焦炉荒煤气的换热系统和焦炉的制作方法

1.本发明涉及焦化技术领域，具体涉及一种焦炉荒煤气的换热系统和焦炉。


背景技术：

2.焦炉荒煤气的余热回收技术在焦化领域是一个新兴技术，由于荒煤气作为焦化产业一种高热值副产物，从炭化室内产生的荒煤气温度普遍在650～850℃，荒煤气带走的热量占据炼焦总能耗的32～36％，该部分热量的回收资源化利用对于焦化厂实现“双碳”目标具有重要意义，同时兼具了经济效益。
3.目前，荒煤气余热回收主要采用水夹套式，因为其结构简单，有大规模工业的推广应用。但该方式的问题也是显而易见的，热应力疲劳、过高的壁温和周期性的温度等情况，导致焊缝开裂、漏水、焦油凝结、积碳结石墨、内壁结焦腐蚀等问题都是对换热器设备性能提出的挑战。
4.为了应对上述一系列问题，相关技术中，大多从换热介质的种类、换热介质的管道设计着手来达到换热的效果，能够一定程度规避漏水、鼓包、焦油凝结、积碳结石墨、内壁结焦腐蚀等风险。然而，实际生产中，回收的荒煤气的具有不确定性，在一整个炼焦周期内，荒煤气流量呈现出先上升，一般在12～16h之间达到峰值，之后下降的动态变化，炼焦生产工艺过程是周期性的，导致荒煤气的组分、流量和温度均随时间呈周期性变化，同时造成蒸汽压力的波动，如果仅从冷却侧考虑，无法保证稳定换热效率，对于出产稳定的蒸汽是不利的，会造成某些时刻蒸汽的品质不佳的问题。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明的第一个目的在于提出一种焦炉荒煤气的换热系统。
6.本发明的第二个目的在于提出一种焦炉。
7.本发明采用的技术方案如下：
8.本发明第一方面的实施例提出了一种焦炉荒煤气的换热系统，包括：上升管，所述上升管为圆柱形管，所述上升管包括第一流道和第二流道，所述第二流道为以所述上升管的中心为圆心以第一距离为半径的圆所在的流道，所述第一流道为所述上升管去除第二流道后的圆环所在的流道，所述第一距离小于上升管的半径，所述第一流道的内部为垂直通道，所述第二流道的内部为弯曲通道，所述第一流道和第二流道由挡板隔开，荒煤气从所述上升管的入口进入出口流出；螺旋盘管，所述螺旋盘管盘旋在所述上升管的外壁，所述螺旋管内流动有换热介质；温度传感器，所述温度传感器包括两个，分别设置在所述上升管的入口、出口外侧，用于检测所述上升管的入口温度和出口温度；流量传感器，所述流量传感器设置在所述上升管的入口处，用于检测所述上升管入口处的荒煤气流量；组合阀，所述组合阀设置在所述上升管的入口，所述组合阀用于控制所述第一流道和第二流道的开度；控制器，所述控制器用于获取所述入口温度、荒煤气流量、进口处荒煤气焓值和出口处荒煤气焓
值，根据所述上升管的入口温度、荒煤气流量、进口处荒煤气焓值和出口处荒煤气焓值对所述组合阀的开度进行控制，以调节所述第一流道和第二流道的开度。
9.本发明上述提出的焦炉荒煤气的换热系统还可以具有如下附加技术特征：
10.根据本发明的一个实施例，所述第二流道的内部筒壁交错焊接多组铁片。
11.根据本发明的一个实施例，所述控制器具体用于：根据所述上升管的荒煤气流量、进口处荒煤气焓值和出口处荒煤气焓值获取控制参数g0；获取控制参数g0与指标参数g的偏差值δg；如果所述入口温度大于设定温度值，且所述荒煤气流量小于等于设定流量，且所述偏差值δg小于第一阈值，则通过控制所述组合阀将所述第一流道的开度逐步增大至1，将所述第二流道的开度逐步关闭至0；如果所述入口温度小于等于所述设定温度值，所述荒煤气流量大于所述设定流量，且所述偏差值δg大于所述第一阈值且小于第二阈值，则通过控制所述组合阀将所述第一流道的开度逐步调节至[0，0.25)范围内，将所述第二流道的开度逐步调节至[0.75，1)范围内，所述第二阈值大于所述第一阈值；如果所述入口温度大于设定温度值，所述荒煤气流量大于所述设定流量，且所述偏差值δg大于所述第二阈值且小于第三阈值，则通过控制所述组合阀将所述第一流道的开度逐步调节至[0.75，1)范围内，将所述第二流道的开度逐步调节至[0，0.25)范围内，所述第三阈值大于所述第二阈值；如果所述入口温度小于等于所述设定温度，且所述荒煤气流量小于等于所述设定流量，且所述偏差值δg大于所述第三阈值，则通过控制所述组合阀将所述第一流道的开度逐步关闭至0，将所述第二流道的开度逐步增大至1。
[0012]
根据本发明的一个实施例，所述控制器具体根据以下公式获取所述偏差值δg：
[0013]
其中，g0为所述控制参数，g为重力加速度，q为荒煤气流量，d为上升管内径，λ为沿程阻力系数，l为上升管管长，a、b、c分别为与第一至第三参数，h
out
、h
in
分别为上升管进口、出口处荒煤气焓值，δg为所述偏差值。
[0014]
根据本发明的一个实施例，上述系统还包括：水泵，所述水泵用于控制所述螺旋盘管内的换热介质流速；所述控制器还用于：基于人工神经网络根据周期内采集的上升管的入口温度和荒煤气流量进，预测下一周期上升管入口的荒煤气流量，根据预测的下一周期上升管入口的荒煤气流量对所述水泵进行控制，以调节所述螺旋盘管内的换热介质流速。
[0015]
根据本发明的一个实施例，所述换热介质为经除盐、除氧处理后的采暖水。
[0016]
本发明第二方面的实施例提出了一种焦炉，包括本发明第一方面实施例所述的焦炉荒煤气的换热系统。
[0017]
本发明的有益效果：
[0018]
本发明通过改变荒煤气流道改变荒煤气在上升管管段的停留时间，以此来适应荒煤气周期性变化，并且结合荒煤气的实时参数对流道的开度进行控制，实现蒸汽产出品质的稳定性，使得荒煤气热量得到充分利用，显著提高换热效率。
附图说明
[0019]
图1是根据本发明一个实施例的焦炉荒煤气的换热系统的剖面结构示意图；
[0020]
图2是根据本发明一个实施例的上升管流道横截面示意图。
具体实施方式
[0021]
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。
[0022]
图1是根据本发明一个实施例的焦炉荒煤气的换热系统的剖面结构示意图，如图1所示，该换热系统包括：上升管1、螺旋盘管2、温度传感器3、流量传感器4、组合阀5和控制器(图中未具体示出)。
[0023]
其中，上升管1为圆柱形管，上升管1包括第一流道11和第二流道12，第二流道12为以上升管的中心为圆心以第一距离为半径的圆所在的流道，第一流道11为上升管去除第二流道12后的圆环所在的流道，第一距离小于上升管的半径，第一流道11的内部为垂直通道，第二流道12的内部为弯曲通道，第一流道11和第二流道12由挡板隔开，荒煤气从上升管的入口进入出口流出。也就是说，第二流道12为上升管的中心区域，第一流道11为上升管四周的圆环区域，其流道横截面示意图可参见图2所示。
[0024]
螺旋盘管2盘旋在上升管1的外壁，螺旋盘管2内流动有换热介质；温度传感器3包括两个，分别设置在上升管1的入口、出口外侧，用于检测上升管的入口温度和出口温度；流量传感器4设置在上升管1的入口处，用于检测上升管入口处的荒煤气流量；组合阀5设置在上升管的入口，组合阀用于控制第一流道11和第二流道12的开度；控制器用于获取入口温度、出口温度、荒煤气流量、进口处荒煤气焓值和出口处荒煤气焓值等参数，根据上升管的入口温度、出口温度、荒煤气流量、进口处荒煤气焓值和出口处荒煤气焓值等参数对组合阀的开度进行控制，以调节第一流道和第二流道的开度。
[0025]
在本发明的实施例中，如图1所示，可以通过在第二流道12的内部筒壁交错焊接多组铁片，以实现第二流道通道的弯曲。换热介质可以为经除盐、除氧处理后的采暖水。
[0026]
具体地，如图1-2所示，第一流道11和第二流道12由挡板隔开，的上升管1入口处设置组合阀5，组合阀5中有中转存储腔以及与中转存储腔贯通的第一入口、第二入口，组合阀能够被驱动围绕中心通孔的轴线旋转，以实现第一入口、第二入口中的任意一个与上升管中的一个流道贯通。螺旋盘管结构换热器的优势在于传热面积更大、受热更均匀、承载的压力更高。螺旋盘管2能够一定程度规避漏水、鼓包的风险，有更稳定的热应力，螺旋的结构也改变了换热介质的流态，增强了湍流，强化了换热，同时在上升管的外/内壁面加上隔热/导热涂层，提升了换热器换热效率。
[0027]
将从焦化室中流出的由甲烷、水蒸气及煤焦油等杂质组成的成分复杂的荒煤气流至上升管1入口，经除盐、除氧后的采暖水由水泵送至上升管外侧螺旋盘管2的入口处，采暖水在螺旋盘管2内循环，与上升管1内第一流道11和第二流道12中的荒煤气进行换热，采暖水吸热汽化成水蒸气，流入汽包进行水汽分离，未完全汽化的水再经泵加压至入口继续换热。荒煤气从上升管的入口进入出口流出，上升管1附近的温度、流量、压力传感器将收集到的数据传输至控制器，控制器根据传感器检测到的数据对组合阀5的开度进行控制，以调节第一流道和第二流道的开度，以使荒煤气由此进入流程长度不同的流道内，与冷源换热，举例而言，在流量较小的结焦初期和末期，可以控制荒煤气主要流经第二流道12，延长荒煤气在换热过程中的停留时间，提高换热效率。由此，本发明另辟蹊径，从热源侧出发，通过改变
荒煤气流道改变荒煤气在上升管管段的停留时间，以此来适应荒煤气周期性变化，并且结合荒煤气的实时参数对流道的开度进行控制，实现蒸汽产出品质的稳定性，使得荒煤气热量得到充分利用，显著提高换热效率。
[0028]
下面结合具体的实施例描述控制器如何根据上升管的入口温度、荒煤气流量、进口处荒煤气焓值和出口处荒煤气焓值对组合阀的开度进行控制，以调节第一流道和第二流道的开度。
[0029]
根据本发明的一个实施例，控制器具体用于：根据上升管的荒煤气流量q、进口处荒煤气焓值h
in
和出口处荒煤气焓值h
out
获取控制参数g0；获取控制参数g0与指标参数g的偏差值δg；如果入口温度t大于设定温度值(例如750℃)，且荒煤气流量q小于等于设定流量(例如500m3/h)，且偏差值δg小于第一阈值(例如0.5)，则通过控制组合阀将第一流道的开度a逐步增大至1，将第二流道的开度b逐步关闭至0；如果入口温度t小于等于设定温度值，荒煤气流量q大于设定流量，且偏差值δg大于第一阈值且小于第二阈值(例如1)，则通过控制组合阀将第一流道的开度a逐步调节至[0，0.25)范围内，将第二流道的开度b逐步调节至[0.75，1)范围内，第二阈值大于第一阈值；如果入口温度t大于设定温度值，荒煤气流量q大于设定流量，且偏差值δg大于第二阈值且小于第三阈值(例如1.5)，则通过控制组合阀将第一流道的开度a逐步调节至[0.75，1)范围内，将第二流道的开度b逐步调节至[0，0.25)范围内，第三阈值大于第二阈值；如果入口温度t小于等于设定温度，且荒煤气流量q小于等于设定流量，且偏差值δg大于第三阈值，则通过控制组合阀将第一流道的开度a逐步关闭至0，将第二流道的开度b逐步增大至1。
[0030]
其中，当第一阈值取值为1时，如果偏差值δg等于第二阈值，则说明荒煤气的参数与设定值无偏差，通过控制组合阀将第一流道的开度逐步增大至1，将第二流道的开度逐步关闭至0，让荒煤气从垂直通道进行换热。
[0031]
控制器具体根据以下公式获取偏差值δg：
[0032][0033][0034]
其中，g0为控制参数，g为重力加速度，q为荒煤气流量，d为上升管内径，λ为沿程阻力系数，l为上升管管长，a、b、c分别为与第一至第三参数，h
out
、h
in
分别为上升管进口、出口处荒煤气焓值，a、b、c为与荒煤气物性相关的系数，提前根据相关实验获取，δg为偏差值。h
out
、h
in
可以根据上升管进出口处的荒煤气温度和压力通过查表获取。
[0035]
也就是说，控制器对于第一流道11和第二流道12的开度控制可参见下表1，表1中a代表第一流道的开度，b代表第二流道的开度。
[0036]
表1
[0037][0038]
可以理解，炼焦整个周转时间分为两个部分，一是火落时间，二是焖炉时间。从装煤到出现火落的这一时间间隔称之为火落时间，火落时间的荒煤气具有一定的不确定性，表1对应的控制方式可以应用于火落时间。焖炉时间内，可以控制通过控制组合阀将第一流道的开度a逐步关闭至0，将第二流道的开度b逐步增大至1。
[0039]
本发明中对于流道开度的调节需要是连续调节，调节步长提前设定，为避免发生荒煤气流量的突然变化，调节步长不宜过大，应缓慢调节。
[0040]
为了进一步调高换热效果，根据本发明的一个实施例，上述的焦炉荒煤气的换热系统还可以包括：水泵，水泵用于控制螺旋盘管内的换热介质流速；控制器还用于：基于人工神经网络根据周期内采集的上升管的入口温度和荒煤气流量进，预测下一周期上升管入口的荒煤气流量，根据预测的下一周期上升管入口的荒煤气流量对水泵进行控制，以调节螺旋盘管内的换热介质流速。
[0041]
具体地，人工神经网络提前进行训练，在实际应用中，定期获取预设周期内上升管的入口温度和荒煤气流量等参数预测下一周期上升管入口的荒煤气流量，根据预测值对水泵进行控制，以调节螺旋盘管内的换热介质流速。举例而言，如果预测值较大，则调节螺旋盘管内的换热介质流速增大，如果预测值较小，则调节螺旋盘管内的换热介质流速降低。由此，从冷却侧和热源侧综合考虑，显著提高了换热效果和在蒸汽的品质。
[0042]
综上所述，根据本发明实施例的焦炉荒煤气的换热系统，通过改变荒煤气流道改变荒煤气在上升管管段的停留时间，以此来适应荒煤气周期性变化，并且结合荒煤气的实时参数对流道的开度进行控制，实现蒸汽产出品质的稳定性，使得荒煤气热量得到充分利用，显著提高换热效率。
[0043]
此外，本发明还提出一种焦炉，包括本发明上述的焦炉荒煤气的换热系统。
[0044]
根据本发明实施例的焦炉，通过上述的焦炉荒煤气的换热系统通过改变荒煤气流道改变荒煤气在上升管管段的停留时间，以此来适应荒煤气周期性变化，并且结合荒煤气的实时参数对流道的开度进行控制，实现蒸汽产出品质的稳定性，使得荒煤气热量得到充分利用，显著提高换热效率。
[0045]
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0046]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或
多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0047]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0048]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种焦炉荒煤气的换热系统，其特征在于，包括：上升管，所述上升管为圆柱形管，所述上升管包括第一流道和第二流道，所述第二流道为以所述上升管的中心为圆心以第一距离为半径的圆所在的流道，所述第一流道为所述上升管去除第二流道后的圆环所在的流道，所述第一距离小于上升管的半径，所述第一流道的内部为垂直通道，所述第二流道的内部为弯曲通道，所述第一流道和第二流道由挡板隔开，荒煤气从所述上升管的入口进入出口流出；螺旋盘管，所述螺旋盘管盘旋在所述上升管的外壁，所述螺旋盘管内流动有换热介质；温度传感器，所述温度传感器包括两个，分别设置在所述上升管的入口、出口外侧，用于检测所述上升管的入口温度和出口温度；流量传感器，所述流量传感器设置在所述上升管的入口处，用于检测所述上升管入口处的荒煤气流量；组合阀，所述组合阀设置在所述上升管的入口，所述组合阀用于控制所述第一流道和第二流道的开度；控制器，所述控制器用于获取所述入口温度、出口温度、荒煤气流量，根据所述上升管的入口温度、出口温度和荒煤气流量对所述组合阀的开度进行控制，以调节所述第一流道和第二流道的开度。2.根据权利要求1所述的焦炉荒煤气的换热系统，其特征在于，所述在第二流道的内部筒壁交错焊接多组铁片。3.根据权利要求1所述的焦炉荒煤气的换热系统，其特征在于，所述控制器具体用于：根据所述上升管的荒煤气流量、进口处荒煤气焓值和出口处荒煤气焓值获取控制参数g0；获取控制参数g0与指标参数g的偏差值δg；如果所述入口温度大于设定温度值，且所述荒煤气流量小于等于设定流量，且所述偏差值δg小于第一阈值，则通过控制所述组合阀将所述第一流道的开度逐步增大至1，将所述第二流道的开度逐步关闭至0；如果所述入口温度小于等于所述设定温度值，所述荒煤气流量大于所述设定流量，且所述偏差值δg大于所述第一阈值且小于第二阈值，则通过控制所述组合阀将所述第一流道的开度逐步调节至[0，0.25)范围内，将所述第二流道的开度逐步调节至[0.75，1)范围内，所述第二阈值大于所述第一阈值；如果所述入口温度大于设定温度值，所述荒煤气流量大于所述设定流量，且所述偏差值δg大于所述第二阈值且小于第三阈值，则通过控制所述组合阀将所述第一流道的开度逐步调节至[0.75，1)范围内，将所述第二流道的开度逐步调节至[0，0.25)范围内，所述第三阈值大于所述第二阈值；如果所述入口温度小于等于所述设定温度，且所述荒煤气流量小于等于所述设定流量，且所述偏差值δg大于所述第三阈值，则通过控制所述组合阀将所述第一流道的开度逐步关闭至0，将所述第二流道的开度逐步增大至1。4.根据权利要求3所述的焦炉荒煤气的换热系统，其特征在于，所述控制器具体根据以下公式获取所述偏差值δg：
其中，g0为所述控制参数，g为重力加速度，q为荒煤气流量，d为上升管内径，λ为沿程阻力系数，l为上升管管长，a、b、c分别为与第一至第三参数，h
out
、h
in
分别为上升管进口、出口处荒煤气焓值，δg为所述偏差值。5.根据权利要求1所述的焦炉荒煤气的换热系统，其特征在于，还包括：水泵，所述水泵用于控制所述螺旋盘管内的换热介质流速；所述控制器还用于：基于人工神经网络根据周期内采集的上升管的入口温度和荒煤气流量进，预测下一周期上升管入口的荒煤气流量，根据预测的下一周期上升管入口的荒煤气流量对所述水泵进行控制，以调节所述螺旋盘管内的换热介质流速。6.根据权利要求1所述的焦炉荒煤气的换热系统，其特征在于，所述换热介质为经除盐、除氧处理后的采暖水。7.一种焦炉，其特征在于，包括根据权利要求1-6中任一项所述的焦炉荒煤气的换热系统。

技术总结
本发明提供一种焦炉荒煤气的换热系统和焦炉，所述焦炉荒煤气的换热系统包括：上升管，包括第一流道和第二流道，第一流道的内部为垂直通道，第二流道的内部为弯曲通道；螺旋盘管，盘旋在上升管的外壁，螺旋管内流动有换热介质；组合阀，用于控制第一流道和第二流道的开度；控制器，控制器用于根据上升管的入口温度、荒煤气流量、进口处荒煤气焓值和出口处荒煤气焓值对组合阀的开度进行控制，以调节第一流道和第二流道的开度。本发明通过改变荒煤气流道改变荒煤气在上升管管段的停留时间，以此来适应荒煤气周期性变化，并且结合荒煤气的实时参数对流道的开度进行控制，实现蒸汽产出品质的稳定性，使得荒煤气热量得到充分利用，显著提高换热效率。高换热效率。高换热效率。


技术研发人员：孟晓东 周宁玲 丁毅 王晓佳 汪琴 周有恒
受保护的技术使用者：江苏龙冶节能科技有限公司
技术研发日：2023.08.09
技术公布日：2023/10/5