焦炉荒煤气余热梯级回收利用装置及方法与流程

1.本发明涉及焦炉荒煤气回收利用装置，属于炼焦过程中余热资源高效回收利用技术领域，具体地涉及一种焦炉荒煤气余热梯级回收利用装置及方法。


背景技术：

2.炼焦过程中，炼焦煤装入焦炉炭化室，在炭化室内隔绝空气干馏，生成大量荒煤气，荒煤气离开炭化室时温度650～850℃，经过上升管、三通、桥管到达集气管之后被输送到煤气净化工序。高温荒煤气在桥管处经过循环氨水喷洒降温到80～85℃左右，大量显热被浪费。荒煤气余热回收利用是降低炼焦工序能耗、降低碳排放强度的有效手段之一。
3.现有技术(中国发明专利授权公告号：cn103131432b，公告日：2014-06-11)公开了一种从焦炉荒煤气中回收余热的方法，该方法利用水作为换热介质，在上升管换热器中与约650～750℃的荒煤气换热，荒煤气经换热后的温度降低到480～550℃，换热介质升温后形成汽水混合物进入汽包，在汽包内由汽水分离器分离成高温水和饱和蒸汽，从上升管换热器中排出的荒煤气经过桥管换热器换热，荒煤气经换热后温度降低到280～350℃，由汽水分离器分离得到的高温水经桥管换热器换热后进入汽包产生饱和蒸汽，其中，在桥管内部采用高压氨水间歇喷淋或者水蒸气间歇喷吹的方式对换热器外壁进行清扫，最后采用氨水将荒煤气温度降低至80～85℃，进入集气管。
4.上述回收方法中的上升管换热器内侧温度得到有效利用，而外侧的温度即80～240℃区间的温度并不能得到有效利用。
5.温差发电技术是一种固态发电技术，它是利用半导体材料直接将热能转换为电能，这种半导体模块目前实用化的产品最大工作温度在250℃以下，单独用于焦炉荒煤气余热回收时由于荒煤气温度过高而受限，目前还没有稳定工业化应用。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明公开了一种焦炉荒煤气余热梯级回收利用装置及方法。该方法将温差发电技术稳定的应用于工业化焦炉荒煤气余热回收装置中，其中，蒸汽产量为70～140kg每吨焦炭，且每台上升管换热器的温差发电转化率为1～10％，产生电能300～2000w。
7.为实现上述技术目的，本发明公开了一种焦炉荒煤气余热梯级回收利用装置，所述装置包括连接焦炉炭化室荒煤气排气口的上升管换热器、与所述上升管换热器顶端排气口相连的三通，所述三通连接桥管，所述上升管换热器为夹套结构，所述上升管换热器顶端出水口通向汽包，从所述汽包内分离出的饱和蒸汽外送入焦化厂，从所述汽包内分离出的水经除氧后又重新送入所述上升管换热器底端进水口；所述进水口端还设有流量调节阀；
8.所述上升管换热器包括空心内筒、空心外壳、及位于所述空心内筒、空心外壳之间的夹套层，所述空心外壳的外侧壁沿筒周向分布有一个以上半导体发电模块构成温差发电热端，各所述半导体发电模块的另一端还连接散热器构成温差发电冷端，所有的半导体发
电模块进行串并联后输出直流电并经逆变器中逆变成交流电后外送入电网中；
9.各所述半导体发电模块的部分或全部电压信号还输入电压变换控制器中，所述电压变换控制器连接所述流量调节阀并能根据连接的半导体发电模块的温差发电热端的温度控制流量调节阀的开合程度。
10.进一步地，所述流量调节阀为电动控制阀门。
11.进一步地，所述汽包内还设有汽水分离器。
12.进一步地，所述汽包还连接除氧器。
13.进一步地，流入所述上升管换热器的荒煤气温度为650～850℃，流出所述上升管换热器的荒煤气温度为450～650℃。
14.进一步地，所述温差发电热端温度为80～240℃，且热能与电能间转化率为1～10％。
15.为更好的实现本发明技术目的，本发明还公开了一种上述所述装置进行焦炉荒煤气余热梯级回收利用的方法，它包括如下步骤：
16.1)打开上升管换热器底端进水口处流量调节阀，利用上升管换热器的夹套层内流入的除氧水作为上升管换热器内换热介质，与上升管换热器的空心内筒内流入的温度为650～850℃的荒煤气之间充分热交换，荒煤气温降至450～650℃并流出三通后进入桥管进行后续处理；
17.除氧水换热升温后形成汽水混合物并被收集到汽包内，由汽包内设置的汽水分离器分离成高温水和饱和水蒸气；其中，所述饱和水蒸气外送入焦化厂进一步利用，所述高温水经除氧后又重新流入所述上升管换热器底端进水口进行循环利用；
18.2)所有的半导体发电模块进行串并联后输出直流电并经逆变器中逆变成交流电后外送入电网中；
19.3)电压变换控制器实时显示连接的半导体发电模块构成的温差发电热端的温度t，当温度80＜t＜240℃，所述电压变换控制器控制流量调节阀的开合程度不变；
20.当温度t≥240℃，所述电压变换控制器控制流量调节阀的开合程度增大；
21.当温度t≤80℃，所述电压变换控制器控制流量控制阀的开合程度减小。
22.进一步地，步骤1)中，还包括所述三通连接桥管，所述桥管位置处设置换热装置，并在桥管内部采用氨水对换热装置外壁或直接对荒煤气清扫降温，得到的荒煤气送入集气管。
23.进一步地，步骤1)中，荒煤气经氨水温降至80～85℃后进入集气管。
24.进一步地，步骤1)中，蒸汽产量为70～140kg每吨焦炭。
25.进一步地，步骤2)中，每台上升管换热器的发电功率为300～2000w。
26.有益效果
27.1、本发明设计了一种焦炉荒煤气余热梯级回收利用装置，其适用于常规焦炉，并能稳定工业化运行。
28.2、本发明设计的采用上述装置进行余热梯级回收利用方法，其中，蒸汽产量为70～140kg每吨焦炭，且每台上升管换热器的温差发电转化率为1～10％，每台上升管换热器的发电功率为300～2000w。
附图说明
29.图1为本发明设计的焦炉荒煤气余热梯级回收利用装置的结构示意图；
30.图2为图1中换热器的俯视图；
31.图3为图2中aa部分的放大结构示意图。
32.且上述图1至图3中各编号如下：
33.焦炉炭化室1、上升管换热器2(其中，排气口2.1、进水口2.2、出水口2.3、空心内筒2.4、空心外壳2.5、夹套层2.6、半导体发电模块2.7、散热器2.8)、三通3、汽包4、流量调节阀5、逆变器6、电压变换控制器7、除氧器8、水泵9。
具体实施方式
34.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。
35.下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明保护的范围内。
36.实施例1
37.本实施例公开了一种焦炉荒煤气余热梯级回收利用装置，具体地，结合图1可知，所述装置包括连接焦炉炭化室1荒煤气排气口的上升管换热器2、与所述上升管换热器2顶端排气口2.1相连的三通3，所述三通3连接桥管可继续进行后续换热过程，如还可在桥管位置处设置换热装置，并在桥管内部采用氨水对换热装置外壁或直接对荒煤气清扫降温，得到的荒煤气送入集气管。本发明说明书附图虽然未对三通后续附件结构进行进一步展示，但其仍在本技术保护范围内，只不过本技术的发明重点在于上升管换热器2由内向外的余热梯级回收。故无论是说明书附图，还是说明书都对其进行重点阐述。
38.与此同时，本发明所述上升管换热器2为夹套结构，可在夹套内腔设置夹套空腔，或者设置各种式样盘管，本发明优选其为螺旋盘管，其中，所述上升管换热器2顶端出水口2.3通向汽包4，本发明优选所述汽包4内还设置汽水分离器，且所述汽包4还连接除氧器8。从所述汽包4内分离出的饱和蒸汽外送入焦化厂，从所述汽包4内分离出的液态水又重新送入所述上升管换热器2底端进水口2.2；所述进水口2.2端还设有流量控制阀5和水泵9；其中，所述流量调节阀5选择可与电路相连的电动控制阀门。本发明还选择外来除氧水也通入所述换热器2底端进水口2.2用于平衡从汽包4内分离出蒸汽所消耗的水量。
39.接下来，介绍本技术的上升管换热器2，结合图1、图2和图3可知，本发明优选所述上升管换热器2为由空心内筒2.4、空心外壳2.5、及位于所述空心内筒、空心外壳之间的空心夹套层2.6组成的夹套结构，即所述空心内筒2.4直接连接焦炉炭化室1用于流通荒煤气，所述夹套层2.6内流通工质除氧水用于与荒煤气之间换热。结合图2和图3可知，所述空心内筒2.4为圆柱形筒，所述空心外壳2.5为多边柱形筒。
40.所述空心外壳2.5的外侧壁上沿筒周向分布有一个以上半导体发电模块2.7构成温差发电热端，各所述半导体发电模块2.7还连接散热器2.8构成温差发电冷端，从而形成温差发电技术，本发明优选所述半导体发电模块为常规半导体发电模块。进一步将所有的
半导体发电模块2.7进行串并联后可输出直流电，该直流电经逆变器6逆变成交流电后外送入电网中；实现热能向电能的部分转化。
41.且还可以收集各所述半导体发电模块2.7的部分或全部电压信号并进一步输入电压变换控制器7中，所述电压变换控制器7连接所述流量调节阀5，同时，还在所述电压变换控制器7内设置相关程序，进一步能根据收集的电压所对应的半导体发电模块2.7的温差发电热端的温度来控制流量调节阀5的开合程度。比如说发现收集的电压所对应的半导体发电模块2.7的温差发电热端的温度高于程序设置值，所述电压变换控制器7控制流量调节阀5的阀门进一步打开，反之，则进一步关闭或者保持原有开合程度。所述电压变换控制器7可用来监测某块或某几块或某区域或者全部的半导体发电模块2.7的温差发电热端的温度。
42.此外，本发明各部件的连接处为常规连接方式。
43.综上所述，本发明设计的回收利用装置，可将回收的热量用于生产蒸汽和电力，并且能够通过温差电动势实现系统稳定性的监控与故障判断，保障系统稳定运行。
44.实施例2
45.本实施例公开了采用上述实施例1描述的装置进行焦炉荒煤气余热梯级回收利用方法，具体包括如下步骤：
46.1)打开上升管换热器2底端进水口2.2处流量调节阀5，利用上升管换热器2的夹套层2.6内流入的除氧水作为上升管换热器2内换热介质，与上升管换热器2的空心内筒2.4内流入的温度为650～850℃的荒煤气之间充分热交换，荒煤气温降至450～650℃并流出三通后进入桥管，继续进行后续降温，其中，荒煤气继续经氨水温降至80～85℃后进入集气管。而除氧水换热升温后形成汽水混合物并被收集到汽包4内，由汽包4内设置的汽水分离器分离成高温水和饱和水蒸气；其中，所述饱和水蒸气外送入焦化厂进一步利用，所述高温水又重新流入所述上升管换热器2底端进水口2.2进行循环利用；
47.2)所有的半导体发电模块2.7进行串并联后输出直流电并经逆变器6中逆变成交流电后外送入电网中；
48.3)电压变换控制器7实时显示连接的半导体发电模块2.7构成的温差发电热端的温度t，当温度80＜t＜240℃，所述电压变换控制器7控制流量调节阀5的开合程度不变；
49.当温度t≥240℃，所述电压变换控制器7控制流量调节阀5的开合程度增大；
50.当温度t≤80℃，所述电压变换控制器7控制流量调节阀5的开合程度减小。
51.实施例3
52.本实施例对某焦化厂的6米焦炉，110孔炭化室，其中各焦炉的每个炭化室孔均采用上述实施例1描述的装置及实施例2描述的方法进行回收焦炉荒煤气余热，其中，焦炉预计产能110万吨/年，实际产量为106万吨/年。
53.蒸汽产量可达13t/h，产汽率为108kg/t焦，年产蒸汽11.4万吨；
54.每台上升管换热器发电功率平均1400w，总发电功率154kw，年发电量为134.9万kwh。
55.因此，本发明设计的装置可实现高效利用焦炉荒煤气余热，进一步降低炼焦能耗和碳排放强度。

技术特征：
1.一种焦炉荒煤气余热梯级回收利用装置，其特征在于，所述装置包括连接焦炉炭化室(1)荒煤气排气口的上升管换热器(2)、与所述上升管换热器(2)顶端排气口(2.1)相连的三通(3)，所述三通(3)连接桥管，所述上升管换热器(2)为夹套结构，所述上升管换热器(2)顶端出水口(2.3)通向汽包(4)，从所述汽包(4)内分离出的饱和蒸汽外送入焦化厂，从所述汽包(4)内分离出的水又重新送入所述上升管换热器(2)底端进水口(2.2)；所述进水口(2.2)端还设有流量调节阀(5)；所述上升管换热器(2)包括空心内筒(2.4)、空心外壳(2.5)、及位于所述空心内筒(2.4)、空心外壳(2.5)之间的夹套层(2.6)，所述空心外壳(2.5)的外侧壁沿筒周向分布有一个以上半导体发电模块(2.7)构成温差发电热端，各所述半导体发电模块(2.7)的另一端还连接散热器(2.8)构成温差发电冷端，所有的半导体发电模块(2.7)进行串并联后输出直流电并经逆变器(6)中逆变成交流电后外送入电网中；各所述半导体发电模块(2.7)的部分或全部电压信号还输入电压变换控制器(7)中，所述电压变换控制器(7)连接所述流量调节阀(5)并能根据连接的半导体发电模块(2.7)的温差发电热端的温度控制流量调节阀(5)的开合程度。2.根据权利要求1所述焦炉荒煤气余热梯级回收利用装置，其特征在于，所述流量调节阀(5)为电动控制阀门。3.根据权利要求1所述焦炉荒煤气余热梯级回收利用装置，其特征在于，所述汽包(4)内还设有汽水分离器。4.根据权利要求1所述焦炉荒煤气余热梯级回收利用装置，其特征在于，所述汽包(4)还连接水泵(9)。5.根据权利要求1～4中任意一项所述焦炉荒煤气余热梯级回收利用装置，其特征在于，流入所述上升管换热器(2)的荒煤气温度为650～850℃，流出所述上升管换热器(2)的荒煤气温度为450～650℃。6.根据权利要求1～4中任意一项所述焦炉荒煤气余热梯级回收利用装置，其特征在于，所述温差发电热端温度为80～240℃，且热能与电能间转化率为1～10％。7.一种权利要求1～6中任意一项所述装置进行焦炉荒煤气余热梯级回收利用的方法，其特征在于，它包括如下步骤：1)打开上升管换热器(2)底端进水口(2.2)处流量调节阀(5)，利用上升管换热器(2)的夹套层(2.6)内流入的除氧水作为上升管换热器(2)内换热介质，与上升管换热器(2)的空心内筒(2.4)内流入的温度为650～850℃的荒煤气之间充分热交换，荒煤气温降至450～650℃并流出三通后进入桥管进行后续处理；除氧水换热升温后形成汽水混合物并被收集到汽包(4)内，由汽包(4)内设置的汽水分离器分离成高温水和饱和水蒸气；其中，所述饱和水蒸气外送入焦化厂进一步利用，所述高温水又重新流入所述上升管换热器(2)底端进水口(2.2)进行循环利用；2)所有的半导体发电模块(2.7)进行串并联后输出直流电并经逆变器(6)中逆变成交流电后外送入电网中；3)电压变换控制器(7)实时显示连接的半导体发电模块(2.7)构成的温差发电热端的温度t，当温度80＜t＜240℃，所述电压变换控制器(7)控制流量调节阀(5)的开合程度不变；
当温度t≥240℃，所述电压变换控制器(7)控制流量调节阀(5)的开合程度增大；当温度t≤80℃，所述电压变换控制器(7)控制流量控制阀(5)的开合程度减小。8.根据权利要求7所述装置进行焦炉荒煤气余热梯级回收利用的方法，其特征在于，步骤1)中，蒸汽产量为70～140kg每吨焦炭。9.根据权利要求7所述装置进行焦炉荒煤气余热梯级回收利用的方法，其特征在于，步骤2)中，每台上升管换热器(2)的发电功率为300～2000w。

技术总结
本发明公开了一种焦炉荒煤气余热梯级回收利用装置及方法，属于炼焦过程中余热资源高效回收利用技术领域。具体的包括在焦炉炭化室荒煤气排气口的顶端设置上升管换热器，并设置上升管换热器为夹套结构，在上升管换热器外侧壁设置可利用温差发电技术的半导体发电模块。其中，流入上升管换热器内部的工质与荒煤气换热后形成的汽化工质经收集后进一步利用，而半导体发电模块利用上升管换热器外侧壁温度与外部空气之间温度差进行发电形成的电流可送入外电网。故本发明设计的装置可实现高效利用焦炉荒煤气余热，进一步降低炼焦能耗和碳排放强度。强度。强度。


技术研发人员：常红兵 何一兵 陈鹏 王大春 冯强 严铁军 陈细涛 曹素梅 鲁婷
受保护的技术使用者：武汉钢铁有限公司
技术研发日：2022.03.30
技术公布日：2022/5/25