本发明涉及焦化工艺余热回收技术领域，特别是涉及一种回收焦炉荒煤气余热的上升管及上升管余热利用方法。
背景技术：
炼焦工业是高污染、高排放和高耗能的基础工业，为钢铁工业生产重要的焦炭原料。焦炉是焦化企业高耗能的核心热工设备，供入焦炉的能源介质主要是焦炉煤气、高炉煤气和发生炉煤气等工业燃气。工业燃气在焦炉内燃烧所释放的热能，主要用于配合煤的干馏，接近73％的热能转化为产品焦炭的化学能和荒煤气的热能。
焦炉生产过程中，通过上升管的通道，将高温荒煤气从炭化室引至煤气集气管。上升管本体包括上升管底座、钢板制作的圆筒形上升管壳体、桥管壳体、上升管内衬和上升管盖等附属构件，其中圆筒形上升管壳体可根据上升管整体高度情况分为若干管节并通过法兰连接。上升管内部衬有耐高温的耐火砖或耐火浇注料。
目前，正常生产中焦炉，温度高达700℃～900℃的高温荒煤气经上升管内的圆筒形通道后，被吸入集气管，高温荒煤气的部分热量通过上升管内衬和上升管壳体的钢板。上升管表面温度高达80～300℃，相比平均环境温度25℃存在较大温差，荒煤气携带的部分显热通过上升管壳体钢板外表面，以对流和辐射的方式散失到周围环境中。损失掉的热能不仅造成了能源的浪费，而且散失到环境中的热能导致炉顶环境温度高，影响生产操作和检测工作的开展。
由上述分析可知，回收上升管表面散失的热量具备可观的经济和环境效益。
1970年代，日本钢铁企业便将上升管筒体制作成夹套的形式，即两层钢板制作成中空的结构，并采用导热油作为换热工质，通过导热油流经夹套空间，以对流和导热的方式回收荒煤气经上升管内衬和壳体钢板传递的热量。
但是，大型焦炉炭化室炉墙采用硅砖砌筑，硅砖存在晶型转化点，硅砖在600℃以上的热振稳定性能优异，剧烈的温度波动易使硅砖产生龟裂、剥蚀和炸裂等形式的损坏，导致焦炉寿命缩短。导热油为液态介质，存在很大的蒸发潜热，当上升管夹套因焊接质量和耐久性等原因产生渗漏的时候，大量导热油势必流淌或者溅落在炭化室炉墙上，大量的蒸发潜热导致炉墙温度急剧降低，而导致硅砖破坏。因此该技术在工业没有大面积地推广应用。
近年来，在节能减排和改善操作环境的压力下，上升管表面热损失的回收和利用技术越来越受到重视和研究。一些以除盐水为工质的余热回收技术在工业上得到应用。
虽然水由于比热大且蒸发潜热大，是目前发现并大量应用于工业的最好的换热工质之一。但是，在焦炉一代炉龄大于25年且焦炉炉墙采用硅砖材质的约束条件下，不论上升管壳体夹套结构制造工艺如何进步和提高，都存在着耐久性的问题，一旦发生泄漏势必对焦炉炉墙造成不可挽回的损坏。
技术实现要素：
本发明实施例的目的在于提供一种回收焦炉荒煤气余热的上升管及上升管余热利用方法，用以解决现有采用除盐水为换热工质的上升管存在容易泄漏破坏焦炉炭化室炉墙的问题。具体技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种回收焦炉荒煤气余热的上升管，包括自下向上依次相连的底座、上升管壳体和上升管盖；
所述上升管壳体由内筒和外筒套装而成；所述内筒和外筒之间形成换热通道；所述内层钢板内砌筑上升管内衬；
所述外筒开设换热工质入口和换热工质出口，所述换热工质入口和换热工质出口与所述换热通道连通；所述换热工质入口位于所述上升管壳体的下部，所述换热工质出口位于所述上升管壳体的上部；
通过所述换热工质入口向所述换热通道内通入换热工质，所述换热工质为煤气或空气或氢气；所述换热工质在换热通道换热后，由所述换热工质出口排出。
可选地，所述换热通道内设置隔板，所述隔板将所述换热通道分割为多段；
每段换热通道对应所述上升管壳体的下部设置换热工质入口，上部设置换热工质出口。
可选地，所述换热通道为螺旋上升的换热通道，所述螺旋上升的换热通道为单螺旋上升的换热通道或多螺旋上升的换热通道。
可选地，所述内筒与外筒之间的距离d的取值范围为[10mm，150mm]。
可选地，所述内筒与外筒之间的距离d的取值范围为[20mm，100mm]。
可选地，所述上升管壳体包括直管壳体和桥管壳体，所述直管壳体和桥管壳体分段焊接相连。
第二方面，本发明实施例还提供一种上升管余热利用方法，包括：
通过煤气引入管线，将煤气主管道输送的煤气接入上述第一方面所述上升管的换热通道进行换热；其中，所述煤气为高炉煤气或焦炉煤气；
经所述换热通道换热后的所述煤气通过煤气导出管线，接入回炉煤气管道系统；其中，所述煤气为高炉煤气时，所述回炉煤气管道系统用于对高炉加热；所述煤气为焦炉煤气时，所述回炉煤气管道系统用于对焦炉加热。
第三方面，本发明实施例还提供另一种上升管余热利用方法，包括：
通过风机对环境空气进行加压；
将经风机加压后的空气经空气引入管线接入上述第一方面所述上升管的换热通道进行换热；
经所述换热通道换热后的所述空气通过空气导出管线，输送至指定空气入口；其中，所述指定空气入口包括焦炉煤气交换旋塞的空气入口和/或高炉煤气交换旋塞的空气入口和/或焦炉废气开闭器的空气入口和/或焦炉废气开闭器的煤气入口。
本发明实施例提供的回收焦炉荒煤气余热的上升管，采用煤气、空气或氢气作为换热工质，回收焦炉上升管表面热损失，降低上升管表面温度。由于煤气、空气或氢气不会流淌或者溅落在炭化室炉墙上损坏硅砖，故可以解决现有采用除盐水为换热工质的上升管存在容易泄漏破坏炭化室炉墙的问题。
而本发明实施例提供的一种回收焦炉荒煤气余热的上升管，采用煤气、空气或氢气作为换热工质，不会导致荒煤气中焦油凝结堵塞上升管；并且采用气体为换热工质的上升管，不属于压力容器，不会对焦炉的连续不间断生成产生影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种回收焦炉荒煤气余热的上升管的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的第一种上升管余热利用方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的第二种上升管余热利用方法的流程图；
图4是本发明实施例提供的第三种上升管余热利用方法的流程图；
图5是本发明实施例提供的第四种上升管余热利用方法的流程图；
图6是本发明实施例提供的第五种上升管余热利用方法的流程图。
图中各标号的说明如下：
1—底座；
2—直管壳体；
21—内筒，211—上升管内衬；
22—换热通道，221—隔板；
23—外筒，231—换热工质入口、232—换热工质出口；
3—桥管壳体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有采用除盐水为换热工质的上升管存在容易泄漏破坏焦炉炭化室炉墙的问题，本发明实施例提供一种回收焦炉荒煤气余热的上升管及上升管余热利用方法。
下面首先对本发明实施例所提供的一种回收焦炉荒煤气余热的上升管进行介绍。
本发明实施例提供一种回收焦炉荒煤气余热的上升管，包括自下向上依次相连的底座、上升管壳体和上升管盖；
所述上升管壳体由内筒和外筒套装而成；所述内筒和外筒之间形成换热通道；所述内层钢板内砌筑上升管内衬；
所述外筒开设换热工质入口和换热工质出口，所述换热工质入口和换热工质出口与所述换热通道连通；所述换热工质入口位于所述上升管壳体的下部，所述换热工质出口位于所述上升管壳体的上部；
通过所述换热工质入口向所述换热通道内通入换热工质，所述换热工质为煤气或空气或氢气；所述换热工质在换热通道换热后，由所述换热工质出口排出。
需要说明的是，内筒内的上升管内衬，可以采用定型耐火制品或者耐火浇注料等耐火材料，其中，定型耐火制品可以为粘土砖等。在具体应用中，可根据需要换热的热量大小选用合适的材质，例如：当不需要大量换热的情况下，上升管内衬优选粘土砖，且在粘土砖与内筒之间可敷设陶瓷纤维隔热制品或者气凝胶类隔热材料；当需要大量换热的情况下，上升管内衬优选导热性能优异的碳化硅制品；当然，上升管内衬不局限于上述材料。
可选地，煤气可以包括焦炉煤气、转炉煤气和高炉煤气等。内筒和外筒的材质可以采用普通碳钢板或和合金钢板。
可以理解的是，底座用于固定连接焦炉，而上升管盖一般为钢板焊接件，通过上升管盖的开闭，可实现对上升管中的荒煤气放散。.
另外，换热工质入口的数量可以为一个或多个，以及，换热工质出口的数量可以为一个或多个。入口和出口的形状通常为圆形，当然也可以为其他形状，例如方形。入口和出口的大小根据实际需要合理选择。
本发明实施例所提供的回收焦炉荒煤气余热的上升管，采用煤气、空气或氢气作为换热工质，回收焦炉上升管表面热损失，降低上升管表面温度，可以将上升管表面温度控制在30℃～80℃之间。由于煤气、空气或氢气不会流淌或者溅落在炭化室炉墙上损坏硅砖，因此可以解决现有采用除盐水为换热工质的上升管存在容易泄漏破坏炭化室炉墙的问题。
另外，由于贴近上升管内衬壁面的荒煤气受到壁面摩擦阻力的制约，其流动速度较慢，处于层流状态，即贴近内衬壁面的荒煤气有相对较长的停留时间与上升管内衬进行换热，在以除盐水为换热工质的工况下，易致使贴近内衬壁面处的荒煤气温度降低至焦油的露点温度以下，而发生凝结现象，进而堵塞上升管内的荒煤气导出通道。而对于采用夹套结构的上升管，其采用除盐水为换热工质来回收余热的工艺，按照相关法律和技术标准规定，属于压力容器的范畴，即按照国家安全生产法规的要求，必须对上升管及其附属压力管道安排年检制度，这与焦炉连续不间断生产要求之间存在不可调和的矛盾。而本发明实施例提供的一种回收焦炉荒煤气余热的上升管，采用煤气、空气或氢气作为换热工质，不会导致荒煤气中焦油凝结堵塞上升管；并且采用气体为换热工质的上升管，不属于压力容器，不会对焦炉的连续不间断生成产生影响。
可选地，所述换热通道内设置隔板，所述隔板将所述换热通道分割为多段；
每段换热通道对应所述上升管壳体的下部设置换热工质入口，上部设置换热工质出口。
可以理解的是，在内筒和外筒之间用金属或非金属材料对换热通道进行分隔，可以增加换热工质在换热通道中的停留时间和改善换热工质流动状态，增加换热面积和传热系数，从而有效提高换热效率，满足流体流动压损的需要。
另外，根据冷却通道的分隔数目和形式，可以在外筒的圆周方向上设置多个换热工质入口和换热工质出口。
可选地，所述换热通道可以为螺旋上升的换热通道，所述螺旋上升的换热通道可以为单螺旋上升的换热通道或多螺旋上升的换热通道。当然并不局限于，也可以采用其他形式的换热通道。
可选地，所述内筒与外筒之间的距离d的取值范围可以为[10mm，150mm]。
可选地，所述内筒与外筒之间的距离d的取值范围可以为[20mm，100mm]。
可选地，所述上升管壳体包括直管壳体和桥管壳体，所述直管壳体和桥管壳体分段焊接相连。
基于上述的回收焦炉荒煤气余热的上升管，本发明实施例还提供了一种上升管余热利用方法。该方法可以包括：
通过煤气引入管线，将煤气主管道输送的煤气接入上述上升管的换热通道进行换热；其中，所述煤气为高炉煤气或焦炉煤气；
经所述换热通道换热后的所述煤气通过煤气导出管线，接入回炉煤气管道系统；其中，所述煤气为高炉煤气时，所述回炉煤气管道系统用于对高炉加热；所述煤气为焦炉煤气时，所述回炉煤气管道系统用于对焦炉加热。回炉煤气管道系统由一系列错综复杂的管道组成，管道上设有各种阀门和流量、压力调节装置。
本发明实施例所提供的上升管余热利用方法，通过将高炉煤气或焦炉煤气通入本发明实施例的上升管，回收上升管表面热损失，能够有效防止煤气中的水分凝结产生酸性物质腐蚀管道的现象；避免了专门配置对煤气进行加热的加热装置，节省了加热设备购置成本，具有可观的经济效益。
基于上述的回收焦炉荒煤气余热的上升管，本发明实施例还提供了另一种上升管余热利用方法。该方法可以包括：
通过风机对环境空气进行加压；
将经风机加压后的空气经空气引入管线接入上述上升管的换热通道进行换热；
经所述换热通道换热后的所述空气通过空气导出管线，输送至指定空气入口；其中，所述指定空气入口包括焦炉煤气交换旋塞的空气入口和/或高炉煤气交换旋塞的空气入口和/或焦炉废气开闭器的空气入口和/或焦炉废气开闭器的煤气入口。
需要说明的是，如果经加压换热的空气引入焦炉和/或高炉煤气交换旋塞的空气入口，当停止向焦炉或高炉送煤气后，煤气交换旋塞切换到空气入口，通过通入高温高压空气可除去煤气管道中残余煤气热解生成的石墨。由于高温空气不会发生水汽凝结现象，因此也不会出现因空气中水汽凝结形成酸性物质腐蚀煤气管道的问题。
如果经加压换热的空气引入焦炉废气开闭器的空气入口，可以在焦炉加热时，作为焦炉加热的助燃空气。而如果经加压换热的空气引入焦炉废气开闭器的煤气入口，可以在焦炉加热换向后，用于置换蓄热室内部的煤气。
由于煤气交换旋塞和废气开闭器均可采用现有技术，因此在此不再赘述。
本发明实施例所提供的上升管余热利用方法，通过风机对环境空气进行加压，并将加压后的空气经上升管换热，通过将携带大量显热的高压空气用于其它工业用途，能够有效实现节能降耗。
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合图1，示例性的介绍本发明实施例所提供的回收焦炉荒煤气余热的上升管的具体结构。
如图1所示，本发明实施例提一种回收焦炉荒煤气余热的上升管，包括自下向上依次相连的底座1、上升管壳体和上升管盖。所述上升管壳体包括直管壳体2和桥管壳体3，所述直管壳体2和桥管壳体3分段焊接通过法兰相连。
所述直管壳体2和桥管壳体3均由内筒21和外筒23套装而成；所述内筒21和外筒23之间形成单螺旋上升或多螺旋上升的换热通道22；所述内筒21与外筒23之间的距离d的取值范围可以为[10mm，150mm]，优选[20mm，100mm]。
所述换热通道22内设置隔板221，本实施例中隔板221采用法兰；所述隔板221将所述换热通道22分割为多段；每段换热通道22对应所述上升管壳体的下部设置换热工质入口231，上部设置换热工质出口232。
所述内层钢板内砌筑上升管内衬211；当不需要大量换热的情况下，上升管内衬优选粘土砖，且在粘土砖与内筒之间可敷设陶瓷纤维隔热制品或者气凝胶类隔热材料；当需要大量换热的情况下，上升管内衬优选导热性能优异的碳化硅制品。
所述外筒23开设换热工质入口231和换热工质出口232，所述换热工质入口231和换热工质出口232与所述换热通道22连通；所述换热工质入口231位于所述上升管壳体的下部，所述换热工质出口232位于所述上升管壳体的上部。
通过所述换热工质入口231向所述换热通道22内通入换热工质，所述换热工质为煤气或空气或氢气；所述换热工质在换热通道22换热后，由所述换热工质出口232排出。其中，内筒21中的箭头用于指示上升管内荒煤气的流向；换热工质入口231、内筒21和外筒23之间换热通道以及换热工质出口232的箭头，用于指示换热工质的流向。
本发明实施例所提供的回收焦炉荒煤气余热的上升管，采用煤气、空气或氢气作为换热工质，回收焦炉上升管表面热损失，降低上升管表面温度。由于煤气、空气或氢气不会流淌或者溅落在炭化室炉墙上损坏硅砖，因此可以解决现有采用除盐水为换热工质的上升管存在容易泄漏破坏炭化室炉墙的问题。
如图2所示，本发明实施例还提供一种上升管余热利用方法，包括：
s101，通过煤气引入管线，将煤气主管道输送的煤气接入上述实施例上升管的换热通道进行换热；
其中，所述煤气为高炉煤气或焦炉煤气；
s102，经所述换热通道换热后的所述煤气通过煤气导出管线，接入回炉煤气管道系统；
其中，所述煤气为高炉煤气时，所述回炉煤气管道系统用于对高炉；所述煤气为焦炉煤气时，所述回炉煤气管道系统用于对焦炉加热。
可以理解的是，当煤气主管道输送的煤气为高炉煤气时，高炉煤气经过本发明上述实施例的上升管换热升温后，引入高炉回炉煤气管道系统，由于在高炉回炉煤气管道系统中，高温高炉煤气中的水分为气态，不会凝结为液态水，因此可以有效防止高炉煤气对管道系统的腐蚀。
同理，当煤气主管道输送的煤气为焦炉煤气时，焦炉煤气经过本发明上述实施例的上升管换热升温后，引入焦炉回炉煤气管道系统，由于在焦炉回炉煤气管道系统中，高温焦炉煤气中的水分为气态，不会凝结为液态水，因此可以有效防止焦炉煤气对管道系统的腐蚀。
如图3所示，本发明实施例还提供一种上升管余热利用方法，包括：
s201，通过风机对环境空气进行加压；
s202，将经风机加压后的空气经空气引入管线接入上述实施例上升管的换热通道进行换热；
s203，经所述换热通道换热后的所述空气通过空气导出管线，输送至焦炉煤气交换旋塞的空气入口。
可以理解的是，本发明实施例提供的上升管余热利用方法，通过风机加压后的空气通过本发明实施例的上升管换热升温后，可以通过空气导出管线引入焦炉煤气交换旋塞的空气入口；经过升压和换热升温的空气，在焦炉加热换向后，可以置换煤气管道中的残存的煤气以及吹扫燃烧沉积的石墨，达到防止煤气管道堵塞的目的；另外，在煤气换向期间，正压的空气可以防止焦炉煤气管道发生爆鸣事故的发生；并且高温空气即可以防止空气中的水分因露点凝结腐蚀管道系统，也可以防止水分凝结冲刷焦炉炉体砖煤气通道中的灰缝，避免砖煤气道发生串漏。
如图4所示，本发明实施例还提供一种上升管余热利用方法，包括：
s301，通过风机对环境空气进行加压；
s302，将经风机加压后的空气经空气引入管线接入上述实施例上升管的换热通道进行换热；
s303，经所述换热通道换热后的所述空气通过空气导出管线，输送至高炉煤气交换旋塞的空气入口。
可以理解的是，本发明实施例提供的上升管余热利用方法，通过风机加压后的空气通过本发明实施例的上升管换热升温后，可以通过空气导出管线引入高炉煤气交换旋塞的空气入口；在高炉加热换向后，置换煤气管道中的残存的煤气以及吹扫燃烧沉积的石墨，达到防止煤气管道堵塞的目的；另外，在煤气换向期间，正压的空气可以防止焦炉煤气管道发生爆鸣事故的发生；并且高温空气既能防止空气中的水分因露点凝结腐蚀管道系统，又能防止水分凝结冲刷焦炉炉体砖煤气通道中的灰缝，避免砖煤气道发生串漏。
如图5所示，本发明实施例还提供一种上升管余热利用方法，包括：
s401，通过风机对环境空气进行加压；
s402，将经风机加压后的空气经空气引入管线接入上述实施例上升管的换热通道进行换热；
s403，经所述换热通道换热后的所述空气通过空气导出管线，输送至焦炉废气开闭器的空气入口。
本发明实施例提供的上升管余热利用方法，通过风机加压后的空气通过本发明实施例的上升管换热升温后，还可以通过空气导出管线接入焦炉废气开闭器的空气入口，用于焦炉加热的助燃空气。
如图6所示，本发明实施例还提供一种上升管余热利用方法，包括：
s501，通过风机对环境空气进行加压；
s502，将经风机加压后的空气经空气引入管线接入上述实施例上升管的换热通道进行换热；
s503，经所述换热通道换热后的所述空气通过空气导出管线，输送至焦炉废气开闭器的煤气入口。
本发明实施例提供的上升管余热利用方法，通过风机加压后的空气通过本发明实施例的上升管换热升温后，还可以通过空气导出管线接入焦炉废气开闭器的煤气入口，用于焦炉加热换向后，置换蓄热室内部的煤气。
此外，经过本发明实施例上升管换热通道换热后的换热工质，还可以供给废气脱硫脱销系统中的烟气再热装置，即气-气换热器(ggh)用于烟气排放前的烟气再热升温；或者，用于其它需要保温和换热的任意工业场所和换热装置，以实现能源的综合利用。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
1.一种回收焦炉荒煤气余热的上升管，其特征在于，包括自下向上依次相连的底座(1)、上升管壳体和上升管盖；
所述上升管壳体由内筒(21)和外筒(23)套装而成；所述内筒(21)和外筒(23)之间形成换热通道(22)；所述内层钢板内砌筑上升管内衬(211)；
所述外筒(23)开设换热工质入口(231)和换热工质出口(232)，所述换热工质入口(231)和换热工质出口(232)与所述换热通道(22)连通；所述换热工质入口(231)位于所述上升管壳体的下部，所述换热工质出口(232)位于所述上升管壳体的上部；
通过所述换热工质入口(231)向所述换热通道(22)内通入换热工质，所述换热工质为煤气或空气或氢气；所述换热工质在换热通道(22)换热后，由所述换热工质出口(232)排出。
2.根据权利要求1所述的上升管，其特征在于，所述换热通道(22)内设置隔板(221)，所述隔板(221)将所述换热通道(22)分割为多段；
每段换热通道(22)对应所述上升管壳体的下部设置换热工质入口(231)，上部设置换热工质出口(232)。
3.根据权利要求1或2所述的上升管，其特征在于，所述换热通道(22)为螺旋上升的换热通道，所述螺旋上升的换热通道为单螺旋上升的换热通道或多螺旋上升的换热通道。
4.根据权利要求1所述的上升管，其特征在于，所述内筒(21)与外筒(23)之间的距离d的取值范围为[10mm，150mm]。
5.根据权利要求4所述的上升管，其特征在于，所述内筒(21)与外筒(23)之间的距离d的取值范围为[20mm，100mm]。
6.根据权利要求1所述的上升管，其特征在于，所述上升管壳体包括直管壳体(2)和桥管壳体(3)，所述直管壳体(2)和桥管壳体(3)分段焊接相连。
7.一种上升管余热利用方法，其特征在于，包括：
通过煤气引入管线，将煤气主管道输送的煤气接入权利要求1至6任一所述上升管的换热通道进行换热；其中，所述煤气为高炉煤气或焦炉煤气；
经所述换热通道换热后的所述煤气通过煤气导出管线，接入回炉煤气管道系统；其中，所述煤气为高炉煤气时，所述回炉煤气管道系统用于对高炉加热；所述煤气为焦炉煤气时，所述回炉煤气管道系统用于对焦炉加热。
8.一种上升管余热利用方法，其特征在于，包括：
通过风机对环境空气进行加压；
将经风机加压后的空气经空气引入管线接入权利要求1至6任一所述上升管的换热通道进行换热；
经所述换热通道换热后的所述空气通过空气导出管线，输送至指定空气入口；其中，所述指定空气入口包括焦炉煤气交换旋塞的空气入口和/或高炉煤气交换旋塞的空气入口和/或焦炉废气开闭器的空气入口和/或焦炉废气开闭器的煤气入口。
技术总结