馬慶磊1，2①
( 1: 迪森( 常州) 能源裝備有限公司 江蘇常州 213034;
2: 常州江南冶金科技有限公司 江蘇常州 213133)
摘 要 研究焦?fàn)t上升管換熱器的主要結(jié)構(gòu)形式、特點(diǎn)，分析其在焦化行業(yè)的應(yīng)用情況。對(duì)行業(yè)內(nèi)常用的夾套式和外盤管式上升管換熱裝置進(jìn)行了研究，對(duì)比分析了兩種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，并對(duì)其應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的解決措施和方案。夾套式上升管換熱器采用直接換熱形式，換熱效率高，設(shè)備運(yùn)行阻力小，但產(chǎn)汽壓力低，主要應(yīng)用于蒸汽壓力需求低的工況; 外盤管式上升管換熱器通過螺旋盤管進(jìn)行換熱，產(chǎn)汽壓力高、溫度高，但設(shè)備運(yùn)行阻力較大，換熱效率比夾套式略低，主要應(yīng)用于蒸汽壓力和溫度需要高的工況。研究表明夾套式和外盤管式上升管換熱器可應(yīng)用于焦化荒煤氣余熱回收系統(tǒng)中，節(jié)能減排，穩(wěn)定高效。
關(guān)鍵詞 上升管換熱器; 夾套結(jié)構(gòu); 外盤管式結(jié)構(gòu); 余熱利用
1 前言
國家在“十四五”期間大力號(hào)召鋼鐵企業(yè)挖潛改造，最大限度的利用企業(yè)自身資源降低生產(chǎn)成本。國家發(fā)改委等部門在《“十四五”全國清潔生產(chǎn)推行方案》中指出: 大力推進(jìn)重點(diǎn)行業(yè)清潔低碳改造; 推動(dòng)鋼鐵、焦化等重點(diǎn)行業(yè)節(jié)水、節(jié)材、減污、降碳等系統(tǒng)性清潔生產(chǎn)改造［1］。國務(wù)院《關(guān)于印發(fā) 2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》要求: 推動(dòng)鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰，推廣先進(jìn)適用技術(shù)，深挖節(jié)能降碳潛力［2］ ?！陡吆哪苄袠I(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級(jí)實(shí)施指南( 2022 年版) 》文件指出: 焦化行業(yè)要進(jìn)一步加大余熱余能的回收利用，推廣應(yīng)用上升管余熱回收等先進(jìn)適用技術(shù)［3］。目前國內(nèi)煉焦工藝主要是煉焦煤在焦?fàn)t中被隔絕空氣加熱干餾，生成焦炭，同時(shí)產(chǎn)生大量揮發(fā)出來的荒煤氣，荒煤氣溫度通常為 650℃ ～ 800℃，焦?fàn)t荒煤氣帶出顯熱占焦?fàn)t支出熱的 36% ，回收荒煤氣帶出的顯熱，對(duì)于焦化行業(yè)有著重要的節(jié)能效益和減碳效益。焦?fàn)t荒煤氣余熱利用技術(shù)是利用上升管換熱裝置回收高溫荒煤氣的顯熱生產(chǎn)蒸汽的技術(shù)，目前該技術(shù)已成功用于國內(nèi)上百家的鋼鐵焦化企業(yè)［4、5］。
上升管換熱裝置為該技術(shù)的關(guān)鍵核心設(shè)備，其性能關(guān)系到焦?fàn)t荒煤氣余熱利用技術(shù)的最終效果。目前，已經(jīng)應(yīng)用的上升管換熱裝置主要分為四類，分別為夾套式結(jié)構(gòu)、外盤管式結(jié)構(gòu)、內(nèi)盤管式結(jié)構(gòu)、內(nèi)插式結(jié)構(gòu)。其中，夾套式結(jié)構(gòu)和外盤管式結(jié)構(gòu)應(yīng)用較為廣泛，內(nèi)盤管式和內(nèi)插式結(jié)構(gòu)應(yīng)用廠家相對(duì)較少。本文將重點(diǎn)介紹夾套式和外盤管式上升管換熱裝置。
2 上升管換熱器的結(jié)構(gòu)
2． 1 夾套式上升管換熱器結(jié)構(gòu)
夾套式上升管換熱器為多層組合式結(jié)構(gòu)，由內(nèi)到外分別是: 內(nèi)筒涂層、內(nèi)筒、夾套筒、保溫層、外殼及附屬部件。內(nèi)筒通常采用耐熱合金鋼、無縫鋼管，也有個(gè)別廠家采用板卷焊接，焊縫需采用100% 無損探傷; 內(nèi)筒體內(nèi)測(cè)一般會(huì)增加一層涂層，耐高溫、耐腐蝕，主要用于隔絕荒煤氣，防止荒煤氣對(duì)內(nèi)筒體的腐蝕。夾套層在內(nèi)筒的外側(cè)，夾套與內(nèi)筒之間為換熱層; 為解決熱脹變形，夾套筒體上一般設(shè)有膨脹結(jié)構(gòu); 夾套層外側(cè)為保溫層，主要用于隔熱，防止熱量外散; 最外層為外殼，通常采用不銹鋼材質(zhì)，可以起到防腐的作用。夾套式上升管換熱器結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。
2． 2 外盤管式上升管換熱器結(jié)構(gòu)
外盤管式上升管換熱器同樣為多層組合式結(jié)構(gòu)，由內(nèi)到外分別是: 內(nèi)筒涂層( 或翅片) 、內(nèi)筒、導(dǎo)熱層、外盤管、保溫層、外殼及附屬部件等。內(nèi)筒通常采用耐熱合金鋼、無縫鋼管，也有個(gè)別廠家采用板卷焊接，焊縫需采用 100% 無損探傷; 內(nèi)筒體內(nèi)測(cè)一般會(huì)增加一層涂層，耐高溫、耐腐蝕，主要用于隔絕荒煤氣，防止荒煤氣對(duì)內(nèi)筒體的腐蝕，也有的廠家在內(nèi)筒內(nèi)側(cè)加焊導(dǎo)熱翅片。內(nèi)筒體外側(cè)為導(dǎo)熱層和外盤管，導(dǎo)熱層一般采用導(dǎo)熱性較好的材料，填充在外盤管間及盤管與內(nèi)筒的空隙處，用于更好的傳熱; 外盤管采用螺旋纏繞的方式固定在內(nèi)筒體的外側(cè)，外盤管通常采用無縫換熱管，材質(zhì)為碳鋼、耐熱合金鋼等，外盤管可采用單螺旋、雙螺旋等加工方式，盤管對(duì)接焊縫需進(jìn)行100% 無損探傷; 盤管外側(cè)為保溫層，主要用于隔熱，防止熱量外散; 最外層為外殼，通常采用不銹鋼材質(zhì)，可以起到防腐的作用。外盤管式上升管換熱器結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。
3 上升管換熱器的特點(diǎn)
3． 1 夾套式上升管換熱器的特點(diǎn)
夾套式上升管換熱器的換熱層是夾套筒體和內(nèi)筒體形成的夾套空間，夾套內(nèi)設(shè)有導(dǎo)熱翅片或流動(dòng)溝槽等構(gòu)件，用以增大傳熱面積，改善傳熱介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，換熱效率相對(duì)較高，蒸汽產(chǎn)量較高。但由于內(nèi)筒承受外壓，經(jīng)計(jì)算內(nèi)筒的厚度較大，一般情況下厚度不小于 18mm，并且隨著產(chǎn)汽壓力的提高，內(nèi)筒壁厚也不斷增大。根據(jù)傳熱計(jì)算公式( 傳熱量 = 熱傳導(dǎo)系數(shù) × 傳熱面積 × 溫度差 ÷ 傳熱距離) 分析，在熱傳導(dǎo)系數(shù)、溫度差一定的情況下，傳熱量與傳熱面積成正比，與傳熱距離成反比。因此，內(nèi)筒的壁厚不易過大，內(nèi)筒增大一方面會(huì)影響換熱效率，另一方面會(huì)增加制作成本，經(jīng)濟(jì)性下降。因此，夾套式上升管換熱器常用于低壓系統(tǒng)中，通常產(chǎn)汽壓力不大于 1. 6MPa。夾套式換熱器也可產(chǎn)過熱蒸汽，但蒸汽溫度不易過高，溫度過高會(huì)導(dǎo)致內(nèi)筒溫度升高，內(nèi)筒應(yīng)力值下降，易發(fā) 生 失 穩(wěn) 變 形，通常過熱蒸汽溫度控制在300℃以下。
3． 2 外盤管式上升管換熱器的特點(diǎn)
外盤管式上升管換熱器采用換熱盤管作為換熱空間，通常盤管的直徑較小，可以承受較大的壓力，因此換熱器可以產(chǎn)出壓力較高的蒸汽，目前已有多個(gè)項(xiàng)目產(chǎn)出蒸汽壓力達(dá)到 4. 0MPa，蒸汽壓力理論上可以更高。外盤管式換熱器同樣可以產(chǎn)過熱蒸汽，過熱蒸汽溫度可以達(dá)到 400℃ 以上。荒煤氣熱量由內(nèi)筒傳遞到導(dǎo)熱層，然后由導(dǎo)熱層傳遞到盤管內(nèi)，屬于多層間接傳熱。根據(jù)傳熱計(jì)算公式( 傳熱量 = 熱傳導(dǎo)系數(shù) × 傳熱面積 × 溫度差÷ 傳熱距離) 分析，外盤管式上升管換熱器的熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，換熱面積小，在溫度差和傳熱距離相同的情況下，傳熱效率較低; 同時(shí)導(dǎo)熱層對(duì)換熱器的換熱效果影響較大。由于內(nèi)筒體不承壓，因此筒體厚度可以相對(duì)薄一些。單臺(tái)上升管換熱器所需要的換熱管長(zhǎng)度較長(zhǎng)，換熱管通常需要對(duì)接加長(zhǎng)，其對(duì)接焊縫的質(zhì)量會(huì)影響換熱器的穩(wěn)定性，因此對(duì)接焊縫需進(jìn)行 100% 無損檢測(cè)。相對(duì)于夾套式，外盤管式換熱器的設(shè)備阻力較大，系統(tǒng)需配備揚(yáng)程足夠大的強(qiáng)制循環(huán)泵，循環(huán)泵的功率較大，系統(tǒng)能耗會(huì)增加。
3． 3 兩種換熱器的對(duì)比
夾套式和外盤管式上升管換熱器的結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致其換熱性能、產(chǎn)汽壓力等有所不同，本文將兩種結(jié)構(gòu)型式的換熱器進(jìn)行了對(duì)比分析，如表1 所示。
通過以上對(duì)比表可以發(fā)現(xiàn)，夾套式上升管換熱器具有產(chǎn)汽量大、設(shè)備阻力小等特點(diǎn)，主要用于產(chǎn)低壓蒸汽的項(xiàng)目上。外盤管式上升管換熱器的主要特點(diǎn)是產(chǎn)汽壓力高，同時(shí)可以產(chǎn) 400℃ 以上的過熱蒸汽，但其產(chǎn)汽量略小，設(shè)備阻力較大，主要用于生產(chǎn)中壓蒸汽的項(xiàng)目上。
4 應(yīng)用
目前，已經(jīng)投運(yùn)的焦?fàn)t上升管余熱回收項(xiàng)目中，大部分采用的是夾套式和外盤管式上升管換熱器兩種結(jié)構(gòu)型式。其中，夾套式上升管換熱器應(yīng)用比較早，于 2014 年正式用于福建三鋼閩光焦化廠，隨后在邯鋼、安鋼、武鋼等鋼鐵焦化企業(yè)投產(chǎn)使用，主要用于產(chǎn)低壓飽和蒸汽和過熱蒸汽。外盤管式上升管換熱器應(yīng)用比較晚，于 2019 年開始工業(yè)化應(yīng)用，隨著焦化企業(yè)對(duì)蒸汽壓力需求的不斷提高，外盤管式上升管換熱器應(yīng)用需求越來越多。但是，最近這兩年，隨著外盤管式上升管換熱出現(xiàn)的問題逐步增多，行業(yè)內(nèi)又對(duì)夾套式上升管換熱器進(jìn)行了關(guān)注。
兩種型式的上升管換熱器因其結(jié)構(gòu)的不同，在使用過程也不同程度的出現(xiàn)了一些問題，其中夾套式上升管換熱器易出現(xiàn)內(nèi)鼓、結(jié)焦等問題，外盤管式上升管換熱器易出現(xiàn)漏水、漏荒煤氣等問題。
4． 1 夾套式的問題及解決方法
夾套式上升管換熱器的內(nèi)筒易出現(xiàn)鼓包的情況，如圖 3 所示。鼓包的主要原因是內(nèi)筒溫度過高，其許用應(yīng)力隨著溫度的升高而下降，在外壓的作用下會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，形成鼓包變形。以耐 熱 鋼15CrMo 鋼為例，當(dāng)溫度為 500℃時(shí)，其許用應(yīng)力為88MPa，而當(dāng)溫度升高至 550℃ 時(shí)，許用應(yīng)力只有37MPa，應(yīng)力下降了 58% ，極易發(fā)生失穩(wěn)變形。
導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)筒溫度升高的原因有很多，主要有以下幾種情況: ①焦?fàn)t晾爐時(shí)間過長(zhǎng)。有些焦化廠為了生產(chǎn)需要，提前一段時(shí)間進(jìn)行開蓋晾爐，導(dǎo)致空氣進(jìn)入炭化室及上升管內(nèi)，部分焦炭燃燒產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致上升管換熱器內(nèi)壁長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)，進(jìn)而引發(fā)內(nèi)筒失穩(wěn)變形; ②上升管換熱器進(jìn)水不暢或進(jìn)水分布不均勻。進(jìn)水不暢會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱量達(dá)不到要求，進(jìn)而引起內(nèi)筒溫度逐步升高，而進(jìn)水分布不均勻會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器局部高溫，兩種情況最終都會(huì)導(dǎo)致內(nèi)筒鼓包; ③水質(zhì)問題，換熱器要求采用除鹽除氧水，但當(dāng)水質(zhì)不指標(biāo)時(shí)，換熱器極易結(jié)垢、腐蝕，導(dǎo)致?lián)Q熱不充分，內(nèi)筒局部高溫、應(yīng)力下降，易發(fā)生鼓包情況。
針對(duì)內(nèi)筒鼓包問題，可采取以下針對(duì)性的措施: ①調(diào)整焦?fàn)t生產(chǎn)工藝，縮短晾爐時(shí)間; ②控制換熱器進(jìn)水量，保證換熱器進(jìn)水充足，合理布置進(jìn)水分配裝置，確保進(jìn)水分配均勻; ③嚴(yán)格控制水質(zhì)，確保水質(zhì)滿足要求; ④加強(qiáng)上升管換熱器表面溫度、進(jìn)水量的監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)及時(shí)處理。
有少部分夾套式上升管換熱器在投運(yùn)后出現(xiàn)了結(jié)焦、冒黑煙的情況，主要是因?yàn)閾Q熱過度、荒煤氣溫度過低導(dǎo)致的。荒煤氣中含有大量的焦油，焦油是一種組成極其復(fù)雜的高分子化合物，在高溫荒煤氣中是以氣態(tài)的形式存在，當(dāng)溫度降低時(shí)會(huì)凝結(jié)成液態(tài)，液體焦油具有很大的粘度，流動(dòng)性差。研究表明，當(dāng)荒煤氣溫度降到 430℃ 左右時(shí)，焦油開始凝析，凝析出的焦油會(huì)粘附在上升管內(nèi)壁上，當(dāng)上升管水封蓋打開時(shí)，會(huì)冒出黑煙，帶來環(huán)保上的壓力。因此焦?fàn)t上升管余熱回收項(xiàng)目應(yīng)控制換熱量，保持荒煤氣溫度不低于 500℃，不應(yīng)過度的追求蒸汽產(chǎn)量。針對(duì)換熱器結(jié)焦的情況，可采用以下措施: ①控制換熱器的換熱量，調(diào)整換熱器的進(jìn)水量和循環(huán)倍率，保證荒煤氣出口溫度不低于 500℃ ; ②調(diào)整換熱器的傳熱系數(shù)，使其在合理的范圍內(nèi)，可通過增加內(nèi)壁涂層、填料的方式進(jìn)行改進(jìn)。
4． 2 外盤管式的問題及解決方法
外盤管式換熱器易發(fā)生漏水的情況，主要原因是盤管比較長(zhǎng)，焊縫多，極易發(fā)生爆管漏水情況，如圖 4 所示。盤管漏水的原因主要為盤管腐蝕、高溫氧化、厚度減薄、超壓爆管等。盤管外側(cè)為導(dǎo)熱層，高溫下，盤管易發(fā)生高溫氧化和腐蝕，導(dǎo)致盤管壁厚減薄，易發(fā)生爆管、漏水情況發(fā)生。針對(duì)盤管漏水的情況，可采取以下措施: ①對(duì)盤管進(jìn)行防腐處理; ②采用耐腐蝕耐高溫材質(zhì)的盤管，但材質(zhì)的改變會(huì)影響換熱效果和設(shè)備成本。
由于外盤管式上升管換熱器的內(nèi)筒不承壓，因此內(nèi)筒壁厚相對(duì)較小。使用過程中會(huì)出現(xiàn)內(nèi)筒變形、開裂、脫落的問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致荒煤氣泄露、影響推焦操作等，如圖 5 所示。外盤管式上升管換熱器屬于間接換熱，即熱量由內(nèi)筒傳遞到導(dǎo)熱層，然后經(jīng)由導(dǎo)熱層傳遞到盤管，內(nèi)筒的溫度比較高，高溫下材質(zhì)的應(yīng)力下降，易發(fā)生變形情況，當(dāng)變形量超過一定的范圍，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)筒開裂、焊縫撕裂，荒煤氣泄露，嚴(yán)重時(shí)內(nèi)筒從換熱器上脫落，進(jìn)入到炭化室，影響焦?fàn)t正常生產(chǎn)。針對(duì)此問題，可采取以下措施: ①適當(dāng)增加內(nèi)筒壁厚; ②內(nèi)筒焊接采用全焊透結(jié)構(gòu)，保證焊接質(zhì)量; ③對(duì)內(nèi)筒進(jìn)行加固處理，防止高溫變形。
5 結(jié)論
焦?fàn)t上升管余熱回收技術(shù)作為成熟的節(jié)能減碳技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，獲到了焦化行業(yè)的認(rèn)可。上升管換熱器作為核心設(shè)備，需要不斷的進(jìn)行改進(jìn)和完善，以提高其安全性、環(huán)保性和穩(wěn)定性。焦化企業(yè)可以根據(jù)自身的需求，選用適合的上升管換熱器結(jié)構(gòu)形式。
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