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 研究焦爐上升管換熱器的主要結(jié)構(gòu)形式、特點，分析其在焦化行業(yè)的應(yīng)用情況。對行業(yè)內(nèi)常用的夾套式和外盤管式上升管換熱裝置進行了研究，對比分析了兩種換熱器的結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)用場景，并對其應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題進行分析，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行換熱，產(chǎn)汽壓力高、溫度高，但設(shè)備運行阻力較大，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: 大力推進重點行業(yè)清潔低碳改造; 推動鋼鐵、焦化等重點行業(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 年前碳達峰行動方案的通知》要求: 推動鋼鐵行業(yè)碳達峰，推廣先進適用技術(shù)，深挖節(jié)能降碳潛力^［2］ 。《高耗能行業(yè)重點領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級實施指南( 2022 年版) 》文件指出: 焦化行業(yè)要進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適用技術(shù)^［3］。目前國內(nèi)煉焦工藝主要是煉焦煤在焦爐中被隔絕空氣加熱干餾，生成焦炭，同時產(chǎn)生大量揮發(fā)出來的荒煤氣，荒煤氣溫度通常為 650℃ ～ 800℃，焦爐荒煤氣帶出顯熱占焦爐支出熱的 36% ，回收荒煤氣帶出的顯熱，對于焦化行業(yè)有著重要的節(jié)能效益和減碳效益。焦爐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)系到焦爐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)用廠家相對較少。本文將重點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)測一般會增加一層涂層，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)測一般會增加一層涂層，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，盤管對接焊縫需進行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

3． 1 夾套式上升管換熱器的特點

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)熱翅片或流動溝槽等構(gòu)件，用以增大傳熱面積，改善傳熱介質(zhì)的流動狀態(tài)，換熱效率相對較高，蒸汽產(chǎn)量較高。但由于內(nèi)筒承受外壓，經(jīng)計算內(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)筒增大一方面會影響換熱效率，另一方面會增加制作成本，經(jīng)濟性下降。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

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，目前已有多個項目產(chǎn)出蒸汽壓力達到 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; 同時導(dǎo)熱層對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薄一些。單臺上升管換熱器所需要的換熱管長度較長，換熱管通常需要對接加長，其對接焊縫的質(zhì)量會影響換熱器的穩(wěn)定性，因此對接焊縫需進行 100% 無損檢測。相對于夾套式，外盤管式換熱器的設(shè)備阻力較大，系統(tǒng)需配備揚程足夠大的強制循環(huán)泵，循環(huán)泵的功率較大，系統(tǒng)能耗會增加。

3． 3 兩種換熱器的對比

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)型式的換熱器進行了對比分析，如表1 所示。

通過以上對比表可以發(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，主要用于產(chǎn)低壓蒸汽的項目上。外盤管式上升管換熱器的主要特點是產(chǎn)汽壓力高，同時可以產(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)中壓蒸汽的項目上。

4 應(yīng)用

目前，已經(jīng)投運的焦爐上升管余熱回收項目中，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)又對夾套式上升管換熱器進行了關(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，在外壓的作用下會發(fā)生失穩(wěn)，形成鼓包變形。以耐 熱 鋼15CrMo 鋼為例，當溫度為 500℃時，其許用應(yīng)力為88MPa，而當溫度升高至 550℃ 時，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焦爐晾爐時間過長。有些焦化廠為了生產(chǎn)需要，提前一段時間進行開蓋晾爐，導(dǎo)致空氣進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)壁長時間處于高溫狀態(tài)，進而引發(fā)內(nèi)筒失穩(wěn)變形; ②上升管換熱器進水不暢或進水分布不均勻。進水不暢會導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱量達不到要求，進而引起內(nèi)筒溫度逐步升高，而進水分布不均勻會導(dǎo)致?lián)Q熱器局部高溫，兩種情況最終都會導(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，但當水質(zhì)不指標時，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。

針對內(nèi)筒鼓包問題，可采取以下針對性的措施: ①調(diào)整焦爐生產(chǎn)工藝，縮短晾爐時間; ②控制換熱器進水量，保證換熱器進水充足，合理布置進水分配裝置，確保進水分配均勻; ③嚴格控制水質(zhì)，確保水質(zhì)滿足要求; ④加強上升管換熱器表面溫度、進水量的監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)及時處理。

有少部分夾套式上升管換熱器在投運后出現(xiàn)了結(jié)焦、冒黑煙的情況，主要是因為換熱過度、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，當溫度降低時會凝結(jié)成液態(tài)，液體焦油具有很大的粘度，流動性差。研究表明，當荒煤氣溫度降到 430℃ 左右時，焦油開始凝析，凝析出的焦油會粘附在上升管內(nèi)壁上，當上升管水封蓋打開時，會冒出黑煙，帶來環(huán)保上的壓力。因此焦爐上升管余熱回收項目應(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、填料的方式進行改進。

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，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。針對盤管漏水的情況，可采取以下措施: ①對盤管進行防腐處理; 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)筒壁厚相對較小。使用過程中會出現(xiàn)內(nèi)筒變形、開裂、脫落的問題，嚴重時會導(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，當變形量超過一定的范圍，會導(dǎo)致內(nèi)筒開裂、焊縫撕裂，荒煤氣泄露，嚴重時內(nèi)筒從換熱器上脫落，進入到炭化室，影響焦爐正常生產(chǎn)。針對此問題，可采取以下措施: ①適當增加內(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對內(nèi)筒進行加固處理，防止高溫變形。

5 結(jié)論

焦爐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)的認可。上升管換熱器作為核心設(shè)備，需要不斷的進行改進和完善，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。

參考文獻

［1］國家發(fā)展改革委，生態(tài)環(huán)境部，工業(yè)和信息化部，等．國家發(fā)展改革委等部門關(guān)于印發(fā)《"十四五"全國清潔生產(chǎn)推行方案》的通知［J］． 再生資源與循環(huán)經(jīng)濟，2021，14( 11) : 1 － 3．

［2］中華人民共和國國務(wù)院． 國務(wù)院關(guān)于印發(fā) 2030 年前碳達峰 行 動 方 案 的 通 知［J］． 自 然 資 源 通 訊，2021( 21) : 28 － 37．

［3］中華人民共和國國務(wù)院． 國務(wù)院關(guān)于印發(fā) 2030 年前碳達峰 行 動 方 案 的 通 知［J］． 自 然 資 源 通 訊，2021( 21) : 28 － 37．

［4］焦爐上升管荒煤氣顯熱利用技術(shù)規(guī)范: YB/T 4723 － 2018［S］． 2018．

［5］中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會． 鋼鐵行業(yè)能效標桿三年行動方案正式啟動———全面啟動極致能效工作，順勢而為打造能效標桿［J］． 中國冶金文摘，2023( 1) : 1 － 10．