副省煤器在干熄焦裝置中的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(yīng)用現(xiàn)狀

干（法）熄焦（Coke Dry Quenching，簡(jiǎn)稱CDQ）技術(shù)是相對(duì)于用水熄滅熾熱紅焦的濕熄焦技術(shù)而言的，是目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)［1］。在干熄焦裝置中，副省煤器用于發(fā)電汽輪機(jī)凝結(jié)水與鍋爐尾部循環(huán)氣體進(jìn)行換熱，降低進(jìn)入干熄焦?fàn)t的循環(huán)氣體溫度的同時(shí)，提高除氧器給水溫度，達(dá)到提升余熱回收效率的重要設(shè)備。其換熱效果直接影響干熄爐入口循環(huán)氣體溫度，進(jìn)而影響排焦溫度，對(duì)干熄焦系統(tǒng)的運(yùn)行效率產(chǎn)生較大影響［2-3］。

結(jié)合某230 t/h 干熄焦余熱鍋爐系統(tǒng)配套副省煤器設(shè)備工藝條件，針對(duì)進(jìn)入副省煤器除氧水溫度不同的兩種工藝路線，從經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面進(jìn)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(nèi)普遍會(huì)出現(xiàn)因腐蝕而漏水的現(xiàn)象，設(shè)備壽命一般只有5～8年。副省煤器作為干熄焦鍋爐發(fā)電系統(tǒng)凝結(jié)水加熱器，受低溫?zé)煔饴饵c(diǎn)腐蝕影響，發(fā)生漏水的概率更高，使用壽命更短［4-5］。

現(xiàn)階段，干熄焦副省煤器的從結(jié)構(gòu)樣式主要為普通管式和徑向偏心熱管式兩種；從強(qiáng)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(huán)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(jié)構(gòu)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(nèi)，煙氣橫向掠過翅片及基管直接加熱管內(nèi)的給水，熱量直接傳遞與給水。這種換熱樣式應(yīng)用在氣體-水換熱上傳熱系數(shù)高，熱阻小等優(yōu)點(diǎn)，但單根換熱管的損壞，很容易造成整個(gè)換熱器的停運(yùn)甚至影響整個(gè)工藝的運(yùn)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(nèi)，煙氣橫向掠過翅片式熱管并放熱給外套管，加熱外套管內(nèi)的工質(zhì)，使得工質(zhì)吸熱汽化，由于套管內(nèi)高度真空，熱量十分迅速地通過偏心內(nèi)管傳遞與給水。外部給水的整個(gè)加熱流程不受煙氣的直接沖刷影響，獨(dú)自走管程，每支熱管元件在換熱器箱體內(nèi)無焊縫，避免了熱管內(nèi)的水泄漏，確保生產(chǎn)連續(xù)。熱管受熱段采用高頻焊翅片管強(qiáng)化傳熱，使整套設(shè)備傳熱效率高，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊和煙氣流動(dòng)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(qiáng)化方式

強(qiáng)化方式可以分為光管式和翅片管式，翅片管結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(huán)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(jī)械纏繞產(chǎn)生接觸壓力，并利用高頻電流，流經(jīng)兩者接觸面產(chǎn)生的電阻熱使翅片和基管之間熔合而成。由于生產(chǎn)效率高，傳熱性能好而被廣泛應(yīng)用，是目前應(yīng)用領(lǐng)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(xù)加熱的情況下，使管子經(jīng)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(yīng)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(zhì)。翅片厚度一般為1.5～2.5 mm、節(jié)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(jīng)兩者接觸面產(chǎn)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(huán)加熱引入方式和正常溫度引入方式。

1.3.1 自循環(huán)加熱引入方式主要由副省煤器、水水換熱器以及相關(guān)管路、調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。

副省煤器冷源引入方式采用自循環(huán)加熱引入的優(yōu)點(diǎn)：

（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(huì)得到改善；

（3）將冷源引入溫度提高后，可以采用翅片強(qiáng)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(diǎn)：

（1）由于需要對(duì)副省煤器冷源引入溫度進(jìn)行控制，因此系統(tǒng)較復(fù)雜，需要增加一條水水換熱器以及相應(yīng)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(jù)相關(guān)理論［10］，會(huì)造成總換熱面積A相應(yīng)增大。

1.3.2 正常溫度引入方式主要由副省煤器及相關(guān)管路、調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。

副省煤器正常溫度引入方式采用冷源直接引入的優(yōu)點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)簡(jiǎn)單，無需對(duì)副省煤器進(jìn)口水溫進(jìn)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(huì)使總換熱面積A相應(yīng)減小。

缺點(diǎn)：

（1）冷源引入溫度較低，常規(guī)為20～40 ℃，壁溫低于酸露點(diǎn)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(diǎn)，換熱面積灰現(xiàn)象嚴(yán)重，而且多為粘附性粉塵。

綜合以上分析，副省煤器強(qiáng)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(qiáng)化方式，例如采用副省煤器自循環(huán)加熱引入方式，由于進(jìn)口水溫的提高，可以選擇翅片方式，對(duì)于循環(huán)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(jìn)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(tǒng)工程應(yīng)用

2.1 案例介紹

某焦化廠230 萬t/a 焦化項(xiàng)目，擬新建2×70 孔7.65 m 大容積頂裝焦?fàn)t，年產(chǎn)焦炭230 萬t。副省煤器主要技術(shù)數(shù)據(jù)如表1、表2所列。

表1 技術(shù)數(shù)據(jù)

表2 循環(huán)氣體成分范圍 %

2.2 副省煤器系統(tǒng)

副省煤器裝置安裝在循環(huán)風(fēng)機(jī)出口至干熄爐入口間的循環(huán)氣體管路上，從循環(huán)氣體中回收的熱量加熱發(fā)電汽輪機(jī)凝結(jié)水，節(jié)約除氧器的蒸汽耗量從而降低整個(gè)干熄焦的能耗。

針對(duì)副省煤器冷源引入方式的不同，分為兩種工藝路線，對(duì)兩種工藝路線的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。（1）冷源引入方式采用自循環(huán)加熱引入路線，換熱管采用管式，并且換熱管采用翅片強(qiáng)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(huán)加熱引入方案

自循環(huán)加熱引入方案系統(tǒng)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(jìn)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(huán)加熱引入方式主要目的是控制進(jìn)入副省煤器的凝結(jié)水水溫在約65 ℃；根據(jù)圖4 腐蝕速度與換熱管管壁溫度關(guān)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(huán)加熱引入方案

圖4 腐蝕速度與換熱管管壁溫度關(guān)系

根據(jù)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(xué)成分見表3，ND 鋼（09CrCuSb）的主要特點(diǎn)是在中溫濃度的硫酸（如50 ℃、50%H2SO4溶液）中表面產(chǎn)生鈍化，形成一層富含Cu、Cr、Sb等合金的保護(hù)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(diǎn)腐蝕性能比較見表4［4］。

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

表4 常見材料耐硫酸露點(diǎn)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(tǒng)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(shè)計(jì)。

圖5所示的是副省煤器系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水溫度沒有控制，這個(gè)流程相對(duì)于自循環(huán)加熱方式方案簡(jiǎn)單許多，由于取水點(diǎn)溫度（案例中此點(diǎn)水溫度約30℃）較低，可能發(fā)生嚴(yán)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(shù)，這兩種技術(shù)的結(jié)合可以解決低溫或露點(diǎn)溫度以下?lián)Q熱管金屬壁面的腐蝕問題，延長換熱管的使用壽命，同時(shí)達(dá)到換熱管壁面防結(jié)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(tǒng)經(jīng)濟(jì)性初步分析

自循環(huán)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(yùn)行參數(shù)對(duì)比見表5。

表5 副省煤器運(yùn)行參數(shù)

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(jié)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(tǒng)簡(jiǎn)單，但投資較大，而且副省煤器耗鋼量相對(duì)大很多，因此推薦采用方案一。

方案一自循環(huán)加熱引入方式副省煤器從系統(tǒng)上看比較復(fù)雜，但提高了副省煤器進(jìn)口水溫，有效的降低了換熱管的腐蝕。采用了防積灰、強(qiáng)化傳熱的翅片管，減少了副省煤器的換熱面，降低了設(shè)備投資；但考慮到副省煤器上方的循環(huán)氣體旁通管道中不斷有水滴到副省煤器的受熱面上，會(huì)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(gè)方面。

方案二正常溫度直接引入方式副省煤器，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但將循環(huán)氣體最可能發(fā)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(shù)，由于進(jìn)口水溫較低，仍可能存在因搪瓷管制作、運(yùn)輸、安裝過程中隱患造成整體設(shè)備壽命得不到保障。

隨著國家對(duì)企業(yè)環(huán)保節(jié)能要求的日益嚴(yán)格，以及干熄焦裝置越來越普及，成熟的副省煤器的設(shè)計(jì)路線，可以有效延長副省煤器的使用壽命，對(duì)國內(nèi)大型干熄焦裝置副省煤器的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。