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        梅鋼2#高爐煤氣換熱器優(yōu)化實(shí)踐

        2021-08-31 00:52:52閆磊
        冶金動(dòng)力 2021年4期
        關(guān)鍵詞:搪瓷熱風(fēng)爐清灰

        閆磊

        (上海梅山鋼鐵股份有限公司,江蘇南京 210039)

        前言

        熱風(fēng)爐向高爐持續(xù)鼓入高溫空氣,保證高爐燃燒焦炭將鐵礦石還原成金屬鐵,提高風(fēng)溫有助于降焦比、增產(chǎn)量。梅山2#高爐配置3座內(nèi)燃式熱風(fēng)爐,煤氣消耗8 萬m3/h,其中高爐煤氣約占97%、焦?fàn)t煤氣約占3%。

        煤氣換熱器廣泛應(yīng)用于各類熱風(fēng)爐,經(jīng)耐火磚蓄熱后約300 ℃煙氣進(jìn)入煤氣、空氣換熱器,對(duì)空煤氣進(jìn)行預(yù)熱,煙氣溫度降至150 ℃后排入大氣。目前常用煤氣換熱器有管殼式、熱管式、板式。梅鋼高煤冷凝水pH 值平均5.5、氯離子濃度約600 mg/L且波動(dòng)較大??紤]耐酸性腐蝕、占地面積等因素,熱管式、板式換熱器未大范圍應(yīng)用,管式換熱器制造簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、造價(jià)低、阻損小、不需設(shè)旁通煙道,仍大量應(yīng)用于熱風(fēng)爐中。

        1 現(xiàn)狀

        2#高爐熱風(fēng)爐煤氣換熱器采用管束式結(jié)構(gòu),2016年3月投入使用,有效提高了熱風(fēng)爐燃燒溫度、熱風(fēng)溫度,充分回收廢熱及利用低熱值高爐煤氣,達(dá)到降低高爐能耗、降低焦比、降低生鐵成本目的[1]。換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

        表1 2#高爐空煤氣換熱器參數(shù)

        2020 年9 月2#高爐煙氣出口CO 濃度超標(biāo),退出煤氣換熱器發(fā)現(xiàn)煙氣出口CO 含量恢復(fù)正常,判斷煤氣換熱器因腐蝕或開裂造成煤氣進(jìn)入煙氣管道內(nèi)。煤氣換熱器泄漏若不及時(shí)處理,待高爐休風(fēng)期間熱風(fēng)爐停燒時(shí),極易使煤氣富集引起爆炸。加之噴煤制粉系統(tǒng)所用煙氣也從熱風(fēng)爐煙囪處抽取,當(dāng)煙氣中CO 達(dá)到一定濃度,會(huì)造成煙氣爐爆炸事故。煤氣預(yù)熱器煤氣泄漏嚴(yán)重,存在相當(dāng)大安全風(fēng)險(xiǎn)。換熱器離線,日損失2萬元。

        2 煤氣換熱器優(yōu)化改進(jìn)

        熱風(fēng)爐燃燒高煤低發(fā)熱值3 200 kJ/m3、水分濕度飽和、含塵5 mg/m3以內(nèi)。為提高熱風(fēng)爐爐頂溫度摻混3%焦煤,其低發(fā)熱值17 500 kJ/m3、水分濕度飽和、含塵10 mg/m3以內(nèi)。熱風(fēng)爐燃燒混合煤氣參數(shù)如下2。

        表2 煤氣成分均值 單位:%

        2.1 煤氣預(yù)熱器

        煙氣水平流經(jīng)上一段預(yù)熱器后,通過集氣箱進(jìn)入下一段預(yù)熱器再水平流過,煤氣自下而上依次流經(jīng)兩段預(yù)熱器。煙氣進(jìn)口端300 ℃對(duì)應(yīng)煤氣出口端180 ℃,煙氣出口端溫度150 ℃對(duì)應(yīng)煤氣進(jìn)口端溫度30 ℃,煙氣溫度始終高于煤氣120 ℃,煙氣熱量對(duì)流傳熱給換熱管,換熱管對(duì)流傳熱給管內(nèi)煤氣,實(shí)現(xiàn)煙氣余熱預(yù)熱煤氣。在設(shè)備兩殼體連接處及設(shè)備頂部設(shè)置膨脹節(jié)[2]。

        (1)煙氣、煤氣參數(shù)

        煙氣17 萬m3/h,入口平均溫度285 ℃,最高315 ℃,最低245 ℃;煤氣流量11.3 萬m3/h,入口溫度30 ℃。設(shè)計(jì)煤氣預(yù)熱器耐溫380 ℃,最高瞬時(shí)耐溫450 ℃。預(yù)熱器本體采用外保溫,同時(shí)為排出煙氣冷凝水,預(yù)熱器在冷端煙氣通道底板設(shè)置排水管。

        (2)光管管式預(yù)熱器

        煤氣含塵量雖有報(bào)警,但不能杜絕大量灰塵進(jìn)入預(yù)熱器,造成預(yù)熱器積灰嚴(yán)重?;覊m在擾流子上容易沉積且難清除,預(yù)熱器長(zhǎng)期運(yùn)行后,氣流通道變小甚至堵死。換熱器積灰情況見圖1所示。

        圖1 煤氣預(yù)熱積灰情況

        為避免換熱器積灰,采用光管列管式預(yù)熱器。要求煙氣、煤氣側(cè)流體阻損均低于600 Pa,煙氣進(jìn)出口溫降135 ℃以上,煤氣進(jìn)出口溫升高于150 ℃。煤氣預(yù)熱器按照溫度選適宜材質(zhì),煤氣自下而上依次流經(jīng)兩段預(yù)熱器,預(yù)熱器高溫段管束采用20#無縫鋼管作為傳熱元件,低溫段換熱管采用ND 鋼。ND 即09CrCuSb 銻鋼,是目前國(guó)內(nèi)外最理想的耐硫酸低溫露點(diǎn)腐蝕用鋼,具有耐氯離子腐蝕的能力,可有效抵御含硫煙氣結(jié)露點(diǎn)腐蝕。

        煤氣預(yù)熱器熱介質(zhì)為煙氣,冷介質(zhì)為燃料煤氣。由于煤氣易燃易爆,箱體必須保證殼體有足夠強(qiáng)度和剛度,且焊縫無任何泄漏,所有箱體焊縫做滲透檢查。換熱器管壁厚度≥3 mm,煤氣預(yù)熱器低溫段管隔板采用ND 鋼,其余均采用Q235-B,殼體厚度≥8 mm、管板厚度≥16 mm。

        2.2 清灰設(shè)計(jì)

        換熱器上下檢修空間預(yù)留檢修人孔,換熱器管程連接段留有檢修空間并設(shè)置人孔,便于離線檢修時(shí)人工檢查清灰。

        換熱器煙氣側(cè)設(shè)置聲波吹灰器,用壓縮空氣作為聲波能源在諧腔內(nèi)產(chǎn)生諧振,將壓縮空氣勢(shì)能轉(zhuǎn)換為低頻聲能,通過空氣介質(zhì)傳遞到相應(yīng)積灰點(diǎn),聲波對(duì)灰渣起到“聲致疲勞”的作用,由于聲波振蕩的反復(fù)作用,施加于灰、渣的擠壓循環(huán)變化的載荷,造成灰、渣的結(jié)構(gòu)因疲勞而破壞,因重力流體沖刷離開附著體表面,達(dá)到清灰的作用[3]。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行衰減情況周期性對(duì)換熱面進(jìn)行在線全面清灰,防止粉塵在換熱面上堆積,影響換熱效果。聲波清灰器見圖2。

        圖2 聲波清灰器

        管外煙氣側(cè)設(shè)置水沖洗口和排污水口。換熱器底部加裝排污閥,換熱器煤氣進(jìn)口最低點(diǎn)設(shè)置冷凝物排水器,出換熱器的管道頂部設(shè)置放散閥,便于吹掃放散。

        2.3 增設(shè)CO監(jiān)測(cè)

        新增CO 監(jiān)測(cè)4 套,熱風(fēng)爐煤氣換熱器進(jìn)、出口CO 監(jiān)測(cè)2 套;煤氣換熱器煙氣進(jìn)、出口側(cè)CO 監(jiān)測(cè)2套,為監(jiān)測(cè)爐底板煤氣泄漏情況提供依據(jù)。監(jiān)測(cè)量程選0~0.5%,煙氣增設(shè)CO 監(jiān)測(cè)可輔助監(jiān)測(cè)熱風(fēng)爐燃燒空燃比是否合適,盡量減少殘留煤氣,為監(jiān)測(cè)煤氣換熱器煤氣泄漏情況提供依據(jù)。

        2.4 煤氣脫濕

        由于高爐煤氣含大量機(jī)械水,加速煤氣管道及設(shè)備腐蝕,造成煤氣熱損增大。水分裹雜灰塵附著換熱管翅片,造成嚴(yán)重積灰、灰堵發(fā)生,換熱效率大幅降低。采用煤氣脫濕器脫除煤氣水份達(dá)到減少煤氣進(jìn)口低溫腐蝕產(chǎn)生,提高換熱器效率。脫濕器與煤氣接觸殼體框架及內(nèi)件材料采用2205 雙相不銹鋼,2205 合金是由22 %鉻,2.5 %鉬及4.5 %鎳氮合金構(gòu)成的復(fù)式不銹鋼。鉻、鉬及氮的含量使其在氧化性及酸性的溶液中,對(duì)點(diǎn)腐蝕及隙腐蝕具有很強(qiáng)的抵抗能力。沖洗管采用聚丙烯PP管不銹蝕、耐磨損、不結(jié)垢。設(shè)計(jì)煤氣9.5 萬m3/h、最高壓力25 kPa,煤氣阻力損失300 Pa以下。

        (1)脫濕器結(jié)構(gòu)及布置

        煤氣絲網(wǎng)脫濕器用于高爐煤氣中機(jī)械水脫除,殼內(nèi)安裝脫水器芯子,芯子包括框架和絲網(wǎng)組件,單個(gè)絲網(wǎng)組件包括若干層單層絲網(wǎng),各絲網(wǎng)組件沿煤氣進(jìn)出方向間隔安裝在芯子框架上。絲網(wǎng)脫水器設(shè)計(jì)流速3.5~5.5 m/s,含有機(jī)械水及粉塵的高爐煤氣進(jìn)入絲網(wǎng)脫水器,煤氣通過絲網(wǎng)組件,機(jī)械水及部分粉塵被連續(xù)脫出,從脫水器殼體下方排水口進(jìn)入地面水封罐。脫水器結(jié)構(gòu)示意見圖3。

        圖3 脫水器結(jié)構(gòu)

        脫水器作用于高爐煤氣,殼體需保證有足夠強(qiáng)度和剛度,出廠前氣密性試驗(yàn)保壓2 h,壓力0.05 MPa,泄漏率每小時(shí)不超過1%,所有焊縫必須做滲透檢查。脫濕器與煤氣預(yù)熱器布置位置見圖4。

        圖4 煤氣脫濕預(yù)熱流程示意圖

        脫濕器設(shè)一個(gè)人孔用于檢查積灰,如有積灰可進(jìn)行人工清灰。脫濕器底部加裝排污閥,脫濕器進(jìn)口最低點(diǎn)設(shè)置冷凝物排水器。

        (2)脫濕器優(yōu)點(diǎn)

        一方面,多層絲網(wǎng)脫濕器增加了煤氣中霧滴、粉塵與絲網(wǎng)碰撞機(jī)會(huì),有利于水滴凝成、水份和粉塵捕捉;另一方面,絲網(wǎng)組件中單層絲網(wǎng)層數(shù)特殊設(shè)置,充分利用煤氣流量波動(dòng)引起絲網(wǎng)振動(dòng),達(dá)到自動(dòng)清除絲網(wǎng)上灰、液滴的目的。脫濕器使用年限15 年以上,煤氣中機(jī)械水脫除率達(dá)85%,脫濕器阻力損失300 Pa以下。

        2.5 柔性金屬搪瓷

        為解決煤氣及煙氣低溫腐蝕及焊接區(qū)域腐蝕,提高設(shè)備性能,延長(zhǎng)使用壽命,采用柔性金屬搪瓷技術(shù)。煤氣低溫段換熱管采用ND 鋼+內(nèi)壁噴涂柔性金屬搪瓷,露點(diǎn)溫度以下外管壁、管內(nèi)外側(cè)焊縫區(qū)域噴涂柔性金屬搪瓷。做到立式列管式煤氣換熱器使用壽命15 年以上,換熱性能五年內(nèi)減退10%以內(nèi)。

        搪瓷層滿足耐化學(xué)腐蝕性能。①抗?jié)B透性、抗腐蝕性:為鑒定性能優(yōu)劣,將搪瓷層組建放入沸水、10%HCl、10%H2SO4、20%NaOH 浸泡7 天、海水浸泡30 天,均無變化,驗(yàn)證搪瓷層具有優(yōu)良耐水性、耐鹽水、耐酸堿侵蝕。②抗垢性:搪瓷層表面光滑度很高,近壁流層薄,垢不能粘附到涂層表面。③導(dǎo)熱性:柔性金屬搪瓷調(diào)制成黑色,其輻射熱吸收率高,具有較高的導(dǎo)熱系數(shù),接近金屬導(dǎo)熱范圍。圖5 展示搪瓷層使用對(duì)比情況。

        圖5 搪瓷層使用對(duì)比情

        3 結(jié)論

        梅鋼2#高爐熱風(fēng)爐2020 年9 月發(fā)現(xiàn)煙氣出口CO含量超標(biāo),判斷煤氣換熱器泄漏,使用新?lián)Q熱器,采用煤氣脫濕器脫除85%以上機(jī)械水含量;側(cè)邊設(shè)置聲波清灰器周期性對(duì)換熱面進(jìn)行在線全面清灰,防止粉塵在換熱面上堆積,影響換熱效果;新增CO監(jiān)測(cè)裝置4套,提升設(shè)備本質(zhì)安全;采用柔性金屬搪瓷技術(shù),解決煤氣及煙氣低溫腐蝕及焊接區(qū)域腐蝕。采取上述措施后能保證煤氣預(yù)熱180 ℃以上,換熱性能五年內(nèi)減退10%以內(nèi),使用壽命達(dá)15年。

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