焦?fàn)t用上升管換熱器余熱回收中試研究

摘要：上升管換熱器內(nèi)壁光滑，可高效、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。文章研究開發(fā)了一種新型焦?fàn)t荒煤氣上升管換熱器，采用新型耐高溫材料與獨(dú)特的換熱結(jié)構(gòu)，既充分地回收了荒煤氣的熱量，又控制了上升管外壁溫度，有效改善了焦?fàn)t爐頂工作環(huán)境。

關(guān)鍵詞：焦?fàn)t荒煤氣；上升管換熱器；余熱回收；耐高溫材料；換熱結(jié)構(gòu) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TQ520 文章編號(hào)：1009-2374（2016）17-0083-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.040

1 概述

焦化廠煉焦生產(chǎn)實(shí)際上是典型的能源再加工和熱能的回收再利用過程，焦炭和煉焦煤氣是其主要的能源產(chǎn)品。焦炭生產(chǎn)過程中，配合煤在焦?fàn)t中被隔絕空氣加熱干餾，生成焦炭的同時(shí)產(chǎn)生大量的荒煤氣。從煉焦生產(chǎn)過程熱平衡分布看，從焦?fàn)t炭化室推出的950℃～1050℃紅焦帶出的顯熱（高溫余熱）占焦?fàn)t支出熱的37%，650℃～850℃焦?fàn)t上升管荒煤氣帶出熱（中溫余熱）占焦?fàn)t支出熱的36%，180℃～230℃焦?fàn)t煙道廢氣帶出熱（低溫余熱）占焦?fàn)t支出熱的16%，爐體表面熱損失（低溫余熱）占焦?fàn)t支出熱的11%。其中占焦?fàn)t支出熱最多的兩項(xiàng)中，焦炭帶出的顯熱，目前已有成熟的干熄焦裝置回收并發(fā)電，而對(duì)焦?fàn)t上升管荒煤氣帶出的顯熱，雖然國(guó)內(nèi)有多人進(jìn)行了研究，但至今未形成成熟、可靠、高效的回收利用技術(shù)。

本文研究開發(fā)了一種新型焦?fàn)t荒煤氣上升管換熱器，采用新型耐高溫材料與獨(dú)特的換熱結(jié)構(gòu)，既充分回收了荒煤氣的熱量，又控制了上升管內(nèi)壁的結(jié)焦。

2 中試研究?jī)?nèi)容

本文研究開發(fā)的上升管換熱器在江蘇沙鋼集團(tuán)焦化廠6m焦?fàn)t進(jìn)行中試試驗(yàn)研究。在推焦前2小時(shí)拆除焦?fàn)t上原有上升管，更換成上升管換熱器，中試采用一根上升管換熱器，主要考察上升管換熱器的換熱效果（即蒸汽產(chǎn)量）、內(nèi)壁結(jié)焦情況、漏水情況及干燒情況。

3 中試設(shè)備及工藝流程

3.1 中試設(shè)備

中試設(shè)備包括上升管換熱器和集成式中試組合裝置。

3.1.1 上升管換熱器。上升管換熱器為多層組合裝置，內(nèi)壁為導(dǎo)熱層，中間為換熱器，最外層為隔熱保護(hù)層。

3.1.2 集成式中試組合裝置。其中包括緩沖水箱、汽包補(bǔ)水泵、汽包、強(qiáng)制循環(huán)泵、進(jìn)水電磁閥、緩沖水箱液位計(jì)、汽包液位計(jì)、汽包安全閥、蒸汽流量計(jì)、荒煤氣進(jìn)出口熱電偶、控制電柜以及配套管路。

第一，汽包筒體為圓柱形，兩端為橢圓形封頭，循環(huán)水通過汽包底部的下降管管座流出，汽水混合物通過側(cè)面回水管座進(jìn)入汽包。在汽包內(nèi)部，汽水混合物受到擋板阻隔折流以利于水位的穩(wěn)定并使汽水更好地進(jìn)行分離。飽和蒸汽由汽包上部的管座引出汽包，為了最大程度上獲得干燥的飽和蒸汽，在出口管前的蒸汽空間裝有汽水分離器，以分離蒸汽中剩余的水分。

第二，強(qiáng)制循環(huán)泵為2臺(tái)，1用1備。強(qiáng)制循環(huán)泵采用耐高溫泵，閥體、密封等采用帶高溫材料，最高使用溫度為240℃，確保運(yùn)行安全、可靠、穩(wěn)定。

3.2 中試工藝流程

中試工藝流程如下：中試用除鹽水由焦化廠干熄焦除鹽水槽接入中試組合裝置的緩沖水箱，由進(jìn)水閥控制進(jìn)水；緩沖水箱的水通過汽包補(bǔ)水泵加壓后進(jìn)入中試用汽包，經(jīng)過汽包內(nèi)補(bǔ)水裝置，再由汽包底部的下降管輸出汽包，通過熱水強(qiáng)制循環(huán)泵將水送入上升管換熱器裝置的進(jìn)水口，進(jìn)入上升管換熱器進(jìn)行換熱，產(chǎn)生的熱水和汽水混合物通過換熱器出口，進(jìn)入汽包進(jìn)行汽水分離，蒸汽通過汽包的蒸汽出口經(jīng)過流量計(jì)送出，未汽化的水再次進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)換熱，如此循環(huán)產(chǎn)生符合需要壓力的飽和蒸汽。

上升管換熱器荒煤氣進(jìn)出口處設(shè)有熱電偶，用于測(cè)量荒煤氣進(jìn)出口溫度。荒煤氣出口溫度可根據(jù)上升管換熱器的進(jìn)水量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

4 中試數(shù)據(jù)及分析

中試分為兩個(gè)部分，首先進(jìn)行通水試驗(yàn)，研究上升管換熱器的產(chǎn)汽量及其內(nèi)壁結(jié)焦情況，然后進(jìn)行斷水干燒試驗(yàn)，研究上升管換熱器在干燒狀態(tài)下的性能。

中試時(shí)間共計(jì)35天，其中通水試驗(yàn)時(shí)間為31天，期間共生產(chǎn)40爐焦炭；干燒試驗(yàn)時(shí)間為4天。

4.1 上升管荒煤氣進(jìn)出口溫度

根據(jù)實(shí)際測(cè)量得知，上升管荒煤氣進(jìn)口溫度在700℃～990℃，平均溫度850℃左右；出口溫度平均在600℃左右。以9月23日試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，荒煤氣進(jìn)出口溫度分布如圖1所示：

由圖1可以看出，上升管內(nèi)荒煤氣的溫度隨時(shí)間而發(fā)生上下波動(dòng)，這與焦炭生成過程相對(duì)應(yīng)。在焦炭生成初期（加煤后2～3小時(shí)內(nèi)），煤粉快速吸熱分解，逐步產(chǎn)生荒煤氣，荒煤氣由少到多，溫度隨即升高；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，煤的熱解反應(yīng)趨于穩(wěn)定，產(chǎn)生的荒煤氣基本平穩(wěn)，荒煤氣的溫度也趨于穩(wěn)定；在焦炭生成末期（加煤15小時(shí)后），荒煤氣進(jìn)出口溫度急劇下滑，這是因?yàn)樵诮固可赡┢冢固恳鸦境墒?，煤的熱解反?yīng)也基本完成，荒煤氣流量急劇減小，上升管內(nèi)溫度隨著荒煤氣的減少而降低。

換熱后，上升管內(nèi)出口溫度在500℃左右，以9月16日試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，荒煤氣進(jìn)出口溫度分布如圖2所示：

由圖2可以看出，換熱后上升管內(nèi)荒煤氣進(jìn)出口溫度變化規(guī)律與換熱前基本相同。

將兩張數(shù)據(jù)表進(jìn)行分析，可以看出，換熱前，荒煤氣進(jìn)口溫度波動(dòng)不大；換熱后，荒煤氣出口溫度比換熱前出口溫度平均低100℃，這部分熱量被回收利用產(chǎn)生了蒸汽。

4.2 蒸汽壓力及產(chǎn)量

中試裝置中，汽包蒸汽出口處設(shè)有閥門，上升管換熱器所產(chǎn)生的飽和蒸汽壓力可根據(jù)用戶的要求進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)定，本次中試所設(shè)定的蒸汽壓力為0.6MPa。

本次中試通水試驗(yàn)共計(jì)31天，上升管換熱器所對(duì)應(yīng)的炭化室共生產(chǎn)40爐焦炭，以平均22噸焦炭/爐計(jì)算，共生產(chǎn)880噸焦炭。

汽包蒸汽出口處設(shè)有蒸汽流量計(jì)，統(tǒng)計(jì)共產(chǎn)生蒸汽101.560噸，平均蒸汽流量為101.560噸/880噸焦炭=0.115t/噸焦=115kg/噸焦，即上升管換熱器產(chǎn)汽量為115kg/噸焦。

110孔6m焦?fàn)t每年可生產(chǎn)焦炭110萬噸，若采用此上升管換熱器，則每年可產(chǎn)0.6MPa飽和蒸汽12.65萬噸，折合標(biāo)煤共計(jì)1.14萬噸，減少CO2排放約3萬噸。

4.3 上升管表面溫度對(duì)比

焦?fàn)t上原上升管采用的是碳鋼管內(nèi)襯耐火磚的結(jié)構(gòu)，荒煤氣的溫度經(jīng)耐火磚傳遞到上升管表面，用紅外線溫度測(cè)量?jī)x測(cè)得其表面溫度高達(dá)230℃。

中試用上升管換熱器裝有保溫隔熱層，可有效防止熱量輻射擴(kuò)散，用紅外線溫度測(cè)量?jī)x測(cè)得其表面溫度為80℃，遠(yuǎn)低于原上升管表面溫度，不僅減少了熱量損失，還有效地改善了爐頂上升管區(qū)域的操作環(huán)境。

4.4 漏水及結(jié)石墨情況

中試用上升管換熱器內(nèi)筒采用耐高溫合金材質(zhì)，內(nèi)壁無焊縫，并且表面涂有耐高溫、耐腐蝕納米導(dǎo)熱層，不會(huì)發(fā)生破裂漏水的情況。中試過程中上升管換熱器無變形，無漏水情況出現(xiàn)。

本次中試為單個(gè)上升管試驗(yàn)，上升管內(nèi)荒煤氣溫度和流量變化波動(dòng)大，特別是在推焦前3小時(shí)內(nèi)，荒煤氣溫度急劇下降，從而導(dǎo)致汽包溫度波動(dòng)較大，上升管底部由于進(jìn)水溫度低，有結(jié)石墨情況，厚度約為5mm。若采用多個(gè)上升管換熱器，則不會(huì)出現(xiàn)此類情況。

4.5 干燒試驗(yàn)

將上升管換熱器的進(jìn)水閥關(guān)閉，打開出水口閥門，對(duì)上升管換熱器進(jìn)行干燒試驗(yàn)。干燒過程中，上升管換熱器無變形、異響情況發(fā)生，并且無荒煤氣溢出。

干燒試驗(yàn)為期4天，拆除后對(duì)上升管換熱器進(jìn)行全面檢查，未發(fā)現(xiàn)變形、裂紋等情況，上升管換熱器內(nèi)壁完好無損。

5 結(jié)論及展望

由中試結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)研發(fā)的上升管換熱器產(chǎn)汽量高，每噸焦產(chǎn)汽量為115kg（0.6MPa，飽和蒸汽）；結(jié)構(gòu)先進(jìn)合理，不易漏水，無安全隱患；表面溫度低，可有效改善焦?fàn)t爐頂操作環(huán)境，同時(shí)可長(zhǎng)時(shí)間干燒而不損壞。

本次中試還存在不少問題，如系統(tǒng)采用手動(dòng)調(diào)節(jié)，因荒煤氣波動(dòng)大，需頻繁進(jìn)行調(diào)節(jié)操作，工作量較大；上升管換熱器表面溫度較高；上升管換熱器內(nèi)壁有少許結(jié)焦情況等。

根據(jù)本次中試所存在的問題，本文對(duì)下一步的研究提出以下展望：（1）優(yōu)化系統(tǒng)操作，讓上升管余熱回收系統(tǒng)更加智能化；（2）改進(jìn)上升管換熱器的保溫隔熱，進(jìn)一步降低其表面溫度；（3）優(yōu)化結(jié)構(gòu)，回收更多的熱量；（4）改善內(nèi)壁加工質(zhì)量，防止結(jié)焦。

參考文獻(xiàn)

[1] 張宇晨，孫業(yè)新.焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱回收技術(shù)探討[J].冶金能源，2011，30（3）.

[2] 張欣欣，張安強(qiáng)，等.焦?fàn)t能耗分析與余熱利用技術(shù)[J].鋼鐵，2012，48（7）.

作者簡(jiǎn)介：馬慶磊（1982-），男，江蘇常州人，常州江南冶金科技有限公司工程師，碩士，研究方向：化工機(jī)械。

（責(zé)任編輯：王 波）