焦爐上升管換熱器第二次中試研究

馬慶磊

摘要：文章通過第二次中試，改進上升管換熱器結構，優(yōu)化余熱回收系統(tǒng)，上升管換熱器充分回收了荒煤氣的熱量，內(nèi)壁光滑無結焦，上升管表面溫度低至45℃，有效改善焦爐爐頂工作環(huán)境，提高余熱回收系統(tǒng)自動化程度，數(shù)據(jù)自動采集，實現(xiàn)了全自動化運行。

關鍵詞：焦爐荒煤氣；上升管換熱器；余熱回收；自動化；第二次中試 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ520 文章編號：1009-2374（2016）18-0032-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.017

1 概述

本文研發(fā)的上升管換熱器在江蘇沙鋼集團焦化廠進行第一次中試研究，結果表明，此上升管換熱器采用新型耐高溫材料與獨特的換熱結構，可以回收上升管內(nèi)荒煤氣的熱量，每噸焦可產(chǎn)0.6MPa飽和蒸汽115kg；上升管表面溫度與原來相比，下降了150℃，較大程度上改善了焦爐爐頂上升管區(qū)域的工作環(huán)境；上升管換熱器經(jīng)過長時間（96小時）斷水干燒不會發(fā)生變形、破裂等。本文研發(fā)的上升管換熱器已基本取得成功。但是，第一次中試存在不少不足之處，如系統(tǒng)操作自動化程度不高，系統(tǒng)運行需要大量的人工手動操作；上升管換熱器表面溫度依然相對較高，并且內(nèi)壁有少許結焦。

針對第一次中試中存在的問題，本文對上升管換熱器進行結構優(yōu)化，重新設計開發(fā)一套自動化預熱回收系統(tǒng)，再次在沙鋼焦化廠進行了中試。

2 中試研究內(nèi)容

第二次中試依然在沙鋼焦化廠6米焦爐上進行。本次中試采用兩臺上升管換熱器，分別更換焦爐原108#、109#上升管，兩個上升管所對應的炭化室推焦時間最短間隔為7.5小時。

本次中試主要考察上升管換熱器的換熱效果（即蒸汽產(chǎn)量）、內(nèi)壁結焦情況、漏水情況及干燒情況，并且考察預熱回收系統(tǒng)自動運行情況。

3 中試設備及工藝流程

3.1 中試設備

中試設備包括兩臺上升管換熱器和一套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(nèi)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(huán)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、進水電動調(diào)節(jié)閥、進水流量計、荒煤氣進出口熱電偶、控制電柜、無紙記錄儀以及配套管路等。

第一，汽包筒體為圓柱形，兩端為橢圓形封頭，循環(huán)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(nèi)部，汽水混合物受到擋板阻隔折流以利于水位的穩(wěn)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(huán)泵為2臺，1用1備。強制循環(huán)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(wěn)定。

3.2 中試工藝流程

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(jīng)過汽包內(nèi)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(huán)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(chǎn)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(jīng)過流量計送出，未汽化的水再次進入系統(tǒng)循環(huán)換熱，如此循環(huán)產(chǎn)生符合需要壓力的飽和蒸汽。

本次中試工藝流程與第一次中試基本相同，但在系統(tǒng)控制上做了如下改進：上升管換熱器進水量根據(jù)荒煤氣出口溫度自動調(diào)節(jié)；蒸汽出口設有自力式調(diào)節(jié)閥，可根據(jù)壓力自動調(diào)節(jié)蒸汽流量；緩沖水箱進水由電磁閥根據(jù)液位自動控制；汽包補水泵根據(jù)汽包液位自動開啟補水；兩臺強制循環(huán)泵根據(jù)運行情況自動切換；數(shù)據(jù)采集記錄采用無紙記錄儀，可實時存儲試驗數(shù)據(jù)。

4 中試數(shù)據(jù)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(chǎn)汽量及其內(nèi)壁結焦情況；其次，進行斷水干燒試驗，研究上升管換熱器在干燒狀態(tài)下的性能。

4.1 上升管表面溫度對比

焦爐上原上升管采用的是碳鋼管內(nèi)襯耐火磚的結構，荒煤氣的溫度經(jīng)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改進了保溫隔熱層，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45℃，遠低于原上升管表面溫度，也低于第一次中試時上升管表面溫度，不僅減少了熱量損失，還有效地改善了爐頂上升管區(qū)域的操作環(huán)境。

4.2 蒸汽壓力及產(chǎn)量

選取有壓力的蒸汽量計算（蒸汽壓力大于0.6MPa），中試期間共產(chǎn)出183.451噸蒸汽，產(chǎn)焦炭65爐，每爐焦炭按22噸計算，平均蒸汽量為128kg/噸焦，蒸汽壓力平均為0.7MPa。

4.2.1 蒸汽壓力。上升管換熱器產(chǎn)生的蒸汽壓力由蒸汽出口處的自力式壓力調(diào)節(jié)閥控制，可根據(jù)用戶要求進行調(diào)節(jié)。本次中試所產(chǎn)生的蒸汽壓力平均為0.7MPa，蒸汽溫度平均165℃。

4.2.2 蒸汽產(chǎn)量。推焦周期為18.5小時，每爐產(chǎn)生焦炭量平均為22噸。

以1月11日為例：109#推焦時間為0∶20、19∶50，108#推焦時間為7∶50，18.5小時內(nèi)共產(chǎn)生蒸汽6.149t即6149kg，產(chǎn)生焦炭共計22噸×2=44噸，平均蒸汽產(chǎn)量為6149kg/44噸焦=139.7kg/噸焦。

以1月15日為例：108#推焦時間為5∶10、24∶00，109#推焦時間為16∶30，18.5小時內(nèi)共產(chǎn)生蒸汽5.136t即5136kg，產(chǎn)生焦炭共計22噸×2=44噸，平均蒸汽產(chǎn)量為5136kg/44噸焦=116.7kg/噸焦。

由中試數(shù)據(jù)表可以看出，平均蒸汽產(chǎn)量為128kg/噸焦，補水平均溫度為64℃，產(chǎn)生蒸汽平均溫度為165℃，水的比熱值為4.2kJ/（kg·℃），再由表1可以計算出每噸焦炭所產(chǎn)生的熱量值Q。

Q=128×（165-64）×4.2+128×2073.30=3.2×105kJ，即通過換熱每噸焦炭可產(chǎn)生3.2×105kJ的熱量。

4.3 漏水及結石墨情況

本次中試采用兩根上升管，推焦時間最短間隔為7.5小時，推焦交替進行，避免了單根上升管在推焦末期溫度較低易結石墨的問題。通過觀察，兩根上升管內(nèi)壁無結實的石墨，只有一層疏松的石墨，每次推焦時，依靠高溫燃燒可以基本清除干凈。

本次中試均未出現(xiàn)上升管漏水的情況。

兩次中試中，上升管所采用的材質是相同的，第二次中試對上升管進行了結構優(yōu)化，同時改變噴涂工藝，使上升管內(nèi)壁涂層更加光滑，防止焦油的粘黏與附著。

4.4 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(fā)生，并且無荒煤氣溢出。

干燒試驗為期7天，拆除后對上升管換熱器進行全面檢查，未發(fā)現(xiàn)變形、裂紋等情況，上升管換熱器內(nèi)壁完好無損。

5 結語

（1）上升管換熱器外壁溫度平均為45℃，遠低于原上升管表面溫度；（2）上升管產(chǎn)生的蒸汽量平均為128kg/噸焦，蒸汽壓力為平均為0.7MPa（飽和蒸汽），每噸焦炭可回收3.2×105kJ的熱量；（3）上升管換熱器經(jīng)結構優(yōu)化、內(nèi)壁光滑處理后，內(nèi)壁無結實的石墨，只有一層疏松的石墨且易于清理；（4）上升管換熱器可長時間斷水干燒而不損壞；（5）中試系統(tǒng)自動運行平穩(wěn)，中試期間無故障情況發(fā)生，無需大量人工操作。

由中試結果可以看出，本文設計研發(fā)的上升管換熱器產(chǎn)汽量高，結構先進合理，不易漏水，無安全隱患；表面溫度低，可長時間干燒而不損壞。此上升管換熱器已具備工業(yè)化投產(chǎn)條件。

參考文獻

[1] 張宇晨，孫業(yè)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）.

（責任編輯：黃銀芳）