空氣介質(zhì)回收荒煤氣余熱的研究與探討

文 趙洪榮 萊鋼集團(tuán)焦化廠

空氣介質(zhì)回收荒煤氣余熱的研究與探討

文/趙洪榮 萊鋼集團(tuán)焦化廠

鋼鐵企業(yè)屬于高耗能行業(yè)，其中鐵前系統(tǒng)耗能約占企業(yè)總耗能量的70%左右。在鐵前的燒結(jié)、球團(tuán)、焦化、煉鐵4個(gè)工序中，煉鐵和燒結(jié)工序已有若干節(jié)能技術(shù)，但我國(guó)煉焦生產(chǎn)仍存在耗能大、利用率低的問(wèn)題，為此節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于焦化工序(焦化廠)則更具有節(jié)能發(fā)展空間。一般情況下就焦?fàn)t產(chǎn)物帶出的熱量而言，焦炭顯熱約占40%；荒煤氣顯熱約占30%；廢氣帶走的熱量約占20%；三項(xiàng)總和占90%左右，余熱可利用空間非常大。目前焦炭的顯熱可以被干熄焦回收利用，而后兩者在目前焦?fàn)t實(shí)際生產(chǎn)中沒(méi)有得到充分利用，且增加了后續(xù)的化產(chǎn)回收的額外負(fù)擔(dān)。為了對(duì)荒煤氣余熱進(jìn)行利用，從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，許多專家學(xué)者對(duì)其熱利用問(wèn)題進(jìn)行了初步探究。首先我國(guó)在首鋼、太鋼的71孔、65孔單集氣管焦?fàn)t上，利用夾套式換熱器裝置產(chǎn)生蒸汽，用于生產(chǎn)工序所需消耗的蒸汽；其次日本新日鐵公司于1982年開(kāi)發(fā)了利用導(dǎo)熱油- 聯(lián)苯醚夾套技術(shù)回收焦?fàn)t荒煤氣顯熱用于煤調(diào)濕；2008年南京圣諾熱管有限公司開(kāi)發(fā)出了利用分離式熱管回收上升管荒煤氣熱量的技術(shù)。目前江蘇中顯集團(tuán)采用上升管夾套生產(chǎn)中壓蒸汽，外壁貼太陽(yáng)能電池板發(fā)電。

利用套管、導(dǎo)熱油夾套管、熱管、鍋爐和半導(dǎo)體溫差發(fā)電等技術(shù)，回收荒煤氣帶出的余熱，雖然取得一定效果，但因其結(jié)構(gòu)布局、改造及其換熱介質(zhì)成本較高，經(jīng)濟(jì)效益不大明顯。目前空氣作為介質(zhì)進(jìn)行上升管余熱利用鮮有報(bào)道，應(yīng)用于焦化企業(yè)本體熱能再利用很有意義。

1 采用空氣介質(zhì)回收上升管余熱的優(yōu)勢(shì)

無(wú)論是套管還是熱管采用水作為介質(zhì)，在換熱過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生相變，一旦壓力控制不當(dāng)便會(huì)發(fā)生爆炸，而且浪費(fèi)水資源。同時(shí)在換熱過(guò)程中如果進(jìn)水處理不當(dāng)便會(huì)產(chǎn)生水垢堵塞管道,利用導(dǎo)熱油載體則受到上限溫度及使用成本的限制。上升管冷卻裝置中如若采用空氣作為冷卻介質(zhì)，可以有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）免除管道堵塞、漏水，防止對(duì)炭化室爐墻的損壞；

（2）降低荒煤氣溫度，減少氨水噴灑量；

（3）空氣在受熱前后壓力變化不大，不發(fā)生相變，提高了操作安全系數(shù)；

（4）改造方便、易行、投資少、見(jiàn)效快；

（5）荒煤氣在500℃以上焦油附著物很少，采用空氣介質(zhì)換熱后，能夠?qū)⑸仙芑拿簹鉁囟染S持在500℃左右免除管壁結(jié)焦而影響荒煤氣輸出。

2 擬采用換熱裝置及其余熱利用示意圖

擬采用換熱裝置及其余熱利用示意圖如下圖1、圖2。

2.1 結(jié)構(gòu)工藝描述

如圖1所示，擬采用螺旋套管式換熱器形式，以上升管作為中心管，外套同心夾套。內(nèi)設(shè)置成螺旋上升結(jié)構(gòu)可以加長(zhǎng)介質(zhì)流程，延長(zhǎng)介質(zhì)流動(dòng)時(shí)間，從而促使介質(zhì)與熱壁的接觸面增大，增加傳熱量。

2.2 氣流工藝描述

如圖2所示，使用可調(diào)功率的小型鼓風(fēng)機(jī)，將空氣介質(zhì)按照一定的流速?gòu)纳仙苌喜柯菪龏A套進(jìn)口鼓入，通過(guò)自上而下?lián)Q熱后從下部出口流出，送入到焦?fàn)t所需供熱部位。此種流向逆流換熱，可較為充分吸收荒煤氣熱量。

3上升管換熱系統(tǒng)和焦?fàn)t地下室煤氣換熱器熱平衡計(jì)算

3.1上升管換熱器的熱量計(jì)算

為探究采用空氣介質(zhì)后上升管熱量回收效果，本文以萊鋼3#、4# 分別對(duì)42、52孔年產(chǎn)焦炭62萬(wàn)t焦?fàn)t為例，根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)狀況，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 3#、4#焦?fàn)t工藝參數(shù)

由于單孔炭化室荒煤氣的流量在整個(gè)結(jié)焦過(guò)程中是動(dòng)態(tài)變化的，參照表2相關(guān)數(shù)據(jù)，針對(duì)一個(gè)上升管進(jìn)行總荒煤氣產(chǎn)生熱量計(jì)算。

表2 不同結(jié)焦時(shí)間段荒煤氣溫度及流量分配表

根據(jù)當(dāng)前交換機(jī)統(tǒng)計(jì)3#、4#焦?fàn)t煤氣量表3所示。

表3 3#、4#焦?fàn)t煤氣量

根據(jù)表2、表3計(jì)算出煤氣產(chǎn)率、不同結(jié)焦時(shí)間段所對(duì)應(yīng)的荒煤氣量及其總的熱量。以換熱后煤氣溫度降至550℃為準(zhǔn)，所回收一個(gè)上升管熱量計(jì)算如下：

式中：Vmq──每孔炭化室產(chǎn)生的荒煤氣量m3；

M──每孔裝煤量t；

Φ──成焦率 %；

ρ──荒煤氣密度kg/m3（1）結(jié)焦時(shí)間到7h時(shí)上升管荒煤氣溫度換熱后達(dá)到550℃所產(chǎn)生的熱量Qmq1

（2）結(jié)焦時(shí)間到達(dá)7h到達(dá)13h時(shí)上升管荒煤氣溫度，換熱后達(dá)到550℃所產(chǎn)生的熱量Qmq2

（3）結(jié)焦時(shí)間到達(dá)13h到17.5h時(shí)上升管荒煤氣溫度，換熱后達(dá)到550℃所產(chǎn)生的熱量Qmq3

故：溫降為550℃時(shí)平均荒煤氣釋放的熱量為：

式中：Qmq1、Qmq1、Qmq3──不同結(jié)焦時(shí)間段荒煤氣溫度降到550℃時(shí)所產(chǎn)生的熱量kJ；

C1、C1、C1──不同時(shí)間段荒煤氣比熱 kJ/kg·℃；

m1、m2、m3──不同時(shí)間段荒煤氣量m3；

w1、w2、w3──不同時(shí)間段荒煤氣累積流量百分比 %；

τ──結(jié)焦時(shí)間h。

3.2焦?fàn)t煤氣預(yù)熱所需熱量的計(jì)算

根據(jù)目前3#、4#焦?fàn)t所需加熱煤氣量如表3所示，及其需對(duì)20℃的焦?fàn)t煤氣預(yù)熱到50℃計(jì)算煤氣預(yù)熱器所需熱量如下。

3.3上升管個(gè)數(shù)的確定及經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)上述計(jì)算分析，考慮的整個(gè)系統(tǒng)熱損失如若熱損失按15%計(jì)算，則空氣通過(guò)一個(gè)上升管換熱后所產(chǎn)生的熱量為：

而煤氣預(yù)熱器所需熱量為Qjlmq=7.008×105kJ/h

通過(guò)計(jì)算分析可以看出，就萊鋼目前生產(chǎn)狀況下，3#、4#焦?fàn)t如若采用此裝置回收荒煤氣余熱，僅焦?fàn)t煤氣預(yù)熱利用一項(xiàng)，5個(gè)不同結(jié)焦時(shí)期的上升管并聯(lián)，將回收的熱量并入同一管道，利用保溫管道送入煤氣預(yù)熱器，即可達(dá)到對(duì)焦?fàn)t煤氣預(yù)期的預(yù)熱目的，且熱回收效益非?？捎^。尤其在冬季，多增加幾個(gè)空氣介質(zhì)作為導(dǎo)熱原的套管式上升管，就可以解決焦?fàn)t本體及周邊的采暖問(wèn)題及焦?fàn)t地下室保溫等，這樣就完全可以替代兩座焦?fàn)t全年100萬(wàn)元的蒸汽消耗。若整個(gè)焦化廠全部采用此種方式，則年降低外來(lái)蒸汽費(fèi)用近400萬(wàn)元。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)上升管余熱利用的現(xiàn)狀分析，利用空氣介質(zhì)回收余熱及其對(duì)上升管余熱與焦?fàn)t煤氣預(yù)熱熱量計(jì)算分析，得出以下結(jié)論。

（1）上升管采用空氣作為介質(zhì)，具有資源廣泛易得，安全無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的推廣價(jià)值。

（2）萊鋼3#、4#焦?fàn)t的1個(gè)上升管利用空氣介質(zhì)所能得到熱量為1.709×105kJ/h，5個(gè)改造后的上升管就可以滿足兩座爐子焦?fàn)t煤氣的預(yù)熱問(wèn)題。

（3）通過(guò)計(jì)算分析，利用荒煤氣余熱完全可行，并且可以替代焦?fàn)t本體及周邊先前采用蒸汽預(yù)熱及采暖問(wèn)題，可以給企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）既簡(jiǎn)單易行、改造方便、投資少、見(jiàn)效快，可以產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。