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1、热管技术在荒煤气余热回收上的应用热管技术在荒煤气余热回收上的应用一、炼焦荒煤气余热利用技术背景。1、炼焦荒煤气余热利用技术的必要性。炼焦化学工业是影响国民经济基础的清洁能源转化的流程工业，是炼焦煤通过干馏、实现焦炭和其关联产品的生产工艺模式，属于典型的能源流程产业。焦炭生产过程中，配合煤在焦炉中被隔绝空气加热干馏，生成焦炭的同时产生大量的荒煤气。从炼焦生产过程热平衡分布看，从焦炉炭化室推出的 9501050 红焦带出的显热余热占焦炉支出热的 37%，650750焦炉荒煤气带出热（中温佘热）占焦炉支出热的 36%，180230焦炉烟道废气带出热(低温余热)占焦炉支出热的 16%，炉体表面热损失(
2、低温余热)占焦炉支出热的 11%。炼焦荒煤气余热回收利用的经济效益显著。理论及实验数据表明，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 兆帕蒸汽，当前，我国年产焦炭约 35300 万吨，如其荒煤气余热全部得到回收利用，则半至少可回收3530 万吨 0.6 兆帕蒸汽,折合标煤约 380 万吨，年可减排二氧化碳量 993 万吨，节能潜力巨大。为实施清洁生产，持续减少资源及能源消耗、减少污染物的产生与排放，焦化行业已成为国家节能降耗方面重点关注行业，面临着巨大的节能减排压力。2、我国炼焦荒煤气余热利用技术的进程。目前，焦化行业传统做法是喷洒大量氨水，使荒煤气温度降低，
3、进入后续煤化工产品回收加工工段。这样的结果是，荒煤气带出的热量被白白浪费掉，既流失了荒煤气热能，还增加了水资源的消耗。炼焦荒煤气余热冋收利用技术在我国经历了近 30 年的研究历程。上世纪 70年代，采用夹套上升管，夹套内冷却水吸收荒煤气所携带的热量而汽化，产生蒸汽，实现热能的回收利用，简称为“焦炉上升管汽化冷却装置”，这一技术曾一度被多家焦化企业釆用，后因上升管的筒体焊缝拉裂、漏水、漏汽等问题，运行几年后基本停用。后来经过改进，有的企业把冷却水换成了导热油，导热油与高温荒煤气间接换热，被加热的高温导热油用于煤焦油蒸馏、干燥入炉煤、蒸氨等。因导热油稳定性好，运行效果有了较大改善。用热管回收荒煤气
4、带出热量，效果也不错。将管内水变成蒸汽，沿着热管上升加热管外的水产生蒸汽，单个上升管产蒸汽压力 1.6 兆帕，平均蒸汽流量 66 公斤/小时，热管换热后降至 500。冷却流程改进。使脱硫贫液与高温荒煤气间接换热，脱硫贫液换热后通过闪蒸装置产生蒸汽，作为脱硫液再生热源，这种工艺可使年产 200 万吨焦炭企业年节约低压蒸汽 26 万吨，相当于回收利用了 25%荒煤气带出热。此外，我国焦化工作者还设计了用锅炉回收荒煤气带出热、用半导体温差发电技术回收荒煤气余热等方案和技术。二、热管技术在荒煤气余热回收上的应用简介。1、热管回收余热技术。（1）热管技术是 1963 年美国 LosAlamos 国家实验
5、室的 G.M.Grover 发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管技术目前已广泛应用于宇航、军工、钢铁、机械等行业。（2）工作原理:热管是一种新型高效的传热元件，按较精确的定义应称之为“封闭的两相传热系统”，即在一个抽成真空的封闭的体系内，依赖装入内部的流体的相态变化（液态变为汽态和汽态变为液态）来传递热量的装置。热管放在热源部分的称之为蒸发段（热端），放在冷却部分的称之为冷凝段（冷端）。当蒸发段吸热把热量传递给工质后，工质吸热由液体变成汽体，发生相变，吸收汽化潜热
6、。在管内压差作用下，汽体携带潜热由蒸发段流到冷凝段，把热量传递给管外的冷流体，放出凝结潜热，管内工质又由汽体凝为液体，在重力作用下，又回到蒸发段，继续吸热汽化。如此周而复始，将热量不断地由热流体传给冷流体。（3）热管优点金属、非金属材料本身的导热速率取决于材料的导热系数、温度梯度、正交于温度梯度的截面面积。以金属银为例，其值为 415W/m2K 左右，经测定，热管的导热系数是银的几百倍到上千倍，故热管有热超导体之称。由于热管内的传热过程是相变过程，而且工质的纯度很高，因此热管内蒸汽温度基本上保持恒温，经测定：热管两端的温差不超过 5，与其它传热元件相比，热管具有良好的等温性能。热管能适应的温度
7、范围与热管的具体结构、采用的工作流体及热管的环境工作温度有关。目前，热管能适应的温度范围一般为-2002000，这也是其它传热元件所难以达到的。（4）热管式余热回收装置原理：热管式余热回收装置的核心部件是热管。基本结构：热管蒸汽发生器是由若干根特殊的热管元件组合而成。热管的受热段置于热流体风道内，热风横掠热管受热段，热管元件的放热段插在水汽系统内。由于热管的存在使得该水汽系统的受热及循环完全和热源分离而独立存在于热流体的风道之外，水汽系统不受热流体的直接冲刷。工作原理：热流体的热量由热管传给水套内的饱和水（饱和水由下降管输入），并使其汽化，所产蒸汽（汽、水混合物）经蒸汽上升管达到汽包，经集中分
8、离以后再经蒸汽主控阀输出（汽包内的水由 104除氧水经水预热器加热至 175后供给）。这样由于热管不断将热量输入水套，通过外部汽水管道的上升及下降完成基本的汽水循环，达到将热流体降温，并转化为蒸汽的目的。优点：热管换热设备较常规换热设备更安全、可靠，可长期连续运行；传热效率高，启功速度快，热管的冷、热侧均可根据需要采用缠绕翅片来增加传热面积；有效的防止积灰，换热器设计时能够采用变截面形式，保证流体通过热管换热器时等流速流动，达到自清灰的目的；结构紧凑，占地面积小；热流密度可变性，热管可以独立改变蒸发段和冷凝段的加热面积，这样可以控制管壁温度以避免出现露点结灰或酸腐蚀。（5）热管技术在荒煤气余热
9、回收上的应用。热管安装在荒煤气上升管内，整个装置包括热管换热器，热风引入设备、氨水喷淋器、气液分离罐以及循环水罐和水泵等。荒煤气仍由上升管下部引入，通过热管换热器换热降温至 500，然后用喷洒氨水冷却至 8085。根据余热回收装置的工作温度范围，选用金属钾为工质，采取不锈钢丝网吸液芯附于热管内壁。热管的蒸发段安装在上升管内，冷凝段安装在废热锅炉内，其位置略高于蒸发段。通过以上工艺，热管技术在 荒煤气余热回收方面取得了很好的应用。2、热管技术在国内荒煤气余热利用方面的应用研究。传统炼焦工艺：即炼焦煤由备煤车间送至煤塔，再由除尘装煤车装入碳化室内，煤料在碳化室内经过高温干馏成为焦炭，同时产生荒煤气
10、（温度 850-950、流量 70000m3/h）。汇集到碳化室顶部空间的荒煤气在经过桥管送至煤气净化工序的过程中，荒煤气在桥管内通过氨水喷洒进行冷却，以便荒煤气在煤气净化工序进行焦油的脱除。采用氨水喷洒对荒煤气进行冷却的方式虽然能够迅速降低高温荒煤气温度，但该工艺流程比较复杂，同时荒煤气中所含有的大量热能在与氨水热交换过程中被冷却氨水带走，冷却后的氨水通过蒸发脱氨而后排放，在消耗大量氨水增加生产成本的同时，荒煤气余热资源无法回收而损失掉。 在本次焦炉荒煤气余热回收研讨与实验中，作了传热分析与模拟计算，并以此为依据进行了焦炉上升管热量回收实验系统与装置等设计，开展了 329 小时的试验，实验表
11、明对焦炉荒煤气的余热回收，本项目所采用的方案基本是可行的。（1）设计方案： 我们设计了两套余热回收装置，第一种方案是高温热管荒煤气余热回收装置；第二种方案是分离式热管荒煤气余热回收装置。高温热管荒煤气余热回收方案 本方案应用高温热管技术回收焦炉荒煤气余热，从炭化室出来的 800左右的荒煤气进入上升管，通过辐射换热将热量传给高温钾热管，温度降至 500左右离开上升管，上升管内的钾热管吸收辐射热，并将热量传给上升管外部的冷凝端，使联箱中的水汽化并放出热量。联箱中的水汽化后通过汽水上升管进入锅炉，进行汽水分离，满足用户需求。本方案优点：采用高温热管，能够保证热管壁温在荒煤气焦油露点之上，不会产生结焦
12、问题；而且高温钾热管安全可靠，即使热管破坏，钾蒸汽量小，不会像水夹套那样导致整个汽包中的汽水混合物漏入炭化室，不会造成安全事故，能够保证焦炉的安全运行。 本方案缺点：高温热管造价相对较高。分离式热管荒煤气余热回收方案 本方案应用分离式热管技术回收焦炉荒煤气余热， 从炭化室出来的 800左右的荒煤气进入上升管，通过辐射换热将热量传给炭钢水热管，温度降至 500左右离开上升管；上升管内的数根热管吸收辐射热，热管内的水蒸发成蒸汽，沿热管上升至上联箱汇集，然后一起通过汽水上升管送入汽包进行汽水分离，满足用户需求。给水通过下降管送入下联箱，分配给各个热管。本方案优点：采用分离式热管，布置方便，通过提高产
13、汽压力，可以保证热管壁温在荒煤气焦油露点之上，不会产生结焦问题；分离式热管同高温热管一样，即使热管破坏，水蒸汽量小，不会像水夹套那样导致整个汽包中的汽水混合物漏入炭化室，不会造成事故，能够保证焦炉的安全运行。此外，造价相对较低，经济合理。 本方案缺点：由于要防止荒煤气结焦，必须提高热管管壁温度和热管管内工作温度，这就必须提高热管管内蒸汽压力，而碳钢-水热管最高工作温度和承压能力都有一定限制，因此对于热管安全运行提出的条件较高。综合考虑后确定采用第二方案。 （2）焦炉上升管热量回收实验系统与装置设计：热力系统：从炭化室出来的 800左右的荒煤气仍由上升管下部引入，通过辐射换热将热量传给布置在上升
14、管壳体内壁的分离式热管的受热端管束，温度降至 500左右离开上升管，经氨水喷淋冷却后进入集气管；上升管内的受热端管束吸收辐射热后，管内的水蒸发成蒸汽，上升至管束的上联箱处汇集，然后一起通过汽水上升管送入布置在汽包内的分离式热管放热端，将汽包内的水加热并产生蒸汽；管束内的蒸汽冷凝成水后通过给水下降管送回至受热端管束的下联箱后分配给各个热管继续蒸发。如此往复循环进行，从而完成热量由受热段到放热段的输送，达到回收荒煤气显热并产生蒸汽供用户使用的目的。由于焦炉结构布置紧凑，没有太大的剩余空间来安置较大换热装置，本次实验也不宜对原焦炉进行较大的改造，故决定利用原焦炉上升管外壳体，将上升管内部耐火砖打掉，
15、把分离式热管的受热端管束紧贴着上升管壳体内壁布置，将分离式热管的放热端管束浸入汽包液面以下，通过外联上升、下降管路实现受热端与放热端间的热量循环传输。（3）实验过程及数据：在实验期间，为确保实验的安全性，同时为了防止本次实验给厂区附近带来噪音污染，将产汽压力调整为 0.1MPa。实验期间测定的部分数据如下： 根据现场采集的数据可以看出，在实验初期，设备的运行状况与理论计算值基本吻合，实验进行了约 3-4 天后，荒煤气的出口温度较设计值偏高，换热管表面出现了焦油冷凝结焦的现象，导致换热效率下降。（4）结论：本次实验及研究成果表明，控制荒煤气的温度在 500左右，荒煤气热量的余热回收是可以实现的。因为焦油附着量很少，且结焦物柔软松散多孔，容易除去，可以在推焦之后采取措施将换热管表面的附着物清除。同时可以对上升管壳体进行改造，保证荒煤气的流通面积，也可以有效地避免荒煤气在换热管壁上结焦。
