副省煤器在干熄焦裝置中的優化設計

馬金祥，陳 軍，陸桂清

（南京圣諾熱管有限公司，江蘇南京 210009）

引言

1 副省煤器的應用現狀

干（法）熄焦（Coke Dry Quenching，簡稱CDQ）技術是相對于用水熄滅熾熱紅焦的濕熄焦技術而言的，是目前國內外廣泛應用的一項節能技術［1］。在干熄焦裝置中，副省煤器用于發電汽輪機凝結水與鍋爐尾部循環氣體進行換熱，降低進入干熄焦爐的循環氣體溫度的同時，提高除氧器給水溫度，達到提升余熱回收效率的重要設備。其換熱效果直接影響干熄爐入口循環氣體溫度，進而影響排焦溫度，對干熄焦系統的運行效率產生較大影響［2-3］。

結合某230 t/h 干熄焦余熱鍋爐系統配套副省煤器設備工藝條件，針對進入副省煤器除氧水溫度不同的兩種工藝路線，從經濟性、可靠性等方面進行了比較分析。

干熄焦鍋爐的省煤器和副省煤器一般采用碳鋼管做受熱面管子，耐腐蝕性能較差，一般在3～5年內普遍會出現因腐蝕而漏水的現象，設備壽命一般只有5～8年。副省煤器作為干熄焦鍋爐發電系統凝結水加熱器，受低溫煙氣露點腐蝕影響，發生漏水的概率更高，使用壽命更短［4-5］。

現階段，干熄焦副省煤器的從結構樣式主要為普通管式和徑向偏心熱管式兩種；從強化方式可以分為光管式和翅片管式（螺旋翅片、H型翅片等）；從熱力效果方面分為自循環加熱引入方式和正常溫度引入方式。

1.1 副省煤器樣式

副省煤器結構樣式大體上可以分為兩種，普通管式和徑向偏心熱管式。

普通管式副省煤器由若干根換熱管組成，換熱管置于煙氣通道內，煙氣橫向掠過翅片及基管直接加熱管內的給水，熱量直接傳遞與給水。這種換熱樣式應用在氣體-水換熱上傳熱系數高，熱阻小等優點，但單根換熱管的損壞，很容易造成整個換熱器的停運甚至影響整個工藝的運行。見圖1。

徑向偏心熱管式副省煤器由許多根雙管偏心熱虹吸管元件（即徑向偏心熱管）組合而成，熱管的受熱段置于煙氣通道內，煙氣橫向掠過翅片式熱管并放熱給外套管，加熱外套管內的工質，使得工質吸熱汽化，由于套管內高度真空，熱量十分迅速地通過偏心內管傳遞與給水。外部給水的整個加熱流程不受煙氣的直接沖刷影響，獨自走管程，每支熱管元件在換熱器箱體內無焊縫，避免了熱管內的水泄漏，確保生產連續。熱管受熱段采用高頻焊翅片管強化傳熱，使整套設備傳熱效率高，設備結構緊湊和煙氣流動阻力小。見圖2。

圖2 徑向偏心熱管剖視圖

1.2 副省煤器的傳熱強化方式

強化方式可以分為光管式和翅片管式，翅片管結構又分螺旋翅片、H型翅片等，其中螺旋翅片主要有高頻焊螺旋翅片管和整體梯形螺旋翅片管。

（1）光管為換熱管上不做任何強化換熱的措施，主要用在含塵量大，且粉塵具有一定粘附性的環境中換熱。

（2）高頻焊螺旋翅片

高頻焊螺旋翅片管是由翅片與基管之間采用機械纏繞產生接觸壓力，并利用高頻電流，流經兩者接觸面產生的電阻熱使翅片和基管之間熔合而成。由于生產效率高，傳熱性能好而被廣泛應用，是目前應用領域最廣的翅片管之一［6］。

（3）整體梯形螺旋翅片管

整體梯形螺旋翅片管是采用厚壁無縫鋼管（坯管）在中頻連續加熱的情況下，使管子經過擠壓、軋制而一次成形。

（4）H型翅片管

H型翅片管是近年應用于鍋爐尾部煙氣余熱回收類的換熱器。換熱管和翅片一般可以為碳鋼、合金鋼或不銹鋼材質。翅片厚度一般為1.5～2.5 mm、節距13～25 mm、翅片高度80×80～100×100 mm。翅片與基管之間采用接觸式高頻電阻焊，利用高頻電流，流經兩者接觸面產生的電阻熱使翅片和基管之間熔合。

1.3 副省煤器冷源引入方式

目前副省煤器冷源引入方式從熱力效果方面分為自循環加熱引入方式和正常溫度引入方式。

1.3.1 自循環加熱引入方式主要由副省煤器、水水換熱器以及相關管路、調節系統組成。

副省煤器冷源引入方式采用自循環加熱引入的優點：

（1）冷源引入溫度可以得到有效提高，降低防腐投資；

（2）冷源引入溫度提高后，副省煤器換熱管壁溫提高，壁面積灰會得到改善；

（3）將冷源引入溫度提高后，可以采用翅片強化傳熱，如H 型翅片或整體螺旋翅片，降低副省煤器空間需求量及管材使用量。

缺點：

（1）由于需要對副省煤器冷源引入溫度進行控制，因此系統較復雜，需要增加一條水水換熱器以及相應的控制措施；

（2）因副省煤器冷源引入溫度提高，冷熱流體傳熱平均溫差變小，同樣的傳熱量情況下，根據相關理論［10］，會造成總換熱面積A相應增大。

1.3.2 正常溫度引入方式主要由副省煤器及相關管路、調節系統組成。

副省煤器正常溫度引入方式采用冷源直接引入的優點：

（1）系統簡單，無需對副省煤器進口水溫進行控制；

（2）因副省煤器冷源引入溫度較低，冷熱流體傳熱平均溫差提高，同樣的傳熱量情況下，會使總換熱面積A相應減小。

缺點：

（1）冷源引入溫度較低，常規為20～40 ℃，壁溫低于酸露點溫度，要采用深度防蝕材料；

（2）冷源引入較低的情況下，副省煤器換熱管壁溫接近水露點，換熱面積灰現象嚴重，而且多為粘附性粉塵。

綜合以上分析，副省煤器強化方式基于冷源引入方式的不同，而選擇適用不同工藝路線的強化方式，例如采用副省煤器自循環加熱引入方式，由于進口水溫的提高，可以選擇翅片方式，對于循環氣體含塵量較大的情況，可以選擇H 型翅片或整體螺旋翅片；采用副省煤器正常溫度引入方式，由于進口水溫低，換熱管壁溫較低，因此考慮積灰及腐蝕情況，因此不建議用翅片管。

2 副省煤器系統工程應用

2.1 案例介紹

某焦化廠230 萬t/a 焦化項目，擬新建2×70 孔7.65 m 大容積頂裝焦爐，年產焦炭230 萬t。副省煤器主要技術數據如表1、表2所列。

表1 技術數據

表2 循環氣體成分范圍 %

2.2 副省煤器系統

副省煤器裝置安裝在循環風機出口至干熄爐入口間的循環氣體管路上，從循環氣體中回收的熱量加熱發電汽輪機凝結水，節約除氧器的蒸汽耗量從而降低整個干熄焦的能耗。

針對副省煤器冷源引入方式的不同，分為兩種工藝路線，對兩種工藝路線的優缺點進行分析。（1）冷源引入方式采用自循環加熱引入路線，換熱管采用管式，并且換熱管采用翅片強化傳熱；

（2）冷源引入方式采用直接引入路線，換熱器管采用熱管，并且考慮管壁溫度較低，換熱管采用光管。

2.2.1 自循環加熱引入方案

自循環加熱引入方案系統由副省煤器、水水換熱器、工藝管道、閥門以及電儀自控儀表組成（圖3所示）；通過水水換熱器將20～40 ℃的除鹽水加熱至約65 ℃進入副省煤器，提高副省煤器最低管壁溫度，有效防止粉塵在換熱管上的粘附。

副省煤器換熱管采用翅片管。

由圖3 中可以看出，自循環加熱引入方式主要目的是控制進入副省煤器的凝結水水溫在約65 ℃；根據圖4 腐蝕速度與換熱管管壁溫度關系曲線；換熱管壁溫65～90 ℃之間的煙氣低溫腐蝕較輕（年腐蝕速率≤0.1 mm）。

圖3 自循環加熱引入方案

圖4 腐蝕速度與換熱管管壁溫度關系

根據換熱管壁溫及腐蝕速率分析，副省煤器換熱管采用ND鋼，保證換熱管使用壽命在10年以上。其化學成分見表3，ND 鋼（09CrCuSb）的主要特點是在中溫濃度的硫酸（如50 ℃、50%H2SO4溶液）中表面產生鈍化，形成一層富含Cu、Cr、Sb等合金的保護層，因而具有較高的耐硫酸腐蝕的能力。常見材料耐硫酸露點腐蝕性能比較見表4［4］。

表3 ND鋼（09CrCuSb）——GB 150.2-2011中的化學成分 %

表4 常見材料耐硫酸露點腐蝕性能比較

2.2.2 正常溫度直接引入方案

正常溫度直接引入方案系統由副省煤器、工藝管道、閥門以及電儀自控儀表組成（圖5所示）；直接將20～40 ℃的除鹽水送入副省煤器，管壁溫度較低，換熱器管采用熱管，并且考慮管壁粘灰，換熱管采用光管設計。

圖5所示的是副省煤器系統對進水溫度沒有控制，這個流程相對于自循環加熱方式方案簡單許多，由于取水點溫度（案例中此點水溫度約30℃）較低，可能發生嚴重的低溫腐蝕；從投資成本上考慮，采用碳鋼熱管+搪瓷防腐技術，這兩種技術的結合可以解決低溫或露點溫度以下換熱管金屬壁面的腐蝕問題，延長換熱管的使用壽命，同時達到換熱管壁面防結垢與抗銹垢能力，提高換熱效率；保證換熱管更換壽命大于10年［11］。

圖5 正常溫度直接引入方案

2.3 副省煤器系統經濟性初步分析

自循環加熱引入方式副省煤器為方案一；正常溫度直接引入方式為方案二；案例中副省煤器的運行參數對比見表5。

表5 副省煤器運行參數

具體投資分析見表6。

表6 副省煤器投資分析 單位：萬元

3 結論

由上述投資比較分析可以看出，方案一和方案二煙氣降溫幅度一致，熱量回收相同，雖然方案二工藝系統簡單，但投資較大，而且副省煤器耗鋼量相對大很多，因此推薦采用方案一。

方案一自循環加熱引入方式副省煤器從系統上看比較復雜，但提高了副省煤器進口水溫，有效的降低了換熱管的腐蝕。采用了防積灰、強化傳熱的翅片管，減少了副省煤器的換熱面，降低了設備投資；但考慮到副省煤器上方的循環氣體旁通管道中不斷有水滴到副省煤器的受熱面上，會造成副省煤器受熱面的酸腐蝕［12］，因此在副省煤器的末排采用防腐性能更好的材料或者措施，也是值得探究的一個方面。

方案二正常溫度直接引入方式副省煤器，系統簡單，但將循環氣體最可能發生的換熱面腐蝕、積灰都放在防腐方面，雖然采用了熱管+搪瓷技術，由于進口水溫較低，仍可能存在因搪瓷管制作、運輸、安裝過程中隱患造成整體設備壽命得不到保障。

隨著國家對企業環保節能要求的日益嚴格，以及干熄焦裝置越來越普及，成熟的副省煤器的設計路線，可以有效延長副省煤器的使用壽命，對國內大型干熄焦裝置副省煤器的設計具有一定的借鑒意義。