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構形式、特點，分析其在焦化行業的應用情況。對行業內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構特點和應用場景，并對其應用過程中出現的問題進行分析，提出了相應的解決措施和方案。夾套式上升管換熱器采用直接換熱形式，換熱效率高，設備運行阻力小，但產汽壓力低，主要應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，產汽壓力高、溫度高，但設備運行阻力較大，換熱效率比夾套式略低，主要應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用于焦化荒煤氣余熱回收系統中，節能減排，穩定高效。

關鍵詞 上升管換熱器; 夾套結構; 外盤管式結構; 余熱利用

1 前言

國家在“十四五”期間大力號召鋼鐵企業挖潛改造，最大限度的利用企業自身資源降低生產成本。國家發改委等部門在《“十四五”全國清潔生產推行方案》中指出: 大力推進重點行業清潔低碳改造; 推動鋼鐵、焦化等重點行業節水、節材、減污、降碳等系統性清潔生產改造^［1］。國務院《關于印發 2030 年前碳達峰行動方案的通知》要求: 推動鋼鐵行業碳達峰，推廣先進適用技術，深挖節能降碳潛力^［2］ 。《高耗能行業重點領域節能降碳改造升級實施指南( 2022 年版) 》文件指出: 焦化行業要進一步加大余熱余能的回收利用，推廣應用上升管余熱回收等先進適用技術^［3］。目前國內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，同時產生大量揮發出來的荒煤氣，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，對于焦化行業有著重要的節能效益和減碳效益。焦爐荒煤氣余熱利用技術是利用上升管換熱裝置回收高溫荒煤氣的顯熱生產蒸汽的技術，目前該技術已成功用于國內上百家的鋼鐵焦化企業^［4、5］。

上升管換熱裝置為該技術的關鍵核心設備，其性能關系到焦爐荒煤氣余熱利用技術的最終效果。目前，已經應用的上升管換熱裝置主要分為四類，分別為夾套式結構、外盤管式結構、內盤管式結構、內插式結構。其中，夾套式結構和外盤管式結構應用較為廣泛，內盤管式和內插式結構應用廠家相對較少。本文將重點介紹夾套式和外盤管式上升管換熱裝置。

2 上升管換熱器的結構

2． 1 夾套式上升管換熱器結構

夾套式上升管換熱器為多層組合式結構，由內到外分別是: 內筒涂層、內筒、夾套筒、保溫層、外殼及附屬部件。內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; 內筒體內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，防止荒煤氣對內筒體的腐蝕。夾套層在內筒的外側，夾套與內筒之間為換熱層; 為解決熱脹變形，夾套筒體上一般設有膨脹結構; 夾套層外側為保溫層，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，可以起到防腐的作用。夾套式上升管換熱器結構圖如圖 1 所示。

2． 2 外盤管式上升管換熱器結構

外盤管式上升管換熱器同樣為多層組合式結構，由內到外分別是: 內筒涂層( 或翅片) 、內筒、導熱層、外盤管、保溫層、外殼及附屬部件等。內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; 內筒體內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，防止荒煤氣對內筒體的腐蝕，也有的廠家在內筒內側加焊導熱翅片。內筒體外側為導熱層和外盤管，導熱層一般采用導熱性較好的材料，填充在外盤管間及盤管與內筒的空隙處，用于更好的傳熱; 外盤管采用螺旋纏繞的方式固定在內筒體的外側，外盤管通常采用無縫換熱管，材質為碳鋼、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，可以起到防腐的作用。外盤管式上升管換熱器結構圖如圖 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筒體形成的夾套空間，夾套內設有導熱翅片或流動溝槽等構件，用以增大傳熱面積，改善傳熱介質的流動狀態，換熱效率相對較高，蒸汽產量較高。但由于內筒承受外壓，經計算內筒的厚度較大，一般情況下厚度不小于 18mm，并且隨著產汽壓力的提高，內筒壁厚也不斷增大。根據傳熱計算公式( 傳熱量 = 熱傳導系數 × 傳熱面積 × 溫度差 ÷ 傳熱距離) 分析，在熱傳導系數、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，內筒的壁厚不易過大，內筒增大一方面會影響換熱效率，另一方面會增加制作成本，經濟性下降。因此，夾套式上升管換熱器常用于低壓系統中，通常產汽壓力不大于 1. 6MPa。夾套式換熱器也可產過熱蒸汽，但蒸汽溫度不易過高，溫度過高會導致內筒溫度升高，內筒應力值下降，易發 生 失 穩 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，因此換熱器可以產出壓力較高的蒸汽，目前已有多個項目產出蒸汽壓力達到 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過熱蒸汽，過熱蒸汽溫度可以達到 400℃ 以上。荒煤氣熱量由內筒傳遞到導熱層，然后由導熱層傳遞到盤管內，屬于多層間接傳熱。根據傳熱計算公式( 傳熱量 = 熱傳導系數 × 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系數較低，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; 同時導熱層對換熱器的換熱效果影響較大。由于內筒體不承壓，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，其對接焊縫的質量會影響換熱器的穩定性，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備阻力較大，系統需配備揚程足夠大的強制循環泵，循環泵的功率較大，系統能耗會增加。

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構不同，導致其換熱性能、產汽壓力等有所不同，本文將兩種結構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現，夾套式上升管換熱器具有產汽量大、設備阻力小等特點，主要用于產低壓蒸汽的項目上。外盤管式上升管換熱器的主要特點是產汽壓力高，同時可以產 400℃ 以上的過熱蒸汽，但其產汽量略小，設備阻力較大，主要用于生產中壓蒸汽的項目上。

4 應用

目前，已經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構型式。其中，夾套式上升管換熱器應用比較早，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投產使用，主要用于產低壓飽和蒸汽和過熱蒸汽。外盤管式上升管換熱器應用比較晚，于 2019 年開始工業化應用，隨著焦化企業對蒸汽壓力需求的不斷提高，外盤管式上升管換熱器應用需求越來越多。但是，最近這兩年，隨著外盤管式上升管換熱出現的問題逐步增多，行業內又對夾套式上升管換熱器進行了關注。

兩種型式的上升管換熱器因其結構的不同，在使用過程也不同程度的出現了一些問題，其中夾套式上升管換熱器易出現內鼓、結焦等問題，外盤管式上升管換熱器易出現漏水、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筒易出現鼓包的情況，如圖 3 所示。鼓包的主要原因是內筒溫度過高，其許用應力隨著溫度的升高而下降，在外壓的作用下會發生失穩，形成鼓包變形。以耐 熱 鋼15CrMo 鋼為例，當溫度為 500℃時，其許用應力為88MPa，而當溫度升高至 550℃ 時，許用應力只有37MPa，應力下降了 58% ，極易發生失穩變形。

導致換熱器內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需要，提前一段時間進行開蓋晾爐，導致空氣進入炭化室及上升管內，部分焦炭燃燒產生高溫，導致上升管換熱器內壁長時間處于高溫狀態，進而引發內筒失穩變形; ②上升管換熱器進水不暢或進水分布不均勻。進水不暢會導致換熱器換熱量達不到要求，進而引起內筒溫度逐步升高，而進水分布不均勻會導致換熱器局部高溫，兩種情況最終都會導致內筒鼓包; ③水質問題，換熱器要求采用除鹽除氧水，但當水質不指標時，換熱器極易結垢、腐蝕，導致換熱不充分，內筒局部高溫、應力下降，易發生鼓包情況。

針對內筒鼓包問題，可采取以下針對性的措施: ①調整焦爐生產工藝，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，確保水質滿足要求; ④加強上升管換熱器表面溫度、進水量的監測，一旦發現異常情況應及時處理。

有少部分夾套式上升管換熱器在投運后出現了結焦、冒黑煙的情況，主要是因為換熱過度、荒煤氣溫度過低導致的。荒煤氣中含有大量的焦油，焦油是一種組成極其復雜的高分子化合物，在高溫荒煤氣中是以氣態的形式存在，當溫度降低時會凝結成液態，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壁上，當上升管水封蓋打開時，會冒出黑煙，帶來環保上的壓力。因此焦爐上升管余熱回收項目應控制換熱量，保持荒煤氣溫度不低于 500℃，不應過度的追求蒸汽產量。針對換熱器結焦的情況，可采用以下措施: ①控制換熱器的換熱量，調整換熱器的進水量和循環倍率，保證荒煤氣出口溫度不低于 500℃ ; ②調整換熱器的傳熱系數，使其在合理的范圍內，可通過增加內壁涂層、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生漏水的情況，主要原因是盤管比較長，焊縫多，極易發生爆管漏水情況，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。盤管外側為導熱層，高溫下，盤管易發生高溫氧化和腐蝕，導致盤管壁厚減薄，易發生爆管、漏水情況發生。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的盤管，但材質的改變會影響換熱效果和設備成本。

由于外盤管式上升管換熱器的內筒不承壓，因此內筒壁厚相對較小。使用過程中會出現內筒變形、開裂、脫落的問題，嚴重時會導致荒煤氣泄露、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，即熱量由內筒傳遞到導熱層，然后經由導熱層傳遞到盤管，內筒的溫度比較高，高溫下材質的應力下降，易發生變形情況，當變形量超過一定的范圍，會導致內筒開裂、焊縫撕裂，荒煤氣泄露，嚴重時內筒從換熱器上脫落，進入到炭化室，影響焦爐正常生產。針對此問題，可采取以下措施: ①適當增加內筒壁厚; ②內筒焊接采用全焊透結構，保證焊接質量; ③對內筒進行加固處理，防止高溫變形。

5 結論

焦爐上升管余熱回收技術作為成熟的節能減碳技術得到了廣泛應用，獲到了焦化行業的認可。上升管換熱器作為核心設備，需要不斷的進行改進和完善，以提高其安全性、環保性和穩定性。焦化企業可以根據自身的需求，選用適合的上升管換熱器結構形式。

參考文獻

［1］國家發展改革委，生態環境部，工業和信息化部，等．國家發展改革委等部門關于印發《"十四五"全國清潔生產推行方案》的通知［J］． 再生資源與循環經濟，2021，14( 11) : 1 － 3．

［2］中華人民共和國國務院． 國務院關于印發 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院． 國務院關于印發 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規范: YB/T 4723 － 2018［S］． 2018．

［5］中國鋼鐵工業協會． 鋼鐵行業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．