干熄炉结构及红焦显热发电系统的制作方法

本发明属于焦化行业的红焦显热利用装置领域，特别是涉及一种干熄炉结构及红焦显热发电系统。

背景技术：

煤炭焦化过程中会产生大量的余热资源，高效回收利用该资源是绿色焦化厂节能的主要方向和潜力所在。通常，焦化行业余热主要集中在红焦、荒煤气、烟道废气、炉体表面热损失几个方面，其中，红焦显热在所有焦炉输出热中所占比例最大，达37％。目前，焦化厂常用的熄焦方法有湿熄法与干熄法两种，前者红焦直接被水冷却，工艺简单，投资少，但红焦显热完全由水蒸气散失浪费；干熄法是利用惰性气体回收红焦的绝大部分显热，利用锅炉产生有用蒸汽，且极大减少有害物质的排放，提高焦炭质量，因此在在经济性及社会性方面有着湿熄法不可比拟的一面。鉴于我国焦化行业存在的排污大、损耗高的现状，干法熄焦已经在越来越多的企业中采用。

干法熄焦的结构及工艺流程图如图1所示。主要工艺流程如下：在干熄炉中，红焦(1100℃左右)与惰性气体(通常为氮气)进行换热，换热后红焦温度降至200℃以下，而惰性气体换热后，可获得900℃～980℃高温，其再将热量传递给配套的余热锅炉，生产压力3.82MPa，温度450℃的蒸汽，首先用于汽轮机发电，然后再用于溴化锂制冷机组，制取低温冷水供其他冷却之用。该工艺流程主要系统设备包括：红焦装入系统、冷焦排除系统、干息炉及供气装置、气体循环系统、锅炉系统、水处理系统、汽轮机发电系统、溴化锂制冷机组等。

尽管目前干法熄焦工艺可以很好的利用红焦显热，但其缺点亦十分明显：

1、工艺复杂，设备投资大。干熄焦装置均较庞大，一次性投资较大，约为焦炉投资的35％～40％。另外，由于工艺复杂其操作及管理费用较高。

2、干熄法回收的热量转化为蒸汽和电力，而小型蒸汽轮机的发电效率并不高，因此，在我国当前能源价格相对较低的情况下，其直接经济效益并不十分理想。

3、在废气产生及治理方面，干熄法工艺废气产生点较多，需配套建设完整的集尘和地方除尘站除尘系统，其管理和操作亦非常复杂。

鉴于以上现有干法熄焦工艺的缺点，有必要有针对性地发明一种新的简单可靠的工艺流程方法来提高红焦的热-电转换效率。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种干熄炉结构及红焦显热发电系统，用于解决现有技术中红焦显热发电效率由于采用汽轮机朗肯循环，在功率较小时(通常红焦热量约20MW)，热功转换效率低，且因氮气与红焦直接接触，造成氮化物排放增多，对大气污染严重的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种干熄炉结构，所述干熄炉结构包括：干熄炉腔体；陶瓷换热管结构，设置于所述干熄炉腔体内，包括多个陶瓷管，所述多个陶瓷管设置有统一的集中进气口及集中出气口，各陶瓷管之间具有红焦容置空间。

作为本发明的干熄炉结构的一种优选方案，所述陶瓷换热管结构内为流动的氦气与氮气的混合惰性气体。

作为本发明的干熄炉结构的一种优选方案，各陶瓷管之间设置有筋板，以增加所述陶瓷换热管结构的强度。

作为本发明的干熄炉结构的一种优选方案，陶瓷换热管包括：第一集中管及第二集中管，所述第一集中管上设置有进气口，所述第二集中管上设置有出气口；多个陶瓷管，连接于所述第一集中管及第二集中管之间。

优选地，陶瓷换热管包括：环状的第一集中管及第二集中管，所述第一集中管上设置有进气口，所述第二集中管上设置有出气口；若干个第一连接管，所述第一连接管的两端连接于所述第一集中管上；若干个第二连接管，所述第二连接管的两端连接于所述第二集中管上；多个陶瓷管，连接于所述第一连接管及第二连接管之间。

进一步地，所述第一连接管为两个垂直交叉设置且均经过所述第一集中管的圆心的管路，所述第二连接管为两个垂直交叉设置且均经过所述第二集中管的圆心的管路，所述多个陶瓷管均匀分布连接于所述第一连接管及第二连接管之间。

优选地，所述陶瓷换热管结构包括：梳状的第一集中管及第二集中管，所述第一集中管包括进气管及设置于所述进气管上的多个第一梳齿管，所述第二集中管包括出气管及设置于所述出气管上的多个第二梳齿管；多个陶瓷管，连接于所述第一梳齿管及第二梳齿管之间。

本发明还提供一种红焦显热发电系统，包括：上述任意一项方案所述的干熄炉结构、透平、压气机、发电机、余热锅炉及汽轮机，其中，所述干熄炉结构与所述透平连接，所述透平与所述压气机及余热锅炉的进气口连接，所述压气机与所述发电机连接，所述余热锅炉与所述汽轮机连接；其中，所述干熄炉结构内的惰性气体与红焦进行换热后升温成为高温高压的气体，推动透平进行膨胀做功，通过所述压气机及发电机进行发电，经过膨胀做功后，所述惰性气体经过余热锅炉，生成蒸汽，推动汽轮机进行发电。

作为本发明的红焦显热发电系统的一种优选方案，所述余热锅炉的出气口与所述压气机连接，所述压气机还连接于所述干熄炉结构的集中进气口，其中，惰性气体余热锅炉的出气口出来后到达压气机进行气体压缩，然后将压缩气体输送至所述干熄炉结构的集中进气口，实现惰性气体的循环利用。

优选地，所述余热锅炉的出气口与所述压气机之间还设置有第一冷却器，以使待压缩的惰性气体达到所述压气机进口的设计温度，所述第一冷却器吸收的热量传递至所述余热锅炉，以进一步为所述余热锅炉提供热量。

优选地，所述压气机与所述干熄炉结构的集中进气口之间还设置有第二冷却器，所述第二冷却器吸收的热量传递至所述余热锅炉，以进一步为所述余热锅炉提供热量。

作为本发明的红焦显热发电系统的一种优选方案，所述汽轮机还依次连接有冷凝器及给水泵，所述给水泵与所述余热锅炉连接，所述通过所述汽轮机的水蒸气传送至冷凝器冷却后，通过所述给水泵回收至所述余热锅炉中循环利用。

如上所述，本发明的干熄炉结构及红焦显热发电系统，具有以下有益效果：

1)循环效率高。红焦可利用温度高达1200℃，因此其潜在的热功转换效率是十分可观的，但现阶段由于采用的是汽轮机发电，无法充分利用红焦的高温，造成实际热功转换效率低(直接受限于汽轮机的效率，约30％)。而本发明采用混合惰性气体闭式布雷顿循环后，能充分利用红焦温度，提高其显热的利用效率，采用本发明的系统，热功效率可达45％。

2)系统排放少，污染小。现有干熄炉系统采用氮气直接与红焦接触，易产生一氧化碳、氮化物等气体，除有爆燃危险外，排放到大气中也是一种污染。本发明由于混合惰性气体不与红焦直接接触，干净环保，且不存在爆炸的危险。

3)对锅炉损耗小，经济性好。现有的红焦显热发电系统中锅炉由于受焦粉影响，锅炉管材磨损大，部件寿命短。采用本发明的干熄炉结构及红焦显热发电系统后，可有效降低管材磨损，延长干熄炉的寿命。

4)安全性提高。现有的红焦显热发电系统中，由于氮气中混入碳，若锅炉有水汽渗漏，则容易产生氢气及一氧化碳等易燃气体，严重时会发生爆炸。采用本发明方法后，惰性气体不会混入碳等物质，大大提高了系统的安全性。

附图说明

图1显示为现有技术中的干法熄焦的结构及工艺流程图。

图2显示为本发明的红焦显热发电系统架构及参数示意图。

图3显示为本发明的红焦显热发电系统的余热锅炉水蒸气的循环结构示意图。

图4显示为本发明实施例1的干熄炉结构中的陶瓷换热管结构的示意图。

图5显示为本发明实施例2的干熄炉结构中的陶瓷换热管结构的示意图。

元件标号说明

101 干熄炉结构

102 透平

103 压气机

104 发电机

105 余热锅炉

106 汽轮机

107 第一冷却器

108 第二冷却器

109 冷凝器

110 给水泵

201 第一集中管

202 进气口

203 第一连接管

204 第二集中管

205 出气口

206 第二连接管

207 陶瓷管

208 筋板

301 进气管

302 第一梳齿管

303 出气管

304 第二梳齿管

305 陶瓷管

306 筋板

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

如图4所示，本实施例提供一种干熄炉结构101，所述干熄炉结构101包括：干熄炉腔体；陶瓷换热管结构，设置于所述干熄炉腔体内，包括多个陶瓷管，所述多个陶瓷管设置有统一的集中进气口及集中出气口，各陶瓷管之间具有红焦容置空间。

作为示例，所述陶瓷换热管结构内为流动的氦气与氮气的混合惰性气体。本发明采用氮气和氦气的混合气体，由于氦气比热大(5.2kJ/(kgK))，导热系数高(0.3W/(mk))，因此，即使混合气体在管内流动仍然可以有效地通过陶瓷管壁与高温红焦进行热量交换，温度得到提高，可达约900℃。由于不与红焦直接接触，管内的混合惰性气体是十分纯净的，不含固体颗粒及其他杂质，干净环保，且不存在爆炸的危险。当然，依据设计的其它的类型的混合气体也同样适用，并不限于此处所列举的示例。

作为示例，各陶瓷管之间设置有筋板208，以增加所述陶瓷换热管结构的强度。

作为示例，陶瓷换热管包括：第一集中管及第二集中管，所述第一集中管上设置有进气口，所述第二集中管上设置有出气口；多个陶瓷管，连接于所述第一集中管及第二集中管之间。如图4所示，在本实施例中，所述陶瓷换热管包括：环状的第一集中管及第二集中管，所述第一集中管201上设置有进气口202，所述第二集中管204上设置有出气口205；若干个第一连接管203，所述第一连接管203的两端连接于所述第一集中管201上；若干个第二连接管206，所述第二连接管206的两端连接于所述第二集中管204上；多个陶瓷管207，连接于所述第一连接管203及第二连接管206之间。具体地，所述第一连接管203为两个垂直交叉设置且均经过所述第一集中管201的圆心的管路，所述第二连接管206为两个垂直交叉设置且均经过所述第二集中管204的圆心的管路，所述多个陶瓷管207均匀分布连接于所述第一连接管203及第二连接管206之间。本实施例采用一种新颖的陶瓷换热管结构，可以大大增加各陶瓷管的受热面积，提高热效率。

现有干熄炉系统采用氮气直接与红焦接触，易产生一氧化碳、氮化物等气体，除有爆燃危险外，排放到大气中也是一种污染。本发明由于混合惰性气体不与红焦直接接触，干净环保，且不存在爆炸的危险。现有的红焦显热发电系统中锅炉由于受焦粉影响，锅炉管材磨损大，部件寿命短。采用本发明的干熄炉结构101及红焦显热发电系统后，可有效降低管材磨损，延长干熄炉的寿命。另外，现有的红焦显热发电系统中，由于氮气中混入碳，若锅炉有水汽渗漏，则容易产生氢气及一氧化碳等易燃气体，严重时会发生爆炸。采用本发明方法后，惰性气体不会混入碳等物质，大大提高了系统的安全性。

实施例2

如图5所示，本实施例提供一种干熄炉结构101，所述干熄炉结构101包括：干熄炉腔体；陶瓷换热管结构，设置于所述干熄炉腔体内，包括多个陶瓷管，所述多个陶瓷管设置有统一的集中进气口及集中出气口，各陶瓷管之间具有红焦容置空间。

作为示例，所述陶瓷换热管结构内为流动的氦气与氮气的混合惰性气体。本发明采用氮气和氦气的混合气体，由于氦气比热大(5.2kJ/(kgK))，导热系数高(0.3W/(mk))，因此，即使混合气体在管内流动仍然可以有效地通过陶瓷管壁与高温红焦进行热量交换，温度得到提高，可达约900℃。由于不与红焦直接接触，管内的混合惰性气体是十分纯净的，不含固体颗粒及其他杂质，干净环保，且不存在爆炸的危险。

作为示例，各陶瓷管之间设置有筋板306，以增加所述陶瓷换热管结构的强度。

作为示例，陶瓷换热管包括：第一集中管及第二集中管，所述第一集中管上设置有进气口，所述第二集中管上设置有出气口；多个陶瓷管，连接于所述第一集中管及第二集中管之间。如图5所示，在本实施例中，所述陶瓷换热管结构包括：梳状的第一集中管及第二集中管，所述第一集中管包括进气管301及设置于所述进气管上的多个第一梳齿管302，所述第二集中管包括出气管303及设置于所述出气管303上的多个第二梳齿管304；多个陶瓷管305，连接于所述第一梳齿管302及第二梳齿管304之间。同样的，本实施例的陶瓷换热管结构新颖，可以大大增加各陶瓷管的受热面积，提高热效率。

实施例3

如图2～图3所示，本实施例提供一种红焦显热发电系统，包括：如实施例1或实施例2所述的干熄炉结构101、透平102、压气机103、发电机104、余热锅炉105及汽轮机106，其中，所述干熄炉结构101与所述透平102连接，所述透平102与所述压气机103及余热锅炉105的进气口连接，所述压气机103与所述发电机104连接，所述余热锅炉105与所述汽轮机106连接；其中，所述干熄炉结构101内的惰性气体与红焦进行换热后升温成为高温高压的气体，推动透平102进行膨胀做功，通过所述压气机103及发电机104进行发电，经过膨胀做功后，所述惰性气体经过余热锅炉105，生成蒸汽，推动汽轮机106进行发电。

作为示例，所述余热锅炉105的出气口与所述压气机103连接，所述压气机103还连接于所述干熄炉结构101的集中进气口，其中，惰性气体余热锅炉105的出气口出来后到达压气机103进行气体压缩，然后将压缩气体输送至所述干熄炉结构101的集中进气口，实现惰性气体的循环利用。

优选地，所述余热锅炉105的出气口与所述压气机103之间还设置有第一冷却器107，以使待压缩的惰性气体达到所述压气机103进口的设计温度，所述第一冷却器107吸收的热量传递至所述余热锅炉105，以进一步为所述余热锅炉105提供热量。

优选地，所述压气机103与所述干熄炉结构101的集中进气口之间还设置有第二冷却器108，所述第二冷却器108吸收的热量传递至所述余热锅炉105，以进一步为所述余热锅炉105提供热量。

如图3所示，作为示例，所述汽轮机106还依次连接有冷凝器109及给水泵110，所述给水泵110与所述余热锅炉105连接，所述通过所述汽轮机106的水蒸气传送至冷凝器109冷却后，通过所述给水泵110回收至所述余热锅炉105中循环利用。

本实施例的红焦显热发电系统的工作流程如下：

首先，整个系统中冲入一定配比的混合惰性气体，如氮气及氦气的混合，冲入压力根据红焦热容量进行计算而得。

其次，启动压气机103，向所述干熄炉结构101中充入混合惰性气体，驱动系统管道中的气体进行流动并获得一定的压头。同时，红焦亦开始进料。在冷却段，混合惰性气体与红焦进行换热后升温，成为高温高压的气体，如740kPa，900℃的混合惰性气体，可推动透平102进行膨胀做功，进行发电。

经过膨胀后，混合惰性气体(如107kPa，500℃的混合惰性气体)经过余热锅炉105，生成蒸汽，推动汽轮机106进行发电。

最后，从锅炉出来后的混合惰性气体(如104kPa，200℃的混合惰性气体)进过进一步冷却，达到压气机103进口设计温度(如101kPa，30℃的混合惰性气体)，再进入压气机103进行压缩，获得770kPa，304℃的混合惰性气体，经过进一步冷却后，获得766kPa，180℃的混合惰性气体，然后输送至所述干熄炉结构101中充入混合惰性气体，循环上述过程。

以上循环中，对混合惰性气体的冷却产生的热量进一步输送至余热锅炉105，以进一步提高热能的利用率。

整个循环过程，混合惰性气体经过压缩，吸热，膨胀、冷却四个过程完成红焦热量向电能的转换。

在一个具体的实施过程中，整个红焦显热发电系统的一个循环示例参数及结果如下：

给定条件：红焦热量25MW；透平102前温900℃；压气机103进口温度30℃；汽轮机106主蒸汽压力1Mpa，温度350℃，排气压力6kPa；

设计参数：压气机103效率85％，透平102效率88％，机械效率98％；

计算结果：如图2中的各混合惰性气体参数所示，计算出透平102净出功：5.5MW，汽轮机106出功5.9MW，合计出功11.4MW，系统发电效率11.4/25＝45.6％。

如上所述，本发明的干熄炉结构101及红焦显热发电系统，具有以下有益效果：

1)循环效率高。红焦可利用温度高达1200℃，因此其潜在的热功转换效率是十分可观的，但现阶段由于采用的是汽轮机106发电，无法充分利用红焦的高温，造成实际热功转换效率低(直接受限于汽轮机106的效率，约30％)。而本发明采用混合惰性气体闭式布雷顿循环后，能充分利用红焦温度，提高其显热的利用效率，采用本发明的系统，热功效率可达45％。

2)系统排放少，污染小。现有干熄炉系统采用氮气直接与红焦接触，易产生一氧化碳、氮化物等气体，除有爆燃危险外，排放到大气中也是一种污染。本发明由于混合惰性气体不与红焦直接接触，干净环保，且不存在爆炸的危险。

3)对锅炉损耗小，经济性好。现有的红焦显热发电系统中锅炉由于受焦粉影响，锅炉管材磨损大，部件寿命短。采用本发明的干熄炉结构101及红焦显热发电系统后，可有效降低管材磨损，延长干熄炉的寿命。

4)安全性提高。现有的红焦显热发电系统中，由于氮气中混入碳，若锅炉有水汽渗漏，则容易产生氢气及一氧化碳等易燃气体，严重时会发生爆炸。采用本发明方法后，惰性气体不会混入碳等物质，大大提高了系统的安全性。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。