朱玉萍，王 鋼

(攀鋼釩煉鐵廠，四川攀枝花617000)

焦?fàn)t炭化室出來(lái)的荒煤氣在進(jìn)入凈化系統(tǒng)前的溫度還相當(dāng)高，煤氣中還含有大量的焦油汽和含氨水汽，須在初冷器中進(jìn)一步冷卻，并將大部分含萘焦油汽、含氨水汽以及荒煤氣夾帶的粉塵冷凝下來(lái)［1］。初冷器是煤氣凈化的重要設(shè)備，出初冷器的煤氣集合溫度，煤氣中的萘以及煤氣中夾帶的煤粉焦粉(俗稱焦油渣)等指標(biāo)達(dá)不到工藝條件要求，將嚴(yán)重影響煤氣輸送和后部?jī)艋到y(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 工藝簡(jiǎn)介

攀鋼釩煉鐵廠二期初冷系統(tǒng)采用橫管式初冷器對(duì)焦?fàn)t炭化室來(lái)的荒煤氣進(jìn)行間接冷卻，在初冷器內(nèi)，煤氣走管外，冷卻水走管內(nèi)，兩者逆流經(jīng)換熱管管壁間進(jìn)行換熱，使煤氣冷卻。煤氣從上往下通過(guò)初冷器，冷卻水自每個(gè)冷卻段的下部進(jìn)入，其中初冷器上段(高溫段)采用循環(huán)水冷卻，初冷器下段(低溫段)采用16℃低溫水冷卻，以保證煤氣集合溫度滿足煤氣凈化的要求。在初冷器殼程的各段上部均設(shè)置了冷凝液噴灑裝置，采用噴灑液連續(xù)噴灑以清洗管外壁沉積的焦油渣和萘，同時(shí)還從煤氣中吸收部分萘，工藝流程見(jiàn)圖1。

2 攀鋼初冷器存在的問(wèn)題

攀鋼釩煉鐵廠二期初冷器設(shè)計(jì)有5臺(tái)橫管式初冷器(4開(kāi)1備)，處理煤氣量90 000 Nm3/h，初冷器出口煤氣集合溫度不高于23℃，初冷器阻力不大于1500 Pa，初冷器共兩段冷卻，兩段均有混合液噴灑，各有7根直徑50 mm的噴灑管，初冷器未設(shè)置斷液盤。2012年開(kāi)始，攀鋼煉鐵廠兩期的初冷器均開(kāi)始出現(xiàn)以下問(wèn)題。

2.1 使用壽命短

攀鋼原初冷器使用壽命與國(guó)內(nèi)其它焦化廠相差不大，一般使用壽命7-8年，但從2012年開(kāi)始初冷器的使用壽命基本只能達(dá)到3-4年，解剖更換下來(lái)的初冷器，問(wèn)題主要由換熱管和初冷器花板泄漏引起，其中花板泄漏的問(wèn)題更嚴(yán)重，迫使更換初冷器換熱管或整體更換初冷器。初冷器泄漏致使冷卻水漏入氨水系統(tǒng)，增加焦化廢水處理量，分析攀鋼近幾年初冷器泄漏情況，每臺(tái)初冷器的泄漏大約在10-20噸/小時(shí)，這部分水漏入系統(tǒng)進(jìn)入廢水系統(tǒng)，增加蒸氨負(fù)荷和生化廢水處理量。

圖1 攀鋼二期煤氣初冷器流程圖

2.2 焦油渣、萘堵塞初冷器換熱管

攀鋼初冷器大修更換下來(lái)的換熱管及堵塞物情況見(jiàn)圖1、圖2所示。

圖2 攀鋼二期3號(hào)初冷器換熱管積壁渣圖

由于荒煤氣中的煤粉、焦粉未在初冷器中去除徹底，進(jìn)入后部煤氣凈化系統(tǒng)，導(dǎo)致初冷器出口煤氣管道、電捕焦油器堵塞，煤氣鼓風(fēng)機(jī)阻力增加，鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)磨損問(wèn)題，影響煤氣輸送，另外廠外煤氣管線也出現(xiàn)了粉塵堆積問(wèn)題。

2.3 煤氣集合溫度嚴(yán)重高于設(shè)計(jì)值

目前煤氣集合溫度長(zhǎng)期處于30℃以上，嚴(yán)重時(shí)高于40℃，由于集合溫度高，凈化后的煤氣含氨、硫化氫指標(biāo)一直不能達(dá)標(biāo)，見(jiàn)表1。

圖3 攀鋼二期3初冷器換熱管壁清除下來(lái)的積渣

表1 凈化后煤氣質(zhì)量指標(biāo)(mg/Nm3)

3 原因分析

3.1 使用壽命短的原因

初冷器換熱管板(俗稱花板)與換熱管的連接方式主要有脹接、焊接、脹焊并用等方式。脹接方式是目前通用的方法，主要是利用換熱管與管板在外力作用下產(chǎn)生的彈塑性變形之差異，將二者緊密結(jié)合在一起，從而達(dá)到密封緊固目的的連接工藝。而機(jī)械滾脹法是目前應(yīng)用最廣的脹接技術(shù)。該方法由于滾子的反復(fù)滾壓作用，使得管子被脹部分的內(nèi)壁粗糙，殘余應(yīng)力高，容易造成管子被脹部分的材料冷作硬化，致使該部分耐腐蝕性能降低，該方法施工過(guò)程勞動(dòng)強(qiáng)度大，脹管率的精確控制有一定的難度，且由于反復(fù)受壓次數(shù)多且碾壓力大，使換熱管內(nèi)表面的金屬表層發(fā)生剪切疲勞裂紋，嚴(yán)重時(shí)就變成表層金屬的起鱗樣破壞，為以后的生產(chǎn)留下隱患，降低整臺(tái)初冷器的壽命。特別是對(duì)于初冷器因花板與換熱管間泄漏而更換換熱管的檢修，由于花板已經(jīng)使用過(guò)，容易出現(xiàn)花板孔徑不一致及腐蝕性物質(zhì)殘留等問(wèn)題，導(dǎo)致初冷器換熱管與花板在生產(chǎn)使用過(guò)程中出現(xiàn)換熱管與花板之間連接失效，花板快速泄漏。

3.2 換熱管堵塞的原因

3.2.1 高壓氨水壓力控制過(guò)高

隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，為保證焦?fàn)t不冒煙，生產(chǎn)操作中不斷提高高壓氨水的壓力，一期高壓氨水壓力從24-28 kg/m2提高到32-36 kg/m2，二期高壓氨水壓力從18-22 kg/m2提高到的32-36 kg/m2。由于高壓氨水壓力提高，從焦?fàn)t炭化室?guī)牖拿簹庵械慕姑?、煤粉量加大，增加了初冷器脫除粉塵的負(fù)荷。攀鋼焦油中喹啉不溶物和甲苯不溶物含量不斷升高就是由于煤粉、焦粉進(jìn)入焦油中的量增加導(dǎo)致，見(jiàn)表2［2］。

表2 攀鋼原料焦油喹啉不溶物和甲苯不溶物含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果(%)

3.2.2 混合液噴灑量小

初冷器不僅肩負(fù)煤氣冷卻，還有通過(guò)循環(huán)混合液除萘和焦油渣的功能，混合液噴灑量小帶來(lái)兩方面的問(wèn)題：一是煤氣中的煤粉、焦粉不能充分在初冷器中脫除出來(lái)，形成焦油渣進(jìn)入后部工序，堵塞后部工序的設(shè)備(電捕焦油器、鼓風(fēng)機(jī)等)和管線，二是不能充分溶解吸收煤氣中的萘。據(jù)資料介紹，50℃以上時(shí)萘幾乎不會(huì)從煤氣中析出，當(dāng)煤氣溫度低于50℃時(shí)將會(huì)有大量的萘析出，這就需要大量的混合液沖刷溶解吸收，噴淋量小，達(dá)不到?jīng)_刷吸收的效果，易造成初冷器下段的堵塞。攀鋼初冷器未設(shè)置斷液盤，下段噴灑液除溶解吸收萘外，還需要依靠大量的噴灑液將上段脫除下來(lái)的焦油渣帶出初冷器，而攀鋼初冷器的噴灑液流量?jī)H為45 m3/h(見(jiàn)表3)，且上下段的噴灑管經(jīng)常堵塞不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)也不能及時(shí)處理，造成了噴灑盲區(qū)，也降低了噴灑液的洗滌效果。

表3 國(guó)內(nèi)部分單位初冷器混合液噴灑量參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況(m3/h)

從表3數(shù)據(jù)可見(jiàn)：攀鋼二期初冷器混合液的噴灑量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值和同類企業(yè)的生產(chǎn)控制值。

3.3 煤氣集合溫度高的原因

根據(jù)文獻(xiàn)［2］可知換熱器的傳熱系數(shù)公式為：

式中：hi、ho——分別為換熱管的內(nèi)、外側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；

do、di——分別為換熱管的內(nèi)外管徑；

RW、Rf——分別為管壁導(dǎo)熱熱阻及污垢熱阻。

從上式可見(jiàn)，對(duì)已投用的換熱器，傳熱系數(shù)只受污垢熱阻的影響。初冷器的污垢熱阻分為水側(cè)污垢熱阻和煤氣側(cè)污垢熱阻，水側(cè)的污垢熱阻主要是由冷卻水對(duì)碳鋼結(jié)構(gòu)腐蝕所引起的，冷卻水中的溶解固形物和懸浮物等逐步累積會(huì)使循環(huán)水結(jié)垢增加熱阻。攀鋼設(shè)置了循環(huán)水管控系統(tǒng)，通過(guò)加入阻垢劑、緩蝕劑等化學(xué)藥劑對(duì)結(jié)垢和腐蝕有一定的控制作用。管外熱阻主要是由于焦?fàn)t煤氣中的焦油渣沉積以及萘隨著煤氣溫度降低冷凝附著在管壁上所引起的。從攀鋼初冷器換熱管的堵塞情況分析，受煤粉、焦粉大量沉積在初冷器換熱管表面的影響，換熱管的傳熱系數(shù)會(huì)大幅度下降，在傳熱面積不變的情況下，換熱效率會(huì)受極大影響，導(dǎo)致煤氣集合溫度無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)值，從而影響凈化煤氣質(zhì)量。

另一方面，由于攀鋼初冷器無(wú)斷液盤，上段噴灑的冷凝液未引出初冷器而一直流到底部，這樣不僅增加了初冷器下段的熱負(fù)荷，而且將在上段吸收的大量的萘、焦油渣引入下段，增加了下段的污垢熱阻。

4 改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

初冷器改造必要條件：初冷器殼體利舊，改造后的操作重量不超過(guò)現(xiàn)有操作重量且實(shí)現(xiàn)煤氣集合溫度不高于24℃。

4.1 改進(jìn)初冷器結(jié)構(gòu)及焊接工藝

4.1.1 增設(shè)斷液盤

在初冷器上下段中間設(shè)置斷液盤，將上段煤氣中脫除下來(lái)含煤粉焦粉以及萘的冷凝液在斷液盤處匯集，通過(guò)下液管引出初冷器，避免煤粉焦粉和萘進(jìn)入初冷器下段累積堵塞下段換熱管影響換熱效率。

4.1.2 增設(shè)空噴段

在初冷器上段增設(shè)空噴段：拆除初冷器上段部分換熱管，在初冷器頂部開(kāi)4個(gè)DN250的安裝孔以及在煤氣進(jìn)初冷器處設(shè)置1個(gè)DN300的安裝孔，每個(gè)初冷器安裝5支噴淋裝置。

4.1.3 換熱管更換為三維波紋管強(qiáng)化傳熱效果

由于初冷器上段拆除了部分換熱管，換熱面積將減少，為保證煤氣冷卻效果，將現(xiàn)有換熱管更換為傳熱效率更高的三維波紋管。由于三維波紋管設(shè)計(jì)有波峰和波谷，在波峰處流體速度降低，靜壓增加，在波谷處流速增加，靜壓降低，流體流動(dòng)在反復(fù)改變軸向壓力梯度下進(jìn)行，產(chǎn)生劇烈的漩渦，提高傳熱效果，和普通換熱管相比，在相同條件下可提高換熱效率20%以上，該換熱管已在本溪焦化廠得到成功應(yīng)用。

4.1.4 焊接工藝改進(jìn)

在新建初冷器時(shí)采用漲焊結(jié)合的制作工藝，即在首次花板與換熱管連接的過(guò)程中，采用液袋脹管+花板口焊接相結(jié)合的施工方案，既確保花板與換熱管的緊密連接，又利用焊接連接有利于增強(qiáng)花板與換熱管抗拉脫和耐振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，有效發(fā)揮了耐腐蝕材質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)初冷器的長(zhǎng)壽化。

4.2 改造混合液噴灑系統(tǒng)

1)新建1個(gè)200 m3的混合液槽，作為初冷器下段混合液噴灑；

2)新建2臺(tái)流量240 m3/h的混合液噴灑泵(1開(kāi)1備)，用于初冷器上段噴灑；

3)新建2臺(tái)流量440 mm3/h的混合液噴灑泵(1開(kāi)1備)，用于初冷器下段噴灑；

4)對(duì)現(xiàn)有混合液噴灑管道進(jìn)行改造，各管段的管徑結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 混合液噴灑管段計(jì)算結(jié)果(mm)

改造后工藝流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 初冷器改造后工藝流程圖

5 結(jié)論

1)初冷器花板與換熱管采用脹接技術(shù)容易造成被脹部分的內(nèi)壁粗糙，殘余應(yīng)力高，換熱管內(nèi)表面的金屬表層發(fā)生剪切疲勞裂紋，造成脹接部分的耐腐蝕性能降低。

2)高壓氨水壓力控制高，從焦?fàn)t炭化室?guī)牖拿簹庵械拿悍?、焦粉量加大，增加了初冷器脫除粉塵的負(fù)荷，而初冷器混合液噴灑液量小，導(dǎo)致從煤氣中洗滌下來(lái)的粉塵不能全部帶出初冷器而沉積在初冷器換熱管上影響換熱效果，進(jìn)而影響煤氣集合溫度。

3)初冷器增設(shè)斷液盤和空噴段，換熱管更換為三維波紋管強(qiáng)化傳熱效果，采用液袋脹管+花板口焊接相結(jié)合的施工技術(shù)以及增加混合液噴灑量，預(yù)計(jì)初冷器的使用壽命可以延長(zhǎng)到7年以上，可有效解決初冷器換熱管沉渣影響換熱效率的問(wèn)題。