焦爐用上升管換熱器余熱回收中試研究

摘要：上升管換熱器內壁光滑，可高效、穩定、可靠運行。文章研究開發了一種新型焦爐荒煤氣上升管換熱器，采用新型耐高溫材料與獨特的換熱結構，既充分地回收了荒煤氣的熱量，又控制了上升管外壁溫度，有效改善了焦爐爐頂工作環境。

關鍵詞：焦爐荒煤氣；上升管換熱器；余熱回收；耐高溫材料；換熱結構 文獻標識碼：A

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

1 概述

焦化廠煉焦生產實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品。焦炭生產過程中，配合煤在焦爐中被隔絕空氣加熱干餾，生成焦炭的同時產生大量的荒煤氣。從煉焦生產過程熱平衡分布看，從焦爐炭化室推出的950℃～1050℃紅焦帶出的顯熱（高溫余熱）占焦爐支出熱的37%，650℃～850℃焦爐上升管荒煤氣帶出熱（中溫余熱）占焦爐支出熱的36%，180℃～230℃焦爐煙道廢氣帶出熱（低溫余熱）占焦爐支出熱的16%，爐體表面熱損失（低溫余熱）占焦爐支出熱的11%。其中占焦爐支出熱最多的兩項中，焦炭帶出的顯熱，目前已有成熟的干熄焦裝置回收并發電，而對焦爐上升管荒煤氣帶出的顯熱，雖然國內有多人進行了研究，但至今未形成成熟、可靠、高效的回收利用技術。

本文研究開發了一種新型焦爐荒煤氣上升管換熱器，采用新型耐高溫材料與獨特的換熱結構，既充分回收了荒煤氣的熱量，又控制了上升管內壁的結焦。

2 中試研究內容

本文研究開發的上升管換熱器在江蘇沙鋼集團焦化廠6m焦爐進行中試試驗研究。在推焦前2小時拆除焦爐上原有上升管，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（即蒸汽產量）、內壁結焦情況、漏水情況及干燒情況。

3 中試設備及工藝流程

3.1 中試設備

中試設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、荒煤氣進出口熱電偶、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。

上升管換熱器荒煤氣進出口處設有熱電偶，用于測量荒煤氣進出口溫度。荒煤氣出口溫度可根據上升管換熱器的進水量進行調節控制。

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，然后進行斷水干燒試驗，研究上升管換熱器在干燒狀態下的性能。

中試時間共計35天，其中通水試驗時間為31天，期間共生產40爐焦炭；干燒試驗時間為4天。

4.1 上升管荒煤氣進出口溫度

根據實際測量得知，上升管荒煤氣進口溫度在700℃～990℃，平均溫度850℃左右；出口溫度平均在600℃左右。以9月23日試驗數據為例，荒煤氣進出口溫度分布如圖1所示：

由圖1可以看出，上升管內荒煤氣的溫度隨時間而發生上下波動，這與焦炭生成過程相對應。在焦炭生成初期（加煤后2～3小時內），煤粉快速吸熱分解，逐步產生荒煤氣，荒煤氣由少到多，溫度隨即升高；隨著反應的進行，煤的熱解反應趨于穩定，產生的荒煤氣基本平穩，荒煤氣的溫度也趨于穩定；在焦炭生成末期（加煤15小時后），荒煤氣進出口溫度急劇下滑，這是因為在焦炭生成末期，焦炭已基本成熟，煤的熱解反應也基本完成，荒煤氣流量急劇減小，上升管內溫度隨著荒煤氣的減少而降低。

換熱后，上升管內出口溫度在500℃左右，以9月16日試驗數據為例，荒煤氣進出口溫度分布如圖2所示：

由圖2可以看出，換熱后上升管內荒煤氣進出口溫度變化規律與換熱前基本相同。

將兩張數據表進行分析，可以看出，換熱前，荒煤氣進口溫度波動不大；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生了蒸汽。

4.2 蒸汽壓力及產量

中試裝置中，汽包蒸汽出口處設有閥門，上升管換熱器所產生的飽和蒸汽壓力可根據用戶的要求進行調節設定，本次中試所設定的蒸汽壓力為0.6MPa。

本次中試通水試驗共計31天，上升管換熱器所對應的炭化室共生產40爐焦炭，以平均22噸焦炭/爐計算，共生產880噸焦炭。

汽包蒸汽出口處設有蒸汽流量計，統計共產生蒸汽101.560噸，平均蒸汽流量為101.560噸/880噸焦炭=0.115t/噸焦=115kg/噸焦，即上升管換熱器產汽量為115kg/噸焦。

110孔6m焦爐每年可生產焦炭110萬噸，若采用此上升管換熱器，則每年可產0.6MPa飽和蒸汽12.65萬噸，折合標煤共計1.14萬噸，減少CO2排放約3萬噸。

4.3 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裝有保溫隔熱層，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80℃，遠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域的操作環境。

4.4 漏水及結石墨情況

中試用上升管換熱器內筒采用耐高溫合金材質，內壁無焊縫，并且表面涂有耐高溫、耐腐蝕納米導熱層，不會發生破裂漏水的情況。中試過程中上升管換熱器無變形，無漏水情況出現。

本次中試為單個上升管試驗，上升管內荒煤氣溫度和流量變化波動大，特別是在推焦前3小時內，荒煤氣溫度急劇下降，從而導致汽包溫度波動較大，上升管底部由于進水溫度低，有結石墨情況，厚度約為5mm。若采用多個上升管換熱器，則不會出現此類情況。

4.5 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4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 結論及展望

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，每噸焦產汽量為115kg（0.6MPa，飽和蒸汽）；結構先進合理，不易漏水，無安全隱患；表面溫度低，可有效改善焦爐爐頂操作環境，同時可長時間干燒而不損壞。

本次中試還存在不少問題，如系統采用手動調節，因荒煤氣波動大，需頻繁進行調節操作，工作量較大；上升管換熱器表面溫度較高；上升管換熱器內壁有少許結焦情況等。

根據本次中試所存在的問題，本文對下一步的研究提出以下展望：（1）優化系統操作，讓上升管余熱回收系統更加智能化；（2）改進上升管換熱器的保溫隔熱，進一步降低其表面溫度；（3）優化結構，回收更多的熱量；（4）改善內壁加工質量，防止結焦。

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）.

作者簡介：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：化工機械。

（責任編輯：王 波）