焦爐上升管蒸發(fā)器失效分析和系統(tǒng)優(yōu)化

蔣 玄，江 靜

(馬鋼股份公司煉焦總廠 安徽馬鞍山 243000)

1 概況

2020年，我國生產(chǎn)焦炭約5億噸，如果按每生產(chǎn)1噸紅焦的高溫荒煤氣余熱回收后至少能產(chǎn)生0.1噸0.6 MPa飽和蒸汽，如果全部回收利用，則至少可回收5萬噸0.6 MPa的蒸汽，折合標煤約500萬噸，可減排二氧化碳量1300萬t/a，節(jié)能潛力巨大，荒煤氣熱能回收應用具有廣闊的應用前景及經(jīng)濟效益，其低碳、節(jié)能減排的社會效益顯著，行業(yè)運用前景巨大。隨著國家節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)政策的不斷推進，近年來不少焦化企業(yè)逐漸投用了焦爐上升管余熱回收技術，由于初期技術原因，多家企業(yè)投用該技術不久后就停用了。本單位6米焦爐上升管余熱回收系統(tǒng)因進行了技術改進和優(yōu)化，自2016年投產(chǎn)以來運行一直穩(wěn)定，現(xiàn)場自動化集成度高，基本做到免維護。

2 上升管蒸發(fā)器機構原理

上升管余熱利用換熱裝置結構為夾套內管銑槽式型，內管外壁銑成多條凹型槽加緊密外夾套，外加保溫層外套，上下是碳鋼(不銹鋼)法蘭連接。中心管程為圓柱形荒煤氣通道，管壁夾套為汽水通道，蒸發(fā)器整體為合金無縫鋼管，無焊縫；同時上升管換熱器內管壁，經(jīng)過特殊工藝處理涂覆有保護層作為主要受熱面，采用耐腐蝕和耐高溫性的材料，解決了上升管內壁耐腐蝕和耐高溫的問題；上升管換熱器外壁，采用抗腐蝕和氧化的不銹鋼材質，最大程度的適應了焦爐的運行環(huán)境。此種結構優(yōu)點有結構簡單，不易結焦，能調控出口溫度，外壁溫度低于90 ℃以下。主要缺點有機加工成本高，槽內易產(chǎn)生堵塞，內管一旦堵塞會斷水產(chǎn)生空燒，如果銑槽不均勻內管剛性就會降低，不能產(chǎn)生壓力等級相對高的蒸汽，易受外力擠壓產(chǎn)生癟管現(xiàn)象。

3 失效力學分析

由于焦爐上升管底部末期溫度為1000±50 ℃高溫，且荒煤氣成分含有H、HS、NH等導致金屬性能降低等成分，普通材料無法發(fā)揮出正常的材料力學性能。容易發(fā)生換熱器內部破裂導致漏水(見圖1)，損壞焦爐炭化室爐墻硅磚。

圖1 蒸發(fā)失效狀況

換熱器材質以15CrMo和20 g為主，常溫下抗彎曲、抗沖擊和抗拉性能良好。換熱器內部循環(huán)倍率過低導致?lián)Q熱不均，過度追求噸焦蒸汽產(chǎn)量或蒸汽品質將影響換熱器工作穩(wěn)定。一般換熱器內部通水換熱后，內壁溫度控制在300 ℃以下，金屬屈服強度保留有常溫時的80%左右為宜。當循環(huán)倍率過低或噸焦產(chǎn)汽量過高時，換熱器金屬溫度達到400 ℃甚至更高后(見圖2)，金屬屈服強度迅速降低至原來的60%甚至更低，此時蒸汽溫度越高壓力也越高，高溫高壓加劇了換熱器高溫面的破壞程度。一般換熱器內部壓力控制在0.8 MPa-1.2 MPa為宜，過高壓力甚至產(chǎn)生過熱蒸汽時，將大幅降低換熱器使用壽命。

圖2 主要金屬屈服強度和溫度關系

4 系統(tǒng)優(yōu)化和改進

4.1 蒸發(fā)器材質與結構優(yōu)化

蒸發(fā)器內管采用壁厚22 mm的無縫鋼管，材質選用15CrMo。內管外經(jīng)銑床加工8×6的凹槽進行水循環(huán)產(chǎn)生蒸汽，進出口均用法蘭形式連接，以達到高效換熱的效果。夾套外壁厚8 mm20 g無縫管作為防漏水保護。

外壁用硅酸鋁板保溫，外加5 mm不銹鋼板，外壁溫度能保證在90 ℃以下。這樣焦爐上升管周圍可以大幅度降低溫度。

在內外夾套中間增加同材質的膨脹節(jié)，以調節(jié)整體變形處理。

上升管上部連接法蘭用不銹鋼鍛件。厚度為34 mm—36 mm。下部插入爐體部分用耐高溫不銹鋼制作，以防長時間高溫的燒烤產(chǎn)生變形。

4.2 蒸發(fā)器內部涂層

內壁噴涂LED單晶硅和氧化鋁混合物1 mm涂層，防止了內壁結焦，并與內管的熱膨脹系數(shù)吻合，不會有裂縫現(xiàn)象出現(xiàn)。噴涂工藝尤為重要，直接影響圖層使用壽命和防結焦性能。上升管換熱器內壁表面均勻光滑，無死角，不易凝結，從而盡可能的降低了焦油在內壁的凝結結焦。本系統(tǒng)自投用運行6年以來，基本免維護，上升管內部清掃勞動強度極大降低。

4.3 設置蒸發(fā)器管程溫度檢測報警系統(tǒng)

由于現(xiàn)場工況惡劣等各種突發(fā)狀況的發(fā)生，容易導致上升管蒸發(fā)器內部破裂，水將涌入炭化室，對炭化室產(chǎn)生破壞、甚至發(fā)生蒸發(fā)器爆炸等重大危險情況的發(fā)生。不僅對焦爐的生產(chǎn)產(chǎn)生重大的影響，同時還有可能存在重大的安全隱患。針對蒸發(fā)器運行工況方面，本單位系統(tǒng)投運初期安裝了溫度監(jiān)控系統(tǒng)(見圖3)，并申報了溫度檢測和控制相關知識產(chǎn)權。每根上升管都安裝了測溫元件，連續(xù)不斷對每一根蒸發(fā)器進行溫度跟蹤測量并實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲處理。一旦上升管蒸發(fā)器管路發(fā)生堵塞、突然停供應介質、以及上升管蒸發(fā)器發(fā)生泄漏時，提前測得蒸發(fā)器溫度的變化，當上升管溫度超過設定預警值，報警裝置就會立刻報警。

圖3 蒸發(fā)器溫度監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)溫度變化情況判斷蒸發(fā)器的運行狀態(tài)，給整個焦爐上升管余熱回收系統(tǒng)提前預警，提醒崗位操作人員、工程技術人員及時檢查、采取防范措施。防止蒸發(fā)器內部漏水損壞炭化室爐墻、蒸發(fā)器缺水燒壞以及堵塞等原因造成的爆炸的情況的發(fā)生。后期還將實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲分析后上傳云端，通過手機APP實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)隨時隨地查詢。

4.4 熱力系統(tǒng)改進

由于上升管余熱回收技術近幾年才在焦爐上大量運用，各家系統(tǒng)和材質存在不足之處。如：由于上升管蒸發(fā)器進水閥位置設置不合理，導致爐頭邊火道測溫困難；噸焦產(chǎn)氣量隨著內部結焦增多而降低；循環(huán)倍率過高系統(tǒng)產(chǎn)生振動和噪音；熱力系統(tǒng)自動壓力平衡放散等，后期均進行了優(yōu)化改進，實現(xiàn)了系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定可靠的效果。

表1:余熱回收投用后上升管表面溫度/℃

5 結語

焦爐上升管余熱利用蒸發(fā)器隨著內部工作溫度的升高噸焦產(chǎn)氣量上升，蒸發(fā)器使用壽命相應縮短。

增加內壁涂層有效減少石墨沉積，緩解因結焦影響換熱效率。

采用換熱器溫度監(jiān)測預警系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)、有效追蹤換熱異常工況，避免蒸發(fā)器失效漏水情況發(fā)生。

合理制定熱力系統(tǒng)循環(huán)倍率直接影響蒸發(fā)器使用壽命。