荒煤氣顯熱回收換熱器的探討

宋亞軍 王洪科

（1、首鋼水城鋼鐵（集團）有限責任公司，貴州六盤水 553000 2、云南豐普科技有限公司，云南昆明 650106）

1 概述

煉焦工業是耗能大戶，從焦化爐能量支出來看，如圖1 所示：焦炭顯熱占比37-40%，焦爐加熱廢氣帶走熱量為17-20%，爐體表面熱損失占焦爐支出熱的10%，荒煤氣顯熱占比36-40%[1]。荒煤氣作為煉焦主要副產物，成分復雜，溫度為750℃-800℃，傳統工藝采用70-80℃循環水噴淋急冷，使荒煤氣瞬間降溫至80-90℃，荒煤氣高溫熱量通過循環水中的氨及水的蒸發得以吸收，同時大量水蒸氣進入荒煤氣中，在荒煤氣后續凈化工藝中，水蒸氣在初冷器中被循環水及冷凍水將荒煤氣溫度降至21～22℃冷凝出來[2]，高溫熱量不但浪費嚴重，而且需要初冷器有龐大的換熱面積，以及消耗大量的循環水及冷凍水，處理能耗極高。因此在高溫段對荒煤氣余熱進行回收利用，不但回收了荒煤氣高溫顯熱，還降低了后續凈化工段的能耗，意義重大。

圖1 焦化爐熱量支出示意圖

隨著煉焦技術的發展，煤焦化工藝中的余熱利用也越趨完善，紅焦蘊含的余熱通過干熄焦技術回收用于發電，焦爐大煙道廢氣余熱也通過熱管換熱器得到有效回收用于產生高溫熱水或低壓蒸汽用于蒸氨，而荒煤氣顯熱回收卻因存在結焦及換熱器可靠性問題而進展緩慢。隨著國家對節能環保行業的支持力度增加，荒煤氣顯熱的回收也越來越受到行業重視。我國從20 世紀70 年代開發了上升管汽化冷卻裝置，用于生產低壓蒸汽,但技術不成熟，未能推廣。后來，陸續有人采用導熱油夾套技術、熱管換熱技術、惰性氣體取熱技術等余熱回收技術，但都因泄漏及結焦等原因，無法長期穩定運行。

為公司以后回收100 萬噸焦化爐荒煤氣顯熱提供設備設計及選型思路，從以往上升管換熱器存在的問題及荒煤氣本身的特性出發，提出合理的解決思路，并通過換熱器換熱過程方程的分析，提出一種上升管換熱器。

2 荒煤氣特性及顯熱回收中存在的問題

荒煤氣顯熱回收換熱器安裝在焦化爐頂部荒煤氣出口處，替換原焦爐上升管，通常將此換熱器稱為上升管換熱器。上升管換熱器內壁容易結焦、石墨化，甚至完全封堵荒煤氣流通煙道，這不僅很大程度降低換熱器換熱能力，還可能嚴重危及碳化室及后端工藝的運行安全。上升管換熱器在運行中，由于交變熱應力影響，容易出現焊縫拉裂、漏水、漏氣等問題，導致其使用壽命較短，可靠性差，見圖1。

2.1 荒煤氣結焦特性

荒煤氣結焦是指荒煤氣中的焦油氣在換熱器換熱面凝結并石墨化的過程。冷凝在荒煤氣上升管換熱界面的焦油滴，遇到高溫荒煤氣時，焦油發生熱解和熱縮合反應重新汽化，生成石墨溫度越高，石墨的沉積量越大。荒煤氣結焦需要的條件為：

2.1.1 荒煤氣中焦油露點溫度，常壓下為400-500℃[3]。當荒煤氣溫度低于焦油露點溫度時，焦油氣冷凝析出為霧狀液滴，焦油液滴與換熱器壁面碰撞時黏附在換熱器壁面上。

2.1.2 換熱界面溫度較低，荒煤氣中的焦油蒸汽在溫度較低的換熱器壁面冷凝析出在。換熱界面溫度在300℃以下時，焦油大量析出，換熱界面溫度大于350 時，焦油析出物較少。

2.1.3 焦爐爐內輻射或高溫荒煤氣對流傳熱使冷凝析出的焦油發生熱解和熱縮聚而固化。

2.2 換熱器在交變熱應力作用下發生膨脹變形損壞的問題

焦爐炭化室周期性的裝煤碳化，每孔碳化周期約為18 小時，荒煤氣產量和溫度隨碳化時間不斷變化，荒溫度高達800℃，換熱器換熱介質溫度約200℃，換熱器內外部金屬溫度溫差較大，換熱器在這種交變熱應力作用下，換熱器變形損壞，發生漏水、漏氣，影響焦化爐的安全穩定運行。

3 對應的解決思路

3.1 針對荒煤氣中焦油露點問題，合理設置的荒煤氣顯熱回收量，換熱器出口荒煤氣溫度不低于520 攝氏度，使荒煤氣出口溫度高于焦油露點溫度20℃。荒煤氣從800℃取熱降溫到520℃，噸焦炭可產生低壓飽和蒸汽約90kg。

3.2 對于焦油在壁面冷凝析出問題，通過換熱器傳熱設計，保證換熱器內壁面溫度＞350℃，使上升煙道內壁焦油析出較少，結焦松散便于人工清除。從根本上解決荒煤氣顯熱回收產生的上升煙道結焦堵塞問題。

3.3 換熱器采用適合交變熱應力的結構

從一些相關文獻查到的資料表明，換熱器換熱介質流道發生變形泄露是換熱器存在的主要問題，為此對主要換熱管元件采用螺旋盤管及自由膨脹支撐結構設計，避免工作過程中因荒煤氣或軟水溫度變化引起的換熱管撕裂泄漏。

4 上升管換熱器結構設計

4.1提高換熱器壁面溫度的方法

為了說明如何提高換熱器內壁面溫度（twi），通過間壁式換熱示意圖來說明問題，如圖2 所示，荒煤氣通過對流換熱將熱量傳遞給換熱器壁面（面積為A，材料導熱系數λ），荒煤氣與壁面的換熱系數為hi,換熱量為Ф，熱量從內壁面傳到到外壁面，再通過對流換熱將熱量傳遞給水。傳熱過程壁面溫度表達式如下[4]：

圖2 間壁式換熱示意圖

為減少荒煤氣結焦，荒煤氣換熱后溫度為520℃，因此換熱量Ф 確定，為提高壁面內表面溫度（twi），可以分別從換熱的以上3 個環節來進行分析。

4.1.1 荒煤氣與壁面的熱傳

荒煤氣換熱量Ф 確定，則tfi也已確定，公式（1）中，增大荒煤氣與壁面換熱系數hi及內表面積A，可以提高內壁面溫度twi。具體的方法是在內壁面設置豎向翅片，使得翅化后的面積A0>A；通過在內壁面增加擾流裝置提高換熱系數hi，具體可在內壁面豎向翅片設置擾流缺口。

4.1.2 壁面導熱

荒煤氣換熱量Ф 確定，公式（2）中，可通過提高外壁面溫度two、減小導熱系數λ 或者增加壁面厚度δ 的方法。具體方法是在壁面與水之間設置特殊的導熱部件，如導熱墊、導熱翅片等結構控制傳熱。

4.1.3 壁面與水的傳熱

荒煤氣換熱量Ф 確定，公式（3）中，提高外壁面溫度two的方法，提高換熱介質（水）的溫度tfo。具體方法是采用耐高壓的換熱介質流道(圓管)從而提高水的溫度，因為是汽水換熱，水溫提高，產生的飽和蒸汽壓力等級也相應提高。

4.2換熱器結構

根據上述3.3 條及4.1 條的描述，我們可以得到這樣一種上升管換熱器結構，如圖3 所示，上升管換熱器頂部和底部設置煙道接口法蘭，設置圓筒狀內壁，內壁設置豎向翅片增大內表面積，翅片上開有擾流缺口，采用螺旋盤管提高換熱介質溫度及壓力，盤管與內壁間設置導熱翅片，盤管外設置保溫層。

圖3 上升管換熱器

對于一個完整的換熱器而言，4.1 條中所述三個換熱環節中的溫度均為平均溫度，tfi為荒煤氣進出口的平均溫度；twi換熱器內壁面的平均溫度，two換熱器外壁面的平均溫度，實際根據換熱器的壁面溫度分布來計算。Tfo為換熱介質的平均溫度，對于上升管換熱器出口為汽水混合物的情況，Tfo為換熱介質出口溫度。

需要注意的是，要保證換熱器內壁最低溫度高于350℃。對于用于產生飽和蒸汽的上升管換熱器，最低內壁溫點處于上升管換熱器頂部位置，最高溫度點處于上升管換熱器的底部位置，同時也應避免上升管換熱器底部內壁溫度過高，影響換熱器使用壽命。根據4.1.1 條的描述，我們可以通過調整上升管換熱器底部與底部內壁面和荒煤氣換熱系數hi及內表面積A，使得上升管換熱器內壁面上下部的溫度趨于相等，同時也意味著上升管換熱器頂部與底部的內翅片面積不相等。

5 結論

為可靠穩定的回收荒煤氣顯熱，從以往荒煤氣換熱器存在的問題及荒煤氣本身的特性出發，提出：

（1）顯熱回收后荒煤氣的溫度應該大于520℃，高于荒煤氣中焦油汽露點溫度400-500℃，避免焦油液滴析出。

（2）上升管換熱器內壁溫度應該大于350℃，避免焦油汽在壁面析出，結焦。

（3）采用螺旋盤管換熱，避免交變熱應力影響產生的換熱器損壞泄露。

并由此提出一種上升管換熱器，從傳熱三個環節出發提高換熱器內壁面溫度：

（1）設置縱向內翅片及擾流結構增強荒煤氣與內壁傳熱。

（2）通過特殊傳熱結構控制壁面導熱。

（3）設置耐高壓的換熱介質流道(圓管)從而提高換熱介質（水）的溫度。本換熱器結構可用于不同的焦化爐爐型，具體根據焦化爐單個上升煙道的荒煤氣產量設計不同尺寸的上升管換熱器。