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煤气换热器损坏原因分析及解决方案点击：2639 日期：[ 2014-04-26 21:35:27 ] |
| 煤气换热器损坏原因分析及解决方案 郭红永1，张宇2，王三多1，刘常鹏2 （1.九冶建设有限公司，陕西勉县724207；2.鞍钢股份有限公司技术中心，辽宁鞍山114021） 摘要：针对鞍钢1700 ASP生产线加热炉煤气换热器损坏问题，从煤气换热器本身构造及外部环境进行系统分析，并采用化学检测等方法确定了换热器损坏的直接原因，具体为煤气管道中的水进入换热器内造成温度应力、内部煤气分流不均、空气换热器换热效果不佳等，并提出了改进煤气换热器结构、加大煤气管道排水能力、增加空气换热器换热面积的策略。 关键词：加热炉；温度应力；煤气换热器 中图分类号：TF066.2+1文献标识码：B文章编号：1001-6988（2011）04-0023-03 加热炉采用换热器对烟气进行余热回收是提高能源利用的重要手段[1-4]。鞍钢1700ASP生产线2号加热炉采用了空、煤气双预热的方式对烟气进行余热回收。通过几年的使用，发现余热回收系统存在空气预热温度达不到设计要求，而煤气预热温度经常超标，尤其是煤气换热器多次出现靠近低温侧的换热管断裂事故，给安全生产造成严重威胁。通过详尽的分析，找出了煤气换热器损坏的主要原因，从根本上解决了煤气换热器烧损的问题。 1·损坏现象 鞍钢1700ASP生产线2号加热炉排烟系统分为南北两个烟道，对称布置，每侧烟道又分为两个通道(设为南1、南2、北1和北2，其中南2和北2在加热炉内侧)，分别安装两组保护管组、空气预热器和煤气预热器，两组换热器之间用砖墙隔开，加热炉运行时烟气经由炉子两侧烟道并由一个烟闸排出。 2009年12月11日仪表显示2号加热炉南2煤气换热器后排烟温度升高,到烟道勘察发现烟道着火，判定煤气换热器发生损坏泄露。12月18日停炉将该换热器吊出检查发现：煤气换热器进气口北侧距离下部风箱底板200 mm左右的换热管断裂，对应的下风箱严重变形（见图1），其中一根换热管内被黑色硬块状物体堵塞充满（见图2），还有一根损坏的换热管内壁有180 mm长圆管状黑色铁皮状物吸附，管壁明显见薄。 检验结果：黑色硬块状物碳含量为30.5%，是煤气杂质堆积而成；铁皮状物铁含量为50.7%，是换热管氧化形成的氧化铁皮。割开下风箱检查，可见约200 mm×100 mm×2 000 mm左右体积的杂质、铁皮堆积在下风箱内，箱内干燥无水，但箱体内壁有红色铁锈。观察上风箱进气口发现：靠近北侧的进气口管壁和上风箱底板有红色铁锈，而对应的南侧和其它地方都是黑色，见图3、图4。 2·损坏原因分析 2．1外部原因 煤气换热系统工作过程中，冷煤气是从中间分别流向南北两侧（见图5），煤气管道中的水积存到一定程度就会沿着南2北侧管壁流到靠近隔墙的换热管内，还会沿着北2南侧管壁流到靠近隔墙南侧的换热管内。煤气中含有焦油等杂质，它们流过的地方呈黑色，上风箱北侧管壁和换热管断面遇水才会氧化发红，这就是进风口南北两侧颜色不一样的原因。煤气中的杂质在进风口处积存到一定程度会随着水掉落堵塞换热管。下风箱内的水锈，说明有水进入。热的箱体内壁遇到水的冷却就会向外膨胀鼓起。上述几点都说明有水从靠近北侧的换热管内流过进入下风箱。正常工作时，换热管由于处在550～450℃的烟气中均匀膨胀，一旦少数几根管遇水被突然冷却，就会产生收缩应力，应力超过管的最大抗拉强度就会断裂，这是此次换热管损坏的主要原因。也解释了为什么发生断裂的管束总是位于南2和北2煤气入口靠近烟道隔墙侧的现象。 2．2内部原因 管束发生弯曲、变形的部位主要集中在南2和北2煤气换热器低温侧，靠近烟闸侧和靠近两个烟道隔墙处的位置。究其原因在于： （1）从烟道结构看，南2和北2的路径短，沿程阻力小于南1和北1，尤其靠近南2和北2两个烟道隔墙侧的局部阻力最小，假如正常开始时四个烟道流过的烟气温度相同，那么这些部位流过的烟气最多，使得南2和北2烟道温度、空、煤气预热温度都高于南1和北1，导致换热器外壁温度也高。 （2）烟道墙对煤气换热器具有一定的辐射作用，使煤气换热器出口冷端接受的热量大大高于其它部位，是该部位最早出现变形、破损的原因。 （3）冷煤气是从中间分别流向南北两侧，南2和北2靠近隔墙侧最容易出现涡流现象，使冷煤气难以进入换热管；受场地、空间限制，换热器上风箱冷煤气入口长宽比过大，达到3，入口面积和底板面积比过小，只有0.3，而锥角过大，达100°，又没有安装分流挡板，导致流入两侧管束的煤气量小；上述原因造成了南2和北2靠近隔墙侧入口换热管内的冷煤气量大大少于其它部位。 （4）从以往统计的空、煤气预热温度看，空气预热温度较低，不到400℃，低于设计水平，而煤气预热温度却较高，正常生产时基本都在300℃以上，12月2日10∶46至12月11日10∶47共计12 960min炉子生产数据显示：除去因检修作业或其他原因的时间，正常生产的时间为12 216 min，其中换热器进口温度超过850℃的时间为2 936 min，占整个生产时间24.0%，超过900℃的时间为1 136 min，占整个生产时间10.9%，超过1 000℃的时间为200min，占整个生产时间1.6%。整个生产过程中预热器最高进口温度达到1 133℃，超过设计的温度水平。说明空气换热器换热效果差，没有带走足够的烟气热焓，留给煤气换热器的热负荷过大，使煤气换热器换热温度经常超标。12月2日至12月11日进预热器烟气温度曲线见图6。 通过以上分析可看出：整体是空气换热器换热能力低致使煤气换热器热负荷过大，局部是管内冷煤气流量小，管外烟气流量大温度高；几个因素叠加在一起使得煤气换热器低温侧、靠近烟闸侧和靠近两个烟道隔墙处的边部的换热器管束最易出现弯曲变形。而管子的膨胀量大，遇水的管子遭受的拉应力就大，这是煤气换热器损坏的另一原因。 3·解决方案 （1）煤气换热器的结构设计不合理，入口接点位于煤气主管道的最低点，这样，一旦煤气中的水排泄不及时，就会流到煤气换热器，产生的温度应力使换热管断裂。因此加大排水力度，确保主管道的水不能流到煤气换热器，这是解决问题的关键。为此，提出将煤气水封移位，降低水封接口高度；制定每班班前排水制度；待大修时间，将煤气换热器接点从主管道的高点引出等三个解决方案。 （2）经过现场测试和理论计算，对空气换热器进行改进设计，在保证换热器外形尺寸不变的情况下，增加空气换热器的换热面积，增强其综合传热系数，提高空气预热温度，以减少煤气换热器热负荷过重的问题。 （3）在换热器冷煤气风箱入口处安装分流挡板使换热管内的气流分布均匀，避免出现严重的偏流现象，以均衡煤气换热器各处受热条件。 4·实施效果 （1）将煤气水封移位至低点、每8 h开启一次放水阀等方案实施后，放水口的排水量明显减小，基本杜绝了煤气中的水流入换热器的发生。受空间场地和时间限制，煤气换热器的接口位置没能改变。 （2）通过提高空气换热器的换热能力，空气预热温度由原来的370℃提高到了450℃以上，煤气换热器前的烟气温度有所降低，煤气预热温度保持在300℃以下。 5·结论 （1）煤气主管道的水进入煤气换热器内产生温度应力是造成换热管断裂的主要原因； （2）造成煤气换热器损坏、寿命低的原因有换热器结构、烟道结构不合理、生产操作等原因； （3）加大排水力度，增加空气换热器的换热面积，增设煤气分流挡板等措施可有效防止煤气换热器损坏。 参考文献： [1]陆钟武.工业炉热工及构造[M].沈阳：东北工学院出版社,1983. [2]钢铁厂工业炉设计参考资料编写组.钢铁厂工业炉设计参考资料[M].北京：冶金工业出版社,1979. [3]卿定彬.工业炉热交换装置[M].北京：冶金工业出版社,1986. [4]陆钟武.火焰炉[M].北京：冶金工业出版社,1994. |
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