管式炉节能技术的研究与应用.doc

管式炉节能技术的研究与应用 叶世超 李黔东 叶 锐(四川大学化工学院，成都610065)罗义文 张初永 李应海（攀枝花钢铁公司，攀枝花617000) 管式炉是焦油分离与精制的关键设备之一,国内焦化厂通常采用引射式燃烧器使用焦炉煤气对管式炉进行加热，烟气直接从管式炉顶的烟囱排放。烟气放空温度一般在350左右，大量热量的放散，不仅浪费热能，而且造成环境的热污染。我国绝大多数钢铁联合企业普遍存在焦炉煤气短缺而高炉煤气过剩的矛盾。因此，开发适合于低热值煤气的高效燃烧技术和余热回收技术，突破焦化管式炉使用高炉煤气的技术瓶颈，成为焦化行业亟待解决的难题。 高炉煤气的发热量约3.3mj/m3,燃点600。要实现高炉煤气的稳定燃烧，要么把炉膛温度加热到900，要么把高炉煤气预热到600。迄今为止，高炉煤气主要被用作高炉热风炉、焦炉、电站锅炉和轧钢加热炉等高温热工设备燃料。焦化管式炉炉膛温度一般不超过600，故难以使用高炉煤气加热。为了解决焦化管式炉使用高炉煤气的技术问题，莱钢在管式炉下部设置了长度1950mm、直径2720mm的燃烧炉，燃烧器设置保安煤气管，通入焦炉煤气以稳定火焰，并将管式炉辐射段炉管加长了1 m。此方案在管式炉底部设置燃烧炉，需要有充裕的空间；加长炉管需要对管式炉本身进行改造，改造的工程量大，在应用上受到了一定的限制。杭钢焦化厂的管式炉以焦炉煤气作为长明火炬，采用无焰燃烧器燃烧高炉煤气，用和莱钢类似的方法附设高炉煤气燃烧炉，为解决助燃空气流量不足、调节余地小的向题，在燃烧炉上设置了二次风门。但该方案只能适用于负压操作的管式炉。 鉴于上述方法的局限性，有必要探索新的途径。本文拟采用热管换热器回收烟气余热对高炉煤气和助燃空气进行双预热，利用同轴交叉旋转射济模式强化燃气的预混合燃烧，以期突破高炉煤气在低温炉内燃烧的技术瓶颈，为管式炉节能减排探索新路。1 过程分析 分析已有资料不难看出，高炉煤气在低温炉内稳定燃烧的关键有两点：一是加强燃烧器的预混性能，促进高炉煤气和助燃空气的燃烧反应。二是要对燃气进行预热，提供一定量的物理热。只预热高炉煤气，需要加热到600，如果将高炉煤气和助燃空气同时预热，温度可望降低，如果预热不足，可以在高炉煤气中掺混少量焦炉煤气。 (1) 预混式燃烧器。燃烧是一种化学反应过程，实际上是高炉煤气中所含的一氧化碳和助燃空气中的氧气进行的化学反应。根据阿累尼乌斯的碰撞反应原理，要使高炉煤气能够稳定燃烧，其先决条件就是反应物的分子必须相互靠近并发生碰撞。高炉煤气燃烧困难，主要是反应物分子的数量少，氧气分子必须穿过惰性气层，才能接近燃料分子并发生碰撞而反应。实现高炉煤气的燃烧，除了反应物分子应具有足够高的温度和动能，有利于分子的接近和碰撞外，燃烧器还应具有良好的预混性能。经过燃烧器的机械混合，具有较高温度和能量的反应物分子借助强对流作用而迅速接近并进行反应。 根据我们多年从事燃烧技术研究的经验，开发了同轴交叉旋转射流高效燃烧器，见图1。煤气在芯管中流动，助燃空气由风机输送并流经套管，管壁上开有若干小孔，空气穿过小孔形成许多股小气流射入煤气流中，形成交叉流动。同时，在燃烧器内设置旋流片，使反应气体作旋转运动，从而使反应物分子能够迅速反应。图1 同轴交叉旋转射流燃烧器示意图 (2) 燃气预热与热管换热器。管式炉废气温度高达350，可以用作加热介质。燃烧器实际上是一个反应器。根据质量守恒原理，反应物和燃烧产物的质量相等，反应物和燃烧产物的比热相差不大，因此，烟气的温降和燃气（煤气+助燃气）的温升大致相等，采用燃料气和助燃气双预热更为合理。 用烟气加热高炉煤气和助燃空气是典型的气-气换热过程，热管换热器是适用于这一过程的高效换热设备。将换热管内充入某种工质并抽真空而制成“热管”，再将这种热管组装成热管换热器。用普通的列管式换热器加热气体时，通常是气体流经管外，并在管外缠绕螺旋翅片，以增大传热面积强化传热。而对于气-气换热场合，流经管内的气体就不能像管外气体那样通过增加传热面来强化传热，所以普通列管式换热器用于气-气换热时，传热速率低，很不经济。热管换热器通过巧妙设计，使两种气体都流经管外，能够轻而易举地增加传热面积和强化传热。管内处于真空状态的工质从热端吸收热量并气化为蒸汽，蒸汽上升至冷端放出热量并凝结为液体，液体借助重力流回热端再次受热气化，周而复始，实现从热气体中吸热并传给冷气体的操作。在气-气换热场合，热管换热器的传热速率远高于普通列管换热器。 双预热热管换热器区域划分如图2所示，换热器蒸发段和冷凝段用隔板隔开，蒸发段为烟气通道，冷凝段再用隔板分为煤气通道和空气通道，各部分传热面积由热工计算确定。 图2 双预热热管换热器区域划分示意图 图3 实验装置示意图2 实验研究 上述方案是否可行需要实验进行验证，其核心是两点，一是热管换热器的传热面积是多少，二是同轴交叉旋转射流燃烧器的燃烧效果如何。为此，在实验室建立了如图3所示的实验装置，燃烧炉产生的高温气体进入热管换热器的蒸发段，换热降温后的废气由烟囱放散，离心风机输送的冷空气流经热管换热器的冷凝段，部分热空气循环，和燃烧炉来的高温烟气混合，以调节进入热管换热器蒸发段的气体温度。燃烧炉头部装有燃烧器，燃料为煤气，助燃空气由风机送入燃烧炉壳体夹套预热后引入燃烧器。 实验用热管换热器为钢-水热管，由20根热管组成，总换热面积2m2。实验测定热管换热器的气体流量和进出口温度，计算了热管换热器的传热系数,见表1。实测的传热系数为确定工业热管换热器的面积提供了实验依据。表1 热管换热器的实验数据序号冷凝段（空气）蒸发段（烟气）平均温差tm总传热系数kw/(m2)流量nm3/h进口温度出口温度流量nm3/h进口温度出口温度1345.2510.233426.10103.58572.616.72436.7110.537458.57120.49583.921.23530.3810.032558.151179384.021.3 实验比较了3种燃烧器芯管的燃烧情况，与预期的一样，直通芯管的燃烧情况最差，火焰呈黄红色，有黑烟形成，火焰长，飘柔无力，这是因为两种气体在直通芯管中的混合情况不好，形成扩散燃烧的缘故；有孔芯管的燃烧状况大为改善，火焰基本上呈蓝色，火焰长度较短，火焰刚度较好，有孔芯管实现了交叉射流，两种气体的混合有所改善；带螺旋片的有孔芯管燃烧情况最好，火焰湛蓝，火体透明，火焰短而有力，刚度好，这是因为交叉旋转射流混合充分。实验结果为高效燃烧器的设计提供了参考。3 工艺流程 在实验研究的基础上，提出了管式炉节能减排方案，其工艺流程见4。如图4所示，在管式炉炉顶设置双预热热管换热器，烟气流经热管换热器的蒸发段，回收余热后的烟气从热管换热器上部的烟囱直接排入大气，空气经离心风机送入热管换热器冷凝段的空气通道进行预热，热空气送入燃烧器作助燃空气，高炉煤气依靠自身压力引人热管换热器冷凝段的煤气通道，预热后的高炉煤气进入煤气混合器，掺入少量的冷焦炉煤气后送入燃烧器燃烧。采取这种先预热后混合的方法，是为了防止焦炉煤气在热管上结焦，降低换热管的传热效能。热管换热器顶置的方案，烟气直接由烟囱放散，无需使用引风机，但需要对热管换热器进行支撑，适合于中小型管式炉。对于数百万大卡以上的管式炉，则应将热管换热器置于地面，换热后的烟气用引风机抽出，并由烟囱放散，如图5所示。4) 攀钢焦化厂6台管式炉全部采用本技术进行节能技改后，每年可节约燃料费1600万元，减少高炉煤气排放量2.2亿m3，折合标准煤3.5万吨。 (5) 同轴交叉旋转射流燃烧器的工作性能良好，炉膛火焰清澈透明，呈浅蓝色，焰体短，刚度好，煤气燃烧充分，效率高，与改造前自然通风引射式燃烧器火焰昏暗、飘柔无力的情况形成鲜明对比。 (6) 管式炉温度特性改善，由于多次扩能，造成大量煤气在管式炉上部燃烧，温度场高温区上移，热量未充分利用便随烟气放散。节能改造后，由于煤气燃烧充分，火焰短，温度场高温区下移，燃烧产物能够和炉管充分换热，管式炉的工作状态更为理想。5 结论 (1) 采用热管换热器回收烟气余热对高炉煤气和助燃空气进行双预热，利用同轴交叉旋转射强化燃气的预混合，实现了高炉煤气在低温炉内的稳定燃烧，为管式炉节能减排开辟了新途径。 (2) 改烧高炉煤气后，85的焦炉煤气可由高炉煤气替代，也就是说，掺混5的焦炉煤气即可实现高炉煤气的稳定燃烧，有效缓解了钢铁联合行业焦炉煤气紧缺和高炉煤气放散的矛盾。 (3) 本技术的节能效果体现在两个方面，一是高炉煤气的价格低于焦炉煤气，用高炉煤气替代焦炉煤气，由于价格差降低了燃料费用；二是废气余热回收利用，可以节省15的煤气。 (4) 同轴交叉旋转射流燃烧器预混性能良好，燃烧充分，效率高，火焰短，有效改善了管式炉炉膛的温度分布，使高温区下移，有利于燃烧产物和炉管的充分换热，管式炉的工作性能更好。 图4 热管换热器炉顶布置方案 图5 热管换热器的地面布置方案4 工业应用及节能效果 在实验的基础上，确定了热管换热器和燃烧器的结构尺寸，与国内专业燃烧公司和热管换热器公司合作，借助专业公司的技术优势，开发成功了同轴交叉旋转射流燃烧器，配备了自动点火系统和紫外线熄火报警系统，设计了高炉煤气和助燃空气双预热热管换热器，与攀钢焦化厂合作，用本方案对该厂甲基萘管式加热炉实施了节能技改。该项目于2008年初点火试车成功，经过近半年的运行，系统操作稳定，各项技术指标均达到设计要求。对生产现场主要数据进行了测试和节能分析，结果如下