閆磊

（上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇南京 210039）

前言

熱風爐向高爐持續(xù)鼓入高溫空氣，保證高爐燃燒焦炭將鐵礦石還原成金屬鐵，提高風溫有助于降焦比、增產(chǎn)量。梅山2#高爐配置3座內(nèi)燃式熱風爐，煤氣消耗8 萬m3/h，其中高爐煤氣約占97%、焦爐煤氣約占3%。

煤氣換熱器廣泛應(yīng)用于各類熱風爐，經(jīng)耐火磚蓄熱后約300 ℃煙氣進入煤氣、空氣換熱器，對空煤氣進行預(yù)熱，煙氣溫度降至150 ℃后排入大氣。目前常用煤氣換熱器有管殼式、熱管式、板式。梅鋼高煤冷凝水pH 值平均5.5、氯離子濃度約600 mg/L且波動較大。考慮耐酸性腐蝕、占地面積等因素，熱管式、板式換熱器未大范圍應(yīng)用，管式換熱器制造簡單、壽命長、造價低、阻損小、不需設(shè)旁通煙道，仍大量應(yīng)用于熱風爐中。

1 現(xiàn)狀

2#高爐熱風爐煤氣換熱器采用管束式結(jié)構(gòu)，2016年3月投入使用，有效提高了熱風爐燃燒溫度、熱風溫度，充分回收廢熱及利用低熱值高爐煤氣，達到降低高爐能耗、降低焦比、降低生鐵成本目的[1]。換熱器設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 2#高爐空煤氣換熱器參數(shù)

2020 年9 月2#高爐煙氣出口CO 濃度超標，退出煤氣換熱器發(fā)現(xiàn)煙氣出口CO 含量恢復(fù)正常，判斷煤氣換熱器因腐蝕或開裂造成煤氣進入煙氣管道內(nèi)。煤氣換熱器泄漏若不及時處理，待高爐休風期間熱風爐停燒時，極易使煤氣富集引起爆炸。加之噴煤制粉系統(tǒng)所用煙氣也從熱風爐煙囪處抽取，當煙氣中CO 達到一定濃度，會造成煙氣爐爆炸事故。煤氣預(yù)熱器煤氣泄漏嚴重，存在相當大安全風險。換熱器離線，日損失2萬元。

2 煤氣換熱器優(yōu)化改進

熱風爐燃燒高煤低發(fā)熱值3 200 kJ/m3、水分濕度飽和、含塵5 mg/m3以內(nèi)。為提高熱風爐爐頂溫度摻混3%焦煤，其低發(fā)熱值17 500 kJ/m3、水分濕度飽和、含塵10 mg/m3以內(nèi)。熱風爐燃燒混合煤氣參數(shù)如下2。

表2 煤氣成分均值 單位：%

2.1 煤氣預(yù)熱器

煙氣水平流經(jīng)上一段預(yù)熱器后，通過集氣箱進入下一段預(yù)熱器再水平流過，煤氣自下而上依次流經(jīng)兩段預(yù)熱器。煙氣進口端300 ℃對應(yīng)煤氣出口端180 ℃，煙氣出口端溫度150 ℃對應(yīng)煤氣進口端溫度30 ℃，煙氣溫度始終高于煤氣120 ℃，煙氣熱量對流傳熱給換熱管，換熱管對流傳熱給管內(nèi)煤氣，實現(xiàn)煙氣余熱預(yù)熱煤氣。在設(shè)備兩殼體連接處及設(shè)備頂部設(shè)置膨脹節(jié)[2]。

（1）煙氣、煤氣參數(shù)

煙氣17 萬m3/h，入口平均溫度285 ℃，最高315 ℃，最低245 ℃；煤氣流量11.3 萬m3/h，入口溫度30 ℃。設(shè)計煤氣預(yù)熱器耐溫380 ℃，最高瞬時耐溫450 ℃。預(yù)熱器本體采用外保溫，同時為排出煙氣冷凝水，預(yù)熱器在冷端煙氣通道底板設(shè)置排水管。

（2）光管管式預(yù)熱器

煤氣含塵量雖有報警，但不能杜絕大量灰塵進入預(yù)熱器，造成預(yù)熱器積灰嚴重。灰塵在擾流子上容易沉積且難清除，預(yù)熱器長期運行后，氣流通道變小甚至堵死。換熱器積灰情況見圖1所示。

圖1 煤氣預(yù)熱積灰情況

為避免換熱器積灰，采用光管列管式預(yù)熱器。要求煙氣、煤氣側(cè)流體阻損均低于600 Pa，煙氣進出口溫降135 ℃以上，煤氣進出口溫升高于150 ℃。煤氣預(yù)熱器按照溫度選適宜材質(zhì)，煤氣自下而上依次流經(jīng)兩段預(yù)熱器，預(yù)熱器高溫段管束采用20#無縫鋼管作為傳熱元件，低溫段換熱管采用ND 鋼。ND 即09CrCuSb 銻鋼，是目前國內(nèi)外最理想的耐硫酸低溫露點腐蝕用鋼，具有耐氯離子腐蝕的能力，可有效抵御含硫煙氣結(jié)露點腐蝕。

煤氣預(yù)熱器熱介質(zhì)為煙氣，冷介質(zhì)為燃料煤氣。由于煤氣易燃易爆，箱體必須保證殼體有足夠強度和剛度，且焊縫無任何泄漏，所有箱體焊縫做滲透檢查。換熱器管壁厚度≥3 mm，煤氣預(yù)熱器低溫段管隔板采用ND 鋼，其余均采用Q235-B，殼體厚度≥8 mm、管板厚度≥16 mm。

2.2 清灰設(shè)計

換熱器上下檢修空間預(yù)留檢修人孔，換熱器管程連接段留有檢修空間并設(shè)置人孔，便于離線檢修時人工檢查清灰。

換熱器煙氣側(cè)設(shè)置聲波吹灰器，用壓縮空氣作為聲波能源在諧腔內(nèi)產(chǎn)生諧振，將壓縮空氣勢能轉(zhuǎn)換為低頻聲能，通過空氣介質(zhì)傳遞到相應(yīng)積灰點，聲波對灰渣起到“聲致疲勞”的作用，由于聲波振蕩的反復(fù)作用，施加于灰、渣的擠壓循環(huán)變化的載荷，造成灰、渣的結(jié)構(gòu)因疲勞而破壞，因重力流體沖刷離開附著體表面，達到清灰的作用[3]。根據(jù)系統(tǒng)運行衰減情況周期性對換熱面進行在線全面清灰，防止粉塵在換熱面上堆積，影響換熱效果。聲波清灰器見圖2。

圖2 聲波清灰器

管外煙氣側(cè)設(shè)置水沖洗口和排污水口。換熱器底部加裝排污閥，換熱器煤氣進口最低點設(shè)置冷凝物排水器，出換熱器的管道頂部設(shè)置放散閥，便于吹掃放散。

2.3 增設(shè)CO監(jiān)測

新增CO 監(jiān)測4 套，熱風爐煤氣換熱器進、出口CO 監(jiān)測2 套；煤氣換熱器煙氣進、出口側(cè)CO 監(jiān)測2套，為監(jiān)測爐底板煤氣泄漏情況提供依據(jù)。監(jiān)測量程選0～0.5%，煙氣增設(shè)CO 監(jiān)測可輔助監(jiān)測熱風爐燃燒空燃比是否合適，盡量減少殘留煤氣，為監(jiān)測煤氣換熱器煤氣泄漏情況提供依據(jù)。

2.4 煤氣脫濕

由于高爐煤氣含大量機械水，加速煤氣管道及設(shè)備腐蝕，造成煤氣熱損增大。水分裹雜灰塵附著換熱管翅片，造成嚴重積灰、灰堵發(fā)生，換熱效率大幅降低。采用煤氣脫濕器脫除煤氣水份達到減少煤氣進口低溫腐蝕產(chǎn)生，提高換熱器效率。脫濕器與煤氣接觸殼體框架及內(nèi)件材料采用2205 雙相不銹鋼，2205 合金是由22 %鉻，2.5 %鉬及4.5 %鎳氮合金構(gòu)成的復(fù)式不銹鋼。鉻、鉬及氮的含量使其在氧化性及酸性的溶液中，對點腐蝕及隙腐蝕具有很強的抵抗能力。沖洗管采用聚丙烯PP管不銹蝕、耐磨損、不結(jié)垢。設(shè)計煤氣9.5 萬m3/h、最高壓力25 kPa，煤氣阻力損失300 Pa以下。

（1）脫濕器結(jié)構(gòu)及布置

煤氣絲網(wǎng)脫濕器用于高爐煤氣中機械水脫除，殼內(nèi)安裝脫水器芯子，芯子包括框架和絲網(wǎng)組件，單個絲網(wǎng)組件包括若干層單層絲網(wǎng)，各絲網(wǎng)組件沿煤氣進出方向間隔安裝在芯子框架上。絲網(wǎng)脫水器設(shè)計流速3.5～5.5 m/s，含有機械水及粉塵的高爐煤氣進入絲網(wǎng)脫水器，煤氣通過絲網(wǎng)組件，機械水及部分粉塵被連續(xù)脫出，從脫水器殼體下方排水口進入地面水封罐。脫水器結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖3 脫水器結(jié)構(gòu)

脫水器作用于高爐煤氣，殼體需保證有足夠強度和剛度，出廠前氣密性試驗保壓2 h，壓力0.05 MPa，泄漏率每小時不超過1%，所有焊縫必須做滲透檢查。脫濕器與煤氣預(yù)熱器布置位置見圖4。

圖4 煤氣脫濕預(yù)熱流程示意圖

脫濕器設(shè)一個人孔用于檢查積灰，如有積灰可進行人工清灰。脫濕器底部加裝排污閥，脫濕器進口最低點設(shè)置冷凝物排水器。

（2）脫濕器優(yōu)點

一方面，多層絲網(wǎng)脫濕器增加了煤氣中霧滴、粉塵與絲網(wǎng)碰撞機會，有利于水滴凝成、水份和粉塵捕捉；另一方面，絲網(wǎng)組件中單層絲網(wǎng)層數(shù)特殊設(shè)置，充分利用煤氣流量波動引起絲網(wǎng)振動，達到自動清除絲網(wǎng)上灰、液滴的目的。脫濕器使用年限15 年以上，煤氣中機械水脫除率達85%，脫濕器阻力損失300 Pa以下。

2.5 柔性金屬搪瓷

為解決煤氣及煙氣低溫腐蝕及焊接區(qū)域腐蝕，提高設(shè)備性能，延長使用壽命，采用柔性金屬搪瓷技術(shù)。煤氣低溫段換熱管采用ND 鋼+內(nèi)壁噴涂柔性金屬搪瓷，露點溫度以下外管壁、管內(nèi)外側(cè)焊縫區(qū)域噴涂柔性金屬搪瓷。做到立式列管式煤氣換熱器使用壽命15 年以上，換熱性能五年內(nèi)減退10%以內(nèi)。

搪瓷層滿足耐化學(xué)腐蝕性能。①抗?jié)B透性、抗腐蝕性：為鑒定性能優(yōu)劣，將搪瓷層組建放入沸水、10%HCl、10%H2SO4、20%NaOH 浸泡7 天、海水浸泡30 天，均無變化，驗證搪瓷層具有優(yōu)良耐水性、耐鹽水、耐酸堿侵蝕。②抗垢性：搪瓷層表面光滑度很高，近壁流層薄，垢不能粘附到涂層表面。③導(dǎo)熱性：柔性金屬搪瓷調(diào)制成黑色，其輻射熱吸收率高，具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，接近金屬導(dǎo)熱范圍。圖5 展示搪瓷層使用對比情況。

圖5 搪瓷層使用對比情

3 結(jié)論

梅鋼2#高爐熱風爐2020 年9 月發(fā)現(xiàn)煙氣出口CO含量超標，判斷煤氣換熱器泄漏，使用新?lián)Q熱器，采用煤氣脫濕器脫除85%以上機械水含量；側(cè)邊設(shè)置聲波清灰器周期性對換熱面進行在線全面清灰，防止粉塵在換熱面上堆積，影響換熱效果；新增CO監(jiān)測裝置4套，提升設(shè)備本質(zhì)安全；采用柔性金屬搪瓷技術(shù)，解決煤氣及煙氣低溫腐蝕及焊接區(qū)域腐蝕。采取上述措施后能保證煤氣預(yù)熱180 ℃以上，換熱性能五年內(nèi)減退10%以內(nèi)，使用壽命達15年。