荒煤氣顯熱回收換熱器的探討

宋亞軍 王洪科

（1、首鋼水城鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，貴州六盤(pán)水 553000 2、云南豐普科技有限公司，云南昆明 650106）

1 概述

煉焦工業(yè)是耗能大戶，從焦化爐能量支出來(lái)看，如圖1 所示：焦炭顯熱占比37-40%，焦?fàn)t加熱廢氣帶走熱量為17-20%，爐體表面熱損失占焦?fàn)t支出熱的10%，荒煤氣顯熱占比36-40%[1]?；拿簹庾鳛闊捊怪饕碑a(chǎn)物，成分復(fù)雜，溫度為750℃-800℃，傳統(tǒng)工藝采用70-80℃循環(huán)水噴淋急冷，使荒煤氣瞬間降溫至80-90℃，荒煤氣高溫?zé)崃客ㄟ^(guò)循環(huán)水中的氨及水的蒸發(fā)得以吸收，同時(shí)大量水蒸氣進(jìn)入荒煤氣中，在荒煤氣后續(xù)凈化工藝中，水蒸氣在初冷器中被循環(huán)水及冷凍水將荒煤氣溫度降至21～22℃冷凝出來(lái)[2]，高溫?zé)崃坎坏速M(fèi)嚴(yán)重，而且需要初冷器有龐大的換熱面積，以及消耗大量的循環(huán)水及冷凍水，處理能耗極高。因此在高溫段對(duì)荒煤氣余熱進(jìn)行回收利用，不但回收了荒煤氣高溫顯熱，還降低了后續(xù)凈化工段的能耗，意義重大。

圖1 焦化爐熱量支出示意圖

隨著煉焦技術(shù)的發(fā)展，煤焦化工藝中的余熱利用也越趨完善，紅焦蘊(yùn)含的余熱通過(guò)干熄焦技術(shù)回收用于發(fā)電，焦?fàn)t大煙道廢氣余熱也通過(guò)熱管換熱器得到有效回收用于產(chǎn)生高溫?zé)崴虻蛪赫羝糜谡舭?，而荒煤氣顯熱回收卻因存在結(jié)焦及換熱器可靠性問(wèn)題而進(jìn)展緩慢。隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能環(huán)保行業(yè)的支持力度增加，荒煤氣顯熱的回收也越來(lái)越受到行業(yè)重視。我國(guó)從20 世紀(jì)70 年代開(kāi)發(fā)了上升管汽化冷卻裝置，用于生產(chǎn)低壓蒸汽,但技術(shù)不成熟，未能推廣。后來(lái)，陸續(xù)有人采用導(dǎo)熱油夾套技術(shù)、熱管換熱技術(shù)、惰性氣體取熱技術(shù)等余熱回收技術(shù)，但都因泄漏及結(jié)焦等原因，無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

為公司以后回收100 萬(wàn)噸焦化爐荒煤氣顯熱提供設(shè)備設(shè)計(jì)及選型思路，從以往上升管換熱器存在的問(wèn)題及荒煤氣本身的特性出發(fā)，提出合理的解決思路，并通過(guò)換熱器換熱過(guò)程方程的分析，提出一種上升管換熱器。

2 荒煤氣特性及顯熱回收中存在的問(wèn)題

荒煤氣顯熱回收換熱器安裝在焦化爐頂部荒煤氣出口處，替換原焦?fàn)t上升管，通常將此換熱器稱為上升管換熱器。上升管換熱器內(nèi)壁容易結(jié)焦、石墨化，甚至完全封堵荒煤氣流通煙道，這不僅很大程度降低換熱器換熱能力，還可能嚴(yán)重危及碳化室及后端工藝的運(yùn)行安全。上升管換熱器在運(yùn)行中，由于交變熱應(yīng)力影響，容易出現(xiàn)焊縫拉裂、漏水、漏氣等問(wèn)題，導(dǎo)致其使用壽命較短，可靠性差，見(jiàn)圖1。

2.1 荒煤氣結(jié)焦特性

荒煤氣結(jié)焦是指荒煤氣中的焦油氣在換熱器換熱面凝結(jié)并石墨化的過(guò)程。冷凝在荒煤氣上升管換熱界面的焦油滴，遇到高溫荒煤氣時(shí)，焦油發(fā)生熱解和熱縮合反應(yīng)重新汽化，生成石墨溫度越高，石墨的沉積量越大?；拿簹饨Y(jié)焦需要的條件為：

2.1.1 荒煤氣中焦油露點(diǎn)溫度，常壓下為400-500℃[3]。當(dāng)荒煤氣溫度低于焦油露點(diǎn)溫度時(shí)，焦油氣冷凝析出為霧狀液滴，焦油液滴與換熱器壁面碰撞時(shí)黏附在換熱器壁面上。

2.1.2 換熱界面溫度較低，荒煤氣中的焦油蒸汽在溫度較低的換熱器壁面冷凝析出在。換熱界面溫度在300℃以下時(shí)，焦油大量析出，換熱界面溫度大于350 時(shí)，焦油析出物較少。

2.1.3 焦?fàn)t爐內(nèi)輻射或高溫荒煤氣對(duì)流傳熱使冷凝析出的焦油發(fā)生熱解和熱縮聚而固化。

2.2 換熱器在交變熱應(yīng)力作用下發(fā)生膨脹變形損壞的問(wèn)題

焦?fàn)t炭化室周期性的裝煤碳化，每孔碳化周期約為18 小時(shí)，荒煤氣產(chǎn)量和溫度隨碳化時(shí)間不斷變化，荒溫度高達(dá)800℃，換熱器換熱介質(zhì)溫度約200℃，換熱器內(nèi)外部金屬溫度溫差較大，換熱器在這種交變熱應(yīng)力作用下，換熱器變形損壞，發(fā)生漏水、漏氣，影響焦化爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 對(duì)應(yīng)的解決思路

3.1 針對(duì)荒煤氣中焦油露點(diǎn)問(wèn)題，合理設(shè)置的荒煤氣顯熱回收量，換熱器出口荒煤氣溫度不低于520 攝氏度，使荒煤氣出口溫度高于焦油露點(diǎn)溫度20℃?；拿簹鈴?00℃取熱降溫到520℃，噸焦炭可產(chǎn)生低壓飽和蒸汽約90kg。

3.2 對(duì)于焦油在壁面冷凝析出問(wèn)題，通過(guò)換熱器傳熱設(shè)計(jì)，保證換熱器內(nèi)壁面溫度＞350℃，使上升煙道內(nèi)壁焦油析出較少，結(jié)焦松散便于人工清除。從根本上解決荒煤氣顯熱回收產(chǎn)生的上升煙道結(jié)焦堵塞問(wèn)題。

3.3 換熱器采用適合交變熱應(yīng)力的結(jié)構(gòu)

從一些相關(guān)文獻(xiàn)查到的資料表明，換熱器換熱介質(zhì)流道發(fā)生變形泄露是換熱器存在的主要問(wèn)題，為此對(duì)主要換熱管元件采用螺旋盤(pán)管及自由膨脹支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免工作過(guò)程中因荒煤氣或軟水溫度變化引起的換熱管撕裂泄漏。

4 上升管換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1提高換熱器壁面溫度的方法

為了說(shuō)明如何提高換熱器內(nèi)壁面溫度（twi），通過(guò)間壁式換熱示意圖來(lái)說(shuō)明問(wèn)題，如圖2 所示，荒煤氣通過(guò)對(duì)流換熱將熱量傳遞給換熱器壁面（面積為A，材料導(dǎo)熱系數(shù)λ），荒煤氣與壁面的換熱系數(shù)為hi,換熱量為Ф，熱量從內(nèi)壁面?zhèn)鞯降酵獗诿妫偻ㄟ^(guò)對(duì)流換熱將熱量傳遞給水。傳熱過(guò)程壁面溫度表達(dá)式如下[4]：

圖2 間壁式換熱示意圖

為減少荒煤氣結(jié)焦，荒煤氣換熱后溫度為520℃，因此換熱量Ф 確定，為提高壁面內(nèi)表面溫度（twi），可以分別從換熱的以上3 個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行分析。

4.1.1 荒煤氣與壁面的熱傳

荒煤氣換熱量Ф 確定，則tfi也已確定，公式（1）中，增大荒煤氣與壁面換熱系數(shù)hi及內(nèi)表面積A，可以提高內(nèi)壁面溫度twi。具體的方法是在內(nèi)壁面設(shè)置豎向翅片，使得翅化后的面積A0>A；通過(guò)在內(nèi)壁面增加擾流裝置提高換熱系數(shù)hi，具體可在內(nèi)壁面豎向翅片設(shè)置擾流缺口。

4.1.2 壁面導(dǎo)熱

荒煤氣換熱量Ф 確定，公式（2）中，可通過(guò)提高外壁面溫度two、減小導(dǎo)熱系數(shù)λ 或者增加壁面厚度δ 的方法。具體方法是在壁面與水之間設(shè)置特殊的導(dǎo)熱部件，如導(dǎo)熱墊、導(dǎo)熱翅片等結(jié)構(gòu)控制傳熱。

4.1.3 壁面與水的傳熱

荒煤氣換熱量Ф 確定，公式（3）中，提高外壁面溫度two的方法，提高換熱介質(zhì)（水）的溫度tfo。具體方法是采用耐高壓的換熱介質(zhì)流道(圓管)從而提高水的溫度，因?yàn)槭瞧畵Q熱，水溫提高，產(chǎn)生的飽和蒸汽壓力等級(jí)也相應(yīng)提高。

4.2換熱器結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述3.3 條及4.1 條的描述，我們可以得到這樣一種上升管換熱器結(jié)構(gòu)，如圖3 所示，上升管換熱器頂部和底部設(shè)置煙道接口法蘭，設(shè)置圓筒狀內(nèi)壁，內(nèi)壁設(shè)置豎向翅片增大內(nèi)表面積，翅片上開(kāi)有擾流缺口，采用螺旋盤(pán)管提高換熱介質(zhì)溫度及壓力，盤(pán)管與內(nèi)壁間設(shè)置導(dǎo)熱翅片，盤(pán)管外設(shè)置保溫層。

圖3 上升管換熱器

對(duì)于一個(gè)完整的換熱器而言，4.1 條中所述三個(gè)換熱環(huán)節(jié)中的溫度均為平均溫度，tfi為荒煤氣進(jìn)出口的平均溫度；twi換熱器內(nèi)壁面的平均溫度，two換熱器外壁面的平均溫度，實(shí)際根據(jù)換熱器的壁面溫度分布來(lái)計(jì)算。Tfo為換熱介質(zhì)的平均溫度，對(duì)于上升管換熱器出口為汽水混合物的情況，Tfo為換熱介質(zhì)出口溫度。

需要注意的是，要保證換熱器內(nèi)壁最低溫度高于350℃。對(duì)于用于產(chǎn)生飽和蒸汽的上升管換熱器，最低內(nèi)壁溫點(diǎn)處于上升管換熱器頂部位置，最高溫度點(diǎn)處于上升管換熱器的底部位置，同時(shí)也應(yīng)避免上升管換熱器底部?jī)?nèi)壁溫度過(guò)高，影響換熱器使用壽命。根據(jù)4.1.1 條的描述，我們可以通過(guò)調(diào)整上升管換熱器底部與底部?jī)?nèi)壁面和荒煤氣換熱系數(shù)hi及內(nèi)表面積A，使得上升管換熱器內(nèi)壁面上下部的溫度趨于相等，同時(shí)也意味著上升管換熱器頂部與底部的內(nèi)翅片面積不相等。

5 結(jié)論

為可靠穩(wěn)定的回收荒煤氣顯熱，從以往荒煤氣換熱器存在的問(wèn)題及荒煤氣本身的特性出發(fā)，提出：

（1）顯熱回收后荒煤氣的溫度應(yīng)該大于520℃，高于荒煤氣中焦油汽露點(diǎn)溫度400-500℃，避免焦油液滴析出。

（2）上升管換熱器內(nèi)壁溫度應(yīng)該大于350℃，避免焦油汽在壁面析出，結(jié)焦。

（3）采用螺旋盤(pán)管換熱，避免交變熱應(yīng)力影響產(chǎn)生的換熱器損壞泄露。

并由此提出一種上升管換熱器，從傳熱三個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)提高換熱器內(nèi)壁面溫度：

（1）設(shè)置縱向內(nèi)翅片及擾流結(jié)構(gòu)增強(qiáng)荒煤氣與內(nèi)壁傳熱。

（2）通過(guò)特殊傳熱結(jié)構(gòu)控制壁面導(dǎo)熱。

（3）設(shè)置耐高壓的換熱介質(zhì)流道(圓管)從而提高換熱介質(zhì)（水）的溫度。本換熱器結(jié)構(gòu)可用于不同的焦化爐爐型，具體根據(jù)焦化爐單個(gè)上升煙道的荒煤氣產(chǎn)量設(shè)計(jì)不同尺寸的上升管換熱器。