高溫煙氣余熱回收石墨裝置的研究與應用

陸 俊，馮 亮，李晨晨，劉仍禮

（南通星球石墨股份有限公司，江蘇 南通 226011）

目前，化工、制藥和焦化等行業(yè)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生900～1 200℃的高溫煙氣，在不經(jīng)過處理的情況下直接排放會造成環(huán)境污染，而化工廢棄物和工業(yè)廢棄物在經(jīng)過焚燒處理后產(chǎn)生的高溫煙氣中因含有大量的有毒成分無法直接排放。以往對這些高溫廢氣的處理采用急冷塔噴淋冷卻或傳統(tǒng)的鍋爐回收余熱。這兩種處理方式雖然對煙氣進行了處理，但存在很大的弊端。急冷式煙氣處理僅能對煙氣進行冷卻，不能利用余熱；對于超過1 000℃煙氣的設備材質(zhì)為碳鋼，煙氣溫度降至400℃時會與水蒸氣反應產(chǎn)生硫酸蒸氣，對設備造成腐蝕，因此鍋爐余熱回收裝置只能利用部分熱能，一般將溫度降至500℃左右，不能將余熱進行全部轉(zhuǎn)移，后續(xù)還需進一步對煙氣進行急冷處理至60℃，高溫焚燒煙氣余熱利用裝置解決了上述兩種問題。

1 研究現(xiàn)狀

高溫焚燒煙氣余熱利用裝置具有性能優(yōu)越，導熱性能好、耐高溫、耐腐蝕等特性。針對市場需求，高溫焚燒煙氣余熱利用裝置是煙氣處理的主要設備，通過采用創(chuàng)新技術，在生產(chǎn)產(chǎn)品的同時，充分利用其能量轉(zhuǎn)換，提高能源的利用率。

高溫焚燒煙氣余熱利用裝置，通過產(chǎn)品的優(yōu)化和改進，使得與類似產(chǎn)品相比較具有以下優(yōu)點。（1）比類似產(chǎn)品（碳鋼鍋爐余熱利用）更耐腐蝕；（2）比急冷塔提高了熱能的利用效率；（3）在高溫下設備不容易損壞；（4）將煙氣冷卻和余熱利用在1臺設備上實施，節(jié)約現(xiàn)場占地空間。

2 應用進展

2.1 裝置工作原理及工藝說明

（1）工作原理

高溫煙氣余熱回收石墨裝置中1 200℃煙氣自上部進入裝置內(nèi)，循環(huán)水自裝置底部由加壓裝置使循環(huán)水自下而上經(jīng)過裝置內(nèi)石墨換熱塊進行熱交換，在裝置中部設置了循環(huán)純水入口，使循環(huán)純水由裝置中部進入裝置內(nèi)與自上而下的高溫煙氣進行熱量交換，由于石墨超高的導熱性能，石墨壁溫可達到230℃，與循環(huán)純水接觸產(chǎn)出0.4～0.8 MPa的高溫蒸汽，高溫蒸汽給后道工序或其他化工裝置的熱源提供保證。

裝置主要優(yōu)點是在高溫煙氣與循環(huán)純水進行熱交換，產(chǎn)出可以并入管網(wǎng)的蒸汽，同時通過底部石墨塊的循環(huán)水對高溫煙氣進行冷卻。

（2）裝置工藝說明

來自界外的高溫煙氣，溫度約1 200℃、純度10%的HCl進入界區(qū)，經(jīng)石墨換熱器與脫鹽水（或蒸汽冷凝水）進行熱量交換，回收熱量，產(chǎn)生蒸汽，蒸汽的壓力0.4～0.8 MPa，進入管網(wǎng)，從高溫煙氣余熱回收石墨裝置出來的煙氣溫度控制在150℃左右，煙氣進入降膜吸收器，與后面進來的稀酸或純水，在降膜吸收器內(nèi)進行吸收冷卻，經(jīng)過一級吸收后進入尾氣吸收塔，稀酸被尾氣塔稀酸吸收成25%以上的鹽酸；最終尾氣溫度控制在50℃左右，再進入水洗塔（PP填料塔）及堿洗塔（PP填料塔），水洗塔稀酸送降膜吸收塔吸收氯化氫，堿洗后尾氣含有少量的CO、CH4和H2，送出界區(qū)集中處理。

脫鹽水經(jīng)過高溫煙氣的余熱產(chǎn)生170～175℃的過熱水進入后面的蒸汽閃發(fā)罐，通過控制蒸汽閃發(fā)罐的輸出閥門，控制蒸汽產(chǎn)出的壓力及溫度，產(chǎn)生出0.4～0.8 MPa以上飽和蒸汽并入蒸汽管網(wǎng)，大量的熱水從蒸汽閃發(fā)罐底部自流進入石墨換熱器，將熱水循環(huán)利用，熱水循環(huán)采用自循環(huán)余熱鍋爐工藝。

2.2 結(jié)構(gòu)特性

高溫煙氣石墨裝置示意圖見圖1，高溫煙氣余熱回收石墨裝置由3部分組成。分別是頂部冷卻段、副產(chǎn)蒸汽段以及底部冷卻段。

圖1 高溫煙氣石墨裝置示意圖

冷卻段位置在煙氣裝置頂部，由煙氣爐上封頭通過上法蘭組件與殼體上端固定連接。上封頭與上法蘭之間設有耐高溫高彈性密封圈，使得上封頭與殼體密封配合，保證了塔體的密封性。頂部冷卻段作為高溫煙氣最先接觸的部位，耐受溫度最高可達1 200℃。為了給高溫煙氣降溫，保護石墨本體，頂部冷卻段設有冷卻水循環(huán)進行初步降溫。本段的特點是結(jié)構(gòu)簡單，固定及密封效果好，熱量轉(zhuǎn)移效率高。

副產(chǎn)蒸汽段采用石墨內(nèi)膽，外加循環(huán)純水夾套，循環(huán)純水自中間進入裝置的夾套內(nèi)與1 200℃高溫煙氣進行熱量交換，降低煙氣的溫度，提高純水的溫度至沸點，產(chǎn)出0.4～0.8 MPa飽和蒸汽。本段裝有一組浮動組件固定上下殼體和彈簧補償裝置，通過彈簧使得殼體、上蓋板、上封頭、下蓋板形成鋼性連接，消除了殼體、上蓋板、上封頭、下蓋板之間不同材質(zhì)的膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生的應力，彈簧的補償作用減少了膨脹，使塔體不易損壞，避免了石墨與鋼制殼體膨脹系數(shù)的不同，導致裝置的失效。石墨筒體在筒壁外部加工橫向及縱向的傳熱孔，使得石墨內(nèi)套的內(nèi)壁具有內(nèi)螺紋導流散熱系統(tǒng)，提高了氣體與石墨內(nèi)套內(nèi)壁的接觸面積，利用石墨優(yōu)良的導熱性快速帶走熱量，提高了塔體的熱交換效率。

底部冷卻段由石墨換熱塊組成，自上而下的煙氣經(jīng)過頂部循環(huán)水和中部純水的熱交換后，溫度為230℃，在底部增加了石墨制成的換熱器，其不但具有耐酸腐蝕性及良好的熱傳導性能，將石墨芯體做成垂直和水平分隔開的塊孔式結(jié)構(gòu)，當高溫煙氣和冷卻水通過時，高溫介質(zhì)不斷地把熱量傳給石墨換熱器，低溫介質(zhì)不斷從換熱器得到熱量，實現(xiàn)了熱交換，使得煙氣進一步冷卻，為后續(xù)設備吸收提供良好的條件。裝置底部設有除灰裝置，煙氣冷卻后，設備中的雜質(zhì)可通過底部的除灰系統(tǒng)將雜質(zhì)及時排除。高溫煙氣余熱回收石墨裝置整體設備結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，且能夠有效對高溫焚燒后產(chǎn)生的煙氣進行處理，解決了節(jié)能環(huán)保問題。

副產(chǎn)蒸汽部分選用化工專用石墨加工而成，爐體采用先進的強化處理及碳纖維增強處理，使石墨爐體具有耐高溫、高壓能力；石墨筒體采用特殊的結(jié)構(gòu)，在保證機械強度的同時減小熱阻，提高熱效率；密封墊片材質(zhì)上采用進口墊片進行密封，提高墊片長期使用性能的穩(wěn)定性。石墨筒體、石墨換熱塊之間采用不同材質(zhì)的雙密封結(jié)構(gòu)及新型密封材料，確保耐高溫、耐腐蝕性；設備整體采用大膨脹節(jié)、彈簧、彈簧墊片等補償裝置消除溫度變化時碳鋼與石墨膨脹系數(shù)不同造成的應力，大膨脹節(jié)采用機械可活動密封及填料密封，避免正常使用及開停車易泄漏的問題，通過材料的優(yōu)化及密封結(jié)構(gòu)的合理先進性，解決了泄漏問題。

2.3 材料特性

高溫煙氣余熱回收石墨裝置設備本體采用耐高溫高級化工專用石墨材料，前期材料選擇時通過電鏡分析對使用的石墨材料進行氣孔分布分析，選擇氣孔分布更加均勻，內(nèi)部雜質(zhì)含量少的高品質(zhì)的石墨原材料。氣孔分布多會影響石墨材料的物理機械性能及樹脂浸漬的填充，石墨材料的密度越高，浸漬填充的樹脂越少，石墨的傳熱性能越好，需選用機械強度高、耐腐蝕性能高，熱穩(wěn)定性能優(yōu)良的石墨材料。石墨材料通過全自動化的生產(chǎn)、浸漬工藝，經(jīng)3次高溫、高壓下的熱處理使樹脂能夠全部浸透到石墨孔隙內(nèi)，縮小了石墨與樹脂兩種不同物質(zhì)的膨脹系數(shù)；提高了換熱系數(shù)，同時消除了在一定高溫下的內(nèi)部不同材料混合產(chǎn)生的應力，使得石墨可以在高溫下長期穩(wěn)定運行，保證了石墨的不透性和耐熱性，石墨本體允許使用溫度為260℃。石墨筒體是通過石墨塊材拼接形成的筒體，粘接縫在高溫腐蝕工況下極易出現(xiàn)氧化及高溫碳化，所以粘接質(zhì)量是影響整體設備性能的重要控制指標。石墨材料環(huán)向粘接形式采用階梯形結(jié)構(gòu)，粘接面進行車加工，并進行拉毛處理，保證粘接面的平整度與粗糙度?？v向粘接縫采用凹凸槽式，粘接下料采用數(shù)控線切割成型，保證凹凸面的尺寸精準，粘接縫控制在1 mm以內(nèi)，縱向與縱向的粘接縫交叉錯開布置。粘接成型后放入烘房對表面烘干/熱處理，保證粘接固化均勻。烘干處理后對表面進行加工平整后按浸漬工藝要求對工件進行浸漬熱固化處理。石墨材料通過粘接浸漬后使用的強度性能必須達到抗拉18 MPa，抗壓達到75 MPa，抗彎達到31 MPa。

2.4 技術特性

（1）將煙氣處理和余熱利用相結(jié)合，在對煙氣進行冷卻的同時，對煙氣的熱量加以利用，副產(chǎn)的0.4～0.8 MPa低壓蒸汽能夠滿足化工廠的熱源使用。

（2）煙氣進口處采用等靜壓石墨材料并安裝循環(huán)冷卻裝置，通過循環(huán)水對石墨起到保護作用，保證設備在1 200℃的高溫煙氣下能夠正常使用。

（3）副產(chǎn)蒸汽段和冷卻段加裝平衡管，使得下部和上部的壓力平衡，減少上下壓力波動，及緩解上下部分溫差較大對設備造成的損壞。

（4）殼體間增加強制循環(huán)導流結(jié)構(gòu)，使爐內(nèi)壁能夠迅速降溫，保護石墨筒體。

（5）采用耐高溫改性酚醛樹脂，通過不斷的研究實驗提高了樹脂的耐高溫性能。

（6）總體性能指標。設計壓力管程0.1 MPa，殼程0.4～0.8 MPa飽和蒸汽，設計溫度1 200℃，介質(zhì)高溫煙氣、鹽酸等。

（7）泄漏情況為零泄漏。

（8）煙氣成分見表1。

表1 煙氣成分

3 裝置的優(yōu)越性

高溫煙氣余熱回收石墨裝置因其石墨材質(zhì)的特殊性，具有更加優(yōu)良的耐腐性能，能夠耐受各種工業(yè)及化工垃圾焚燒后產(chǎn)出的高溫廢氣，石墨對于廢氣冷卻后大部分的酸類和堿類物質(zhì)都是穩(wěn)定的，不會產(chǎn)生腐蝕等問題，能夠滿足絕大部分的化學物料。各種材料的熱膨脹系數(shù)對比見圖2。與其他非金屬材料相比，石墨材料具有更好的導熱性能，與金屬材料相比，它的導熱系數(shù)僅次于銅和鋁，比不銹鋼大5倍，比碳鋼大2倍，居于非金屬材料之首，具有更加突出的傳熱性能。浸漬石墨與部分材料的導熱系數(shù)對比見圖3。不透性石墨的線脹系數(shù)一般在5×10-6～27×10-6范圍內(nèi)，對溫度變化的敏感性極小，用它制作的設備能在高溫下維持原來的形狀和機械強度，保證了設備的長期平穩(wěn)使用。

圖2 熱膨脹系數(shù)對比

圖3 導熱系數(shù)對比

高溫煙氣余熱回收石墨裝置與傳統(tǒng)的急冷塔處理煙氣比較，增加了對煙氣溫度的回收利用，將高溫煙氣的熱能轉(zhuǎn)化為蒸汽，產(chǎn)出的蒸汽具有良好的經(jīng)濟效益，而傳統(tǒng)的急冷塔需要耗費大量的噴淋水對煙氣進行冷卻處理。對比以往的鍋爐回收的余熱利用，前者在處理高溫煙氣時，往往對煙氣中的組分要求較高，對于腐蝕性較強的煙氣，以往的碳鋼鍋爐不能很好的利用，而該裝置充分利用了石墨優(yōu)良的耐腐蝕和導熱性能。

各種高溫煙氣處理裝置性能對比見表2。

表2 各種高溫煙氣處理裝置性能對比

4 效益

高溫煙氣余熱回收石墨裝置屬于節(jié)能環(huán)保新產(chǎn)品，解決了固廢焚燒后的高溫煙氣處理問題，響應了國家的節(jié)能環(huán)保政策。該產(chǎn)品的主要特點在于將高溫煙氣余熱利用和煙氣急冷在同一臺設備中實現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)工藝先需要一臺設備進行余熱利用，再用一臺急冷塔進行煙氣急冷的工藝。大大降低了設備的投資成本，減少了設備的占地空間，有效提高了設備使用率。該產(chǎn)品具有性能優(yōu)越、抗折強度高、導熱系數(shù)高、無污染等特性。

按照一臺設備能副產(chǎn)2 t/h左右的0.8 MPa的蒸汽，年產(chǎn)蒸汽16 000 t，每年創(chuàng)造效益約336萬元（蒸汽單價以210元/t計）。按年產(chǎn)16 000 t蒸汽計算，每臺合成爐每年可節(jié)約1 555 t標煤，減少CO2排放4 200 t，節(jié)約了煤炭資源的消耗，減少了環(huán)境的污染。

5 結(jié)語

高溫煙氣余熱回收石墨裝置作為一項余熱回收效果好，應用廣泛的裝置在高溫煙氣回收處理方面其效果已經(jīng)得到認可，特別是能夠?qū)囟? 200℃高溫煙氣進行余熱利用處理副產(chǎn)蒸汽，同時能滿足各種含酸高溫煙氣的處理，替代傳統(tǒng)的余熱處理裝置，具有現(xiàn)實的意義。