夾套式焦?fàn)t上升管換熱器的傳熱性能研究

盧俊文，董久明

(1.河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗研究院，石家莊 050061；2.唐山市天元化工設(shè)備有限公司，河北唐山 063000)

0 引言

換熱器是能源高效轉(zhuǎn)換的重要媒介之一，廣泛應(yīng)用于石油、化工等行業(yè)[1]，在焦化行業(yè)研制一項先進(jìn)的余熱回收技術(shù)并加以推廣，實現(xiàn)“資源-能源-再資源”的良性循環(huán)[2]，促進(jìn)企業(yè)達(dá)到環(huán)保節(jié)能的要求至關(guān)重要。由于復(fù)雜的技術(shù)原因，焦?fàn)t荒煤氣的余熱回收利用一直是困擾焦化行業(yè)多年的技術(shù)難題[3]。

焦?fàn)t荒煤氣余熱回收技術(shù)，在我國經(jīng)歷了發(fā)展、停滯、再研發(fā)、再停滯的過程[3]。開始采用的是用水作介質(zhì)的汽化冷卻技術(shù)，后來發(fā)展為以導(dǎo)熱油作介質(zhì)的換熱技術(shù)，但都因為未解決熱應(yīng)力疲勞、壁溫控制等問題，致使焊縫開裂、焦油蒸氣結(jié)焦和換熱器泄漏而失敗。

為解決焦化行業(yè)的技術(shù)難題，研發(fā)了夾套式焦?fàn)t上升管換熱器，通過中間性試驗獲得成功并已實際應(yīng)用。該裝置采用螺旋可自由膨脹結(jié)構(gòu),特別適應(yīng)周期性膨脹和收縮，雙層套管均采用耐高溫、耐腐蝕的低合金材料，關(guān)鍵取熱元件無膨脹應(yīng)力，滿足了工業(yè)化應(yīng)用的要求。

1 試驗部分

1.1 換熱模型

荒煤氣流經(jīng)上升管釋放的熱量[4]為：

Qr=CpgVg(tgi-tgo)

(1)

式中Qr——傳熱量，W；

Cpg——荒煤氣定壓比熱容，kJ/(m3·℃)；

Vg——荒煤氣體積流量，m3/h；

tgi，tgo——上升管荒煤氣進(jìn)、出口溫度，℃。

水蒸氣通過夾套管吸收的熱量[4]：

Qc=Cpsms(tso-tsi)

(2)

式中Qc——水蒸氣吸熱量，W；

Cps——水蒸氣定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；

ms——夾套內(nèi)管水蒸氣質(zhì)量流量，kg/h；

tsi,tso——夾套內(nèi)管水蒸氣進(jìn)、出口溫度，℃。

以下計算傳熱量均以Qr,Qc的算術(shù)平均值為準(zhǔn)：

(3)

上升管的總體傳熱系數(shù)為：

(4)

其中A為荒煤氣流通區(qū)域受熱面積，上升管對數(shù)平均溫差Δtm，可由下式求得:

(5)

水蒸氣側(cè)局部傳熱系數(shù)hs可由下式求得:

(6)

式中As——水蒸氣側(cè)換熱面積，m2；

tws——夾套管外壁溫度，℃；

ts——水蒸氣溫度，℃。

1.2 試驗裝置

在實際研發(fā)過程中，經(jīng)過反復(fù)試驗后，最終采用夾套管結(jié)構(gòu)或“安全空間”的概念，即在換熱元件外圍創(chuàng)建一個安全空間。工作時熱量由外殼傳到安全空間,然后再傳入換熱元件內(nèi)的水或蒸汽。當(dāng)換熱元件損壞漏水時，先漏入安全空間，其中的壓力在線監(jiān)測裝置報警并自動切換操作。這種方式解決了水漏入碳化室的技術(shù)難題，保證了焦?fàn)t碳化室的安全。在“安全空間”內(nèi)充入擬定的導(dǎo)熱介質(zhì)，使熱量傳遞速度可控，保證夾套管外殼的工作溫度始終在焦油露點溫度以上，解決了焦油黏結(jié)、堵塞上升管的難題。

圖1為夾套式上升管換熱器的結(jié)構(gòu)[5]，圖2為余熱回收工藝流程。

圖1 夾套式上升管換熱器結(jié)構(gòu)示意

圖2 余熱回收工藝流程

1.3 試驗方法及過程

1.3.1 試驗方法

采用TGA600型熱重分析儀，配置的儀表有荒煤氣進(jìn)出口熱電偶、流量計；水或蒸汽進(jìn)出口流量計、溫度表、壓力表；上升管內(nèi)壁設(shè)3個測溫點。

電氣工程控制領(lǐng)域引入智能控制系統(tǒng)，可以提高電氣工程的自動化控制程度，及時在沒有工作人員值守的情況下電氣工程也可以自動化的運(yùn)行和操作，實現(xiàn)電氣工程運(yùn)行的高效化。電氣工程控制包含內(nèi)容眾多，智能控制系統(tǒng)可以在計算機(jī)虛擬世界中對電氣工程運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行模擬，同時具備了參數(shù)自動化桃姐以及刀具補(bǔ)償功能，可以將加工過程可視化的呈現(xiàn)出來，進(jìn)一步加強(qiáng)了工作人員對電氣工程運(yùn)行狀態(tài)的了解。

1.3.2 試驗過程

按5.5 m焦?fàn)t設(shè)計的夾套式換熱器，在年產(chǎn)量為110萬t的某5.5 m焦?fàn)t上進(jìn)行中間性試驗。

(1)結(jié)焦性試驗。從5.5 m焦?fàn)t上升管采集焦油樣品14.76 mg，采用熱重分析儀進(jìn)行結(jié)焦反應(yīng)試驗[6]；試驗從初始溫度50 ℃開始每分鐘升溫10 ℃，直至最終溫度900 ℃。試驗數(shù)據(jù)由自動記錄儀生成熱重曲線。通過分析樣品0～900 ℃熱重曲線可知，在130～450 ℃區(qū)間為縮聚反應(yīng)，并伴隨有大量焦油生成，這是焦油結(jié)焦反應(yīng)的主要階段。在300 ℃左右時反應(yīng)最為強(qiáng)烈(失重最大)；到后期450 ℃左右時焦油蒸汽中的碳?xì)浠衔锢^續(xù)脫氫聚合；溫度升到500 ℃以上時，焦油附著量很少且結(jié)焦物松軟多孔；升到750 ℃左右時焦油蒸汽中的碳?xì)浠衔镉謺龀龇e碳而生成石墨，樣品殘重為1.69 mg，主要成分為石墨。

通過結(jié)焦試驗得出，在450 ℃時有大量焦油析出，并且300～450 ℃為其主要結(jié)焦反應(yīng)溫度區(qū)間[7-8]，750 ℃左右時開始石墨化。因此上升管焦?fàn)t荒煤氣的出口溫度不能低于450 ℃。

(2)中間性試驗。第1次中間性試驗從2018年3月1日開始至3月20日結(jié)束，換熱器運(yùn)行穩(wěn)定?，F(xiàn)場測試的荒煤氣進(jìn)口平均溫度為760 ℃，出口平均溫度為580 ℃。噸焦產(chǎn)生飽和蒸汽95 kg或加熱過熱蒸汽650 kg。但是下部夾套管的外表面有結(jié)焦現(xiàn)象，在每次出焦前打開上升管時伴隨黃煙冒出。分析原因為水汽循環(huán)方式為下進(jìn)上出，造成夾套管溫度較低引起結(jié)焦[9]。

第2次試驗自2018年4月30日開始至5月13日結(jié)束，針對第1次試驗出現(xiàn)的問題，此次試驗在夾套管結(jié)構(gòu)方面做了改進(jìn)，在夾套管外壁焊接了換熱翅片，以增加受熱面積，進(jìn)水、汽方式為上進(jìn)下出，試驗結(jié)果表明換熱效率大幅提高，噸焦產(chǎn)生飽和蒸汽100 kg或加熱過熱蒸汽680 kg。實測的荒煤氣進(jìn)口平均溫度為756 ℃，出口平均溫度為520 ℃。雖然底部未出現(xiàn)結(jié)焦，但翅片上有局部結(jié)焦現(xiàn)象，上升管打開時仍有黃煙冒出。

第3次試驗于2018年6月20日開始至7月18日結(jié)束，在第2次試驗的基礎(chǔ)上去掉換熱翅片，夾套管外壁制成光滑涂層表面，夾套間隙在直徑方向增加2 mm并充入氮氣[10]。改良后的上升管蒸發(fā)器每小時產(chǎn)生0.8 MPa的飽和蒸汽100 kg(相當(dāng)于噸焦90 kg)；上升管過熱器每小時可將0.8 MPa的600 kg飽和蒸汽變成同壓力、溫度為350 ℃的過熱蒸汽(相當(dāng)于噸焦540 kg)。現(xiàn)場儀器測試的荒煤氣進(jìn)口平均溫度為756 ℃，出口平均溫度550 ℃，沒有發(fā)生結(jié)焦現(xiàn)象。出焦前打開上升管時有持續(xù)20 s的黑煙冒出。

(3)干燒試驗于2018年7月25日開始至8月15日結(jié)束，經(jīng)22天斷水干燒試驗，未見干燒損壞現(xiàn)象。

2 結(jié)果與討論

2.1 總體傳熱效果

試驗過程中，把水蒸氣的流量、入口溫度固定不變，在一個結(jié)焦時間段采集相關(guān)數(shù)據(jù)并分析整理，可得到一個結(jié)焦時間段上升管的總體傳熱效果和總體傳熱系數(shù)[9]，如圖3所示，可以看出，上升管的傳熱量隨溫度、流量變化而波動，但總體傳熱系數(shù)相對平穩(wěn)[10]，平均值為33 W/(m2·℃)。

圖3 上升管的總體傳熱效果及總體傳熱系數(shù)

2.2 水蒸氣側(cè)傳熱效果

圖4 上升管水蒸氣側(cè)傳熱系數(shù)趨勢

經(jīng)對試驗數(shù)據(jù)分析計算，得出換熱面水蒸氣側(cè)的傳熱系數(shù)隨時間變化趨勢[9]，如圖4所示。傳熱系數(shù)在結(jié)焦時間段變化不大，其平均傳熱系數(shù)為67.5 W/(m2·℃)。結(jié)果表明：傳熱系數(shù)受荒煤氣溫度變化影響較小。穩(wěn)定的水蒸氣流量、入口溫度可確保水蒸氣側(cè)在結(jié)焦時間擁有較穩(wěn)定的傳熱效果[9]。

2.3 各種參數(shù)對傳熱效果的影響

(1)上升管內(nèi)荒煤氣流量變化對荒煤氣出口溫度及蒸汽出口溫度的影響[11-14]如圖5所示。當(dāng)荒煤氣流量變大時，傳熱強(qiáng)度變大，使夾套管內(nèi)蒸汽溫度升高，同時荒煤氣的熱容增大大于傳熱量，故荒煤氣出口溫度也升高。

圖5 荒煤氣與蒸汽出口溫度隨荒煤氣流量變化

(2)夾套管內(nèi)蒸汽流量變化對荒煤氣出口溫度及蒸汽出口溫度的影響如圖6所示。隨著蒸汽流量增大，在夾套管內(nèi)的停留時間減小，致使蒸汽出口溫度和荒煤氣出口溫度均降低。

圖6 荒煤氣與蒸汽出口溫度隨蒸汽流量變化

(3)夾套空間導(dǎo)熱率變化時對荒煤氣出口溫度及蒸汽出口溫度的影響如圖7所示。荒煤氣出口溫度隨夾套空間的導(dǎo)熱率的增大而減小，而蒸汽出口溫度增大。

2.4 參數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié)

為防止上升管內(nèi)的荒煤氣結(jié)焦，必須對荒煤氣的溫度進(jìn)行控制，圖8為上升管出口溫度設(shè)定為550 ℃時，荒煤氣流量變化對蒸汽出口溫度及流量的影響?；拿簹獬隹跍囟葹樵O(shè)定值時，荒煤氣流量增大，蒸汽出口溫度減小，水蒸氣流量增大，荒煤氣調(diào)節(jié)范圍變?yōu)?50～650 m3/h。

3 結(jié)論

上升管傳熱量隨溫度流量變化而波動，但總體傳熱系數(shù)相對平穩(wěn)，平均值為33 W/(m2·℃)。換熱面水蒸氣側(cè)穩(wěn)定的流量和入口溫度，可確保在結(jié)焦時間段擁有較穩(wěn)定的傳熱效果，其平均傳熱系數(shù)為67.5 W/(m2·℃)。

夾套空間設(shè)計為“安全空間”，工作時熱量由外殼傳到“安全空間”,然后再傳入換熱器內(nèi)的水或蒸汽，當(dāng)換熱器損壞漏水時，先漏入“安全空間”，空間內(nèi)設(shè)置的壓力在線監(jiān)測裝置啟動并自動切換操作，解決了水漏入碳化室的技術(shù)難題。

在5.5 m焦?fàn)t上工業(yè)化應(yīng)用后，每支上升管蒸發(fā)器可產(chǎn)生0.8 MPa飽和蒸汽100 kg/h；過熱器可將0.8 MPa的600 kg/h飽和蒸汽加熱為同壓力、溫度為350 ℃的過熱蒸汽。沒有結(jié)焦現(xiàn)象發(fā)生，換熱元件對荒煤氣的正常導(dǎo)出不構(gòu)成任何影響,實現(xiàn)了能量的梯級高效利用和焦?fàn)t的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行，有助于焦化行業(yè)降低10%～15%的能耗，為焦化行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型提供技術(shù)支撐。