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热管技术及其在焦化工业中的应用前景-2

晨怡热管 谢兴衍 2007-2-13 0:16:39

1        国内热管技术的应用情况
20世纪60年代以后,世界热管技术的应用逐步从航天领域转向普通的工业领域,并以回收工业余热为主体。1976年,美国正式将热管用于石油化工厂加热炉的烟气余热回收,并逐步向产品系列化发展。我国自1980年将热管换热器用于炼油厂加热炉的余热回收以来,不仅逐步扩大了使用范围,而且又开发成功了钢水热管,开创了钢水热管工业应用的先例,使我国的热管技术处于国际先进行列。热管换热器的换热量已从每小时回收几十MJ发展到19GJ,应用领域也日益扩大,至今已遍及工业、医学和民用等领域。
1.1   热管换热器在蒸汽锅炉上的应用
据不完全统计,我国现有工业锅炉几十万台,每年耗煤约为煤产量的1/3左右,大中型锅炉虽有回收余热的省煤器,但外排烟气温度仍高达150~180℃。计算表明,外排烟气温度下降10~15℃,即可提高锅炉的热效率1%。若将给水温度提高40~50℃,锅炉热效率可提高4%~6%。若采用热管换热器回收烟气的余热用于加热燃烧用空气,可使空气温度提高90~120℃,还可相应提高锅炉热效率8%~11%。
1.2   热管换热器用于管式加热炉的余热回收
在石油炼厂、石化厂和其他化工厂中,热管换热器主要用于管式加热炉烟气和高温介质余热的回收,并预热加热用燃气或空气,以提高加热炉的燃烧工况和热效率。生产实践表明,热管换热器应用在管式炉上的节能效果是十分明显的,不仅可回收大量余热,而且由此而增大的系统阻力并不明显,不会影响管式炉烟囱的吸力,并可明显提高管式炉的热效率。对于重力热管换热器只要安装角度不小于10°, 就不会影响热管的正常工作。
1.3   热管换热器在其他领域的应用
近年来,我国与世界各国一样,在热管制造和实际应用方面进行了大量的研究工作,使热管的应用范围迅速扩展到更多的领域。目前,热管应用较多的有蒸汽锅炉的空气预热器、预热锅炉用水的真空相变热水器、回收锅炉烟气余热的换热器、热管开水器、回收集中空调系统热(冷)量的热管换热器、纺织厂热定型机废气的余热回收装置、乳品工业的尾气余热、钢铁企业的烧结烟气余热、高温隧道窑烟气余热和高炉热风炉烟气余热等。另外,还有机械加工中的热管车刀、电动机上的热管转子、冷却集成电路的微型热管(电脑中CPU的热管散热器)、民间家用的热管煤球炉土暖气、治疗用的医用恒温热管、利用地热的超大型热管、速冻冰箱用热管和使用热管的太阳能热水器等等,总之,只要有余热可利用的场合均可由热管来回收其热量,并加以有效利用。
2        热管技术在焦化厂的应用前景
众所周知,焦化厂不仅是耗能大户,又有大量的余热可以利用。焦化厂每天要产生大量的高温烟气和废气,若用热管换热器来回收其中的热量,就可大幅度提高气-气换热器的热效率,缩小换热器的换热面积,特别是面对目前正在大力提倡的循环经济,热管换热器的推广应用,将会对降低全厂的能耗起到深远的影响。另外,对于焦化厂还会产生大量的废蒸汽和热废水,加强这部分余热的回收和利用,就是摆在焦化工作者面前的重要任务。
3.1 焦炉上升管的余热利用
焦炉上升管中荒煤气热量的利用既现实又可观。目前。国内外一般采用水夹套来回收荒煤气中的热量,产生低压蒸汽或生活用热水和锅炉给水。但仍存在上升管根部易冷凝出焦油而影响上升管使用寿命的缺点。且水夹套的制造和操作均需严格按蒸汽锅炉的标准执行,这给该技术的推广应用带来一定的难度。若采用热管技术回收这部分热量,可将热管的蒸发段安装在上升管夹套内,热管的冷凝段以分离热管的形式安装在焦炉上方的某一位置,生产蒸汽或热水。这种分离式热管回收的热量也可用于预热焦炉加热用空气、回炉煤气和采暖用热风等介质。
由于上升管中荒煤气的温度较高,热管就不宜使用水作为工质,可使用导热姆A或萨姆S-700。日本新日铁公司的名古屋厂已于1982年在上升管中用内充萨姆S-700的盘管回收荒煤气中的热量,用来预热焦炉加热用的混合煤气。该装置对荒煤气显热的回收率可达30%左右,相当于从每吨炼焦煤中回收200MJ的热量。若能改用热管将会取得更高的回收效率。
3.2 焦炉烟道废气余热的回收利用
计算表明,对于高4.3m的焦炉,焦炉排出的烟道废气温度在300~350℃,65孔焦炉组的烟道废气量高达10万m3/h, 总烟道处的吸力为200Pa, 废气的比热为1.7kJ/m3·℃。计算得出的烟囱底部吸力为330Pa, 计入15%的备用吸力后为380Pa,所需烟囱高度为95m。若将废气温度下降10~50℃, 阻力增加约30~50Pa, 这对焦炉烟囱的吸力不会产生不良影响,但这时可回收的热量高达170~8400MJ/h。特别对于用混合煤气加热的焦炉,可将这部分回收的热量用于预热加热焦炉用的焦炉煤气,可节省大量蒸汽。且热管换热器的安装也很简单,只要将热管换热器的蒸发段插入焦炉总烟道中即可。
据报导,日本已在焦炉分烟道的废气入口处安装了带吸液芯的热管,以预热进入蓄热室的空气,此热管可与焦炉同步换向,交替起到加热空气和冷却废气的功能,值得我们借鉴。
3.3 用热管换热器代替煤气初冷器用的空冷器
独联体国家推荐的煤气初冷流程中,一般是先用空气冷却器将78~80℃的焦炉煤气冷却到60~68℃, 再用横管初冷器进一步冷却到29~31℃。对于煤气处理量在1.8~1.9万m3/h的空冷器,其外形尺寸约为6m×6m×10.6m(高),总重量达50多吨。若能将这种典型的气-气换热器用热管换热器来代替,不仅可大大缩小设备的外形尺寸,提高传热效率,而且可降低其动力消耗。国内焦化厂也曾在不同的工序中用过空气冷却器,也完全可用热管换热器代替以提高换热效率。
3.4 回收循环氨水中的余热
目前,焦炉集气管喷淋用的循环氨水温度为75℃。国内外资料均表明,适当降低循环氨水温度对集气管的操作并无不良影响。俄罗斯学者曾提出可将循环氨水温度下降到62℃。这样,就可使离开集气管煤气的温度相应降低到72.5℃, 其热焓为2.4MJ/m3。两者相比,煤气热焓相差一倍,这就可大大减轻煤气初冷器的热负荷,且不会影响焦油的流动性。因此,这部分热量是完全可以利用的。国内不少焦化厂已利用螺旋板换热器回收循环氨水中的热量用于办公室采暖和预热工人洗澡用水。若改用热管换热器,可在相同的温度降下回收更多的热量。
3.5 蒸氨废水余热的回收利用
从蒸氨塔塔底排出的蒸氨废水温度为105℃, 废水所带走的热量约占全塔总热量的60%。因此,如何有效利用这部分热量也是值得重视的。特别对于生产硫铵的焦化厂,离开蒸氨塔的蒸氨废水需用冷却水冷却后再送到生化脱酚装置处理,不仅浪费了大量能源,而且增加了冷却水耗量。而在饱和器中生产硫铵时,为保持饱和器中的水平衡,还需要用蒸汽在煤气预热器中将煤气预热至60~70℃。为有效利用能源,可采用热管换热器回收蒸氨废水的余热,以预热进入饱和器的煤气,即可大幅度降低蒸汽和冷却水的耗量。
3.6 管式炉烟气的余热利用
焦化厂使用管式炉的生产工序较多,有粗苯工段脱苯工序、煤焦油蒸馏、工业萘装置加热炉和洗油脱萘工序等。管式炉对流段后的烟气经烟囱直接排至大气,烟气的温度在300~350℃, 烟气带走的热量约占总供热量的17%~30%。因此,利用这部分热量的潜力是很大的。日本港明焦化厂早在1983年和1984年将热管换热器用于回收粗苯管式炉和工业萘管式炉的烟气余热,取得了很好的节能效果(表2)。国内杭州钢铁公司焦化厂和上海焦化厂也曾先后在粗苯管式炉和工业萘管式炉上安装了热管换热器,回收的烟气余热直接用于加热管式炉的加热空气,实际操作结果也很理想(表2)。从表2 可看出,不仅可使管式炉的热效率提高15%~20%,还可大幅度改善管式炉的燃烧工况、提高炉膛温度和降低空气过剩系数,从而使烟气的热损失下降至10%~20%。在国内的石油炼制和石油化工企业中,热管换热器已得到了广泛的应用,回收管式炉烟气余热就更为普遍,焦化厂就应迎头赶上。
表2        热管换热器回收管式炉烟气余热的操作数据

项目

日本港明焦化厂

杭钢焦化厂

上海焦化厂

某焦化厂

粗苯管式炉

工业萘管式炉

粗苯管式炉

工业萘初馏炉

工业萘精馏炉

烟气量,m3/h

2000

1500

1400

3000

1500

烟气温度,℃ 进口

 

300

 

436

 

280

 

460

 

350

       出口

155

214

185

230

170

空气温度,℃

       进口

 

15

 

15

 

13

 

常温

 

20

       出口

170

255

150

160

235

回收热量,MJ/h

400

450

200

837

-

烟气侧阻力,Pa

5060

3050

3050

220

400

热管尺寸,mm

Φ25×1600

Φ25×1500

Φ25×1500

Φ25×1250

热管根数

148

75

80

150

节能效率,%

7.5

10.3

21

15

投资回收期,a

2.2

1.9

-

-

-

烟气热损,%

    改造前

 

17

 

24

 

30

 

20

 

    改造后

7.6

10

3.7 脱苯贫油余热的回收利用
在粗苯工段的脱苯工序中,离开油-油换热器的贫油温度为113℃, 再经贫油冷却器冷却至30℃后返回洗苯塔循环洗苯。目前,一般焦化厂的贫油冷却器均选用螺旋板换热器或板式换热器,也还有采用列管式浮头式换热器的。采用热管换热器后,不仅能提高换热效率,而且可减少占地面积和大幅度减少换热器堵塞的可能性。
3.8 改造工业萘汽化冷却器
众所周知,工业萘的结晶温度高(77.5℃),因此将工业萘蒸汽冷凝成液态工业萘的过程不能在普通的冷却器中进行,目前普遍采用的是汽化冷却器。在此,218℃的工业萘蒸汽在汽化冷却器的管外冷凝冷却成100~105℃的液体工业萘。汽化冷却器管内热水的温度应严格控制在70~75℃。从某种意义上讲,汽化冷却器就是一种土热管换热器,但在操作中必须经常调节水量和严格控制热水温度。一旦控制失调,热水温度过低时,会造成工业萘结晶而堵塞。热水温度过高时热水管内易造成气阻。改用热管换热器后既可绝对保证液萘温度不低于90℃,又能保证汽化冷却器操作的安全性。
此外,热管换热器还用于焦油蒸馏和粗苯精制工段各馏分的冷凝冷却器、碳黑尾气的余热利用,还可作为脱苯工序和蒸氨工序的分缩器和冷凝冷却器。总之,热管换热器在焦化厂的应用前景是极为广阔的。
4  结论
(1)热管是新型的导热元件,热管换热器具有传热效率高、传热方向可逆、冷热流体分离、结构紧凑和无运动部件等特点,可广泛应用于余热回收和热控制,特别对于气-气换热场合,更体现出热管换热器独特的优越性。
(2)我国开发的钢水热管较好地解决了钢水不相容的问题,为热管技术在推广各工业领域的推广应用开创了新局面。
(3)在焦化工业中,无论是焦炉烟道气、荒煤气、循环氨水和其他热废水、各馏分蒸汽和工艺尾气中均有大量的余热可以回收利用,因此热管换热器在焦化工业中的应用前景极为广阔,特别是在目前大力推广循环经济的大好形势下,相信国内焦化工业广泛使用热管换热器的时期即将来临。

责任编辑: banye 参与评论
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