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热管废热锅炉在发生炉煤气站的应用

晨怡热管 (绍兴市特种设备检测院 中国市政工程华北设计研究院 大同市煤气化总公司煤气厂) 赵星波 陈荣清 郑新民 张元荣 2009-11-2 23:25:03
1   概述
    以无烟煤(或焦炭)为原料的常压固定床冷发生炉煤气站对发生炉煤气的处理流程一般采用双竖管(直冷)→洗涤塔(直冷)→电气滤清器→煤气排送机→煤气用户的方案。从常压固定床煤气发生炉出来的高温粗煤气在双竖管中与热循环水进行直接换热,煤气温度由350~550℃冷却至80~100℃,再经过洗涤塔进一步用冷循环水直接冷却,煤气温度降至25~35℃,然后,用煤气排送机加压后送往煤气用户。有的设计单位和生产厂在竖管后或洗涤塔后设置电气滤清器,煤气排送机后设置脱硫装置。将煤气中的固体颗粒和焦油浓度控制在50mg/ m3以下,脱硫后冷煤气中的硫含量满足用户和排放标准的要求。
    常压固定床煤气发生炉出来的高温粗煤气冷却工艺为粗煤气→直冷→直冷。高温煤气将几乎50%以上的显热传给双竖管热循环水和洗涤塔冷循环水,热循环水依靠平流沉淀池自然降温后循环使用,冷循环水通过辐流沉淀池经冷却塔强制冷却降温后再循环使用。其间不但造成热能的大量浪费,而且循环水在冷却过程中的挥发物携带污染物,污染大气环境。以无烟煤(或焦炭)为原料的常压固定床煤气发生炉冷煤气站工艺流程见图1。

  图1   以无烟煤(或焦炭)为原料的常压固定床煤气发生炉冷煤气站流程
    目前,有的企业已经采用回收出炉粗煤气显热的工艺流程。部分企业以无烟煤(或焦炭)为原料回收热能的常压固定床煤气发生炉冷煤气站工艺流程见图2。

2  以无烟煤(或焦炭)为原料回收热能的常压固定床煤气发生炉冷煤气站流程
    此工艺流程中,废热锅炉采用的是传统的列管火管式废热锅炉(与水煤气生产系统的废热锅炉相同),两种换热流体介质粗煤气和软水分别走管外与管内。换热管为无缝钢管,耐腐蚀性和耐冲刷性均较差,清灰非常困难,且需要相当长的时间。一旦某一根换热管破裂或损坏,整条生产线必须停产检修,中断向煤气用户提供煤气。传统的火管式废热锅炉结构形式决定了此种形式的废热锅炉使用寿命短,维修相当困难,维修时间长,清灰困难,不适应不间断的工业煤气生产。该工艺流程主要用于用气负荷不连续、有充足大修和维修时间的企业使用。废热锅炉余热回收效益没有充分显现,废热锅炉利用率低。
    近几年,随着科学技术的发展,新工艺、新技术、新材料不断涌现,热管废热锅炉在各个领域已开始应用。由于其具有结构独特、热效率高、耐腐蚀、耐冲刷、阻力小、无泄漏、维护和清灰较方便等特点,整条生产线可连续生产,节能效果明显,值得在常压固定床煤气发生炉煤气站建设中推广使用。
2   热管废热锅炉的原理、结构与特点
2.1  热管废热锅炉的原理与结构
    热管是一种高效传热元件,利用封闭在管内介质的沸腾吸热和冷凝放热进行传热,具有极高的传热性能,换热的两种流体均走管外,可以翅片化,可单管作业。热管废热锅炉的结构见图3。

                       图3   热管废热锅炉结构
    热管废热锅炉主要由内筒、外筒和热管3部分组成,热管斜置焊接在内筒壁上,沿内筒圆周呈放射状布置。其换热效率高,结构紧凑,流体阻力小;单根热管损坏对设备换热影响不大;热煤气走内、外筒之间,软水及蒸汽走内筒里面,通过热管完成热煤气与软化水之间的热量传递。
2.2  热管废热锅炉的特点
    ① 采用镍基钎焊翅片管技术(美国工艺,热管表面高温烧结一层镍合金粉涂层),使普通碳钢材料具有不锈钢的性能,耐腐蚀、耐冲刷。
    ② 采用立式圆筒结构,具有较强的承压能力。
    ③ 单管作业,一根或多根热管损坏时两种介质不互串,从而确保了生产线的连续运行。
    ④ 阻力小。
    ⑤ 由于耐腐蚀性能好,热管锅炉出口煤气温度可以尽可能低,接近露点。
    ⑥ 热管单支点固定在内筒壁上,热管的热胀冷缩变形不受约束,避免了应力破坏。
    ⑦ 换热效率高。
    ⑧ 设备使用寿命长,正常情况下设备运行时不需要清灰。
由于热管废热锅炉比火管式废热锅炉有上述优点,最近几年,热管废热锅炉在氮肥行业造气系统中已基本替代了火管式废热锅炉,回收上、下行半水煤气显热,副产低压饱和蒸汽。
3   热粗煤气显热回收计算与分析
3.1  计算基础数据
    (1)基本参数。Φ3.0m的W-G型常压固定床煤气发生炉单台平均产气量为6500 m3/h,出炉热粗煤气温度为350~550℃,出炉热粗煤气压力为1.0~1. 5 kPa, 入炉煤水分为8%,入炉空气饱和温度为50~65℃,发生炉煤气低热值≥5. 225 MJ/m3,平均煤气产气率指标(干基无烟煤)为3250 m3/t,干煤空气消耗量为2.8 m3/kg。
    (2)热管废热锅炉的计算条件。热管废热锅炉出口粗煤气的温度为160~200℃,热管废热锅炉产生的低压饱和蒸汽压力为0.2~0.4 MPa。
    (3)计算出的基础数据。依据上述数据,可计算出如下基础数据:单台炉无烟煤(干基)消耗量为2000 kg/h,单台炉无烟煤(干基)带入的水量为160 kg/h,单台炉饱和空气带入的水量为641~1484 kg/h,单台炉生产中气封、打钎、水封阀等消耗的蒸汽所冷凝的水量为300 kg/h, 550℃出炉热粗煤气平均比定压热容为1. 363 kJ/(m3·K) , 450℃出炉热粗煤气平均比定压热容为1.350 kJ/(m3·K) , 350℃出炉热粗煤气平均比定压热容为1. 340 kJ/(m3·K) , 200℃出热管废热锅炉热粗煤气平均比定压热容为1. 323 kJ/(m3·K) , 180℃出热管废锅热粗煤气平均比定压热容为1. 323 kJ/(m3·K) , 160℃出热管废热锅炉热粗煤气平均比定压热容为1. 320 kJ/(m3·K) 。
3.2  计算结果
    在热管废热锅炉进口粗煤气最高温度为550℃、平均温度为450℃、最低温度为350℃,热管废热锅炉出口粗煤气最高温度为200 ℃、平均温度为180℃、最低温度为160℃的条件下产生的0. 2 MPa或0. 4 MPa低压饱和蒸汽量见表1。热管废热锅炉热效率按75%计算(主要考虑设备热损失,热煤气夹带的煤灰等杂质沉积在热管外表面影响传热)。
 
    表1   各种计算条件下热管废热锅炉的低压饱和蒸汽产量

 

粗煤气进口温度
粗煤气出口温度
0.2MPa蒸汽产量
kg/h
0.4MPa蒸汽产量
kg/h
550
160
1142
-
180
1085
1076
200
-
1020
450
160
840
-
180
783
776
200
-
720
350
160
546
-
180
489
485

 

    由于常压固定床煤气发生炉出炉粗煤气出口温度随着加煤循环周期而周期性地波动,最低温度有时甚至低于350℃,最高温度有时甚至超过550℃,本文计算及分析节能效果时按平均值450℃计取。依据上述计算结果,单台常压固定床煤气发生炉出炉粗煤气采用热管废热锅炉回收热煤气显热,每台热管废热锅炉(热效率按75%计)产生低压饱和蒸汽(压力为0.2~0. 4 MPa)约720~840 kg/h。
3.3  蒸汽平衡计算
    常压固定床煤气发生炉每台炉入炉空气在最高饱和温度为65℃时带入炉内的蒸汽量约1484 kg/h,每台炉生产中汽封、打钎汽封、水封阀等消耗低压蒸汽量约300 kg/h,则每条生产线正常生产需要低压蒸汽量约1784 kg/h。每台常压固定床煤气发生炉水夹套蒸汽产量约1000~1500 kg/h,设计采用热管废热锅炉回收出炉粗煤气显热,每台生产低压饱和蒸汽(压力为0.2~0. 4 MPa)量约720~840kg/h。这样,整个常压固定床煤气发生炉生产线蒸汽供需趋于平衡,且有余量,不需要单独建设蒸汽锅炉房。
4   工艺流程及技术保障措施
4.1  以无烟煤(或焦炭)为原料的冷煤气站
    以无烟煤(或焦炭)为原料的常压固定床煤气发生炉冷煤气站,出炉粗煤气中几乎不含焦油,仅含固体颗粒。为了避免固体颗粒沉积在热管废热锅炉中影响回收热能,延长热管废热锅炉清灰周期,首先在常压固定床煤气发生炉粗煤气出口与热管废热锅炉之间设置旋风除尘器,使出炉粗煤气中的绝大部分固体颗粒分离出来。然后,出热管废热锅炉的粗煤气(温度为160~200℃)经过煤气间接冷却器(立管或横管),煤气温度降至25~35℃。最后,经过电气滤清器进一步除尘,由煤气排送机加压后送往脱硫装置和工业煤气用户。工业煤气站是否设脱硫装置,应视入炉煤含硫量、下游用户对燃料煤气中硫化氢含量的要求以及现行的国家和行业污染物排放标准而定,必须满足现行的国家和行业污染物排放标准。设置热管废热锅炉后,以无烟煤(或焦炭)为原料回收粗煤气显热的常压固定床煤气发生炉冷煤气站工艺流程见图4。

以无烟煤(或焦炭)为原料的常压固定床煤气发生炉冷煤气站工艺流程
    采用该热管废热锅炉回收热能的工艺流程,在煤气净化处理降温过程中,煤气与循环冷却水间接进行热交换,基本上解决了原工艺流程中双竖管热循环水自然降温和冷循环水强制降温挥发物对大气环境的二次污染问题。虽然煤气冷凝水需处理达标后企业自用和外排,但是废水处理量相当少。可见该工艺达到了节能、减排的根本目的。
4.2  以烟煤为原料的冷煤气站
    以烟煤为原料的常压固定床煤气发生炉冷煤气站,出炉粗煤气中不但含焦油,而且含固体颗粒,并且煤气中焦油含量与入炉煤挥发分关系很大。虽然出炉粗煤气首先经过旋风除尘器除去绝大部分固体颗粒,但是热管废热锅炉回收粗煤气显热后的煤气仍携带部分固体颗粒。为了避免粗煤气在后续设备冷却时固体颗粒和焦油形成胶状沉积物沉积在煤气间接冷却器中影响煤气降温效果,延长煤气间接冷却器清理和吹扫周期,在热管废热锅炉后增设了煤气洗涤器(直冷),使煤气中的绝大部分焦油和残留的固体颗粒分离出来。出煤气洗涤器的煤气(温度为80~90℃)再经煤气间接冷却器(立管或横管),煤气温度可进一步降至25~35℃。然后,经过电气滤清器进一步除尘后,由煤气排送机加压送往脱硫装置和下游工业煤气用户。设置热管废热锅炉后,以烟煤为原料回收粗煤气显热的常压固定床煤气发生炉冷煤气站工艺流程见图5。

        图以烟煤为原料的常压固定床煤气发生炉冷煤气站工艺流程
    此工艺流程复杂,设备较多。虽然在洗涤器中煤气与循环水仍然是直接接触洗涤使煤气降温,但是循环水量比原工艺流程中双竖管热循环水自然降温的水量要少很多。完全可以改用机械化焦油氨水澄清槽(密闭式)进行氨水、焦油、焦油渣的分离,完全解决原工艺流程中

循环水依靠全部敞口的平流沉淀池自然降温时污染大气环境的问题。

 
4.3  热管废热锅炉的技术保障措施
    (1)热管废热锅炉汽包与发生炉汽包共用。热管废热锅炉汽包(运行压力0.2~0.4MPa)可与热管废热锅炉分开单独设置,也可以设置在热管废热锅炉顶部形成一个完整的整体设备。发生炉水夹套汽包一般布置在主厂房顶部操作层。热管废热锅炉汽包与发生炉水夹套汽包也可以共用,以减少设备数量和造价。
    (2)热管废热锅炉设置蒸汽吹扫口。热管废热锅炉运行一个阶段后,热管翅片上不可避免地会沉积灰尘或灰尘与焦油的混合物,影响热管废热锅炉的传热效率,故需定期进行蒸汽吹扫和清除。另外,投产初期可使用外来蒸汽置换和加热。
    (3)热管废热锅炉设置冲洗、冲渣接口。热管废热锅炉在正常运行过程中,煤气中夹带的灰尘会落下堆积在热管废热锅炉底部。为了减少打开清灰孔清理的次数或在一个检修期内力争不打开清灰孔清灰,避免影响设备的正常运转,在热管废热锅炉顶部设置了冲洗接口,底部设置了冲渣接口,用煤气间接冷却器的冷凝液定期进行冲洗,清除积灰。
5   热管废热锅炉的应用实例
    某公司在内蒙古乌兰察布市建设15万m3/d无井式气化采煤半工业性试验工程,中国市政工程华北设计研究院承担了煤气净化工程的设计任务。依据业主方提供的地下气化煤气温度、压力、组成及杂质含量,煤气的初步净化工艺流程中采用了旋风除尘器、热管废热锅炉、洗涤器等设备。来自地下气化的热煤气(温度为100~450℃)首先经过旋风除尘器除去煤气中夹带的固体颗粒,然后通过热管废热锅炉回收热煤气(温度≥180℃)的显热产生低压饱和蒸汽。若热煤气温度<180℃,则由旁路进入下一设备(洗涤器)。利用热管废热锅炉回收热煤气显热产生的低压饱和蒸汽供给本工段各水封、焦油中间罐、轻焦油中间罐、焦油罐、轻焦油罐、机械化焦油氨水澄清槽等设备加热保温和吹扫。
    由于厂区总图布置较紧凑,热管废热锅炉汽包设置在热管废热锅炉的顶部,设备形成了一个整体热管废热锅炉,其设计参数如下:
      煤气进口温度                180~450 ℃
      煤气出口温度                160 ~ 220℃
      煤气进口压力                20~50 kPa
      煤气流量                    6250 m3/h
      软化水温度                  80~90℃
      软化水用量                  500~1200 kg/h
      汽包运行压力                0. 2~0.4 MPa
      锅炉设计压力                0. 8 MPa .
      煤气中含尘质量浓度          30~60 mg/m3
      煤气中焦油质量浓度          760~2100 mg/m3
      煤气中硫化氢质量浓度        20~26g/m3
    该工程于2007年8月完成施工图设计,目前正处于施工阶段。
6   经济效益分析
    (1)常压固定床煤气发生炉采用热管废热锅炉回收粗煤气显热,单台炉生产线每年(按330 天计)生产蒸汽约6178 吨,节约蒸汽成本(按90元/t计)约55.6万元/a。
    (2)粗煤气旋风除尘器和热管废热锅炉设备投资估算约(30~40)万元,设备投资回收期约0.54~0.72年,经济效益可观。
    (3)单台常压固定床煤气发生炉利用热管废热锅炉回收粗煤气显热,每年节约标准煤约573 t/a, 标准煤价格按500元/t计,则每年产生的直接经济效益约28. 65万元。间接减少了煤和灰渣的运输量,减少燃煤产生的二氧化硫等废气排放量也相当可观,其社会效益和环境效益显著。
    (4)回收常压固定床煤气发生炉出炉粗煤气显热后,生产系统的蒸汽供需基本趋于平衡。建厂时不需要考虑为煤气站正常生产所需蒸汽而单独建设锅炉房,仅需考虑煤气站投产时临时供蒸汽和运行不正常时所需的蒸汽量。可减少工程建设总造价,减少在岗编制人员,降低了企业成本。
7   结论及建议
    (1)利用热管废热锅炉回收常压固定床煤气发生炉出炉粗煤气的显热,在新建和改扩建发生炉冷煤气站的企业具有推广价值。尤其在铝业、陶瓷、玻璃行业等大型工业煤气用户煤气站建设中更为适用。
    (2)热管废热锅炉所产低压饱和蒸汽(0.2~0. 4 MPa)基本能满足生产需要。企业不需要为工业煤气站再建蒸汽锅炉,仅考虑开工时临时供汽。
    (3)热管废热锅炉回收常压固定床煤气发生炉出炉粗煤气的显热后,单台炉生产线每年可节约标准煤约573 吨,直接经济效益约28.65万元。
    (4)冷煤气工艺流程中增设粗煤气旋风除尘器和热管废热锅炉后,可取消双竖管直冷设备,设备投资估算比原工艺高20~40万元,经济效益可观。
责任编辑: banye 参与评论
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