本發(fā)明涉及荒煤氣廢熱利用鍋爐系統(tǒng)，尤其為一種無應力自緊密封上升管及其制造方法。

背景技術(shù)：

從煉焦爐經(jīng)上升管、橋管進入集氣管內(nèi)，荒煤氣在橋管和集氣管處用氨水噴灑冷卻，使其溫度由650-750℃降至80-85℃，為達到這一溫度要求，每噸干裝爐煤需噴灑5-6噸氨水用于冷卻荒煤氣，也就是說荒煤氣的廢熱不但沒有得到利用，而且還要消耗動力使煤氣冷卻和部分焦油器冷凝下來，荒煤氣由于高溫裂解往往在上升管根部結(jié)成堅硬的石墨，影響荒煤氣順利排出。由于炭化室內(nèi)產(chǎn)生的荒煤氣在不同的結(jié)焦時段煤氣量不一樣，而汽化冷卻裝置的吸熱效率很高，所以汽化冷卻裝置在產(chǎn)氣量少的時段會造成上升管內(nèi)荒煤氣溫度低于400℃，溫度過低會造成煤氣中焦油氣凝結(jié)，回流炭化室或粘附在管內(nèi)壁影響荒煤氣導出，清掃困難。還會導致集氣管、吸氣管等通道中焦油流動阻力增加。所以，焦爐上升管余熱回收的任務(wù)就是回收400-750℃的余熱。

荒煤氣在850℃～500℃的熱能屬于高品質(zhì)熱能，高品質(zhì)能源的低品質(zhì)使用也是浪費，荒煤氣在整個產(chǎn)生過程中有850～350℃左右的交替變化，當荒煤氣溫度高于500℃時要求廢熱利用，當溫度低于500℃時要求停止取熱，否則會造成結(jié)焦影響生產(chǎn)并存在安全隱患?；拿簹庠谏仙苤薪?jīng)過橋管，采用大量70℃～75℃循環(huán)氨水冷卻，氨水再去冷卻，循環(huán)使用，高溫荒煤氣因循環(huán)氨水的大量蒸發(fā)而被冷卻至82℃～85℃，荒煤氣自身廢熱得不到利用白白浪費，還要大量氨水冷卻，還要消耗動力進行氨水循環(huán)。

如果能夠?qū)?50℃～500℃高溫顯熱熱能回收利用，降低工序能耗約10kg/噸焦；按即將采用合作實驗的寶豐能源集團年產(chǎn)130萬噸焦炭產(chǎn)量、可產(chǎn)生0.8MPa飽和蒸汽約17萬噸，折合標煤1.6萬噸，CO2減排近3.98萬噸；SO2減排1190噸，NO2減排590噸；同時，還可以節(jié)省氨水及其循環(huán)所需要的動力，節(jié)能減排效果明顯。所以，國內(nèi)外均在研制上升管荒煤氣廢熱利用裝置及系統(tǒng)。

目前，國內(nèi)外實現(xiàn)工程應用只有夾套式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將上升管廢熱回收利用其生產(chǎn)0.8MPa飽和蒸汽，溫度為175℃，其余還有126個上升管余熱回收專利技術(shù)，或以工程應用失敗而不能實現(xiàn)工程化應用，或束之高閣不具應用價值。

當前現(xiàn)有可行技術(shù)存在的問題：

夾套式結(jié)構(gòu)在交變載荷下的疲勞問題無法解決：

上升管運行過程中上升管內(nèi)溫度在850～350℃之間交變，對于角焊縫結(jié)構(gòu)的夾套式余熱回收裝置，有一個疲勞周期，一旦疲勞產(chǎn)生，焊縫會突然斷裂，夾套內(nèi)水瞬間流出到焦爐上會產(chǎn)生爐體爆炸，造成巨大的經(jīng)濟損失，存在重大安全隱患。

高品質(zhì)能源的低品質(zhì)回收利用

荒煤氣850℃～500℃高溫，屬于中高品質(zhì)熱源，以溫度僅為175℃的0.8MPa飽和蒸汽利用該品位熱源，顯然低品位用了，這樣的應用本身沒有高效使用該廢熱，存在能源的浪費。

聚冷現(xiàn)象導致結(jié)焦，給生產(chǎn)帶來很多麻煩

煤干餾過程中當生產(chǎn)過程為加煤過程時，上升管內(nèi)溫度會達到300～400℃，這一過程上升管還在取熱降溫時，就會使給內(nèi)產(chǎn)生聚冷現(xiàn)象，使產(chǎn)出的荒煤氣聚冷結(jié)焦，后果會使結(jié)焦擴大影響傳熱而使廢熱鍋爐失效，不能產(chǎn)生蒸汽，導致清焦困難，給生產(chǎn)帶來影響，頻繁清焦也會提高勞動強度、荒煤氣泄漏造成環(huán)境污染、造成工人操作環(huán)境更加惡劣、增加操作和職業(yè)病安全隱患，清焦還會造成設(shè)備傷害。

目前，國內(nèi)有上升管余熱利用專利126個，就結(jié)構(gòu)形式而言有管內(nèi)式、套管式和夾套式；就傳熱方式而言均以熱傳導、熱對流和熱輻射相結(jié)合的方式進行。其中代表性結(jié)構(gòu)形式有夾套式盤管式，傳熱方式為上升管的熱傳導，專利有：申請?zhí)?01210457921.1（用于焦爐上升管荒煤氣余熱回收換熱器），該案由內(nèi)、外套管組成，內(nèi)、外套管之間設(shè)有多股螺旋回流通道，內(nèi)、外套管兩端各設(shè)一個匯流集箱。該申請案與其他形式的焦爐上升管荒煤氣余熱回收換熱器相比較，適合焦化工藝荒煤氣工況變化，在一定程度上加強了換熱效果，解決了管壁結(jié)焦的問題，但其不足之處在于：該申請案主要適用于氣體作為冷介質(zhì)的焦爐上升管換熱器，對于使用除鹽水作為冷介質(zhì)時，效果并不理想，且該申請案的熱量易外散，對環(huán)境帶來惡劣影響；專利申請?zhí)?01210370657.8，（焦爐荒煤氣余熱利用方法和設(shè)備），該案由中間筒的內(nèi)外兩側(cè)分別設(shè)有內(nèi)筒和外筒，內(nèi)筒和中間筒之間構(gòu)成內(nèi)夾套，外筒和中間筒之間構(gòu)成外夾套，內(nèi)夾套和外夾套共用一個中間筒體，內(nèi)夾套的軸向高度大于外夾套的軸向高度，內(nèi)夾套完全遮擋外夾套；內(nèi)夾套充滿導熱介質(zhì)氣相或、液相材，外夾套充滿工藝介質(zhì)液體或氣體，高溫荒煤氣直接與內(nèi)夾套換熱，熱量通過內(nèi)夾套的導熱介質(zhì)再換給外夾套里的工藝介質(zhì)，該申請案也在一定程度上解決了上升管易結(jié)焦和堵塞的問題，但該申請案經(jīng)過兩次換熱，熱量損失大，該申請案的熱量也易外散，影響外部環(huán)境。

現(xiàn)在，只有夾套式結(jié)構(gòu)實施了工程化應用，可靠性工程考驗還不足一年，焦爐荒煤氣余熱回收發(fā)電系統(tǒng)及方法（申請?zhí)枺?04061031A）一種焦爐荒煤氣余熱回收利用系統(tǒng)（專利號203530217U），典型特點是夾套式結(jié)構(gòu)。

諸多的專利不能實現(xiàn)工程化應用的結(jié)構(gòu)方面原因是：不能很好的解決上升管運行過程中的溫度交變問題，工程結(jié)構(gòu)在交變載荷下存在疲勞破壞問題：上升管運行過程中上升管內(nèi)溫度在1200～350℃之間交變，對于角焊縫結(jié)構(gòu)的夾套式余熱回收裝置，有一個疲勞周期，一旦疲勞產(chǎn)生，焊縫會突然斷裂，夾套內(nèi)水瞬間流出到焦爐上會產(chǎn)生爐體爆炸，造成巨大的經(jīng)濟損失，存在重大安全隱患；腐蝕問題：上升管內(nèi)荒煤氣存在復雜的腐蝕介質(zhì)，腐蝕介質(zhì)和高溫的耦合會造成金屬材料嚴重腐蝕和燒蝕；上升管管外取熱系統(tǒng)對上升管運行過程的附加載荷，上升管溫度載荷交變，材料的熱脹冷縮過程交變，在此過程中出現(xiàn)附加拉壓應力和彎矩的偶合附加載荷，這種附加在和會造成上升管的破壞失效。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于解決上述問題，提供了一種無應力自緊密封上升管及其制造方法，具體由以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種無應力自緊密封上升管，連接煉焦爐以及橋管，包括外筒體和設(shè)置于外筒體內(nèi)的耐高溫、耐腐蝕的內(nèi)襯管，所述外筒體包括互相對接的第一筒體和第二筒體，所述第一筒體內(nèi)部具有空腔且為金屬筒體，所述空腔內(nèi)置有用于吸收熱量的輻射管組，所述第二筒體為長度可變化的膨脹節(jié)，從而第一筒體的熱形變量可由第二筒體吸收；所述內(nèi)襯管由第一襯管、第二襯管對接而成，兩者的對接縫處對應的端部分別設(shè)置有由插臺和與該插臺對應的插槽組成的密封副，該密封副內(nèi)填充有密封材料，從而所述內(nèi)襯管的熱型變量可由所述密封副吸收；所述對接縫的外側(cè)包裹有擋圈以及耐高溫密封層，從而高溫狀態(tài)下該無應力自緊密封上升管內(nèi)外的密封效果由受熱膨脹而互相咬合狀態(tài)下的密封副以及密封副內(nèi)的密封材料實現(xiàn)，低溫狀態(tài)下該無應力自緊密封上升管內(nèi)外的密封效果由冷縮后的擋圈壓迫耐高溫密封層于所述對接縫實現(xiàn)。

所述的無應力自緊密封上升管，其進一步設(shè)計在于，所述第一筒體由內(nèi)層筒、外層筒以及端部面板組成，所述內(nèi)層筒的外徑小于所述輻射管組，所述外層筒的內(nèi)徑大于所述輻射管組，所述內(nèi)層筒設(shè)置于所述外層筒內(nèi)并且兩者同軸，所述端部面板連接所述內(nèi)層筒外層筒的兩端，從而在第一筒體內(nèi)形成可間隙式設(shè)置輻射管組的空腔。

所述的無應力自緊密封上升管，其進一步設(shè)計在于，所述第二筒體由依次連接的膨脹波紋管、接管和筒體法蘭組成。

所述的無應力自緊密封上升管，其進一步設(shè)計在于，所述膨脹波紋管兩端分別連接有安裝擋板，與第一筒體相對的安裝擋板與所述第一筒體連接，從而所述第一筒體的熱形變量經(jīng)由該安裝擋板傳遞至所述膨脹波紋管。

所述的無應力自緊密封上升管，其進一步設(shè)計在于，所述第一襯管、第二襯管之間的對接縫與所述第二筒體相對應，從而所述擋圈以及耐高溫密封層處于所述膨脹波紋管內(nèi)，相應地，所述膨脹波紋管內(nèi)徑大于所述內(nèi)襯管外徑。

所述的無應力自緊密封上升管，其進一步設(shè)計在于，所述內(nèi)襯管與所述膨脹波紋管之間還設(shè)置有用于對膨脹波紋管形成保護的隔熱層。

所述的無應力自緊密封上升管，其進一步設(shè)計在于，所述第一筒體外部設(shè)置有連通所述空間與外部空間的放空接管。

所述的無應力自緊密封上升管，其進一步設(shè)計在于，所述輻射管組的下端口與外部的水進口集合管連接，輻射管組的上端口與汽水混相出口集合管連接。

所述的無應力自緊密封上升管，其進一步設(shè)計在于，所述內(nèi)襯管采用陶瓷或者陶瓷基復合材料制成，所述外筒體外部包裹有保溫層。

一種如上所述的無應力自緊密封上升管的制造方法，具體包括如下步驟：以ΔL=αΔt·L計算出內(nèi)襯管在Δt溫度變化下的熱膨脹量并以此為基準長度，其中α為內(nèi)襯管的熱膨脹系數(shù)，L為內(nèi)襯管的長度，ΔL為熱膨脹量，Δt為溫度變化量；密封副的插槽深度、插臺長度大于此基準長度；組裝并檢驗外筒體：將所述的第一筒體、第二筒體焊接在一起，用法蘭板密封兩端法蘭，充氣試密，不漏為合格；檢測內(nèi)襯管氣密性：在第一襯管、第二襯管的密封副插槽底部加入密封材料，采用工裝將第一襯管和第二襯管按安裝長度在承插密封槽處插入裝配好，用盲法蘭密封兩端法蘭盤，壓緊填料，在盲法蘭上設(shè)有的氣孔通氣試密，不漏為合格，拆開兩者，在密封副插槽內(nèi)填入密封材料備用； 將與第一筒體對應的并且具有密封副插槽的第一襯管裝入所述外筒體；向第二筒體的膨脹節(jié)內(nèi)填充密封填料、擋圈、隔熱層：自膨脹節(jié)的安裝擋板內(nèi)徑填入上述填料以及擋圈，并使相應填料高出膨脹節(jié)法蘭盤；裝入于第二筒體相對應的第二襯管，并將高出膨脹節(jié)法蘭盤的填料壓平，使得膨脹節(jié)法蘭盤緊貼第二襯管法蘭。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明通過在可以適應任何上升管廢熱回收利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，尤其適用于高品質(zhì)回收廢熱及產(chǎn)生高壓蒸汽；本發(fā)明的外筒體的熱形變量由第二筒體吸收、內(nèi)襯管的熱形變量可由密封副吸收，消除了上升管運行過程中的對管道系統(tǒng)附加應力及上升管受到的反作用力，從而避免了由于上升管與管道系統(tǒng)連接處由于前述作用力導致破損以及泄露的危險；從而使廢熱利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受力優(yōu)化，可以承受高壓，壽命長，安全性有保障；本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、運行成本低，且系統(tǒng)獨立，可單元化制造加工。

附圖說明

圖1本發(fā)明實施例結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為第二筒體以及第二襯管結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3內(nèi)襯管整體結(jié)構(gòu)意圖。

圖4為圖2中Ⅰ處自緊密封結(jié)構(gòu)局部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-內(nèi)襯管，1-1、第一襯管，1-2、密封填料，1-3、第二襯管，1-4、對接縫，2-端部面板，3-輻射管組，4-保溫層，5-放空接管，6-外層筒，7-安裝擋板，8-膨脹波紋管，9-第二筒體法蘭，10-擋圈，11-第二襯管法蘭盤，12-耐高溫密封層，13-固定螺栓，14-密封擋環(huán)，15-內(nèi)層筒，16-接管、171-第一筒體、172-第二筒體、17-外筒體、18-隔熱層、19-下端口、20-上端口。

具體實施方式

以下結(jié)合說明書附圖以及實施例對本發(fā)明進行進一步說明：

如圖1所示，該無應力自緊密封上升管，連接煉焦爐以及橋管，從而該無應力自緊密封上升管在1200～350℃之間交變，具體包括外筒體17和設(shè)置于外筒體內(nèi)的耐高溫、耐腐蝕的內(nèi)襯管1，其中，內(nèi)襯管采用陶瓷或者陶瓷基復合材料制成，外筒體包括互相對接的第一筒體171和第二筒體172，第一筒體內(nèi)部具有空腔且為金屬筒體，空腔內(nèi)置有用于吸收熱量的輻射管組3，第二筒體172為軸向長度可變化的膨脹節(jié)，從而第一筒體171的熱形變量可由第二筒體172吸收；內(nèi)襯管1由第一襯管1-1、第二襯管1-2對接而成，兩者的對接縫1-4處對應的端部分別設(shè)置有由插臺和與該插臺對應的插槽組成的密封副，該密封副內(nèi)填充有密封材料1-2，從而內(nèi)襯管的熱型變量可由密封副吸收；對接縫的外側(cè)包裹有擋圈10以及耐高溫密封層12，耐高溫密封層12的下端設(shè)置有密封擋環(huán)14，從而高溫狀態(tài)下該無應力自緊密封上升管內(nèi)外的密封效果由受熱膨脹而互相咬合狀態(tài)下的密封副以及密封副內(nèi)的密封材料實現(xiàn)，低溫狀態(tài)下該無應力自緊密封上升管內(nèi)外的密封效果由冷縮后的擋圈壓迫耐高溫密封層于對接縫實現(xiàn)。為了防止熱量通過外筒體散失，外筒體外部包裹有保溫層；第二筒體由依次連接的膨脹波紋管8、接管16和第二筒體法蘭9組成。

結(jié)合圖2-圖4所示，第一筒體由端部面板2以及同種金屬材質(zhì)的內(nèi)層筒15、外層筒6組成，可以保證其運行過程中溫度交變時內(nèi)層筒、外層筒的膨脹量相同，消除由于材料不同而帶來的膨脹附加應力；內(nèi)層筒的外徑小于輻射管組，外層筒的內(nèi)徑大于輻射管組，內(nèi)層筒設(shè)置于外層筒內(nèi)并且兩者同軸，端部面板連接內(nèi)層筒外層筒的兩端，從而在第一筒體內(nèi)形成可間隙式設(shè)置輻射管組的空腔。

膨脹波紋管8兩端分別連接有安裝擋板7，與第一筒體相對的安裝擋板與第一筒體連接，從而第一筒體的熱形變量經(jīng)由該安裝擋板傳遞至膨脹波紋管。在搬運途中，為了防止膨脹波紋管由于顛簸而與其他部件發(fā)生剮蹭磨損，故而通過固定螺栓對安裝擋板乃至膨脹波紋管進行了固定。

第一襯管、第二襯管之間的對接縫1-4與第二筒體相對應，從而擋圈以及耐高溫密封層處于膨脹波紋管內(nèi)，相應地，膨脹波紋管內(nèi)徑大于內(nèi)襯管外徑。為了防止膨脹波紋管受高溫影響，內(nèi)襯管與膨脹波紋管之間還設(shè)置有用于對膨脹波紋管形成熱保護的隔熱層18。

第一筒體外部設(shè)置有連通空間與外部空間的放空接管5。放空接管5可以隨時釋放溫度變化過程中的壓力變化引起氣體進出以實現(xiàn)與外界的壓力平衡。

輻射管組的下端口19與外部的水進口集合管連接，輻射管組的上端口20與汽水混相出口集合管連接。水進口集合管通過管路與外部入口集合管匯集管連接，汽水混相出口集合管通過管路與外部出口集合管匯集管連接，出口集合管匯集管通過管路與汽包連接，汽包上連接有蒸汽管道，蒸汽管道內(nèi)的蒸汽用于做功，在汽包底部通過泵入口管連接循環(huán)水泵，循環(huán)水泵通過泵出水管與入口集合管匯集管連接，從而本發(fā)明可對煉焦爐上升管荒煤氣高溫廢熱進行高效利用。

本發(fā)明提供的無應力自緊密封上升管的制造方法，具體包括如下步驟：以ΔL=αΔt·L計算出內(nèi)襯管在Δt溫度變化下的熱膨脹量并以此為基準長度，其中α為內(nèi)襯管的熱膨脹系數(shù)，密封副的插槽深度、插臺長度大于此基準長度；組裝并檢驗外筒體：將所述的第一筒體、第二筒體焊接在一起，用法蘭板密封兩端法蘭，充氣試密，不漏為合格；檢測內(nèi)襯管氣密性：在第一襯管、第二襯管的密封副插槽底部加入密封材料，采用工裝將第一襯管和第二襯管按安裝長度在承插密封槽處插入裝配好，用盲法蘭密封兩端法蘭盤，壓緊填料，在盲法蘭上設(shè)有的氣孔通氣試密，不漏為合格，拆開兩者，在密封副插槽內(nèi)填入密封材料備用； 將與第一筒體對應的并且具有密封副插槽的第一襯管裝入所述外筒體；向第二筒體的膨脹節(jié)內(nèi)填充密封填料、擋圈、隔熱層：自膨脹節(jié)的安裝擋板內(nèi)徑填入上述填料以及擋圈，并使相應填料高出膨脹節(jié)法蘭盤；裝入于第二筒體相對應的第二襯管，并將高出膨脹節(jié)法蘭盤的填料壓平，使得膨脹節(jié)法蘭盤緊貼第二襯管法蘭盤11。

本發(fā)明通過在可以適應任何上升管廢熱回收利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，尤其適用于高品質(zhì)回收廢熱及產(chǎn)生高壓蒸汽；本發(fā)明的外筒體的熱形變量由第二筒體吸收、內(nèi)襯管的熱形變量可由密封副吸收，消除了上升管運行過程中的對管道系統(tǒng)附加應力及上升管受到的反作用力，從而避免了由于上升管與管道系統(tǒng)連接處由于前述作用力導致破損以及泄露的危險；從而使廢熱利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受力優(yōu)化，可以承受高壓，壽命長，安全性有保障；本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、運行成本低，且系統(tǒng)獨立，可單元化制造加工。