攀钢初冷器存在的问题及改进措施探讨

朱玉萍，王 钢

(攀钢钒炼铁厂，四川攀枝花617000)

焦炉炭化室出来的荒煤气在进入净化系统前的温度还相当高，煤气中还含有大量的焦油汽和含氨水汽，须在初冷器中进一步冷却，并将大部分含萘焦油汽、含氨水汽以及荒煤气夹带的粉尘冷凝下来［1］。初冷器是煤气净化的重要设备，出初冷器的煤气集合温度，煤气中的萘以及煤气中夹带的煤粉焦粉(俗称焦油渣)等指标达不到工艺条件要求，将严重影响煤气输送和后部净化系统的正常运行。

1 工艺简介

攀钢钒炼铁厂二期初冷系统采用横管式初冷器对焦炉炭化室来的荒煤气进行间接冷却，在初冷器内，煤气走管外，冷却水走管内，两者逆流经换热管管壁间进行换热，使煤气冷却。煤气从上往下通过初冷器，冷却水自每个冷却段的下部进入，其中初冷器上段(高温段)采用循环水冷却，初冷器下段(低温段)采用16℃低温水冷却，以保证煤气集合温度满足煤气净化的要求。在初冷器壳程的各段上部均设置了冷凝液喷洒装置，采用喷洒液连续喷洒以清洗管外壁沉积的焦油渣和萘，同时还从煤气中吸收部分萘，工艺流程见图1。

2 攀钢初冷器存在的问题

攀钢钒炼铁厂二期初冷器设计有5台横管式初冷器(4开1备)，处理煤气量90 000 Nm3/h，初冷器出口煤气集合温度不高于23℃，初冷器阻力不大于1500 Pa，初冷器共两段冷却，两段均有混合液喷洒，各有7根直径50 mm的喷洒管，初冷器未设置断液盘。2012年开始，攀钢炼铁厂两期的初冷器均开始出现以下问题。

2.1 使用寿命短

攀钢原初冷器使用寿命与国内其它焦化厂相差不大，一般使用寿命7-8年，但从2012年开始初冷器的使用寿命基本只能达到3-4年，解剖更换下来的初冷器，问题主要由换热管和初冷器花板泄漏引起，其中花板泄漏的问题更严重，迫使更换初冷器换热管或整体更换初冷器。初冷器泄漏致使冷却水漏入氨水系统，增加焦化废水处理量，分析攀钢近几年初冷器泄漏情况，每台初冷器的泄漏大约在10-20吨/小时，这部分水漏入系统进入废水系统，增加蒸氨负荷和生化废水处理量。

图1 攀钢二期煤气初冷器流程图

2.2 焦油渣、萘堵塞初冷器换热管

攀钢初冷器大修更换下来的换热管及堵塞物情况见图1、图2所示。

图2 攀钢二期3号初冷器换热管积壁渣图

由于荒煤气中的煤粉、焦粉未在初冷器中去除彻底，进入后部煤气净化系统，导致初冷器出口煤气管道、电捕焦油器堵塞，煤气鼓风机阻力增加，鼓风机转子出现磨损问题，影响煤气输送，另外厂外煤气管线也出现了粉尘堆积问题。

2.3 煤气集合温度严重高于设计值

目前煤气集合温度长期处于30℃以上，严重时高于40℃，由于集合温度高，净化后的煤气含氨、硫化氢指标一直不能达标，见表1。

图3 攀钢二期3初冷器换热管壁清除下来的积渣

表1 净化后煤气质量指标(mg/Nm3)

3 原因分析

3.1 使用寿命短的原因

初冷器换热管板(俗称花板)与换热管的连接方式主要有胀接、焊接、胀焊并用等方式。胀接方式是目前通用的方法，主要是利用换热管与管板在外力作用下产生的弹塑性变形之差异，将二者紧密结合在一起，从而达到密封紧固目的的连接工艺。而机械滚胀法是目前应用最广的胀接技术。该方法由于滚子的反复滚压作用，使得管子被胀部分的内壁粗糙，残余应力高，容易造成管子被胀部分的材料冷作硬化，致使该部分耐腐蚀性能降低，该方法施工过程劳动强度大，胀管率的精确控制有一定的难度，且由于反复受压次数多且碾压力大，使换热管内表面的金属表层发生剪切疲劳裂纹，严重时就变成表层金属的起鳞样破坏，为以后的生产留下隐患，降低整台初冷器的寿命。特别是对于初冷器因花板与换热管间泄漏而更换换热管的检修，由于花板已经使用过，容易出现花板孔径不一致及腐蚀性物质残留等问题，导致初冷器换热管与花板在生产使用过程中出现换热管与花板之间连接失效，花板快速泄漏。

3.2 换热管堵塞的原因

3.2.1 高压氨水压力控制过高

随着环保要求的日益严格，为保证焦炉不冒烟，生产操作中不断提高高压氨水的压力，一期高压氨水压力从24-28 kg/m2提高到32-36 kg/m2，二期高压氨水压力从18-22 kg/m2提高到的32-36 kg/m2。由于高压氨水压力提高，从焦炉炭化室带入荒煤气中的焦煤、煤粉量加大，增加了初冷器脱除粉尘的负荷。攀钢焦油中喹啉不溶物和甲苯不溶物含量不断升高就是由于煤粉、焦粉进入焦油中的量增加导致，见表2［2］。

表2 攀钢原料焦油喹啉不溶物和甲苯不溶物含量统计结果(%)

3.2.2 混合液喷洒量小

初冷器不仅肩负煤气冷却，还有通过循环混合液除萘和焦油渣的功能，混合液喷洒量小带来两方面的问题：一是煤气中的煤粉、焦粉不能充分在初冷器中脱除出来，形成焦油渣进入后部工序，堵塞后部工序的设备(电捕焦油器、鼓风机等)和管线，二是不能充分溶解吸收煤气中的萘。据资料介绍，50℃以上时萘几乎不会从煤气中析出，当煤气温度低于50℃时将会有大量的萘析出，这就需要大量的混合液冲刷溶解吸收，喷淋量小，达不到冲刷吸收的效果，易造成初冷器下段的堵塞。攀钢初冷器未设置断液盘，下段喷洒液除溶解吸收萘外，还需要依靠大量的喷洒液将上段脱除下来的焦油渣带出初冷器，而攀钢初冷器的喷洒液流量仅为45 m3/h(见表3)，且上下段的喷洒管经常堵塞不能及时发现也不能及时处理，造成了喷洒盲区，也降低了喷洒液的洗涤效果。

表3 国内部分单位初冷器混合液喷洒量参数统计情况(m3/h)

从表3数据可见：攀钢二期初冷器混合液的喷洒量远低于设计值和同类企业的生产控制值。

3.3 煤气集合温度高的原因

根据文献［2］可知换热器的传热系数公式为：

式中：hi、ho——分别为换热管的内、外侧表面传热系数；

do、di——分别为换热管的内外管径；

RW、Rf——分别为管壁导热热阻及污垢热阻。

从上式可见，对已投用的换热器，传热系数只受污垢热阻的影响。初冷器的污垢热阻分为水侧污垢热阻和煤气侧污垢热阻，水侧的污垢热阻主要是由冷却水对碳钢结构腐蚀所引起的，冷却水中的溶解固形物和悬浮物等逐步累积会使循环水结垢增加热阻。攀钢设置了循环水管控系统，通过加入阻垢剂、缓蚀剂等化学药剂对结垢和腐蚀有一定的控制作用。管外热阻主要是由于焦炉煤气中的焦油渣沉积以及萘随着煤气温度降低冷凝附着在管壁上所引起的。从攀钢初冷器换热管的堵塞情况分析，受煤粉、焦粉大量沉积在初冷器换热管表面的影响，换热管的传热系数会大幅度下降，在传热面积不变的情况下，换热效率会受极大影响，导致煤气集合温度无法达到设计值，从而影响净化煤气质量。

另一方面，由于攀钢初冷器无断液盘，上段喷洒的冷凝液未引出初冷器而一直流到底部，这样不仅增加了初冷器下段的热负荷，而且将在上段吸收的大量的萘、焦油渣引入下段，增加了下段的污垢热阻。

4 改进方案设计

初冷器改造必要条件：初冷器壳体利旧，改造后的操作重量不超过现有操作重量且实现煤气集合温度不高于24℃。

4.1 改进初冷器结构及焊接工艺

4.1.1 增设断液盘

在初冷器上下段中间设置断液盘，将上段煤气中脱除下来含煤粉焦粉以及萘的冷凝液在断液盘处汇集，通过下液管引出初冷器，避免煤粉焦粉和萘进入初冷器下段累积堵塞下段换热管影响换热效率。

4.1.2 增设空喷段

在初冷器上段增设空喷段：拆除初冷器上段部分换热管，在初冷器顶部开4个DN250的安装孔以及在煤气进初冷器处设置1个DN300的安装孔，每个初冷器安装5支喷淋装置。

4.1.3 换热管更换为三维波纹管强化传热效果

由于初冷器上段拆除了部分换热管，换热面积将减少，为保证煤气冷却效果，将现有换热管更换为传热效率更高的三维波纹管。由于三维波纹管设计有波峰和波谷，在波峰处流体速度降低，静压增加，在波谷处流速增加，静压降低，流体流动在反复改变轴向压力梯度下进行，产生剧烈的漩涡，提高传热效果，和普通换热管相比，在相同条件下可提高换热效率20%以上，该换热管已在本溪焦化厂得到成功应用。

4.1.4 焊接工艺改进

在新建初冷器时采用涨焊结合的制作工艺，即在首次花板与换热管连接的过程中，采用液袋胀管+花板口焊接相结合的施工方案，既确保花板与换热管的紧密连接，又利用焊接连接有利于增强花板与换热管抗拉脱和耐振动的优势，有效发挥了耐腐蚀材质的优势，从而实现初冷器的长寿化。

4.2 改造混合液喷洒系统

1)新建1个200 m3的混合液槽，作为初冷器下段混合液喷洒；

2)新建2台流量240 m3/h的混合液喷洒泵(1开1备)，用于初冷器上段喷洒；

3)新建2台流量440 mm3/h的混合液喷洒泵(1开1备)，用于初冷器下段喷洒；

4)对现有混合液喷洒管道进行改造，各管段的管径结果见表4。

表4 混合液喷洒管段计算结果(mm)

改造后工艺流程图见图4。

图4 初冷器改造后工艺流程图

5 结论

1)初冷器花板与换热管采用胀接技术容易造成被胀部分的内壁粗糙，残余应力高，换热管内表面的金属表层发生剪切疲劳裂纹，造成胀接部分的耐腐蚀性能降低。

2)高压氨水压力控制高，从焦炉炭化室带入荒煤气中的煤粉、焦粉量加大，增加了初冷器脱除粉尘的负荷，而初冷器混合液喷洒液量小，导致从煤气中洗涤下来的粉尘不能全部带出初冷器而沉积在初冷器换热管上影响换热效果，进而影响煤气集合温度。

3)初冷器增设断液盘和空喷段，换热管更换为三维波纹管强化传热效果，采用液袋胀管+花板口焊接相结合的施工技术以及增加混合液喷洒量，预计初冷器的使用寿命可以延长到7年以上，可有效解决初冷器换热管沉渣影响换热效率的问题。