攀鋼初冷器存在的問題及改進措施探討

朱玉萍，王 鋼

(攀鋼釩煉鐵廠，四川攀枝花617000)

焦爐炭化室出來的荒煤氣在進入凈化系統前的溫度還相當高，煤氣中還含有大量的焦油汽和含氨水汽，須在初冷器中進一步冷卻，并將大部分含萘焦油汽、含氨水汽以及荒煤氣夾帶的粉塵冷凝下來［1］。初冷器是煤氣凈化的重要設備，出初冷器的煤氣集合溫度，煤氣中的萘以及煤氣中夾帶的煤粉焦粉(俗稱焦油渣)等指標達不到工藝條件要求，將嚴重影響煤氣輸送和后部凈化系統的正常運行。

1 工藝簡介

攀鋼釩煉鐵廠二期初冷系統采用橫管式初冷器對焦爐炭化室來的荒煤氣進行間接冷卻，在初冷器內，煤氣走管外，冷卻水走管內，兩者逆流經換熱管管壁間進行換熱，使煤氣冷卻。煤氣從上往下通過初冷器，冷卻水自每個冷卻段的下部進入，其中初冷器上段(高溫段)采用循環水冷卻，初冷器下段(低溫段)采用16℃低溫水冷卻，以保證煤氣集合溫度滿足煤氣凈化的要求。在初冷器殼程的各段上部均設置了冷凝液噴灑裝置，采用噴灑液連續噴灑以清洗管外壁沉積的焦油渣和萘，同時還從煤氣中吸收部分萘，工藝流程見圖1。

2 攀鋼初冷器存在的問題

攀鋼釩煉鐵廠二期初冷器設計有5臺橫管式初冷器(4開1備)，處理煤氣量90 000 Nm3/h，初冷器出口煤氣集合溫度不高于23℃，初冷器阻力不大于1500 Pa，初冷器共兩段冷卻，兩段均有混合液噴灑，各有7根直徑50 mm的噴灑管，初冷器未設置斷液盤。2012年開始，攀鋼煉鐵廠兩期的初冷器均開始出現以下問題。

2.1 使用壽命短

攀鋼原初冷器使用壽命與國內其它焦化廠相差不大，一般使用壽命7-8年，但從2012年開始初冷器的使用壽命基本只能達到3-4年，解剖更換下來的初冷器，問題主要由換熱管和初冷器花板泄漏引起，其中花板泄漏的問題更嚴重，迫使更換初冷器換熱管或整體更換初冷器。初冷器泄漏致使冷卻水漏入氨水系統，增加焦化廢水處理量，分析攀鋼近幾年初冷器泄漏情況，每臺初冷器的泄漏大約在10-20噸/小時，這部分水漏入系統進入廢水系統，增加蒸氨負荷和生化廢水處理量。

圖1 攀鋼二期煤氣初冷器流程圖

2.2 焦油渣、萘堵塞初冷器換熱管

攀鋼初冷器大修更換下來的換熱管及堵塞物情況見圖1、圖2所示。

圖2 攀鋼二期3號初冷器換熱管積壁渣圖

由于荒煤氣中的煤粉、焦粉未在初冷器中去除徹底，進入后部煤氣凈化系統，導致初冷器出口煤氣管道、電捕焦油器堵塞，煤氣鼓風機阻力增加，鼓風機轉子出現磨損問題，影響煤氣輸送，另外廠外煤氣管線也出現了粉塵堆積問題。

2.3 煤氣集合溫度嚴重高于設計值

目前煤氣集合溫度長期處于30℃以上，嚴重時高于40℃，由于集合溫度高，凈化后的煤氣含氨、硫化氫指標一直不能達標，見表1。

圖3 攀鋼二期3初冷器換熱管壁清除下來的積渣

表1 凈化后煤氣質量指標(mg/Nm3)

3 原因分析

3.1 使用壽命短的原因

初冷器換熱管板(俗稱花板)與換熱管的連接方式主要有脹接、焊接、脹焊并用等方式。脹接方式是目前通用的方法，主要是利用換熱管與管板在外力作用下產生的彈塑性變形之差異，將二者緊密結合在一起，從而達到密封緊固目的的連接工藝。而機械滾脹法是目前應用最廣的脹接技術。該方法由于滾子的反復滾壓作用，使得管子被脹部分的內壁粗糙，殘余應力高，容易造成管子被脹部分的材料冷作硬化，致使該部分耐腐蝕性能降低，該方法施工過程勞動強度大，脹管率的精確控制有一定的難度，且由于反復受壓次數多且碾壓力大，使換熱管內表面的金屬表層發生剪切疲勞裂紋，嚴重時就變成表層金屬的起鱗樣破壞，為以后的生產留下隱患，降低整臺初冷器的壽命。特別是對于初冷器因花板與換熱管間泄漏而更換換熱管的檢修，由于花板已經使用過，容易出現花板孔徑不一致及腐蝕性物質殘留等問題，導致初冷器換熱管與花板在生產使用過程中出現換熱管與花板之間連接失效，花板快速泄漏。

3.2 換熱管堵塞的原因

3.2.1 高壓氨水壓力控制過高

隨著環保要求的日益嚴格，為保證焦爐不冒煙，生產操作中不斷提高高壓氨水的壓力，一期高壓氨水壓力從24-28 kg/m2提高到32-36 kg/m2，二期高壓氨水壓力從18-22 kg/m2提高到的32-36 kg/m2。由于高壓氨水壓力提高，從焦爐炭化室帶入荒煤氣中的焦煤、煤粉量加大，增加了初冷器脫除粉塵的負荷。攀鋼焦油中喹啉不溶物和甲苯不溶物含量不斷升高就是由于煤粉、焦粉進入焦油中的量增加導致，見表2［2］。

表2 攀鋼原料焦油喹啉不溶物和甲苯不溶物含量統計結果(%)

3.2.2 混合液噴灑量小

初冷器不僅肩負煤氣冷卻，還有通過循環混合液除萘和焦油渣的功能，混合液噴灑量小帶來兩方面的問題：一是煤氣中的煤粉、焦粉不能充分在初冷器中脫除出來，形成焦油渣進入后部工序，堵塞后部工序的設備(電捕焦油器、鼓風機等)和管線，二是不能充分溶解吸收煤氣中的萘。據資料介紹，50℃以上時萘幾乎不會從煤氣中析出，當煤氣溫度低于50℃時將會有大量的萘析出，這就需要大量的混合液沖刷溶解吸收，噴淋量小，達不到沖刷吸收的效果，易造成初冷器下段的堵塞。攀鋼初冷器未設置斷液盤，下段噴灑液除溶解吸收萘外，還需要依靠大量的噴灑液將上段脫除下來的焦油渣帶出初冷器，而攀鋼初冷器的噴灑液流量僅為45 m3/h(見表3)，且上下段的噴灑管經常堵塞不能及時發現也不能及時處理，造成了噴灑盲區，也降低了噴灑液的洗滌效果。

表3 國內部分單位初冷器混合液噴灑量參數統計情況(m3/h)

從表3數據可見：攀鋼二期初冷器混合液的噴灑量遠低于設計值和同類企業的生產控制值。

3.3 煤氣集合溫度高的原因

根據文獻［2］可知換熱器的傳熱系數公式為：

式中：hi、ho——分別為換熱管的內、外側表面傳熱系數；

do、di——分別為換熱管的內外管徑；

RW、Rf——分別為管壁導熱熱阻及污垢熱阻。

從上式可見，對已投用的換熱器，傳熱系數只受污垢熱阻的影響。初冷器的污垢熱阻分為水側污垢熱阻和煤氣側污垢熱阻，水側的污垢熱阻主要是由冷卻水對碳鋼結構腐蝕所引起的，冷卻水中的溶解固形物和懸浮物等逐步累積會使循環水結垢增加熱阻。攀鋼設置了循環水管控系統，通過加入阻垢劑、緩蝕劑等化學藥劑對結垢和腐蝕有一定的控制作用。管外熱阻主要是由于焦爐煤氣中的焦油渣沉積以及萘隨著煤氣溫度降低冷凝附著在管壁上所引起的。從攀鋼初冷器換熱管的堵塞情況分析，受煤粉、焦粉大量沉積在初冷器換熱管表面的影響，換熱管的傳熱系數會大幅度下降，在傳熱面積不變的情況下，換熱效率會受極大影響，導致煤氣集合溫度無法達到設計值，從而影響凈化煤氣質量。

另一方面，由于攀鋼初冷器無斷液盤，上段噴灑的冷凝液未引出初冷器而一直流到底部，這樣不僅增加了初冷器下段的熱負荷，而且將在上段吸收的大量的萘、焦油渣引入下段，增加了下段的污垢熱阻。

4 改進方案設計

初冷器改造必要條件：初冷器殼體利舊，改造后的操作重量不超過現有操作重量且實現煤氣集合溫度不高于24℃。

4.1 改進初冷器結構及焊接工藝

4.1.1 增設斷液盤

在初冷器上下段中間設置斷液盤，將上段煤氣中脫除下來含煤粉焦粉以及萘的冷凝液在斷液盤處匯集，通過下液管引出初冷器，避免煤粉焦粉和萘進入初冷器下段累積堵塞下段換熱管影響換熱效率。

4.1.2 增設空噴段

在初冷器上段增設空噴段：拆除初冷器上段部分換熱管，在初冷器頂部開4個DN250的安裝孔以及在煤氣進初冷器處設置1個DN300的安裝孔，每個初冷器安裝5支噴淋裝置。

4.1.3 換熱管更換為三維波紋管強化傳熱效果

由于初冷器上段拆除了部分換熱管，換熱面積將減少，為保證煤氣冷卻效果，將現有換熱管更換為傳熱效率更高的三維波紋管。由于三維波紋管設計有波峰和波谷，在波峰處流體速度降低，靜壓增加，在波谷處流速增加，靜壓降低，流體流動在反復改變軸向壓力梯度下進行，產生劇烈的漩渦，提高傳熱效果，和普通換熱管相比，在相同條件下可提高換熱效率20%以上，該換熱管已在本溪焦化廠得到成功應用。

4.1.4 焊接工藝改進

在新建初冷器時采用漲焊結合的制作工藝，即在首次花板與換熱管連接的過程中，采用液袋脹管+花板口焊接相結合的施工方案，既確保花板與換熱管的緊密連接，又利用焊接連接有利于增強花板與換熱管抗拉脫和耐振動的優勢，有效發揮了耐腐蝕材質的優勢，從而實現初冷器的長壽化。

4.2 改造混合液噴灑系統

1)新建1個200 m3的混合液槽，作為初冷器下段混合液噴灑；

2)新建2臺流量240 m3/h的混合液噴灑泵(1開1備)，用于初冷器上段噴灑；

3)新建2臺流量440 mm3/h的混合液噴灑泵(1開1備)，用于初冷器下段噴灑；

4)對現有混合液噴灑管道進行改造，各管段的管徑結果見表4。

表4 混合液噴灑管段計算結果(mm)

改造后工藝流程圖見圖4。

圖4 初冷器改造后工藝流程圖

5 結論

1)初冷器花板與換熱管采用脹接技術容易造成被脹部分的內壁粗糙，殘余應力高，換熱管內表面的金屬表層發生剪切疲勞裂紋，造成脹接部分的耐腐蝕性能降低。

2)高壓氨水壓力控制高，從焦爐炭化室帶入荒煤氣中的煤粉、焦粉量加大，增加了初冷器脫除粉塵的負荷，而初冷器混合液噴灑液量小，導致從煤氣中洗滌下來的粉塵不能全部帶出初冷器而沉積在初冷器換熱管上影響換熱效果，進而影響煤氣集合溫度。

3)初冷器增設斷液盤和空噴段，換熱管更換為三維波紋管強化傳熱效果，采用液袋脹管+花板口焊接相結合的施工技術以及增加混合液噴灑量，預計初冷器的使用壽命可以延長到7年以上，可有效解決初冷器換熱管沉渣影響換熱效率的問題。