超导废热锅炉在半水煤气余热回收中的应用

位　朋 ， 武金辉 ， 孙玉龙 ， 刘　磊 ， 蒋永刚

(河南心连心化肥有限公司 ， 河南 新乡　453731)



超导废热锅炉在半水煤气余热回收中的应用

位朋 ， 武金辉 ， 孙玉龙 ， 刘磊 ， 蒋永刚

(河南心连心化肥有限公司 ， 河南 新乡453731)

摘要：简述了超导废热锅炉的工作原理，介绍了公司造气工段使用超导废热锅炉替代原有废热锅炉的运行情况。实践表明，使用超导热管的废热锅炉，传热效率高，半水煤气温度从230 ℃降低至140 ℃所需换热面积仅为原来的一半；热管翅片结构由原来螺旋翅片改为轴向翅片后，有效消除了积灰。运行6个月，换热效果未见任何下降。

关键词：超导热管 ； 废热锅炉 ； 余热回收利用 ； 翅片结构

0前言

通常情况下，从造气炉出来的上、下行煤气经旋风除尘器除尘后，送入废热锅炉，温度降至140 ℃后，进入洗气塔冷却，软水经废热锅炉加热后，进入造气汽包，进行汽水分离，所产饱和蒸汽供造气自用。然而，公司三分厂造气废热锅炉半水煤气出口温度通常都维持在170 ℃左右，西造气3#废热锅炉甚至高达175 ℃(运行初期出口温度为140 ℃)。175 ℃的半水煤气经洗气塔冷却，这部分高位热能被造气循环水带走，释放到大气中，导致高位热能的极大浪费。另外，原有废热锅炉阻力从2009年刚运行的500 Pa增加到2015年初的800 Pa，增加显著。

造气废热锅炉热管内工质是由水和少量有机混合物组成的，这些介质的内压、工作温区及介质相容性等存在一系列问题，且热管表面使用螺旋翅片结构，使这种热管的应用效果逐渐减弱，主要表现在：①热管翅片上极易结垢,直接影响热管的换热效果。目前热管翅片结构为螺旋翅片结构，这样的设置是为了增加换热面积而减小设备大小而设置的，但是这种设置增加了积灰的可能性。②这种钢—水常规热管载体材料(钢)与其内部工质(水)相容性不好，易产生不凝性气体(主要是H2和O2)，在热管工作时，这些不凝性气体被蒸汽流吹扫到冷凝段聚集起来形成气塞，从而使传热性能恶化，

甚至失效。③随着使用时间的延长，部分热管出现爆管、裂管现象，导致废热锅炉热效率下降。

1量子热超导技术介绍

1.1　量子热超导技术概述

进入20世纪90年代以后，随着现代科学技术的迅猛发展，许多尖端设备对温度的传递范围、传热效率、使用寿命等提出了更高的要求，使得常规热管已无法满足工作需要。

量子热超导技术是以无机元素为介质，注入到各类金属(或非金属)管状、夹层板腔内，经密封成型后，形成具有导热特性的元件，热管元件可将热量由元件的一端向另一端快速传递，在整体导热过程中，元件的表面呈现出等温传递的特性(热超导性)，同时热量在通过元件传递实现交换的过程中，具有极高的热传递效率，热管元件的最高导热系数可达相同表面积银材料的32 000余倍，轴向27 200 kW/m2，径向158 kW/m2。传热元件简图见图1。

图1　传热元件简图

1.2.1传输功率高

常规热管的传热功率为415 W/cm，而量子热超导管的传热功率是其3倍。

1.2.2元件工质与金属的相容性好

所谓相容性是指元件运行时不致发生腐蚀和不产生不凝性气体的特性。常规热管由于水与金属的不相容会产生慢性失效现象，就是热管中水与钢中的铁发生电化学发生，生成H2和O2，使得热管慢性失效。而量子热超导技术工质与各类金属及非金属均具有良好的相容性，故不存在慢性失效。

1.2.3元件均温性好

量子热超导技术元件的均温性比常规热管要好得多，温差为1～2 ℃，而常规热管温差为4～8 ℃。

1.2.4元件工作内压低

由于量子热超导技术元件的蒸汽压较低，且填装量很少，故在较高的温度工作时，内压较小。常规热管，液体占热管内腔容积的15%～30%，在工作温度较高时，其内压很大，易发生爆管、裂管。

1.2.5元件的使用寿命更长

由于量子热超导技术元件的内压低，且相容性好，故其实际使用寿命要比常规热管要长，可达13×104h(10～15年)。

1.2.6元件的温度适用范围更宽

量子热超导技术元件的温度适用范围为-30～1 000 ℃，按照温度段使用，目前批量生产的传热元件壁温≤300 ℃。常规热管是利用水、油或乙醇等的相变原理进行传热，高温容易失效，一般碳钢—水热管的工作温度范围为30～250 ℃。

1.2.7换热设备不需采取防冻措施

常规热管在冬季停运时，需要采取防冻措施，以免将热管冻坏。量子热超导技术元件在低温下不会冻坏，故不需采取任何防冻措施。

2超导废热锅炉配置方案

2.1　主体结构特征

余热回收系统的主体设备主要由量子热超导管、筒体及半水煤气侧箱体组成。整个设备热侧介质为造气炉产生的半水煤气，冷侧介质为脱盐热水，采用立式布置结构，量子热超导管水平微倾斜布置，箱体侧半水煤气垂直自上而下流动，此过程中先将热量传递给热管，热管再将热量传递给筒内侧水中并将其加热，量子热超导管与筒体采用焊接，保证筒体的承压。具有安装简单、设备质量较轻、传热效果好、不易积灰、易于排污等特点。

2.2　热管翅片结构

针对半水煤气灰尘含量大、易积灰的特点，我们对热管翅片结构做出了调整，将螺旋翅片结构改为轴向翅片结构，如图2所示。相比来说，这样设置虽然牺牲了一些换热面积，但是由于超导热管的高效传热性，弥补了需要达到同样换热效果设备的缺陷。

该结构具有如下优点：①轴向翅片结构按图2所示放置，结构上、下对称，可以消除热管背部的涡流区，飞灰不易在管壁及翅片上沉积，从而从根本上解决灰尘在此停聚堆积的问题，可以保持热管外表面长期清洁，保证热管的换热效果。②纵向双翅结构，相对于光管，增加了换热面积；相对于螺旋翅片结构，更易于生产加工。经计算，纵向双翅结构热管面积较光管有2倍以上的增加，纵向翅化后总换热面积约为445 m2(这是针对28 000 Nm3/h气量的情况)。③将上下不同层的纵向翅化热管束错列排布，加之翅片本身对气流就有扰动作用，更加增强了热侧的换热效果。④纵向双翅结构对于半水煤气侧的阻力较小。一般情况下，环形翅片热管结构的废热锅炉热侧阻力控制在500 Pa左右，而纵向双翅结构的废热锅炉热侧阻力一般<400 Pa。

2.3　设备检修与清理

设备本身还预留检修通道，设备本体两侧不同高度会各设置两个Φ450的检修孔，便于检修人员进行检修。在设备下部设置清灰口，必要时可打开清灰门对管道及设备底部进行清灰。

3项目实施效果

半水煤气余热回收利用项目于2015年5月3日正式投入使用，运行稳定，具体运行数据如表1所示。

表1　冬季半水煤气余热回收参数记录表

注：上表中为随机选取不同日期、不同时间段的温度记录参数。

从表1可以看出，使用超导热管废锅锅炉，换热面积仅有原来的一半，半水煤气可以降低至140 ℃；采用轴向翅片结构，热管无积灰，设备阻力较原有废热锅炉小，运行效果良好。

4经济效益分析

单台废热锅炉每小时多产蒸汽量为710 kg，每年按照330 d的运转时间，每吨蒸汽按照60元计，每年产生的经济效益为33.7 万元。

5结束语

原有废热锅炉使用普通热管进行传热，为了增强传热效果，在热管表面布置螺旋翅片，这样又带来了积灰问题，致使设备运行一段时间后，换热效果逐渐变差。我们选择了轴向翅片结构，可有效减缓积灰，虽然牺牲了一些换热面积，但是，配合超导热管的高效传热性，使得设备在比原设备还要小的情况下实现更好的传热。

焦炉自动加热控制技术降耗提质

山西焦化JN60型焦炉自动加热控制与优化管理系统项目，近日通过了山西省科技厅省科技成果鉴定。鉴定结果显示，该项目通过优化炉温控制调节，降低了能耗，提高了焦炭质量，达到国内领先水平。

一年来的应用表明，焦炉自动加热控制与优化管理系统实现了火道温度的自动连续测温，测量精度高、环境适应性强；建立了火落时间判断模型，实现了焦炭成熟度的实时监控；建立了焦炉燃烧专业控制系统，提高了燃烧效率，稳定了焦炭质量，使焦炉煤气回炉率下降2~5个百分点，年可节约回炉煤气3 000万m3，直接经济效益达750万元。

山西焦化厂拥有6座焦炉，焦炉加热控制基本上以人工操作为主，焦炉生产中一些关键参数缺乏自动监测手段，造成加热控制温度波动、炼焦耗热量高的问题。为此，山西焦化分3期陆续对6座焦炉增设自动加热装置，为确保技术改造顺利实施，山西焦化增设了焦炉加热系统新型检测与优化控制技术，应用了大量智能化控制手段和先进的设备来提高操作系统的性能，研发了焦炉加热自动控制与优化管理系统；应用了火道温度自动测量、火落管理、焦炭质量预判等先进的设备与优化控制技术，降低了能耗、提高焦炭质量的稳定性。

作者简介：位朋(1987-)，男，助理工程师，从事化工过程余热回收利用，E-mail：2355315345@qq.com。1.2量子热超导技术特点

收稿日期：2015-10-11

中图分类号：TQ054

文献标识码：B

文章编号：1003-3467(2015)12-0031-03