焦?fàn)t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(guó)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(wàn)噸0.6 MPa的蒸汽，折合標(biāo)煤約500萬(wàn)噸，可減排二氧化碳量1300萬(wàn)t/a，節(jié)能潛力巨大，荒煤氣熱能回收應(yīng)用具有廣闊的應(yīng)用前景及經(jīng)濟(jì)效益，其低碳、節(jié)能減排的社會(huì)效益顯著，行業(yè)運(yùn)用前景巨大。隨著國(guó)家節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)政策的不斷推進(jìn)，近年來(lái)不少焦化企業(yè)逐漸投用了焦?fàn)t上升管余熱回收技術(shù)，由于初期技術(shù)原因，多家企業(yè)投用該技術(shù)不久后就停用了。本單位6米焦?fàn)t上升管余熱回收系統(tǒng)因進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化，自2016年投產(chǎn)以來(lái)運(yùn)行一直穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化集成度高，基本做到免維護(hù)。

2 上升管蒸發(fā)器機(jī)構(gòu)原理

上升管余熱利用換熱裝置結(jié)構(gòu)為夾套內(nèi)管銑槽式型，內(nèi)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(wú)縫鋼管，無(wú)焊縫；同時(shí)上升管換熱器內(nèi)管壁，經(jīng)過(guò)特殊工藝處理涂覆有保護(hù)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(nèi)壁耐腐蝕和耐高溫的問(wèn)題；上升管換熱器外壁，采用抗腐蝕和氧化的不銹鋼材質(zhì)，最大程度的適應(yīng)了焦?fàn)t的運(yùn)行環(huán)境。此種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不易結(jié)焦，能調(diào)控出口溫度，外壁溫度低于90 ℃以下。主要缺點(diǎn)有機(jī)加工成本高，槽內(nèi)易產(chǎn)生堵塞，內(nèi)管一旦堵塞會(huì)斷水產(chǎn)生空燒，如果銑槽不均勻內(nèi)管剛性就會(huì)降低，不能產(chǎn)生壓力等級(jí)相對(duì)高的蒸汽，易受外力擠壓產(chǎn)生癟管現(xiàn)象。

3 失效力學(xué)分析

由于焦?fàn)t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(dǎo)致金屬性能降低等成分，普通材料無(wú)法發(fā)揮出正常的材料力學(xué)性能。容易發(fā)生換熱器內(nèi)部破裂導(dǎo)致漏水(見圖1)，損壞焦?fàn)t炭化室爐墻硅磚。

圖1 蒸發(fā)失效狀況

換熱器材質(zhì)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(nèi)部循環(huán)倍率過(guò)低導(dǎo)致?lián)Q熱不均，過(guò)度追求噸焦蒸汽產(chǎn)量或蒸汽品質(zhì)將影響換熱器工作穩(wěn)定。一般換熱器內(nèi)部通水換熱后，內(nèi)壁溫度控制在300 ℃以下，金屬屈服強(qiáng)度保留有常溫時(shí)的80%左右為宜。當(dāng)循環(huán)倍率過(guò)低或噸焦產(chǎn)汽量過(guò)高時(shí)，換熱器金屬溫度達(dá)到400 ℃甚至更高后(見圖2)，金屬屈服強(qiáng)度迅速降低至原來(lái)的60%甚至更低，此時(shí)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(nèi)部壓力控制在0.8 MPa-1.2 MPa為宜，過(guò)高壓力甚至產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽時(shí)，將大幅降低換熱器使用壽命。

圖2 主要金屬屈服強(qiáng)度和溫度關(guān)系

4 系統(tǒng)優(yōu)化和改進(jìn)

4.1 蒸發(fā)器材質(zhì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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

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?fàn)t上升管周圍可以大幅度降低溫度。

在內(nèi)外夾套中間增加同材質(zhì)的膨脹節(jié)，以調(diào)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(zhǎng)時(shí)間高溫的燒烤產(chǎn)生變形。

4.2 蒸發(fā)器內(nèi)部涂層

內(nèi)壁噴涂LED單晶硅和氧化鋁混合物1 mm涂層，防止了內(nèi)壁結(jié)焦，并與內(nèi)管的熱膨脹系數(shù)吻合，不會(huì)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(jié)焦性能。上升管換熱器內(nèi)壁表面均勻光滑，無(wú)死角，不易凝結(jié)，從而盡可能的降低了焦油在內(nèi)壁的凝結(jié)結(jié)焦。本系統(tǒng)自投用運(yùn)行6年以來(lái)，基本免維護(hù)，上升管內(nèi)部清掃勞動(dòng)強(qiáng)度極大降低。

4.3 設(shè)置蒸發(fā)器管程溫度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

由于現(xiàn)場(chǎng)工況惡劣等各種突發(fā)狀況的發(fā)生，容易導(dǎo)致上升管蒸發(fā)器內(nèi)部破裂，水將涌入炭化室，對(duì)炭化室產(chǎn)生破壞、甚至發(fā)生蒸發(fā)器爆炸等重大危險(xiǎn)情況的發(fā)生。不僅對(duì)焦?fàn)t的生產(chǎn)產(chǎn)生重大的影響，同時(shí)還有可能存在重大的安全隱患。針對(duì)蒸發(fā)器運(yùn)行工況方面，本單位系統(tǒng)投運(yùn)初期安裝了溫度監(jiān)控系統(tǒng)(見圖3)，并申報(bào)了溫度檢測(cè)和控制相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。每根上升管都安裝了測(cè)溫元件，連續(xù)不斷對(duì)每一根蒸發(fā)器進(jìn)行溫度跟蹤測(cè)量并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理。一旦上升管蒸發(fā)器管路發(fā)生堵塞、突然停供應(yīng)介質(zhì)、以及上升管蒸發(fā)器發(fā)生泄漏時(shí)，提前測(cè)得蒸發(fā)器溫度的變化，當(dāng)上升管溫度超過(guò)設(shè)定預(yù)警值，報(bào)警裝置就會(huì)立刻報(bào)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(yùn)行狀態(tài)，給整個(gè)焦?fàn)t上升管余熱回收系統(tǒng)提前預(yù)警，提醒崗位操作人員、工程技術(shù)人員及時(shí)檢查、采取防范措施。防止蒸發(fā)器內(nèi)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析后上傳云端，通過(guò)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)隨時(shí)隨地查詢。

4.4 熱力系統(tǒng)改進(jìn)

由于上升管余熱回收技術(shù)近幾年才在焦?fàn)t上大量運(yùn)用，各家系統(tǒng)和材質(zhì)存在不足之處。如：由于上升管蒸發(fā)器進(jìn)水閥位置設(shè)置不合理，導(dǎo)致爐頭邊火道測(cè)溫困難；噸焦產(chǎn)氣量隨著內(nèi)部結(jié)焦增多而降低；循環(huán)倍率過(guò)高系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)和噪音；熱力系統(tǒng)自動(dòng)壓力平衡放散等，后期均進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)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(jié)語(yǔ)

焦?fàn)t上升管余熱利用蒸發(fā)器隨著內(nèi)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(yīng)縮短。

增加內(nèi)壁涂層有效減少石墨沉積，緩解因結(jié)焦影響換熱效率。

采用換熱器溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)能夠及時(shí)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。