一种焦炉上升管换热器内置扰流器的制作方法

1.本实用新型涉及烟气余热回收设备技术领域，具体为一种焦炉上升管换热器内置扰流器。

背景技术：

2.炼焦工业是耗能大户，从焦化炉能量支出来看，焦炭显热占比37-40％，焦炉加热废气带走热量为17-20％，炉体表面热损失占焦炉支出热的10％，荒煤气显热占比36-40％。荒煤气作为炼焦主要副产物，成分复杂，温度为 750℃-800℃，传统工艺采用70-80℃循环水喷淋急冷，使荒煤气瞬间降温至80-90℃，高温热量浪费严重。因此在高温段对荒煤气余热进行回收利用，意义重大。
3.工业上通常采用上升管换热器回收荒煤气显热，上升管换热器安装在焦化炉顶部荒煤气出口处，替换原焦炉上升管(焦炉上升管无换热功能，仅仅作为连接烟道使用)同时回收荒煤气显热，产生低压蒸汽，用于发电或作为低温热源给其他工序供热。焦炉荒煤气余热回收过程中，荒煤气温度在550～800℃之间，荒煤气中含80～120g/nm3焦油汽，荒煤气接触到温度较低的换热界面时，荒煤气中的气态焦油会凝出在换热界面，焦油发生热解和热缩合反应重新汽化，生成石墨、结焦附着在换热器壁面。
4.为此上升管换热器多采用光滑内壁做为与荒煤气的换热壁面,减少焦油在壁面附着从而减少结焦，上升管换热器荒煤气走管内向上流动，管内壁直径一般大于500mm，换热器工作在热入口段区间，荒煤气中间部位处于无粘流区，荒煤气在换热器内基本无扰动，使得荒煤气与壁面对流换热系数低，造成换热器体积较大，上升管换热器高度达到5-7米，换热器造价高；同时上升管换热器远远高于原焦炉上升管(2.5-3.5米)，替换原上升管安装时，必须改变原烟道结构，安装困难，安装成本高。
5.即便在上升管换热器内壁设置翅片强化换热，在管道内壁直径较大的情况下，仅设置内壁翅片无法影响到在上升管换热器中心流动的荒煤气无粘流区，强化作用有限，一般换热系数最大只能提高约15％。

技术实现要素：

6.针对上述技术问题，本实用新型提供了一种焦炉上升管换热器内置扰流器。
7.本实用新型提供的技术方案为：
8.一种焦炉上升管换热器内置扰流器，包括上升管换热器，所述上升管换热器和烟气通道连接，所述烟气通道内部的烟气流经上升管换热器的内部流道实现换热，所述上升管换热器的内部流道的中心部位为无粘流区，所述无粘流区设置有扰流器。
9.优选的，所述扰流器设置成呈一定锥度的挡片结构，所述挡片结构在水平面的投影面积大于1/3上升管换热器的内部流道的横截面面积，用以将上升管换热器的内部流道的中心部位的烟气导流到上升管换热器内壁面处；所述扰流器固定在连接杆上，所述连接杆固定在挂杆上，所述挂杆固定在换热器上升管换热器内壁的卡槽内。
10.优选的，所述连接杆至少有两根，所述扰流器包括锥形扰流部件和锥环扰流部件，若干个所述的锥形扰流部件和锥环扰流部件交替设置在两根连接杆上，所述连接杆布置于锥形扰流部件外侧和锥环扰流部件内侧。
11.优选的，所述锥形扰流部件和锥环扰流部件在水平面的投影面积大于 1/3上升管换热器的内部流道的横截面面积，所述锥环扰流部件的外环直径大于1/3上升管换热器内壁直径。
12.优选的，所述锥形扰流部件和锥环扰流部件与水平面夹角为15
°ꢀ‑
85
°
。
13.优选的，所述扰流器包括类风扇叶片结构，所述类风扇叶片结构包括叶轮和叶片，所述叶轮固定在连接杆上，所述叶轮上设置有若干个叶片，所述叶片与水平面夹角为15
°‑
85
°
；所述类风扇叶片结构在连接杆上设置有若干组并沿上升管换热器竖直方向多层布置。
14.优选的，相邻两组的类风扇叶片机构的叶片偏转一定角度错开设置。
15.优选的，所述类风扇叶片结构在水平面的投影面积大于1/3上升管换热器的内部流道的横截面面积。
16.本实用新型具有如下优点和有益效果：
17.一、本实用新型中，扰流器布置在上升管换热器的内部流道的中心部位，此位置区域为无粘流区，即此位置的烟气和内壁上的烟气不发生扰动或者扰动的程度很小。本实用新型在此位置设置了扰流器，能够将中心部位的烟气导流到上升管换热器壁面处，冲刷壁面，烟气产生巨大的扰动，特别是对于上升管换热器内壁直径较大的情况，中心部位的无粘流区占据较大的空间，仅在内壁设置翅片无法影响到在上升管换热器中心部位流动的烟气，扰动作用有限。本实用新型中扰流器的位置布置，能够提升烟气与上升管换热器内壁面的对流换热系数，提升换热效率，从而减小换热器的体积，降低上升管换热器的高度，降低安装难度和安装成本。
18.二、本实用新型中，扰流器吊挂在换热器上升管换热器内壁上部的卡槽中，扰流器可拆下清理扰流器结焦或更换扰流器；可拆卸的扰流器，当上升管换热器内壁结焦需情理时，拆下扰流器后再清理换热器内壁结焦，不影响设备正常生产。
19.三、本实用新型中，将扰流器设置成锥环或者类风扇叶片扰流结构。采用锥环扰流结构时，锥形扰流部件及锥环扰流部件交替布置，使得扰流器在水平面的投影面积大于1/3上升管换热器的内部流道的横截面面积，锥环外直径大于1/3换热器内壁直径；采用类风扇叶片的扰流结构时，叶片轮沿换热器竖直方向多层布置，每一层偏转一定角度，使得扰流器在水平面的投影面积大于1/3上升管换热器的内部流道的横截面面积。这样的设计使得扰流器能充分扰动无粘流区的烟气，既保证了扰动效果，大大提升了换热系数、换热效率，同时还能保证烟气的流通面积，保证烟气流过换热器时压力降低较小，不影响焦化炉正常的生产。
附图说明
20.图1为本实用新型提供的内置式扰流器布置在上升管换热器内部的俯视图；
21.图2为图1中沿a-a方向上的剖视图；
22.图3为本实用新型提供的锥环、锥形扰流器的三维结构图；
23.图4为本实用新型提供的类风扇叶片扰流器的三维结构图；
24.图5为图3的俯视图；
25.图6为图4的俯视图；
26.图标：1-上升管，11-内部流道，12-卡槽，2-挂杆，21-连接杆，3-锥形扰流部件，4-锥环扰流部件，5-叶轮，51-叶片。
具体实施方式
27.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
28.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
29.实施例1
30.如图1、图2、图3和图5所示，一种焦炉上升管换热器内置扰流器，包括上升管换热器1，上升管换热器1和烟气通道连接，烟气通道内部的烟气流经上升管换热器1的内部流道11实现换热，上升管换热器1的内部流道11的中心部位为无粘流区，无粘流区设置有扰流器。无粘流区的定义就是：烟气等流体不发生扰动或者扰动很小的区域，在上升管换热器1的内部流道11中，处于中心部位的流体不能向上升管换热器1内壁面流动、扰动，这个中心部位就是无粘流区。
31.本实用新型的上升管换热器1，是可以用在各种烟气、蒸汽等换热场合，比如：焦化炉的烟气换热、炼铁炉的煤气换热等等场合。如果是用于焦化炉的烟气换热场合，则将上升管换热器1安装在焦化炉顶部的荒煤气出口处，替换原焦炉上升管(焦炉上升管无换热功能，仅仅作为连接烟道使用) 同时回收荒煤气余热，产生低压蒸汽，用于发电或作为低温热源给其他工序供热。如此可见，本实用新型中，只需要将上升管热换器1和相应的流体通道对接即可实现换热操作，上升管换热器1可以充当烟囱管道，将相应的烟气等流体换热后可直接排放到高空中。
32.进一步的，本实用新型的扰流器设置成呈一定锥度的挡片结构，挡片结构在水平面的投影面积大于1/3上升管换热器1的内部流道11的横截面面积，用以将上升管换热器1的内部流道11的中心部位的烟气导流到上升管换热器内壁面处。扰流器固定在连接杆21上，连接杆固定在挂杆2上，挂杆2固定在换热器上升管换热器1内壁的卡槽12内，使得扰流器可以从上升管换热器1的上部装入或取出，方便拆装。当然，本实用新型的扰流器也可以焊接固定在换热器上升管1的内壁上。
33.作为本实用新型的一种优选方式，连接杆21至少设置有两根，扰流器包括锥形扰流部件3和锥环扰流部件4，若干个锥形扰流部件3和锥环扰流部件4交替设置在两根连接杆21上，两根连接杆21布置于锥形扰流部件3 外侧和锥环扰流部件4内侧。
34.进一步的，锥形扰流部件3和锥环扰流部件4在水平面的投影面积大于1/3上升管换热器1的内部流道11的横截面面积，锥环扰流部件4的外环直径大于1/3上升管1内壁直径，使得扰流器能充分扰动上升管换热器1 内部的无粘流区，将无粘流区的烟气扰动到上
升管换热器1内壁面上。锥形扰流部件3和锥环扰流部件4交替布置既保证扰动效果，还能保证烟气流通面积，保证烟气流过换热器时压力降低较小，不影响焦化炉等设备的正常生产。
35.进一步的，锥形扰流部件3和锥环扰流部件4与水平面夹角为15
°ꢀ‑
85
°
，设置成这样的角度有较好的扰流效果。
36.实施例2
37.如图4和图6所示，作为本实用新型的另一种优选方式，扰流器包括类风扇叶片结构，类风扇叶片结构包括叶轮5和叶片51，叶轮5固定在连接杆21上，叶轮5上设置有若干个叶片51，叶片51与水平面夹角为15
°ꢀ‑
85
°
；类风扇叶片结构在连接杆21上设置有若干组并沿上升管1竖直方向多层布置。
38.如图4所示，进一步的，相邻两组的类风扇叶片机构的叶片51偏转一定角度错开设置，即上一层的叶片51和下一层的叶片51错开设置，在保证烟气可以有效的扰动的前提下，能够让烟气有流动的空间，保证烟气的流通面积。
39.进一步的，若干组类风扇叶片结构在水平面的投影面积大于1/3上升管换热器1的内部流道11的横截面面积。
40.采用类风扇叶片的扰流结构时，叶片51轮沿换热器竖直方向多层布置，每一层叶片51均匀布置，且偏转一定角度，使得扰流器在水平面的投影面积大于1/3内筒横截面面积，能大面积扰动烟气，同时保证烟气的流通面积。连接杆21上连接有若干层叶轮5，叶轮5与连接杆21可以是焊接或是活动连接；叶片51与叶轮5可以是焊接或是活动连接。
41.工作原理：
42.将上升管换热器1安装在焦化炉顶部的荒煤气出口处,荒煤气从上升管换热器1的底部进入，从顶部排出，上升管换热器1的内壁直径一般大于 500mm。介质在上升管换热器1的内部流道11中流动换热，存在一段入口区域，入口区域长度xfd与上升管换热器1的内壁直径d存在关系：xfd≥ 10d。荒煤气上升管换热器1长度通常在5-7米，大部分甚至全部工作在入口区域长度xfd(10*500＝5000mm)段，在入口区域长度xfd段内，沿着入口方向，荒煤气与上升管换热器1壁面对流换热系数h逐渐降低，在荒煤气中心部位存在一个逐渐减小的无粘流区。此区域内介质基本无扰动，使得荒煤气与上升管换热器1壁面对流换热系数h低，换热效率低下，导致换热器体积大、高度高。
43.本实用新型中，上升管换热器1的内部流道11的中心部位为无粘流区，无粘流区设置有扰流器。扰流器布置于荒煤气的中心部位，将中心部位荒煤气导流到上升管换热器1内壁面处，冲刷壁面，荒煤气产生巨大的扰动。在入口区域长度xfd段内，荒煤气中心无粘流区占整个区域体积的60％以上，这部分区域增加扰流后，换热系数大幅提高。通过同等大小换热器的小试实验测得换热系数相比光滑内壁换热提高30-40％，相对应的换热器体积减小30-40％。
44.通过计算机仿真换热器上升管换热器1的内部流道11的流场分布，其中：换热器高度2500mm，内壁直径510mm，荒煤气流量700nm3/h。不设置扰流器的内壁光滑的上升管换热器1，其内部流道11的中心区域存在大面积的无粘流区，无粘流区由于没有扰流，这部分区域的流体温度较高，导致需要更高的上升管换热器1才能完成换热，降低荒煤气的排放温度，以标准的温度排放到室外；而上升管换热器1内壁边界层的流体则因为换热的原因，这部分流体温度较低，从而导致上升管换热器1内壁容易低温结焦，又进一步降低了换热效
率。当换热器高度超过xfd≥10d，即5100mm时，无粘流区才消失。
45.在增加了扰流器后，原先处于无粘流区的流体被充分扰流，上升管换热器1的内部流道11内的流体呈强烈湍流状态，扰流效果明显，大大提高了换热系数，提升了换热效率，使得换热器能够以更低的高度实现换热效果，降低了换热器的制造、安装和维护成本。
46.以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：

1.一种焦炉上升管换热器内置扰流器，包括上升管换热器(1)，所述上升管换热器(1)和烟气通道连接，所述上升管换热器(1)能够对流经上升管换热器(1)的内部流道(11)内的烟气实现换热，所述上升管换热器(1)的内部流道(11)的中心部位为无粘流区，所述无粘流区设置有扰流器，其特征在于:所述扰流器设置成呈一定锥度的挡片结构，所述挡片结构在水平面的投影面积大于1/3上升管换热器(1)的内部流道(11)的横截面面积，用以将上升管换热器(1)的内部流道(11)的中心部位的烟气导流到上升管换热器(1)内壁面处；所述扰流器固定在连接杆(21)上，所述连接杆(21)固定在挂杆(2)上，所述挂杆(2)固定在换热器上升管换热器(1)内壁的卡槽(12)内。2.根据权利要求1所述的焦炉上升管换热器内置扰流器，其特征在于：所述连接杆(21)至少有两根，所述扰流器包括锥形扰流部件(3)和锥环扰流部件(4)，若干个所述的锥形扰流部件(3)和锥环扰流部件(4)交替设置在两根连接杆(21)上，所述连接杆(21)布置于锥形扰流部件(3)外侧和锥环扰流部件(4)内侧。3.根据权利要求2所述的焦炉上升管换热器内置扰流器，其特征在于：所述锥形扰流部件(3)和锥环扰流部件(4)在水平面的投影面积大于1/3上升管换热器(1)的内部流道(11)的横截面面积，所述锥环扰流部件(4)的外环直径大于1/3上升管换热器(1)内壁直径。4.根据权利要求2所述的焦炉上升管换热器内置扰流器，其特征在于：所述锥形扰流部件(3)和锥环扰流部件(4)与水平面夹角为15
°‑
85
°
。5.根据权利要求1所述的焦炉上升管换热器内置扰流器，其特征在于：所述扰流器包括类风扇叶片结构，所述类风扇叶片结构包括叶轮(5)和叶片(51)，所述叶轮(5)固定在连接杆(21)上，所述叶轮(5)上设置有若干个叶片(51)，所述叶片(51)与水平面夹角为15
°‑
85
°
；所述类风扇叶片结构在连接杆(21)上设置有若干组并沿上升管换热器(1)竖直方向多层布置。6.根据权利要求5所述的焦炉上升管换热器内置扰流器，其特征在于：相邻两组的类风扇叶片机构的叶片(51)偏转固定角度错开设置。7.根据权利要求5所述的焦炉上升管换热器内置扰流器，其特征在于：所述类风扇叶片结构在水平面的投影面积大于1/3上升管换热器(1)的内部流道(11)的横截面面积。

技术总结

本实用新型涉及烟气余热回收设备技术领域，具体为一种焦炉上升管换热器内置扰流器，包括上升管换热器，所述上升管换热器和烟气通道连接，所述上升管换热器的内部流道的中心部位为无粘流区，所述无粘流区设置有扰流器，所述扰流器设置成呈固定角度的倒锥形的挡片结构，所述挡片结构在水平面的投影面积大于1/3上升管换热器的内部流道的横截面面积。本实用新型中扰流器的位置布置，能够将中心部位的烟气导流到上升管换热器壁面处，冲刷壁面，烟气产生巨大的扰动,能够提升烟气与上升管换热器内壁面的对流换热系数，减小换热器的体积，降低上升管换热器的高度，降低安装难度和安装成本。本。本。