煤气炉制气系统余热回收的三位一体技术
1前言
近年来，随着原料路线改造升级、产能持续扩张，我国的煤化工、化肥、甲醇产业布局以及市场走势已经发生了重大变化。特别是国家“关于降低燃煤发电上网电价和工业用电价格的通知”文件下达后，取消了多年悬而未决的优惠政策，形势倒逼我国化肥行业务必创新驱动转型发展。我国化肥行业已经到了转型发展的关键时期，只有通过转型升级才能推动行业化解过剩产能、调整产业结构，特别是提升节能环保水平、降低消耗，提高核心竞争力，充分运用节能新技术，加快实施能量系统化，余热回收等节能技改工作，挖潜增效，才能增强企业竞争力。作为煤化工行业龙头的造气工序，挖潜、革新担负着重任。
分析我国煤化工行业现状，造气工艺及设备选型，还有很多采用延续了几十年的近似于成熟的固定床制气设计方案，其节能降耗任重而道远。
2现状分析
1)首先，分析煤气炉的型式多为移动床UGI等炉型的衍生炉型(操作形式有富氧、增氧及间歇制气等)，为了防止挂炉、结疤，煤气炉炉体冷却系统的冷却形式，绝大多数还一直采用环形水槽式常压水夹套，这种水夹套在使用中存在以下不足：一是耐压能力较差，所产饱和蒸汽的压力(≤0.2MPa)和温度都较低，难以过热，使造气入炉蒸汽分解率较低，蒸汽消耗高;二是热量损失严重，由于水夹套的冷壁效应消耗了炉内大量有效制气热能。半水煤气中未分解的蒸汽还会带走炉内大量的热量，直接降低了造气炉的制气强度。且由于压力过低，不利于热电联产及热能的延伸利用，综合考虑是浪费了能源;三是寿命短，夹套底部水槽由于长期工作在露点温度以下，腐蚀严重，低温露点腐蚀加重了磨损，使造气炉的水夹套工作寿命缩短。
2)第二，造气系统半水煤气、水煤气的显热回收(废热锅炉)多采用火管、水管及热管等形式的换热器。由于设计的局限性，相应也存在着一些使用问题，如火管换热形式，管板热应力的消除及运行的长效安全性等问题;水管形式换热效率较低;热管设计使用压力较低，且露点积灰、腐蚀，造成灰堵，存在着换热管失效等问题。
3)第三、由于煤气炉水夹套、废锅设计操作压力较低，与之配套使用的汽包外形较大，管理困难。
4)三位一体技术的紧迫性。煤气炉水夹套、废锅实际设计、操作压力都小于0.1MPa，使入炉蒸汽温度较低，有效热量损失较多，直接影响了制气强度。且没有充分合理、延伸的运用这些热能，例如低压发电及过热蒸汽带动汽轮机拖动传动设备等综合利用。由此凸显了煤气炉水夹套、废热锅炉、汽包提压三位一体操作的紧迫性及必要性。
3三位一体技术的诞生
我公司历经多年的研发与探索，在传统固定床造气系统成功开发了多项适用于造气系统节能减排的自有技术，如耐压水夹套、套管式废热锅炉及与之相配套的汽包，使造气炉水夹套及废热锅炉、汽包提压、等压设计、操作三位一体得以实现。
4煤气炉水夹套
4.1冷管式耐压水夹套
为了克服水槽式水夹套的缺点和不足，我公司研制并开发了冷管式耐压水夹套，在结构上将原外筒去掉，改为在内筒外环形布置一圈冷管的方式来取代原水槽式夹套，使其具有以下优点：
1)由于冷管式结构缩小了压力单元，能耐较高的压力，所产蒸汽压力在0.20～2.5MPa，其蒸汽温度可在225℃左右。入炉气化蒸汽温度提高后，对提高蒸汽分解率有很大益处。
2)由于工作圧力提高后，使夹套内壁工作温度也必然提高，对解决冷壁效应有明显益处。随之夹套底部的露点腐蚀也有了很大的下降，必然就延长了夹套使用寿命。
3)该技术还有一个特点，是采用在内筒外环形布置一圈冷管，如果在操作中出现夹套超压等意外故障时，只能是某支管损外，内筒不会被破坏，不会影响正常运行。
4)采用本技术后，因提高了工作压力，使夹套内水温升高，降低了炉内炭层与夹套内壁的传热温差，可减少炉内热量损失，进而提高了气化强度。
5废热锅炉(显热回收)
5.1.套管式废热锅炉
5.1.1性能优势
套管式废热锅炉以能充分合理分配气液流动空间入手，以双套管为传热元件，取代了原火管、水管等单管传热元件，取消了上下管板，改壳程受压为壳程常压，产品具有制造成本低、热气阻力小、没有热应力损坏、换热面不积灰、使用寿命长等优点，是现有余热回收设备的理想替代品。
5.1.2结构及工作原理
1)结构见图2，主要由汽包、外筒、套管排和升降液管组成。
2)工作原理：热煤气由a进入筒内沿内管内和外管外自上而下流动，被内外管间的水及汽水混合物冷却后由b流出。汽包内热水沿降液管下降，进入下联箱后经给液分配管流进各套管由内外管所形成的环隙，与管外的热气体进行逆流换热，水被加热逐渐汽化并沿内外管间的环隙向上流动，经汽液分配管进入上联箱，最后汽液混合物经升汽管进入汽包进行汽水分离，水再进行下一个循环。
5.1.3显著的优点
该技术是在充分研究适用领域内气液换热，热煤气流量大冷液流量小的突出特点，以双套管传热取代了单管传热，不仅具有水管、火管废锅的优点，又克服了其各自的不足，主要优点如下：
1)极为合理地安排了气液流动空间，使气体流动横截面积增大，流速减小、流动阻力降低，因为换热元件的纵向排列方式，含尘气体对管子的冲刷动能也随之大大降低，从而延长了换热器的使用寿命。
2)该换热器以双套管传热取代了单管传热，取消了上、下管板，采用自由悬挂式，管排在受热及冷却后能自由伸缩，克服了原火管废锅无法解决的热应力问题。
3)换热面不积灰。该技术是在对现有形式废锅换热面积灰的原因进行认真分析后，找出了防止积灰的办法，并应用于设计中，使该技术的废锅换热面在运行中做到了不积灰，使传热稳定，用户使用效益明显。
4)设计灵活更适用于对其它形式的废锅进行改造。由于该技术设计较灵活，可对其它任何形式的废锅进行改造。特别是火管废锅，改造后因取消了管板等受压元件，将压力容器外壳改为常压，降低了设备造价及管理等级。
6与之配套的汽包
真正发挥配套的作用，优化了气液分离装置的设计，使其功能性更切合实际。
7三位一体技术统一运用的理念
由于上述技术的成功使用，使用户在工艺设计及设备选型上，可科学合理的将煤气炉水夹套与废热锅炉、汽包的蒸汽操作压力选择在同一压力下(0.35～2.5MPa)，并将饱和蒸汽共同过热至一定范围，可以实现造气系统过热蒸汽制气，或用于低中压发电及直接用于汽轮机拖动动力系统。
8结语
煤气炉水夹套及废热锅炉、汽包高压操作三位一体技术是可行的，也是很有必要的。我公司的产品已被全国众多煤化工企业所接受，运行稳定可靠，节能效果明显，并得到了业内的良好赞誉，取得了良好的企业经济和社会效益。