焦炉上升管蒸发器失效分析和系统优化

2021-07-09蒋玄，江静

安徽冶金科技职业学院学报 2021年2期

蒋玄，江静

(马钢股份公司炼焦总厂安徽马鞍山 243000)

1 概况

2020年，我国生产焦炭约5亿吨，如果按每生产1吨红焦的高温荒煤气余热回收后至少能产生0.1吨0.6 MPa饱和蒸汽，如果全部回收利用，则至少可回收5万吨0.6 MPa的蒸汽，折合标煤约500万吨，可减排二氧化碳量1300万t/a，节能潜力巨大，荒煤气热能回收应用具有广阔的应用前景及经济效益，其低碳、节能减排的社会效益显著，行业运用前景巨大。随着国家节能环保产业政策的不断推进，近年来不少焦化企业逐渐投用了焦炉上升管余热回收技术，由于初期技术原因，多家企业投用该技术不久后就停用了。本单位6米焦炉上升管余热回收系统因进行了技术改进和优化，自2016年投产以来运行一直稳定，现场自动化集成度高，基本做到免维护。

2 上升管蒸发器机构原理

上升管余热利用换热装置结构为夹套内管铣槽式型，内管外壁铣成多条凹型槽加紧密外夹套，外加保温层外套，上下是碳钢(不锈钢)法兰连接。中心管程为圆柱形荒煤气通道，管壁夹套为汽水通道，蒸发器整体为合金无缝钢管，无焊缝；同时上升管换热器内管壁，经过特殊工艺处理涂覆有保护层作为主要受热面，采用耐腐蚀和耐高温性的材料，解决了上升管内壁耐腐蚀和耐高温的问题；上升管换热器外壁，采用抗腐蚀和氧化的不锈钢材质，最大程度的适应了焦炉的运行环境。此种结构优点有结构简单，不易结焦，能调控出口温度，外壁温度低于90 ℃以下。主要缺点有机加工成本高，槽内易产生堵塞，内管一旦堵塞会断水产生空烧，如果铣槽不均匀内管刚性就会降低，不能产生压力等级相对高的蒸汽，易受外力挤压产生瘪管现象。

3 失效力学分析

由于焦炉上升管底部末期温度为1000±50 ℃高温，且荒煤气成分含有H、HS、NH等导致金属性能降低等成分，普通材料无法发挥出正常的材料力学性能。容易发生换热器内部破裂导致漏水(见图1)，损坏焦炉炭化室炉墙硅砖。

图1 蒸发失效状况

换热器材质以15CrMo和20 g为主，常温下抗弯曲、抗冲击和抗拉性能良好。换热器内部循环倍率过低导致换热不均，过度追求吨焦蒸汽产量或蒸汽品质将影响换热器工作稳定。一般换热器内部通水换热后，内壁温度控制在300 ℃以下，金属屈服强度保留有常温时的80%左右为宜。当循环倍率过低或吨焦产汽量过高时，换热器金属温度达到400 ℃甚至更高后(见图2)，金属屈服强度迅速降低至原来的60%甚至更低，此时蒸汽温度越高压力也越高，高温高压加剧了换热器高温面的破坏程度。一般换热器内部压力控制在0.8 MPa-1.2 MPa为宜，过高压力甚至产生过热蒸汽时，将大幅降低换热器使用寿命。

图2 主要金属屈服强度和温度关系

4 系统优化和改进

4.1 蒸发器材质与结构优化

蒸发器内管采用壁厚22 mm的无缝钢管，材质选用15CrMo。内管外经铣床加工8×6的凹槽进行水循环产生蒸汽，进出口均用法兰形式连接，以达到高效换热的效果。夹套外壁厚8 mm20 g无缝管作为防漏水保护。

外壁用硅酸铝板保温，外加5 mm不锈钢板，外壁温度能保证在90 ℃以下。这样焦炉上升管周围可以大幅度降低温度。

在内外夹套中间增加同材质的膨胀节，以调节整体变形处理。

上升管上部连接法兰用不锈钢锻件。厚度为34 mm—36 mm。下部插入炉体部分用耐高温不锈钢制作，以防长时间高温的烧烤产生变形。

4.2 蒸发器内部涂层

内壁喷涂LED单晶硅和氧化铝混合物1 mm涂层，防止了内壁结焦，并与内管的热膨胀系数吻合，不会有裂缝现象出现。喷涂工艺尤为重要，直接影响图层使用寿命和防结焦性能。上升管换热器内壁表面均匀光滑，无死角，不易凝结，从而尽可能的降低了焦油在内壁的凝结结焦。本系统自投用运行6年以来，基本免维护，上升管内部清扫劳动强度极大降低。

4.3 设置蒸发器管程温度检测报警系统

由于现场工况恶劣等各种突发状况的发生，容易导致上升管蒸发器内部破裂，水将涌入炭化室，对炭化室产生破坏、甚至发生蒸发器爆炸等重大危险情况的发生。不仅对焦炉的生产产生重大的影响，同时还有可能存在重大的安全隐患。针对蒸发器运行工况方面，本单位系统投运初期安装了温度监控系统(见图3)，并申报了温度检测和控制相关知识产权。每根上升管都安装了测温元件，连续不断对每一根蒸发器进行温度跟踪测量并实现数据存储处理。一旦上升管蒸发器管路发生堵塞、突然停供应介质、以及上升管蒸发器发生泄漏时，提前测得蒸发器温度的变化，当上升管温度超过设定预警值，报警装置就会立刻报警。