焦?fàn)t上升管顯熱回收技術(shù)應(yīng)用

文_蔣星亮 安陽鋼鐵股份有限公司

1 工藝背景

安鋼焦化廠6m煉焦?fàn)t由110個炭化室和111個燃燒室組成。配合煤裝入炭化室后密閉隔絕空氣，由兩側(cè)的燃燒室將熱量傳導(dǎo)給炭化室，煤在炭化室高溫干餾，逐步升溫至1000±50℃，經(jīng)過物理化學(xué)變化，形成固態(tài)的焦炭和氣態(tài)的荒煤氣，炭化室逸出600～850℃的荒煤氣經(jīng)由筒狀上升管經(jīng)橋管噴灑氨水繼續(xù)降溫匯總到集氣管中，氣液分離后引入下道工序初冷器內(nèi)進(jìn)一步冷卻荒煤氣。

2 工藝選型

安鋼一直關(guān)注國內(nèi)外上升管顯熱回收技術(shù)，多次到行業(yè)前列的福建三明鋼廠進(jìn)行上升管余熱利用項目考察，發(fā)現(xiàn)福建三明鋼廠選用的常州江南冶金科技有限公司研發(fā)的幾何態(tài)上升管換熱器成功解決了上升管結(jié)焦堵塞、漏水等關(guān)鍵問題，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、換熱效率高、經(jīng)濟(jì)效益可觀，技術(shù)成熟可靠。安鋼決定引進(jìn)常州江南冶金科技公司幾何態(tài)上升管換熱器及余熱回收利用系統(tǒng)，在焦化廠6m焦?fàn)t實施上升管顯熱回收生產(chǎn)過熱蒸汽。

安鋼焦化廠對上升管荒煤氣余熱回收生產(chǎn)蒸汽有飽和蒸汽、過熱蒸汽兩種需求，因此需設(shè)計出并生產(chǎn)出符合Ⅰ型（飽和蒸汽）和Ⅱ型（過熱蒸汽）需求的不同上升管換熱裝置。于是，作為余熱回收系統(tǒng)的核心設(shè)備，上升管本體采用硅鋁合金復(fù)合材料，上升管余熱回收換熱裝置由內(nèi)、中、外等3個部分組成，由內(nèi)至外分別是內(nèi)壁、套管換熱器、外壁，消除了Ⅰ型和Ⅱ型周期性熱應(yīng)力破壞情況，并充分考慮了焦?fàn)t生產(chǎn)過程中的熱量急劇變化所帶來的熱振現(xiàn)象，外層保護(hù)層的膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)最大限度地消除了熱振應(yīng)力的負(fù)面影響，與傳統(tǒng)換熱器相比，具有耐高溫、耐磨、耐腐蝕、使用壽命長、換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，且能夠滿足余熱資源節(jié)能回收利用周期短、效果好的要求。

3 工藝流程

在安鋼6m焦?fàn)t7#、8#焦?fàn)t每座炭化室對應(yīng)的上升管單獨(dú)取熱。結(jié)合安鋼供應(yīng)焦化過熱蒸汽的并網(wǎng)需求，將每組焦?fàn)t按照9∶1的比例分別取熱生產(chǎn)飽和蒸汽和過熱蒸汽，同時上升管換熱裝置與蒸汽品質(zhì)進(jìn)行匹配性配置。以除氧水作為換熱介質(zhì)回收荒煤氣顯熱，荒煤氣在上升管中間自下而上導(dǎo)出，除氧水從100根上升管底部進(jìn)入，與向上導(dǎo)出的荒煤氣進(jìn)行換熱。除氧水經(jīng)過換熱在換熱裝置內(nèi)變?yōu)槠旌衔?，在換熱器裝置上部出口導(dǎo)出送至汽包，汽水混合物在汽包進(jìn)行分離，未汽化的水繼續(xù)通過強(qiáng)制循環(huán)泵循環(huán)進(jìn)入上升管換熱器進(jìn)行再次熱交換，分離出的飽和蒸汽（175℃，0.9MPa）從汽包輸出。飽和蒸汽再進(jìn)入其余10根上升管換熱器中，自上而下逆向和荒煤氣進(jìn)行換熱，飽和蒸汽被再次加熱生成0.9MPa，220～260℃的過熱蒸汽。具體流程如圖1所示。

4 優(yōu)化改進(jìn)

4.1 解決上升管內(nèi)壁結(jié)焦油問題

在荒煤氣的余熱回收過程中，當(dāng)荒煤氣被冷卻到一定的溫度時，荒煤氣中的焦油就會在換熱界面析出，而且荒煤氣冷卻溫度越低，冷凝在傳熱界面的焦油量就會越多。于是，根據(jù)安鋼配合煤成分分布比例，通過上升管溫度隨結(jié)焦時間變化呈現(xiàn)的溫度分布區(qū)間規(guī)律，確定荒煤氣換熱溫差。對焦?fàn)t上升管溫度進(jìn)行結(jié)焦時間內(nèi)的周期測量，尋求上升管溫度與結(jié)焦時間之間的函數(shù)關(guān)系，因上升管溫度范圍約在600～850℃，理論上實現(xiàn)全部余熱熱量回收可實現(xiàn)能源回收的最大化。實際生產(chǎn)中，在荒煤氣的余熱回收過程中，一旦荒煤氣余熱回收利用，荒煤氣溫度開始下降到800℃以下時，石墨的析出開始減緩，甚至不再析出；當(dāng)荒煤氣被冷卻到一定的溫度時，荒煤氣中的焦油就會在換熱界面析出，而且荒煤氣冷卻溫度越低，冷凝在傳熱界面的焦油量就會越多，造成內(nèi)壁空間縮小、傳熱系數(shù)降低。

對上升管進(jìn)行換熱量試驗，按照不同換熱量進(jìn)行溫度測量、換熱系數(shù)計算和內(nèi)壁附著物測定。同時焦化廠配合煤組分的差異會導(dǎo)致荒煤氣組分的差異。抽取6m焦?fàn)t的10根上升管，對換熱量及降溫點(diǎn)進(jìn)行試驗界定，保證上升管換熱后內(nèi)壁不能有附著物，觀察測量上升管溫度變化與焦油形成的對應(yīng)關(guān)系。對上升管進(jìn)行換熱量試驗，按照不同換熱量進(jìn)行溫度測量、換熱系數(shù)計算和內(nèi)壁附著物測定。經(jīng)試驗在荒煤氣余熱回收過程中荒煤氣中的焦油蒸汽受到冷卻或遇到冷的換熱界面（上升管內(nèi)壁）冷凝析出，荒煤氣冷卻溫度越低，焦油析出量就越大；當(dāng)上升管內(nèi)壁溫度為370℃以下焦油沉積物較多；當(dāng)內(nèi)壁溫度升到450℃以上時，焦油沉積物少且酥松。

圖1 上升管余熱回收生產(chǎn)過熱蒸汽流程圖

4.2 利用自動控制系統(tǒng)提高運(yùn)行穩(wěn)定性

為了避免因荒煤氣溫度降幅過大，上升管內(nèi)部焦油快速凝析，造成焦油掛結(jié)、結(jié)焦堵塞及因荒煤氣溫度過高上升管換熱器的換熱效率差等情況。在焦?fàn)t上升管換熱器出口法蘭處的測量口，連接電接點(diǎn)溫度計，溫度控制系統(tǒng)將電接點(diǎn)溫度計的溫度信號傳輸?shù)?PLC總控制系統(tǒng)，焦?fàn)t上升管熱換器進(jìn)水閥門為自動調(diào)節(jié)閥并與 PLC 總控制系統(tǒng)連接，強(qiáng)制循環(huán)泵采用變頻電機(jī)。上升管換熱器的進(jìn)水調(diào)節(jié)閥門根據(jù)換熱器出口荒煤氣的溫度檢測和設(shè)定，自動調(diào)節(jié)進(jìn)水流量的大小，這樣最大限度地利用了上升管的荒煤氣的余熱，保證在存在大量荒煤氣的時候，出口溫度不小于 450℃，控制了焦油的凝析吸附和石墨的生長。

4.3 實現(xiàn)“分段取熱、多級換熱”

每座焦?fàn)t進(jìn)水管網(wǎng)，設(shè)計為每5個上升管為一分段，55孔焦?fàn)t分11個控制段，梯級分配、分組控制的原理是每段有分閥、每個上升管又有單個控制閥，有利于區(qū)域工藝調(diào)控和縮小檢修影響面，可實現(xiàn)區(qū)域進(jìn)出水汽的量位調(diào)節(jié)，實現(xiàn)區(qū)域換熱量和溫度的調(diào)控。經(jīng)過計算確定了采用分段和分介質(zhì)進(jìn)行換熱，將全部110個上升管中的100個上升管換熱器（Ⅰ型）用來利用除氧水換熱生產(chǎn)飽和蒸汽，再利用剩余的10個上升管換熱器（Ⅱ型）將飽和蒸汽進(jìn)行過熱，提高其過熱度，達(dá)到200～260℃以上，在不增加其他換熱資源的基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)有上升管荒煤氣的熱量，合理進(jìn)行分配換熱，生產(chǎn)過熱蒸汽，從而滿足生產(chǎn)用蒸汽需求。

5 效益分析

該項目自2017年1月在安鋼焦化廠投用至今已安全穩(wěn)定運(yùn)行3年，上升管換熱器運(yùn)行正常，內(nèi)部幾乎無結(jié)焦現(xiàn)象，外部沒有腐蝕情況發(fā)生。

節(jié)能方面：7#、8#焦?fàn)t上升管每年穩(wěn)定產(chǎn)出0.9MPa，220℃以上過熱蒸汽超過8.8萬t。

發(fā)電效益：焦化廠生產(chǎn)可以減少10t/h的動力蒸汽供應(yīng)量，每年可以增加發(fā)電量2220.3萬kWh，發(fā)電效益1243.37萬元。

環(huán)保方面：年減排CO2約2.298萬t，減排SO2約0.0682萬t，減排NO2約0.0341萬t。

6 結(jié)語

焦?fàn)t荒煤氣顯熱回收利用技術(shù)對焦化行業(yè)節(jié)能降耗、綠色發(fā)展意義重大。焦?fàn)t上升管生產(chǎn)過熱蒸汽在安鋼的應(yīng)用屬于國內(nèi)首創(chuàng)，安鋼焦化廠6m焦?fàn)t屬于第一個生產(chǎn)過熱蒸汽的焦?fàn)t，具有里程碑式的示范意義及推廣價值。該技術(shù)提高了上升管換熱器的換熱效果及使用壽命，顯著降低碳、硫、氮氧化物的排放，對改善大氣環(huán)境具有積極的正面作用。