焦炉上升管换热器第二次中试研究

马庆磊

摘要：文章通过第二次中试，改进上升管换热器结构，优化余热回收系统，上升管换热器充分回收了荒煤气的热量，内壁光滑无结焦，上升管表面温度低至45℃，有效改善焦炉炉顶工作环境，提高余热回收系统自动化程度，数据自动采集，实现了全自动化运行。

关键词：焦炉荒煤气；上升管换热器；余热回收；自动化；第二次中试 文献标识码：A

中图分类号：TQ520 文章编号：1009-2374（2016）18-0032-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.017

1 概述

本文研发的上升管换热器在江苏沙钢集团焦化厂进行第一次中试研究，结果表明，此上升管换热器采用新型耐高温材料与独特的换热结构，可以回收上升管内荒煤气的热量，每吨焦可产0.6MPa饱和蒸汽115kg；上升管表面温度与原来相比，下降了150℃，较大程度上改善了焦炉炉顶上升管区域的工作环境；上升管换热器经过长时间（96小时）断水干烧不会发生变形、破裂等。本文研发的上升管换热器已基本取得成功。但是，第一次中试存在不少不足之处，如系统操作自动化程度不高，系统运行需要大量的人工手动操作；上升管换热器表面温度依然相对较高，并且内壁有少许结焦。

针对第一次中试中存在的问题，本文对上升管换热器进行结构优化，重新设计开发一套自动化预热回收系统，再次在沙钢焦化厂进行了中试。

2 中试研究内容

第二次中试依然在沙钢焦化厂6米焦炉上进行。本次中试采用两台上升管换热器，分别更换焦炉原108#、109#上升管，两个上升管所对应的炭化室推焦时间最短间隔为7.5小时。

本次中试主要考察上升管换热器的换热效果（即蒸汽产量）、内壁结焦情况、漏水情况及干烧情况，并且考察预热回收系统自动运行情况。

3 中试设备及工艺流程

3.1 中试设备

中试设备包括两台上升管换热器和一套集成式中试组合装置。

3.1.1 上升管换热器。上升管换热器为多层组合装置，内壁为导热层，中间为换热器，最外层为隔热保护层。

3.1.2 集成式中试组合装置。其中包括缓冲水箱、汽包补水泵、汽包、强制循环泵、进水电磁阀、缓冲水箱液位计、汽包液位计、汽包安全阀、蒸汽流量计、进水电动调节阀、进水流量计、荒煤气进出口热电偶、控制电柜、无纸记录仪以及配套管路等。

第一，汽包筒体为圆柱形，两端为椭圆形封头，循环水通过汽包底部的下降管管座流出，汽水混合物通过侧面回水管座进入汽包。在汽包内部，汽水混合物受到挡板阻隔折流以利于水位的稳定，并使汽水更好地进行分离。饱和蒸汽由汽包上部的管座引出汽包，为了最大程度上获得干燥的饱和蒸汽，在出口管前的蒸汽空间装有汽水分离器，以分离蒸汽中剩余的水分。

第二，强制循环泵为2台，1用1备。强制循环泵采用耐高温泵，阀体、密封等采用带高温材料，最高使用温度为240℃，确保运行安全、可靠、稳定。

3.2 中试工艺流程

中试用除盐水由焦化厂干熄焦除盐水槽接入中试组合装置的缓冲水箱，由进水阀控制进水；缓冲水箱的水通过汽包补水泵加压后进入中试用汽包，经过汽包内补水装置，再由汽包底部的下降管输出汽包，通过热水强制循环泵将水送入上升管换热器装置的进水口，进入上升管换熱器进行换热，产生的热水和汽水混合物通过换热器出口，进入汽包进行汽水分离，蒸汽通过汽包的蒸汽出口经过流量计送出，未汽化的水再次进入系统循环换热，如此循环产生符合需要压力的饱和蒸汽。

本次中试工艺流程与第一次中试基本相同，但在系统控制上做了如下改进：上升管换热器进水量根据荒煤气出口温度自动调节；蒸汽出口设有自力式调节阀，可根据压力自动调节蒸汽流量；缓冲水箱进水由电磁阀根据液位自动控制；汽包补水泵根据汽包液位自动开启补水；两台强制循环泵根据运行情况自动切换；数据采集记录采用无纸记录仪，可实时存储试验数据。

4 中试数据及分析

中试分为两个部分：首先，进行通水试验，研究上升管换热器的产汽量及其内壁结焦情况；其次，进行断水干烧试验，研究上升管换热器在干烧状态下的性能。

4.1 上升管表面温度对比

焦炉上原上升管采用的是碳钢管内衬耐火砖的结构，荒煤气的温度经耐火砖传递到上升管表面，用红外线温度测量仪测得其表面温度高达230℃。

中试用上升管换热器改进了保温隔热层，可有效防止热量辐射扩散，用红外线温度测量仪测得其表面温度为45℃，远低于原上升管表面温度，也低于第一次中试时上升管表面温度，不仅减少了热量损失，还有效地改善了炉顶上升管区域的操作环境。

4.2 蒸汽压力及产量

选取有压力的蒸汽量计算（蒸汽压力大于0.6MPa），中试期间共产出183.451吨蒸汽，产焦炭65炉，每炉焦炭按22吨计算，平均蒸汽量为128kg/吨焦，蒸汽压力平均为0.7MPa。

4.2.1 蒸汽压力。上升管换热器产生的蒸汽压力由蒸汽出口处的自力式压力调节阀控制，可根据用户要求进行调节。本次中试所产生的蒸汽压力平均为0.7MPa，蒸汽温度平均165℃。

4.2.2 蒸汽产量。推焦周期为18.5小时，每炉产生焦炭量平均为22吨。

以1月11日为例：109#推焦时间为0∶20、19∶50，108#推焦时间为7∶50，18.5小时内共产生蒸汽6.149t即6149kg，产生焦炭共计22吨×2=44吨，平均蒸汽产量为6149kg/44吨焦=139.7kg/吨焦。

以1月15日为例：108#推焦时间为5∶10、24∶00，109#推焦时间为16∶30，18.5小时内共产生蒸汽5.136t即5136kg，产生焦炭共计22吨×2=44吨，平均蒸汽产量为5136kg/44吨焦=116.7kg/吨焦。

由中试数据表可以看出，平均蒸汽产量为128kg/吨焦，补水平均温度为64℃，产生蒸汽平均温度为165℃，水的比热值为4.2kJ/（kg·℃），再由表1可以计算出每吨焦炭所产生的热量值Q。

Q=128×（165-64）×4.2+128×2073.30=3.2×105kJ，即通过换热每吨焦炭可产生3.2×105kJ的热量。

4.3 漏水及结石墨情况

本次中试采用两根上升管，推焦时间最短间隔为7.5小时，推焦交替进行，避免了单根上升管在推焦末期温度较低易结石墨的问题。通过观察，两根上升管内壁无结实的石墨，只有一层疏松的石墨，每次推焦时，依靠高温燃烧可以基本清除干净。

本次中试均未出现上升管漏水的情况。

两次中试中，上升管所采用的材质是相同的，第二次中试对上升管进行了结构优化，同时改变喷涂工艺，使上升管内壁涂层更加光滑，防止焦油的粘黏与附着。

4.4 干烧试验

将上升管换热器的进水阀关闭，打开出水口阀门，对上升管换热器进行干烧试验。干烧过程中，上升管换热器无变形、异响情况发生，并且无荒煤气溢出。

干烧试验为期7天，拆除后对上升管换热器进行全面检查，未发现变形、裂纹等情况，上升管换热器内壁完好无损。

5 结语

（1）上升管換热器外壁温度平均为45℃，远低于原上升管表面温度；（2）上升管产生的蒸汽量平均为128kg/吨焦，蒸汽压力为平均为0.7MPa（饱和蒸汽），每吨焦炭可回收3.2×105kJ的热量；（3）上升管换热器经结构优化、内壁光滑处理后，内壁无结实的石墨，只有一层疏松的石墨且易于清理；（4）上升管换热器可长时间断水干烧而不损坏；（5）中试系统自动运行平稳，中试期间无故障情况发生，无需大量人工操作。

由中试结果可以看出，本文设计研发的上升管换热器产汽量高，结构先进合理，不易漏水，无安全隐患；表面温度低，可长时间干烧而不损坏。此上升管换热器已具备工业化投产条件。

参考文献

[1] 张宇晨，孙业新.焦炉上升管荒煤气显热回收技术探讨[J].冶金能源，2011，30（3）.

[2] 张欣欣，张安强，等.焦炉能耗分析与余热利用技术[J].钢铁，2012，48（7）.

（责任编辑：黄银芳）