本實用新型涉及煉焦熱工設備領域，具體涉及一種應用于煉焦爐的焦爐上升管。

背景技術：

煉鋼冶金、陶瓷燒制、金屬加熱等工業(yè)過程，一般不能直接使用原煤燃燒進行加熱，而是先將原煤經(jīng)過煉制，脫去原煤中的焦油，成為含有純煤氣可燃成分的焦炭，再用于工業(yè)加熱。用原煤煉制焦炭所用的窯爐稱為煉焦爐，煉制過程是原煤在煉焦爐內(nèi)熱解燃燒脫去焦油，并直至焦油完全脫盡的工藝過程。脫焦燃燒過程排放大量的成分復雜的原煤釋放的高溫煙氣，叫做荒煤氣，將荒煤氣從煉焦爐內(nèi)引出的裝置稱為上升管，上升管是安裝在煉焦爐頂部用于排放荒煤氣的金屬管狀附屬設備。荒煤氣在原煤燃燒時放熱產(chǎn)生的氣體熱膨脹驅動力作用下，從焦爐內(nèi)部源源不斷逸出，通過上升管升騰、氨水降溫匯集到主管道，再存入荒煤氣罐等待焦化處理?；拿簹饨?jīng)凈化與焦化處理，得到的焦爐煤氣是優(yōu)質(zhì)燃料，得到的萘等是優(yōu)質(zhì)煤化工產(chǎn)品，所以，煉焦過程回收荒煤氣是非常重要的工藝過程。

原煤在焦爐內(nèi)的最高煉焦溫度控制在1050℃以下。原煤在350-480℃時，大分子被熱解，開始逸出煤氣類氣相物和焦油液相物；450-550℃時，以液相為主與氣相產(chǎn)物大量析出；700-1000℃時液相物逐漸終盡，脫焦完成，焦炭形成，焦炭中保留了純煤氣可燃性氣體成分，即：從原煤到煉焦的工藝結束。如果繼續(xù)升溫，焦炭便被碳化，可燃性氣體逸盡并自燃，焦炭成為煤渣?；拿簹庵械慕褂褪浅煞謴碗s的液態(tài)膠體，在低于臨界結焦溫度即350℃以下時出現(xiàn)體積濃縮，吸附在物體表面，逐漸聚集成堅硬的塊狀，稱為結焦。

現(xiàn)有焦爐上升管的基本結構，如圖4所示，包括主體鋼管21，作為上升管管體，主體鋼管的兩端分別設有法蘭24，在主體鋼管的外表面設有石棉保溫層23，在主體鋼管的內(nèi)表面襯有黏土類耐火磚砌成的耐火襯22，上升管內(nèi)部貼上耐火襯之后，上升管的有效內(nèi)徑為400mm。耐火襯的保護作用起到對焦油進行隔離的效果，防止荒煤氣中的焦油與鋼管的鐵原子化合產(chǎn)生石墨反應，導致金屬管腐蝕；耐火襯的保溫作用起到除焦效果，防止荒煤氣溫度在低于350℃時，焦油便吸附在耐火襯上，導致荒煤氣逸除不暢，阻塞荒煤氣排放。

但是，上述現(xiàn)有結構的焦爐上升管存在以下問題：

(一)、高溫荒煤氣廢熱直接排放，未被有效回收利用?；拿簹飧哂?50℃防結焦溫度以上的，約占煉焦放熱30％左右的熱能全部成為廢熱，即相當于每噸煤發(fā)電能力為3000kwh時，有1000kwh電量成為廢熱被“上天入地”廢棄；部分熱能隨上升管外壁擴散到空中，外壁最高溫度達到450-500℃，最低溫度250-300℃；部分熱能隨荒煤氣匯集被氨水急冷降溫而消失。

(二)、上升管內(nèi)容易結焦，且難于控制。由于這種上升管是一種單純的煙道式結構，只有被動的保護防結焦耐火襯，耐火襯表面粗糙極易使焦油吸附掛壁，即使高溫燒掉但仍然留有痕跡，并越積越多，形成難以清理的堅硬塊狀焦油；且上升管的耐火襯是在上升管管內(nèi)采用耐火磚砌體的方式，故其壽命期較短，一般只有1年，需要每年更新一次上升管，更新耐火磚砌體；管內(nèi)結焦時常發(fā)生，但不易察覺，沒有控制結焦的技術措施，需要有經(jīng)驗的操作人員通過觀察煉焦爐頂?shù)难b煤孔、觀察孔，當發(fā)現(xiàn)荒煤氣大量逸出時，則判斷為上升管嚴重結焦被阻塞，結焦后一般采取調(diào)火燃燒除焦措施，嚴重結焦后則需要更換上升管；由于工況惡劣，上升管處理結焦很困難。

(三)、現(xiàn)有上升管在內(nèi)部貼上耐火襯之后，上升管的有效內(nèi)徑為400mm，該尺寸從理論上滿足上升管在高度保溫、不取熱、不降溫的條件下，荒煤氣以0.3-1.0m/s升騰速度按層流形態(tài)通過上升管；但在使用含焦量比較大的煤種(即煙煤)煉焦時，每一爐均出現(xiàn)荒煤氣來不及從上升管逸出，而從焦爐爐頂?shù)难b煤孔、觀察孔逃逸，甚至需要人工打開上升管上方的爐蓋，將帶火的荒煤氣對“天”排放、并泄壓，否則會因荒煤氣逸出不及時，在裝煤孔或觀察孔起火燃燒，甚至導致煉焦室“炸膛”事故。

(四)、現(xiàn)有上升管內(nèi)荒煤氣的流體狀態(tài)是層流狀態(tài)，即：荒煤氣自下而上有序逸出。層流狀態(tài)使得荒煤氣到達橋管時內(nèi)外溫度不一致，貼近上升管內(nèi)部耐火襯的外層荒煤氣的溫度，低于上升管中心位置的內(nèi)層荒煤氣的溫度，并且溫差平均高達150℃。該溫差的存在，對荒煤氣的廢熱回收產(chǎn)生以下不利因素：一是，荒煤氣廢熱回收量不完全，大約有40-60％的廢熱位居荒煤氣氣流的中心位置沒有被回收或被充分回收；二是，給荒煤氣降溫的噴氨水量沒有降低到可以實現(xiàn)的最低量。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本實用新型所要解決的技術問題是：提供一種結構改進的焦爐上升管，以便有效回收利用高溫荒煤氣廢熱，降低周圍溫度，改善工況環(huán)境。

為解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是：焦爐上升管，包括：上升管管體，所述上升管管體的兩端分別設置有法蘭，所述上升管管體采用套管結構，所述套管結構包括上升管外管和套在所述上升管外管內(nèi)的上升管內(nèi)管，所述上升管外管、所述上升管內(nèi)管、所述法蘭共同圍出套管容腔；水冷壁，所述水冷壁設置于所述套管容腔內(nèi)，所述水冷壁包括水冷壁內(nèi)壁和水冷壁外壁，所述水冷壁內(nèi)壁與所述水冷壁外壁之間為水冷壁內(nèi)腔，所述水冷壁外壁的下部設有與所述水冷壁內(nèi)腔連通的進水管口，所述水冷壁外壁的上部設有與所述水冷壁內(nèi)腔連通的出汽管口。

本實用新型的焦爐上升管，由于其上升管管體采用由上升管外管和上升管內(nèi)管套設在一起形成的套管結構，套管容腔內(nèi)設有水冷壁，以水為介質(zhì)作為回收荒煤氣廢熱的載體，水自水冷壁外壁下部的進水管口進入水冷壁內(nèi)腔；高溫荒煤氣在上升管內(nèi)管中上升過程中與其發(fā)生熱交換，水冷壁內(nèi)腔中的水與高溫的上升管內(nèi)管發(fā)生熱交換，水被加熱、汽化、成為過熱蒸汽，最終自水冷壁外壁上部的出汽管口導出，制得的過熱蒸汽即可進入后續(xù)的廢熱再利用系統(tǒng)，用來發(fā)電或者供暖等，實現(xiàn)了高溫荒煤氣廢熱的有效回收利用，同時，降低了周圍溫度，改善了工況環(huán)境。

以下為對本實用新型焦爐上升管的多項優(yōu)化改進之處：

其中，所述上升管內(nèi)管的內(nèi)表面涂有耐高溫納米陶瓷涂層。納米材料致密度極高，在上升管內(nèi)管的內(nèi)表面涂覆耐高溫納米陶瓷涂層后，上升管內(nèi)壁保持高度的致密度、光潔度、平整度，使荒煤氣中的焦油不能在上升管內(nèi)壁上吸附掛壁，避免結焦；納米材料附著力極高，故不易出現(xiàn)納米涂層裂紋、爆裂、脫落，并既有保溫特性，又有極強的隔離特性，確保荒煤氣的焦油不與鋼管的鐵原子產(chǎn)生化合作用，保護鋼管不被腐蝕，延長使用壽命。

其中，所述水冷壁內(nèi)壁與所述上升管內(nèi)管之間為內(nèi)氣密層，所述水冷壁外壁與所述上升管外管之間為外氣密層。內(nèi)氣密層的設置，可以避免低溫的冷水壁與高溫的荒煤氣形成直接接觸的降溫界面，避免過大的溫差而造成低于結焦臨界點溫度，避免造成結焦危害，確保廢熱回收的同時不會結焦；外氣密層的設置，不但可以對水冷壁起到保溫作用，防止水冷壁向上升管外管散熱，確?；拿簹鈴U熱的高效回收，又起到防止回收的熱量散向周圍環(huán)境，達到了降低周圍溫度，改善工況環(huán)境目的。

其中，所述水冷壁自下而上包括相連通的高溫熱水段、飽和汽化段和過熱蒸汽段。

其中，所述水冷壁內(nèi)腔中設有導流結構。導流結構的設置，使水冷壁內(nèi)腔中的流體擾動，增加換熱效果。

其中，所述導流結構為包括：位于所述高溫熱水段的水流導流板、位于所述飽和汽化段的汽化導流板和位于所述過熱蒸汽段的蒸汽分流板。

其中，所述水流導流板、所述汽化導流板、所述蒸汽分流板一體設置，呈螺旋導流結構。

其中，所述水流導流板的螺距、所述汽化導流板的螺距、所述蒸汽分流板的螺距依次增大?？梢詼p小流體阻力，增加換熱系數(shù)。

其中，所述上升管管體的上端設有上測溫點管口，所述上升管管體的下端設有下測溫點管口。分別在上測溫點管口和下測溫點管口設置與控制系統(tǒng)連接的測溫元件后，焦爐運行過程中，測溫元件實時檢測上升管內(nèi)部荒煤氣溫度，測得荒煤氣溫度高于臨界結焦溫度時，通過水冷壁內(nèi)腔的循環(huán)水回收荒煤氣的高溫余熱，并控制上升管的溫度不高于600℃，即可起到避免上升管的鋼管連接焊縫出現(xiàn)高溫斷裂的問題；測得荒煤氣溫度接近臨界結焦溫度時，控制系統(tǒng)迅速調(diào)低循環(huán)水的流量、流速，即可迅速提升上升管內(nèi)荒煤氣的溫度，避免結焦；一旦出現(xiàn)偶然、瞬間結焦，在高于400℃后會將結焦迅速熔解。

其中，所述焦爐上升管的內(nèi)徑為450mm～500mm。擴大上升管的內(nèi)徑后，一方面是，可減小荒煤氣上升的阻力，縮短荒煤氣在上升管內(nèi)逸出的時間，確保廢熱回收的同時荒煤氣不會結焦；另一方面，可改變荒煤氣在上升管內(nèi)的氣流形態(tài)，由層流變成紊流，紊流現(xiàn)象使荒煤氣在上升管內(nèi)部產(chǎn)生渦旋和翻騰，同時廢熱回收過程中上升管內(nèi)襯耐高溫納米陶瓷涂層與被降溫的荒煤氣的界面的溫度偏低，推動了不同溫度的荒煤氣形成氣流團，氣流團密度差異形成氣旋，氣旋進一步促使荒煤氣內(nèi)外層充分混合，最終使通過上升管任何橫截面的荒煤氣的截面溫度基本一致，使荒煤氣廢熱能最大程度地回收，降低了給荒煤氣降溫的氨水用量。

綜上所述，采用了上述技術方案后，本實用新型的焦爐上升管，通過設置水冷壁，實現(xiàn)了高溫荒煤氣廢熱的有效回收利用；通過設置耐高溫納米陶瓷涂層及控制上升管內(nèi)荒煤氣溫度，解決了荒煤氣中的焦油在上升管內(nèi)壁吸附掛壁、結焦的難題，延長了上升管的使用壽命；上升管的內(nèi)徑擴容后，降低了給荒煤氣降溫的氨水用量，根除了荒煤氣從裝煤孔和觀察孔逃逸或人工排氣的問題，為安全生產(chǎn)提供了保障。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例的焦爐上升管外形結構示意圖；

圖2是圖1的縱向剖視結構示意圖；

圖3是圖1的橫向剖視結構示意圖；

圖4是現(xiàn)有焦爐上升管的剖視結構示意圖；

圖中：1、本實用新型焦爐上升管；1-1、法蘭連接固定用螺栓孔；1-2、法蘭；1-3、上升管外管；1-4、外氣密層；1-5、水冷壁外壁；1-6、水冷壁內(nèi)腔；1-7、水冷壁內(nèi)壁；1-8、內(nèi)氣密層；1-9、上升管內(nèi)管；1-10、耐高溫納米陶瓷涂層；1-11、進水管口；1-12、水流導流板；1-13、汽化導流板；1-14、蒸汽分流板；1-15、出汽管口；1-16、下測溫點管口；1-17、上測溫點管口；1-18、巖棉底座；D、焦爐上升管內(nèi)徑；H、焦爐上升管高度；H1、高溫熱水段；H2、飽和汽化段；H3、過熱蒸汽段；

2、現(xiàn)有焦爐上升管；21、主體鋼管；22、耐火襯；23、石棉保溫層；24、法蘭。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型的具體實施方式做非限制性的詳細說明。

如圖1、圖2和圖3共同所示，本實用新型的焦爐上升管1包括：上升管管體，在上升管管體的兩端分別設置有法蘭1-2，在法蘭1-2上設置有法蘭連接固定用螺栓孔1-1；其中，上升管管體采用套管結構，該套管結構包括上升管外管1-3和套在上升管外管1-3內(nèi)的上升管內(nèi)管1-9，進一步地，在上升管內(nèi)管1-9的內(nèi)表面涂有耐高溫納米陶瓷涂層1-10，在上升管外管1-3的外表面涂有防銹層，由上升管外管1-3、上升管內(nèi)管1-9和兩端的法蘭1-2共同圍出套管容腔；在套管容腔內(nèi)設置有不銹鋼材質(zhì)的水冷壁，該水冷壁包括水冷壁內(nèi)壁1-7和水冷壁外壁1-5，水冷壁內(nèi)壁1-7與上升管內(nèi)管1-9之間為內(nèi)氣密層1-8，水冷壁外壁1-5與上升管外管1-3之間為外氣密層1-4，水冷壁內(nèi)壁1-7與水冷壁外壁1-5之間為水冷壁內(nèi)腔1-6，在水冷壁外壁1-5的下部設有與水冷壁內(nèi)腔1-6連通的進水管口1-11，在水冷壁外壁1-5的上部設有與水冷壁內(nèi)腔1-6連通的出汽管口1-15；在套管容腔內(nèi)位于下部法蘭1-2的上表面設有巖棉底座1-18，水冷壁的底部支撐在巖棉底座1-18上。進一步地，在上升管管體的上端設有上測溫點管口1-17，在上升管管體的下端設有下測溫點管口1-16。

其中，上述耐高溫納米陶瓷涂層1-10的耐高溫強度為1450℃，滿足焦爐控溫1050℃煉焦溫度的需要；納米材料致密度極高，在上升管內(nèi)管的內(nèi)表面涂覆耐高溫納米陶瓷涂層后，上升管內(nèi)壁保持高度的致密度、光潔度、平整度，使荒煤氣中的焦油不能在上升管內(nèi)壁上吸附掛壁，避免結焦；納米材料附著力極高，故不易出現(xiàn)納米涂層裂紋、爆裂、脫落，并既有保溫特性，又有極強的隔離特性，確?；拿簹獾慕褂筒慌c鋼管的鐵原子產(chǎn)生化合作用，保護鋼管不被腐蝕，延長使用壽命。

其中，上述內(nèi)氣密層1-8的設置，可以避免低溫的冷水壁與高溫的荒煤氣形成直接接觸的降溫界面，避免過大的溫差而造成低于結焦臨界點溫度，避免造成結焦危害，確保廢熱回收的同時不會結焦；外氣密層1-4的設置，不但可以對水冷壁起到保溫作用，防止水冷壁向上升管外管1-3散熱，確?；拿簹鈴U熱的高效回收，又起到防止回收的熱量散向周圍環(huán)境，達到了降低周圍溫度，改善工況環(huán)境目的。

其中，在上述上測溫點管口1-17和下測溫點管口1-16分別設置與控制系統(tǒng)連接的測溫元件后，焦爐運行過程中，測溫元件實時檢測上升管內(nèi)部荒煤氣溫度，測得荒煤氣溫度高于臨界結焦溫度350℃時，通過水冷壁內(nèi)腔的循環(huán)水回收荒煤氣的高溫余熱，并控制上升管的溫度不高于600℃，即可起到避免上升管的鋼管連接焊縫出現(xiàn)高溫斷裂的問題；測得荒煤氣溫度接近臨界結焦溫度350℃時，控制系統(tǒng)迅速調(diào)低循環(huán)水的流量、流速，即可迅速提升上升管內(nèi)荒煤氣的溫度，避免結焦；一旦出現(xiàn)偶然、瞬間結焦，在高于400℃后會將結焦迅速熔解。

如圖2所示，所述水冷壁自下而上包括相連通的高溫熱水段H1、飽和汽化段H2和過熱蒸汽段H3。其中，高溫熱水段H1也是水冷段，設置在焦爐上升管1的下端，占焦爐上升管高度H的40％左右，進水溫度在10-40℃，通過水冷段吸收荒煤氣廢熱50-60％的熱能，將水的溫度迅速升高到95℃，達到近汽化程度。其中，飽和汽化段H2也是高溫冷凝段，位于高溫熱水段H1的上部，焦爐上升管1的中部，占焦爐上升管高度H的30％左右，其作用是通過吸收荒煤氣在底段廢熱的余熱，將高溫熱水汽化為飽和蒸汽，進一步回收荒煤氣廢熱。其中，過熱蒸汽段H3是為了提高所回收廢熱的熱品質(zhì)，是實現(xiàn)廢熱回收與再利用的重要環(huán)節(jié)，過熱蒸汽段H3設置在焦爐上升管1的上端，位于飽和汽化段H2的上部，占焦爐上升管高度H的30％左右，通過過熱蒸汽段H3吸收荒煤氣上段的廢熱，將中段的飽和蒸汽升華為過熱蒸汽。

如圖2所示，其中，在水冷壁內(nèi)腔1-6中設有導流結構。導流結構的設置，便于水冷壁內(nèi)腔1-6中的高溫熱水、飽和蒸汽、過熱蒸汽擾動，增加換熱效果。

其中，所述導流結構包括：位于高溫熱水段H1的水流導流板1-12、位于飽和汽化段H2的汽化導流板1-13和位于過熱蒸汽段H3的蒸汽分流板1-14。進一步地，水流導流板1-12、汽化導流板1-13、蒸汽分流板1-14一體設置，呈螺旋導流結構。更進一步地，水流導流板1-12的螺距、汽化導流板1-13的螺距、蒸汽分流板1-14的螺距依次增大；可以減小流體阻力，增加換熱系數(shù)。

如圖2所示，其中，所述焦爐上升管內(nèi)徑D為450mm～500mm。擴大上升管的內(nèi)徑后，一方面是，減小了荒煤氣在上升管內(nèi)部的單位密度，可減小荒煤氣上升的阻力，縮短荒煤氣在上升管內(nèi)逸出的時間，確保廢熱回收的同時荒煤氣不會結焦；另一方面，可改變荒煤氣在上升管內(nèi)的氣流形態(tài)，由層流變成紊流，紊流現(xiàn)象使荒煤氣在上升管內(nèi)部產(chǎn)生渦旋和翻騰，同時廢熱回收過程中上升管內(nèi)襯耐高溫納米陶瓷涂層與被降溫的荒煤氣的界面的溫度偏低，推動了不同溫度的荒煤氣形成氣流團，氣流團密度差異形成氣旋，氣旋進一步促使荒煤氣內(nèi)外層充分混合，最終使通過上升管任何橫截面的荒煤氣的截面溫度基本一致，使荒煤氣廢熱能最大程度地回收，降低了給荒煤氣降溫的氨水用量。同時，焦爐上升管內(nèi)徑擴容后，根除了荒煤氣從裝煤孔和觀察孔逃逸或人工排氣的問題。

將本實用新型的焦爐上升管安裝到焦爐頂部，分別在上測溫點管口1-17、下測溫點管口1-16上設置與控制系統(tǒng)連接的測溫元件，進水管口1-11與供水管路連接，出汽管口1-15與蒸汽管路連接。焦爐設備運行時，水自進水管口1-15進入水冷壁內(nèi)腔1-6；高溫荒煤氣自焦爐進入焦爐上升管1，沿圖2中箭頭所示方向升騰，上升過程中，將熱量傳遞給耐高溫納米陶瓷涂層1-10、上升管內(nèi)管1-9，水冷壁內(nèi)腔1-6中的水與高溫的上升管內(nèi)管1-9發(fā)生熱交換；在高溫熱水段H1，水溫迅速升高到95℃，達到近汽化程度；在飽和汽化段H2，高溫熱水汽化為飽和蒸汽，進一步回收荒煤氣廢熱；在過熱蒸汽段H3，進一步吸收荒煤氣上段的廢熱，將中段的飽和蒸汽升華為過熱蒸汽；過熱蒸汽最終從出汽管口1-15導出，進入蒸汽管路，制得的過熱蒸汽即可進入后續(xù)的廢熱再利用系統(tǒng)，用來發(fā)電或者供暖等，實現(xiàn)了高溫荒煤氣廢熱的有效回收利用。

綜上所述，本實用新型的焦爐上升管，通過設置水冷壁，實現(xiàn)了高溫荒煤氣廢熱的有效回收利用；通過設置耐高溫納米陶瓷涂層及控制上升管內(nèi)荒煤氣溫度，解決了荒煤氣中的焦油在上升管內(nèi)壁吸附掛壁、結焦的難題，延長了上升管的使用壽命；上升管的內(nèi)徑擴容后，降低了給荒煤氣降溫的氨水用量，根除了荒煤氣從裝煤孔和觀察孔逃逸或人工排氣的問題，為安全生產(chǎn)提供了保障。