热管技术在荒煤气余热回收上的应用

1、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950C1050C红焦带出 的显热余热占焦炉支出热的37%，650C750C焦炉荒煤气带出热（中温余热）占 焦炉支出热的36%，180C230C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（低温余热）占焦炉支

2、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，进入后续煤化 工产品回收加工工段。这样的

3、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。炼焦荒煤气余热同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 家焦化企业采用，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。用热管回收荒煤气带出热量，效果也不错。将管内水

4、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500C。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国家实验室的G.M.Grover发明的一 种称为“热

5、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。在管 内压差作用下，汽体携带潜热

6、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/m2 K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笆，与其它传热元件相比， 热管具有良好的等温性能。热管能适应的温度范围与热管的具体结构、

7、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-200C2000C，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一汽系统内。 由于热管的存在使得该水一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，水一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104C除氧水经水预热器加热至175C后供给）。 这样由于热管不断将热量输入水套，通过外部汽一水管道的上升及下降完成基本的 汽一水循环，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）

9、热管技术在荒煤气余热回收上的应用。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500C，然后用 喷洒氨水冷却至8085C。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

10、高温干馏成为焦炭，同时产生荒煤气（温度850-950C、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

11、等设计，开展了 329小时的试验， 实验表明对焦炉荒煤气的余热回收，本项日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800C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500C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

12、保证热管壁温在荒煤气 焦油露点之上，不会产生结焦问题；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800C左右 的荒煤气进入上升管，通过辐射换热将热量传给炭钢一水热管，温度降至500C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

13、个热管。本方案优点：采用分离式热管， 布置方便，通过提高产汽压力，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

14、C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管壳体内壁的分离式热管的受热端管束，温度降至 500C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日的。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，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。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