一种具有不等高翅片内壁上升烟道荒煤气余热回收装置的制作方法

1.本实用新型公开了一种荒煤气余热回收装置，尤其涉及一种具有不等高翅片内壁上升烟道荒煤气余热回收装置，属于荒煤气余热回收利用技术领域。


背景技术：

2.在全流程钢铁冶金企业和煤化工企业，焦炉炼焦是生产焦炭的主要方式。焦炉余热除了炉体表面散热外，主要由以下三部分组成：(1)从焦炉炭化室推出的950℃～1050℃红焦带出的高温余热，约占焦炉支出热的37.52％；(2)550～800℃的荒煤气带出的中温余热，占焦炉支出热约33.76％；(3)260℃焦炉烟道废气带出低温余热，约占焦炉支出热的18.15％。荒煤气带出显热的回收，对焦化厂节能降耗提高经济效益具有非常重要的作用。焦炉荒煤气余热回收过程中，荒煤气中含80～120g/nm3焦油汽，荒煤气接触到温度较低的换热界面时，荒煤气中的气态焦油会凝出在换热界面，壁温300℃以下极易凝结，壁温300℃至450℃时有少量凝出；壁面焦油滴遇到高温荒煤气时，焦油又发生热解和热缩合反应重新汽化，生成石墨，荒煤气温度越高，石墨的沉积量越大。
3.现有技术中，由于换热器进口荒煤气温度高达800℃，出口荒煤气温度550℃，荒煤气流通通道的内壁面下部温度能达到350℃以上，但壁面上下部温度相差达100℃，壁面上部温度低于250℃，荒煤气中的气态焦油容易在内壁面上部析出，沿内壁流淌到中下部时被高温烘烤结焦、石墨化，甚至完全封堵荒煤气流通烟道，这不仅很大程度降低换热效率，还可能严重危及碳化室及后端工艺的运行安全。
4.申请号为201510733591.8的中国发明专利，其公开了回收焦炉荒煤气余热的上升管装置，该发明利用翅片传导荒煤气热量，通过隔热层隔开夹套内筒与荒煤气的接触，避免了荒煤气和夹套内筒冷壁的接触引起的荒煤气中焦油沥青
–
石墨化堵塞上升管问题。但其对隔热层的要求较高，隔热层和翅片的设置安装复杂，仅靠翅片导热，导热效率较低，荒煤气的余热回收不充分；并且焦油容易在上升管中上部的翅片靠近隔热层的一端析出，然后沿隔热层流淌结焦。
5.申请号为201811277112.6的中国发明专利申请，其公开了一种焦炉荒煤气余热回收装置及系统，该发明通过采用导热材料层，避免因内壁温度低而结焦的问题；此外，其通过在内壁设置轴向间断的直翅片，提高传热效率的同时，也提高了内壁温度，即避免了内壁因低温而结焦的问题，直翅片沿轴向可设置一处或多处间断缝隙，可以缓解或释放热应力；内壁设置轴向间断的直翅片，在翅片与翅片之间间断处的内壁温度不容易受到有效控制，有焦油析出的风险。
6.申请号为201710820063.5的中国发明专利，其公开了一种焦炉上升管荒煤气余热回收取热装置用直翅片及取热装置；该发明中的直翅片强化了荒煤气侧的传热性能，提高了壁面温度；同时，在直翅片上设置v形切口缓解应力，使直翅片保持平整的矩形，不和内筒壁脱落，大大延长了使用寿命；由于该发明中的直翅片为等高的长方形薄板结构，其虽然增加了上升管上部的换热面积，但也增加了上升管中下部的换热面积，荒煤气余热在上升管
中下部时被大量取热，上升到上升管上部的荒煤气温度大大降低，即使有直翅片强化传热，上升管上部的壁面温度也有析出焦油从而流下结焦的风险，且v形切口顶点处容易应力集中而使得直翅片在此处撕裂并随之变形。


技术实现要素：

7.(一)要解决的技术问题
8.本实用新型要解决的技术问题是解决现有的荒煤气上升管的内壁面上下部温度差过大，其内壁上部的温度低，焦油在内壁上部凝结导致石墨沉积带来的换热效率下降，堵塞等问题。
9.(二)技术方案
10.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种具有不等高翅片内壁上升烟道荒煤气余热回收装置，包括荒煤气上升管、翅片和换热层，所述荒煤气上升管的内壁设置翅片，所述荒煤气上升管外同轴设置换热层，所述换热层与荒煤气上升管的外壁之间由下至上流通换热介质，所述荒煤气由荒煤气上升管的下端排入后从其上端排出，所述翅片沿荒煤气上升管的内壁轴向设置，且翅片的高度(即附图中翅片的横向尺寸)由下至上逐渐增加。
11.进一步，所述翅片为三角形翅片或梯形翅片。
12.进一步，所述翅片还可以设置为其靠近荒煤气上升管中轴线一侧为曲线结构。
13.进一步，所述翅片靠近荒煤气上升管中部的一侧设置多个u型缺口，所述u型缺口沿翅片轴向排布。
14.进一步，所述翅片为直翅片，并且所述翅片竖直设置于荒煤气上升管的内壁，可与荒煤气上升管的内壁垂直或倾斜设置。
15.进一步，所述翅片沿荒煤气上升管的内壁周向设置有多块。
16.进一步，所述翅片沿荒煤气上升管的内壁周向间隔均匀地阵列设置，保证其对荒煤气上升管的内壁传热均匀。
17.进一步，所述翅片高度等于荒煤气上升管的高度，并与荒煤气上升管等高布置。
18.更进一步，所述翅片高度也可以小于荒煤气上升管的高度，并设置于荒煤气上升管的中上部。
19.更进一步，所述翅片还可以为螺旋翅片，可在荒煤气上升管的内壁上只设置一片，也可以平行设置多片。
20.传热过程：高温荒煤气从荒煤气上升管底部进入，将热量传递给荒煤气上升管的内壁面及翅片，再通过内壁将热量传给换热介质(水或者其他介质)，完成整个传热过程；本实用新型中利用荒煤气上升管的内壁下部内表面温度高于内壁上部内表面温度，增加内壁上部内表面面积提高内壁上部内表面温度，减少内表面上下部的温度差；提高内壁上部内表面温度到350℃以上(可通过选取不同规格的翅片，并在荒煤气上升管内通入荒煤气来试验以获得需要的翅片来实现)；本实用新型增加内壁内表面积是通过内表面设置翅片实现，翅片应设计成进口低，出口高的形状，翅片为不等高翅片。
21.(三)有益效果
22.本实用新型的上述技术方案具有如下优点：
23.本实用新型通过设置不等高翅片，即将翅片的高度从荒煤气上升管进口到出口依次增高，翅片根据不同情况，还可以选择三角形，梯形或曲线型；使得荒煤气上升管的内壁上下部内表面温度差异降低，且将荒煤气上升管的内壁上下部内表面温度维持在350℃以上，防止发生荒煤气中的气态焦油在荒煤气上升管内壁面上部析出，并沿内壁流淌到中下部时被高温烘烤结焦、石墨化、堵塞、影响传热，甚至完全封堵荒煤气流通烟道的情况，本实用新型不仅极大程度地提高了荒煤气的换热效率，还保障碳化室及后端工艺的运行安全。
24.本实用新型中翅片为换热面，不仅能起到扩大传热面积、提高换热器紧凑性和传热效率的作用，而且还有支撑荒煤气上升管，提高换热器强度和承压能力的作用。此外，为降低翅片在纵向的热应力，在翅片上纵向开有u型缺口，缺口间距可相等或不等，防止应力集中撕裂翅片，避免翅片变形影响换热作业。
25.除了上述所描述的本实用新型解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本实用新型的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。
附图说明
26.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
27.图1为本实用新型布置示意图。
28.图2为本实用新型荒煤气上升管与翅片组装示意图。
29.图3为图2俯视图示意图。
30.图4为本实用新型不同类型翅片示意图。
31.图5为本实用新型原理推导示意图。
32.图中：1
‑
荒煤气上升管，2
‑
翅片，3
‑
换热层。
具体实施方式
33.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
34.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若用到术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
35.此外，在实用新型的描述中，除非另有说明，若用到术语“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。在本实
用新型的描述中，需要说明的是，若用到术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。此外，若用到术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.实施例1
37.如图1、图2和图3所示：一种具有不等高翅片内壁上升烟道荒煤气余热回收装置，包括荒煤气上升管1、翅片2和换热层3，所述荒煤气上升管1的内壁设置翅片2，所述荒煤气上升管1外同轴设置换热层3，所述换热层3与荒煤气上升管1的外壁之间由下至上流通换热介质，所述荒煤气由荒煤气上升管1的下端排入后从其上端排出，所述翅片2沿荒煤气上升管1的内壁轴向设置，且翅片2的高度由下至上逐渐增加。所述翅片2靠近荒煤气上升管1中部的一侧设置多个u型缺口。所述翅片2为直翅片，并且所述翅片2竖直设置于荒煤气上升管1的内壁。所述翅片2沿荒煤气上升管1的内壁周向设置有多块。所述翅片2沿荒煤气上升管1的内壁周向间隔均匀地阵列设置。所述翅片2为三角形翅片或梯形翅片，如图4中的c和b所示，或所述翅片2靠近荒煤气上升管1中轴线一侧为曲线结构，如图4中的a所示。所述翅片2高度等于荒煤气上升管1的高度，并与荒煤气上升管1等高布置，或所述翅片2高度小于荒煤气上升管1的高度，并设置于荒煤气上升管1的中上部。
38.原理推导：如图5所示，为能简要说明此技术原理，采用水
‑
汽水混合物作为换热介质，在和荒煤气上升管1换热过程中介质温度t1保持不变，即：认为荒煤气上升管1内壁上部与下部外表面温度相等，记为tw
′
，在内壁下部取微元δs1，内表面积计为δa1，外表面积计为δa1′
；内壁上部取微元δs2，内表面积计为δa2，外表面积与微元δs1外表面积相等为δa1′
。
39.根据对流传热的牛顿公式q＝h
×
a
×
δt(q为传热功率，h为对流换热系数；δt为荒煤气与内壁内表面温度差；a为接触面积)。
40.荒煤气对内壁下部微元δs1的对流传热功率：
41.qf1＝h
×
δa1×
(tf1‑
tw1)
ꢀꢀꢀ
公式1
42.荒煤气对内壁上部微元δs2的对流传热功率：
43.qf2＝h
×
δa2×
(tf2‑
tw2)
ꢀꢀꢀ
公式2
44.根据圆柱坐标傅里叶导热定律，q＝2πλl
×
δt/ln(r2/r1)(q为传热功率，λ为材料的热导率；δt为内壁内表面与外表面温度差；r1为内壁内表面半径，r2为内壁外表面半径；l为换热器高度)。
45.内壁下部微元δs1对汽水混合物的传热功率：
46.qw1＝2πλl
×
(tw1‑
tw1′
)/ln(r2/r1)
ꢀꢀꢀ
公式3
47.内壁上部微元δs2对汽水混合物的传热功率：
48.qw2＝2πλl
×
(tw2‑
tw1′
)/ln(r2/r1)
ꢀꢀꢀ
公式4
49.荒煤气上升管1设计时，为防止荒煤气上升管1内表面上部结焦，荒煤气上升管1上部内表面温度tw2应和荒煤气上升管1下部内表面温度tw1基本相等，即，tw2≈tw1。
50.对比公式3和公式4，当tw2≈tw1时：
51.qw1≈qw2，
52.当系统处在热平衡状态时：
53.qf1＝qw1，qf2＝qw2；
54.因此：qf1≈qf2；
55.由公式1和公式2，得：
56.h
×
δa1×
(tf1‑
tw1)＝h
×
δa2×
(tf2‑
tw2)
ꢀꢀꢀ
公式5
57.将公式5进行变换消元，得：δa1/δa2＝(tf2‑
tw2)/(tf1‑
tw1)
58.tw2≈tw1时，公式5写成函数关系：
[0059][0060]
由公式6可以看出，荒煤气上升管1的内壁内表面温度tw2≈tw1时，内表面积δa1/δa2的比值正比于出口荒煤气温度与进口荒煤气温度的比值tf2/tf1，即：在荒煤气上升管1进口荒煤气温度高，出口荒煤气温度低的情况下，为使荒煤气上升管1的内壁上下部内表面温度相等，同时提高内壁上部内表面温度到350℃以上，换热器内壁上部内表面δa2应该大于换热器内壁下部内表面δa1，具体通过内壁内表面设置翅片实现，翅片应设计成进口低，出口高的形状，翅片为不等高翅片。
[0061]
上面对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。