耗大量的能源，其消耗的能源主要分为：①红焦带出热（约占37%），这部分热量已通过干熄焦回收利用；②焦炉烟道废气带出热（约占17%），通过烟气余热回收或煤调湿回收利用；③炉体表面散热损失（约占10%），通过炉体保温减少该部分热量损失；④高温荒煤气带出热量（约占36%），这部分热量主要通过上升管余热回收技术来回收利用。

2、近几年来，焦炉荒煤气上升管余热回收系统技术已经渐渐成熟，成为焦化行业新建焦炉和改造焦炉的标配。经过上升管换热器换热后的高温荒煤气的温度曲线从上升管入口到出口呈现金字塔梯度曲线，在上升管底部入口处换热最剧烈，此处温差应力最大，并且此处上升管下法兰与上升管采用承插焊接方式，长期剧烈的热应变对法兰和上升管的连接、上升管的安全造成极大挑战，其中外盘管结构上升管，因工艺受限，盘管无法全部包裹内筒壁，盘管与上升管上下法兰之间均存在空隙，没有水循环保护，外盘管式上升管的使用寿命大大降低。

3、目前，上升管换热器存在以下的问题：①上升管上、下法兰与内筒焊死，内筒伸缩受限，焦炭生产过程中荒煤气温度在400～1300℃之间剧烈波动，上升管换热器长时间热胀冷缩下，特别是下法兰处会出现极大热应变与疲劳开裂；②荒煤气流速低，处于低速层流稳态，经过上升管会换热不均匀，造成局部超温，且焦油石墨易附着；③上升管内荒煤气温度梯度呈现金字塔趋势，上部区域与下部区域、内筒内壁和外壁、法兰和内筒之间存在较大温差应力，热应变会造成法兰密封面变形、法兰与内筒焊接处撕裂、内筒强度下降；④外盘管式上升管因工艺受限，盘管与上下法兰之间存在空隙，缺少水循环对此处内筒区域和法兰的保护；⑤原有的上升管底座与上升管之间密封采用石墨盘根、陶瓷纤维扭绳或者垫片方式，长时间运行会存在荒煤气泄漏外溢风险。

4、因此，研发一种焦炉上升管换热器辅助安全密封装置，对此处荒煤气流动状态进行合理扰动，并取代此处密封件，对整体提高上升管的使用安全性和使用寿命有显著意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于设计一种焦炉上升管换热器辅助安全密封装置，旨在解决上升管底座与上升管之间的密封问题，从而避免荒煤气泄漏外溢风险。

2、为达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：

3、本发明设计了一种焦炉上升管换热器辅助安全密封装置，该安全密封装置为环形结构，其包括合金内环、隔热密封层、合金中间环、复合隔热保温层以及金属外环；其中，所述合金中间环固定设置于所述合金内环的外围，所述隔热密封层设置于所述合金内环的外周且位于所述合金内环与合金中间环之间，所述复合隔热保温层设置于所述合金中间环的外周，所述金属外环设置于所述隔热保温层的外周。

4、具体而言，本发明设计的这种焦炉上升管换热器辅助安全密封装置，采用合金内环+隔热密封层+合金中间环+复合隔热保温层+金属外环的五层环形复合结构，各层功能分工明确、协同作用，取得了如下的效果：①各层由内向外逐级降温、分级防护，内层（合金内环）直面高温荒煤气，外层承担结构支撑与环境隔离，中间通过多层隔热、保温结构阻断热流，显著降低热量向外传递，兼顾耐高温、防泄漏和结构强度；②可适应复杂工况，金属环提供刚性支撑，隔热密封层等柔性材料吸收热膨胀变形，整体结构在高温、高压、频繁热循环条件下仍能保持稳定，不易开裂、脱落。

5、具体而言，金属外环可包裹在复合隔热保温层的外侧，起到物理防护、防水防潮、防机械损伤的作用，同时赋予该安全密封装置规整的外形，便于安装、定位和与上升管外壳对接。

6、进一步的，一种焦炉上升管换热器辅助安全密封装置：所述合金内环的材质采用镍铁铬合金。作为优选的，采用镍铁铬合金材质的合金内环具有优异的耐高温氧化性、抗热疲劳性和耐腐蚀性，可长期耐受焦炉荒煤气中的硫化物、氮氧化物、焦油蒸气等强腐蚀介质，避免普通碳钢在高温下氧化失效问题。

7、进一步的，一种焦炉上升管换热器辅助安全密封装置：所述合金内环的内壁还设置有用于与荒煤气接触的耐高温纳米涂层，所述耐高温纳米涂层的厚度设置为5～15mm。

8、进一步的，一种焦炉上升管换热器辅助安全密封装置：所述隔热密封层采用耐火纤维扭绳缠绕形成，隔热密封层的厚度超出该安全密封装置整体厚度5～15mm。

9、具体而言，耐火纤维扭绳具备良好的压缩回弹性，安装后被压紧，填满合金内环与中间环之间的缝隙，形成连续、致密的密封屏障，有效防止高温荒煤气泄漏。同时，设计隔热密封层的厚度超出安全密封装置的整体厚度，其意义在于，使隔热密封层在安装后处于适度预压缩状态，即便在长期热胀冷缩、设备微变形的情况下，也能持续保持紧密贴合、不松脱、不失效，而且耐火纤维本身导热系数低，可降低内环向外传热，同时耐火纤维的柔韧性可吸收部分机械振动和热冲击，保护内部结构和焊接部位。

10、进一步的，一种焦炉上升管换热器辅助安全密封装置：所述合金中间环的材质采用镍铁铬合金。

11、具体的，合金中间环作为承力骨架，将内环、隔热密封层与外部保温层连接为一个整体，提高装置的整体刚度和抗变形能力，防止因自重、振动或热应力导致的扭曲、塌陷。

12、进一步的，一种焦炉上升管换热器辅助安全密封装置：所述合金中间环的内壁上设置有若干固定杆，所述合金中间环通过固定杆与所述合金内环的外周连接固定，所述隔热密封层与固定杆连接固定。

13、具体的，通过固定杆可将合金中间环与合金内环牢固连接，同时固定杆还可作为隔热密封层的安装支架，防止耐火纤维扭绳（隔热密封层）松动、塌陷，从而提升密封可靠性。

14、进一步的，一种焦炉上升管换热器辅助安全密封装置：所述复合隔热保温层包括涂覆于所述合金中间环外壁上的耐高温隔热涂料层以及包裹于所述耐高温隔热涂料层上的气凝胶层。

15、更进一步的，一种焦炉上升管换热器辅助安全密封装置：所述耐高温隔热涂料层的厚度设置为5～15mm，所述气凝胶层的厚度设置为10～20mm。

16、进一步的，一种焦炉上升管换热器辅助安全密封装置：该安全密封装置还包括若干波浪形状的合金扰流件；所述合金扰流件的两端分别连接于所述合金内环的内壁上。

17、更进一步的，一种焦炉上升管换热器辅助安全密封装置：所述合金扰流件呈倾斜设置，所述合金扰流件与水平面之间的夹角设置为15～30°，所述合金扰流件的数量设置为2～4个，其材质采用镍铁铬合金。

18、具体而言，设计合金扰流件具有如下的优势：波浪形状的合金扰流件可增加与荒煤气的接触面积和扰动强度，打破边界层，强化对流换热，提高上升管换热器整体热回收效率；而倾斜设置的合金扰流件，可以在增强扰动的同时还能避免流动阻力过大，兼顾换热性能与系统压降。另外，得益于合金扰流件的设置还可以防积灰、防结焦：持续的扰动作用可以减少颗粒物和焦油在壁面的沉积，降低结焦、堵塞风险，延长清焦周期。采用镍铁铬合金材质，可以确保合金扰流件在高温、腐蚀气氛下的长期稳定性。

19、本发明的有益效果：

20、本发明设计的这种焦炉上升管换热器辅助安全密封装置，具有如下的有益效果：①通过设计合金扰流件可以对荒煤气扰流，使上升管内荒煤气温度场均匀，缓解热胀冷缩应力，避免法兰与上升管之间出现撕裂、内筒体强度下降，延长上升管使用寿命；②外盘管式上升管因工艺受限，盘管与上下法兰之间存在空隙，缺少水循环对此处内筒区域和法兰的保护，而本发明设计的密封装置能有效缓解此问题，保障外盘管式上升管使用寿命；③针对荒煤气高温腐蚀环境，本发明通过多重复合隔热密封结构设计的这种安全密封装置，可杜绝荒煤气的外漏，解决原始石墨盘根的长时间运行会存在荒煤气泄漏外溢风险。