焦爐上升管換熱器第二次中試研究

馬慶磊

摘要：文章通過第二次中試，改進上升管換熱器結構，優化余熱回收系統，上升管換熱器充分回收了荒煤氣的熱量，內壁光滑無結焦，上升管表面溫度低至45℃，有效改善焦爐爐頂工作環境，提高余熱回收系統自動化程度，數據自動采集，實現了全自動化運行。

關鍵詞：焦爐荒煤氣；上升管換熱器；余熱回收；自動化；第二次中試 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ520 文章編號：1009-2374（2016）18-0032-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.017

1 概述

本文研發的上升管換熱器在江蘇沙鋼集團焦化廠進行第一次中試研究，結果表明，此上升管換熱器采用新型耐高溫材料與獨特的換熱結構，可以回收上升管內荒煤氣的熱量，每噸焦可產0.6MPa飽和蒸汽115kg；上升管表面溫度與原來相比，下降了150℃，較大程度上改善了焦爐爐頂上升管區域的工作環境；上升管換熱器經過長時間（96小時）斷水干燒不會發生變形、破裂等。本文研發的上升管換熱器已基本取得成功。但是，第一次中試存在不少不足之處，如系統操作自動化程度不高，系統運行需要大量的人工手動操作；上升管換熱器表面溫度依然相對較高，并且內壁有少許結焦。

針對第一次中試中存在的問題，本文對上升管換熱器進行結構優化，重新設計開發一套自動化預熱回收系統，再次在沙鋼焦化廠進行了中試。

2 中試研究內容

第二次中試依然在沙鋼焦化廠6米焦爐上進行。本次中試采用兩臺上升管換熱器，分別更換焦爐原108#、109#上升管，兩個上升管所對應的炭化室推焦時間最短間隔為7.5小時。

本次中試主要考察上升管換熱器的換熱效果（即蒸汽產量）、內壁結焦情況、漏水情況及干燒情況，并且考察預熱回收系統自動運行情況。

3 中試設備及工藝流程

3.1 中試設備

中試設備包括兩臺上升管換熱器和一套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，內壁為導熱層，中間為換熱器，最外層為隔熱保護層。

3.1.2 集成式中試組合裝置。其中包括緩沖水箱、汽包補水泵、汽包、強制循環泵、進水電磁閥、緩沖水箱液位計、汽包液位計、汽包安全閥、蒸汽流量計、進水電動調節閥、進水流量計、荒煤氣進出口熱電偶、控制電柜、無紙記錄儀以及配套管路等。

第一，汽包筒體為圓柱形，兩端為橢圓形封頭，循環水通過汽包底部的下降管管座流出，汽水混合物通過側面回水管座進入汽包。在汽包內部，汽水混合物受到擋板阻隔折流以利于水位的穩定，并使汽水更好地進行分離。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，強制循環泵為2臺，1用1備。強制循環泵采用耐高溫泵，閥體、密封等采用帶高溫材料，最高使用溫度為240℃，確保運行安全、可靠、穩定。

3.2 中試工藝流程

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，由進水閥控制進水；緩沖水箱的水通過汽包補水泵加壓后進入中試用汽包，經過汽包內補水裝置，再由汽包底部的下降管輸出汽包，通過熱水強制循環泵將水送入上升管換熱器裝置的進水口，進入上升管換熱器進行換熱，產生的熱水和汽水混合物通過換熱器出口，進入汽包進行汽水分離，蒸汽通過汽包的蒸汽出口經過流量計送出，未汽化的水再次進入系統循環換熱，如此循環產生符合需要壓力的飽和蒸汽。

本次中試工藝流程與第一次中試基本相同，但在系統控制上做了如下改進：上升管換熱器進水量根據荒煤氣出口溫度自動調節；蒸汽出口設有自力式調節閥，可根據壓力自動調節蒸汽流量；緩沖水箱進水由電磁閥根據液位自動控制；汽包補水泵根據汽包液位自動開啟補水；兩臺強制循環泵根據運行情況自動切換；數據采集記錄采用無紙記錄儀，可實時存儲試驗數據。

4 中試數據及分析

中試分為兩個部分：首先，進行通水試驗，研究上升管換熱器的產汽量及其內壁結焦情況；其次，進行斷水干燒試驗，研究上升管換熱器在干燒狀態下的性能。

4.1 上升管表面溫度對比

焦爐上原上升管采用的是碳鋼管內襯耐火磚的結構，荒煤氣的溫度經耐火磚傳遞到上升管表面，用紅外線溫度測量儀測得其表面溫度高達230℃。

中試用上升管換熱器改進了保溫隔熱層，可有效防止熱量輻射擴散，用紅外線溫度測量儀測得其表面溫度為45℃，遠低于原上升管表面溫度，也低于第一次中試時上升管表面溫度，不僅減少了熱量損失，還有效地改善了爐頂上升管區域的操作環境。

4.2 蒸汽壓力及產量

選取有壓力的蒸汽量計算（蒸汽壓力大于0.6MPa），中試期間共產出183.451噸蒸汽，產焦炭65爐，每爐焦炭按22噸計算，平均蒸汽量為128kg/噸焦，蒸汽壓力平均為0.7MPa。

4.2.1 蒸汽壓力。上升管換熱器產生的蒸汽壓力由蒸汽出口處的自力式壓力調節閥控制，可根據用戶要求進行調節。本次中試所產生的蒸汽壓力平均為0.7MPa，蒸汽溫度平均165℃。

4.2.2 蒸汽產量。推焦周期為18.5小時，每爐產生焦炭量平均為22噸。

以1月11日為例：109#推焦時間為0∶20、19∶50，108#推焦時間為7∶50，18.5小時內共產生蒸汽6.149t即6149kg，產生焦炭共計22噸×2=44噸，平均蒸汽產量為6149kg/44噸焦=139.7kg/噸焦。

以1月15日為例：108#推焦時間為5∶10、24∶00，109#推焦時間為16∶30，18.5小時內共產生蒸汽5.136t即5136kg，產生焦炭共計22噸×2=44噸，平均蒸汽產量為5136kg/44噸焦=116.7kg/噸焦。

由中試數據表可以看出，平均蒸汽產量為128kg/噸焦，補水平均溫度為64℃，產生蒸汽平均溫度為165℃，水的比熱值為4.2kJ/（kg·℃），再由表1可以計算出每噸焦炭所產生的熱量值Q。

Q=128×（165-64）×4.2+128×2073.30=3.2×105kJ，即通過換熱每噸焦炭可產生3.2×105kJ的熱量。

4.3 漏水及結石墨情況

本次中試采用兩根上升管，推焦時間最短間隔為7.5小時，推焦交替進行，避免了單根上升管在推焦末期溫度較低易結石墨的問題。通過觀察，兩根上升管內壁無結實的石墨，只有一層疏松的石墨，每次推焦時，依靠高溫燃燒可以基本清除干凈。

本次中試均未出現上升管漏水的情況。

兩次中試中，上升管所采用的材質是相同的，第二次中試對上升管進行了結構優化，同時改變噴涂工藝，使上升管內壁涂層更加光滑，防止焦油的粘黏與附著。

4.4 干燒試驗

將上升管換熱器的進水閥關閉，打開出水口閥門，對上升管換熱器進行干燒試驗。干燒過程中，上升管換熱器無變形、異響情況發生，并且無荒煤氣溢出。

干燒試驗為期7天，拆除后對上升管換熱器進行全面檢查，未發現變形、裂紋等情況，上升管換熱器內壁完好無損。

5 結語

（1）上升管換熱器外壁溫度平均為45℃，遠低于原上升管表面溫度；（2）上升管產生的蒸汽量平均為128kg/噸焦，蒸汽壓力為平均為0.7MPa（飽和蒸汽），每噸焦炭可回收3.2×105kJ的熱量；（3）上升管換熱器經結構優化、內壁光滑處理后，內壁無結實的石墨，只有一層疏松的石墨且易于清理；（4）上升管換熱器可長時間斷水干燒而不損壞；（5）中試系統自動運行平穩，中試期間無故障情況發生，無需大量人工操作。

由中試結果可以看出，本文設計研發的上升管換熱器產汽量高，結構先進合理，不易漏水，無安全隱患；表面溫度低，可長時間干燒而不損壞。此上升管換熱器已具備工業化投產條件。

參考文獻

[1] 張宇晨，孫業新.焦爐上升管荒煤氣顯熱回收技術探討[J].冶金能源，2011，30（3）.

[2] 張欣欣，張安強，等.焦爐能耗分析與余熱利用技術[J].鋼鐵，2012，48（7）.

（責任編輯：黃銀芳）