副省煤器在干熄焦装置中的优化设计

马金祥，陈 军，陆桂清

（南京圣诺热管有限公司，江苏南京 210009）

引言

1 副省煤器的应用现状

干（法）熄焦（Coke Dry Quenching，简称CDQ）技术是相对于用水熄灭炽热红焦的湿熄焦技术而言的，是目前国内外广泛应用的一项节能技术［1］。在干熄焦装置中，副省煤器用于发电汽轮机凝结水与锅炉尾部循环气体进行换热，降低进入干熄焦炉的循环气体温度的同时，提高除氧器给水温度，达到提升余热回收效率的重要设备。其换热效果直接影响干熄炉入口循环气体温度，进而影响排焦温度，对干熄焦系统的运行效率产生较大影响［2-3］。

结合某230 t/h 干熄焦余热锅炉系统配套副省煤器设备工艺条件，针对进入副省煤器除氧水温度不同的两种工艺路线，从经济性、可靠性等方面进行了比较分析。

干熄焦锅炉的省煤器和副省煤器一般采用碳钢管做受热面管子，耐腐蚀性能较差，一般在3～5年内普遍会出现因腐蚀而漏水的现象，设备寿命一般只有5～8年。副省煤器作为干熄焦锅炉发电系统凝结水加热器，受低温烟气露点腐蚀影响，发生漏水的概率更高，使用寿命更短［4-5］。

现阶段，干熄焦副省煤器的从结构样式主要为普通管式和径向偏心热管式两种；从强化方式可以分为光管式和翅片管式（螺旋翅片、H型翅片等）；从热力效果方面分为自循环加热引入方式和正常温度引入方式。

1.1 副省煤器样式

副省煤器结构样式大体上可以分为两种，普通管式和径向偏心热管式。

普通管式副省煤器由若干根换热管组成，换热管置于烟气通道内，烟气横向掠过翅片及基管直接加热管内的给水，热量直接传递与给水。这种换热样式应用在气体-水换热上传热系数高，热阻小等优点，但单根换热管的损坏，很容易造成整个换热器的停运甚至影响整个工艺的运行。见图1。

径向偏心热管式副省煤器由许多根双管偏心热虹吸管元件（即径向偏心热管）组合而成，热管的受热段置于烟气通道内，烟气横向掠过翅片式热管并放热给外套管，加热外套管内的工质，使得工质吸热汽化，由于套管内高度真空，热量十分迅速地通过偏心内管传递与给水。外部给水的整个加热流程不受烟气的直接冲刷影响，独自走管程，每支热管元件在换热器箱体内无焊缝，避免了热管内的水泄漏，确保生产连续。热管受热段采用高频焊翅片管强化传热，使整套设备传热效率高，设备结构紧凑和烟气流动阻力小。见图2。

图2 径向偏心热管剖视图

1.2 副省煤器的传热强化方式

强化方式可以分为光管式和翅片管式，翅片管结构又分螺旋翅片、H型翅片等，其中螺旋翅片主要有高频焊螺旋翅片管和整体梯形螺旋翅片管。

（1）光管为换热管上不做任何强化换热的措施，主要用在含尘量大，且粉尘具有一定粘附性的环境中换热。

（2）高频焊螺旋翅片

高频焊螺旋翅片管是由翅片与基管之间采用机械缠绕产生接触压力，并利用高频电流，流经两者接触面产生的电阻热使翅片和基管之间熔合而成。由于生产效率高，传热性能好而被广泛应用，是目前应用领域最广的翅片管之一［6］。

（3）整体梯形螺旋翅片管

整体梯形螺旋翅片管是采用厚壁无缝钢管（坯管）在中频连续加热的情况下，使管子经过挤压、轧制而一次成形。

（4）H型翅片管

H型翅片管是近年应用于锅炉尾部烟气余热回收类的换热器。换热管和翅片一般可以为碳钢、合金钢或不锈钢材质。翅片厚度一般为1.5～2.5 mm、节距13～25 mm、翅片高度80×80～100×100 mm。翅片与基管之间采用接触式高频电阻焊，利用高频电流，流经两者接触面产生的电阻热使翅片和基管之间熔合。

1.3 副省煤器冷源引入方式

目前副省煤器冷源引入方式从热力效果方面分为自循环加热引入方式和正常温度引入方式。

1.3.1 自循环加热引入方式主要由副省煤器、水水换热器以及相关管路、调节系统组成。

副省煤器冷源引入方式采用自循环加热引入的优点：

（1）冷源引入温度可以得到有效提高，降低防腐投资；

（2）冷源引入温度提高后，副省煤器换热管壁温提高，壁面积灰会得到改善；

（3）将冷源引入温度提高后，可以采用翅片强化传热，如H 型翅片或整体螺旋翅片，降低副省煤器空间需求量及管材使用量。

缺点：

（1）由于需要对副省煤器冷源引入温度进行控制，因此系统较复杂，需要增加一条水水换热器以及相应的控制措施；

（2）因副省煤器冷源引入温度提高，冷热流体传热平均温差变小，同样的传热量情况下，根据相关理论［10］，会造成总换热面积A相应增大。

1.3.2 正常温度引入方式主要由副省煤器及相关管路、调节系统组成。

副省煤器正常温度引入方式采用冷源直接引入的优点：

（1）系统简单，无需对副省煤器进口水温进行控制；

（2）因副省煤器冷源引入温度较低，冷热流体传热平均温差提高，同样的传热量情况下，会使总换热面积A相应减小。

缺点：

（1）冷源引入温度较低，常规为20～40 ℃，壁温低于酸露点温度，要采用深度防蚀材料；

（2）冷源引入较低的情况下，副省煤器换热管壁温接近水露点，换热面积灰现象严重，而且多为粘附性粉尘。

综合以上分析，副省煤器强化方式基于冷源引入方式的不同，而选择适用不同工艺路线的强化方式，例如采用副省煤器自循环加热引入方式，由于进口水温的提高，可以选择翅片方式，对于循环气体含尘量较大的情况，可以选择H 型翅片或整体螺旋翅片；采用副省煤器正常温度引入方式，由于进口水温低，换热管壁温较低，因此考虑积灰及腐蚀情况，因此不建议用翅片管。

2 副省煤器系统工程应用

2.1 案例介绍

某焦化厂230 万t/a 焦化项目，拟新建2×70 孔7.65 m 大容积顶装焦炉，年产焦炭230 万t。副省煤器主要技术数据如表1、表2所列。

表1 技术数据

表2 循环气体成分范围 %

2.2 副省煤器系统

副省煤器装置安装在循环风机出口至干熄炉入口间的循环气体管路上，从循环气体中回收的热量加热发电汽轮机凝结水，节约除氧器的蒸汽耗量从而降低整个干熄焦的能耗。

针对副省煤器冷源引入方式的不同，分为两种工艺路线，对两种工艺路线的优缺点进行分析。（1）冷源引入方式采用自循环加热引入路线，换热管采用管式，并且换热管采用翅片强化传热；

（2）冷源引入方式采用直接引入路线，换热器管采用热管，并且考虑管壁温度较低，换热管采用光管。

2.2.1 自循环加热引入方案

自循环加热引入方案系统由副省煤器、水水换热器、工艺管道、阀门以及电仪自控仪表组成（图3所示）；通过水水换热器将20～40 ℃的除盐水加热至约65 ℃进入副省煤器，提高副省煤器最低管壁温度，有效防止粉尘在换热管上的粘附。

副省煤器换热管采用翅片管。

由图3 中可以看出，自循环加热引入方式主要目的是控制进入副省煤器的凝结水水温在约65 ℃；根据图4 腐蚀速度与换热管管壁温度关系曲线；换热管壁温65～90 ℃之间的烟气低温腐蚀较轻（年腐蚀速率≤0.1 mm）。

图3 自循环加热引入方案

图4 腐蚀速度与换热管管壁温度关系

根据换热管壁温及腐蚀速率分析，副省煤器换热管采用ND钢，保证换热管使用寿命在10年以上。其化学成分见表3，ND 钢（09CrCuSb）的主要特点是在中温浓度的硫酸（如50 ℃、50%H2SO4溶液）中表面产生钝化，形成一层富含Cu、Cr、Sb等合金的保护层，因而具有较高的耐硫酸腐蚀的能力。常见材料耐硫酸露点腐蚀性能比较见表4［4］。

表3 ND钢（09CrCuSb）——GB 150.2-2011中的化学成分 %

表4 常见材料耐硫酸露点腐蚀性能比较

2.2.2 正常温度直接引入方案

正常温度直接引入方案系统由副省煤器、工艺管道、阀门以及电仪自控仪表组成（图5所示）；直接将20～40 ℃的除盐水送入副省煤器，管壁温度较低，换热器管采用热管，并且考虑管壁粘灰，换热管采用光管设计。

图5所示的是副省煤器系统对进水温度没有控制，这个流程相对于自循环加热方式方案简单许多，由于取水点温度（案例中此点水温度约30℃）较低，可能发生严重的低温腐蚀；从投资成本上考虑，采用碳钢热管+搪瓷防腐技术，这两种技术的结合可以解决低温或露点温度以下换热管金属壁面的腐蚀问题，延长换热管的使用寿命，同时达到换热管壁面防结垢与抗锈垢能力，提高换热效率；保证换热管更换寿命大于10年［11］。

图5 正常温度直接引入方案

2.3 副省煤器系统经济性初步分析

自循环加热引入方式副省煤器为方案一；正常温度直接引入方式为方案二；案例中副省煤器的运行参数对比见表5。

表5 副省煤器运行参数

具体投资分析见表6。

表6 副省煤器投资分析 单位：万元

3 结论

由上述投资比较分析可以看出，方案一和方案二烟气降温幅度一致，热量回收相同，虽然方案二工艺系统简单，但投资较大，而且副省煤器耗钢量相对大很多，因此推荐采用方案一。

方案一自循环加热引入方式副省煤器从系统上看比较复杂，但提高了副省煤器进口水温，有效的降低了换热管的腐蚀。采用了防积灰、强化传热的翅片管，减少了副省煤器的换热面，降低了设备投资；但考虑到副省煤器上方的循环气体旁通管道中不断有水滴到副省煤器的受热面上，会造成副省煤器受热面的酸腐蚀［12］，因此在副省煤器的末排采用防腐性能更好的材料或者措施，也是值得探究的一个方面。

方案二正常温度直接引入方式副省煤器，系统简单，但将循环气体最可能发生的换热面腐蚀、积灰都放在防腐方面，虽然采用了热管+搪瓷技术，由于进口水温较低，仍可能存在因搪瓷管制作、运输、安装过程中隐患造成整体设备寿命得不到保障。

随着国家对企业环保节能要求的日益严格，以及干熄焦装置越来越普及，成熟的副省煤器的设计路线，可以有效延长副省煤器的使用寿命，对国内大型干熄焦装置副省煤器的设计具有一定的借鉴意义。