焦爐荒煤氣顯熱的余熱利用

摘要：常州江南冶金科技有限公司經(jīng)過多年研發(fā)，研制出利用焦爐上升管荒煤氣顯熱回收利用裝置生產(chǎn)0.6～0.8MPa飽和蒸汽，此蒸汽可應(yīng)用于低壓蒸汽發(fā)電、煤調(diào)濕、供暖及工廠其他能源利用。利用該技術(shù)可產(chǎn)生較高的直接經(jīng)濟效益、工序能耗收益、減碳收益等，值得推廣。

關(guān)鍵詞：焦爐；荒煤氣；顯熱回收利用裝置；余熱利用；飽和蒸汽；節(jié)能減排 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ520 文章編號：1009-2374（2015）19-0103-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.051

1 焦化廠焦爐上升管荒煤氣余熱回收利用的必要性

焦化廠運行過程中的熱量分布如表1所示：

表1 煉焦過程中熱量分布

項目 比例 屬性

紅焦所含顯熱 37 高溫余熱（干熄焦回收）

荒煤氣帶走余熱 36 中溫余熱（有待進一步研究）

燃燒廢氣帶走熱量 16 低溫余熱（煙道余熱回收）

焦爐爐體表面散熱 11 低溫余熱（加強保溫）

焦化廠從加煤開始到推焦，從焦爐炭化室推出的950℃～1050℃紅焦帶出的顯熱（高溫余熱）占焦爐支出熱的37%（此部分已經(jīng)由干熄焦得以解決），650℃～850℃焦爐上升管荒煤氣帶出熱（中溫余熱）占焦爐支出熱的36%（此部分熱量一直沒有得到有效解決和利用），180℃～230℃焦爐煙道廢氣帶出熱（低溫余熱）占焦爐支出熱的16%（此部分已經(jīng)由煙道氣余熱鍋爐解決并利用），爐體表面熱損失（低溫余熱）占焦爐支出熱的11%。

我們經(jīng)過理論計算及中試數(shù)據(jù)（三鋼集團4.3m焦爐）測試表明，焦爐上升管高溫荒煤氣余熱回收后至少能產(chǎn)生0.6MPa飽和蒸汽0.08噸/噸焦，沙鋼集團6.0m焦爐測試表明，焦爐上升管高溫荒煤氣余熱回收后至少能產(chǎn)生0.6MPa飽和蒸汽0.12噸/噸焦，唐山達豐5.5m焦爐測試表明，焦爐上升管高溫荒煤氣余熱回收后至少能產(chǎn)生0.6MPa飽和蒸汽約0.1噸/噸焦，2014年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國焦炭產(chǎn)量約4.3億噸，如將上升管全面改造，測算下來至少可回收3870萬噸的0.6MPa飽和蒸汽，折合標煤約355萬噸，年可減排二氧化碳量885萬噸，二氧化硫26萬噸，氮氧化物13萬噸，節(jié)能又減排。

焦爐荒煤氣的余熱利用得以實施和推廣，目前對治理霧霾天氣和環(huán)境污染治理具有廣闊前景。

2 焦化廠焦爐上升管荒煤氣顯熱余熱回收利用的進程

目前世界焦化業(yè)傳統(tǒng)的方法是噴灑大量70℃～75℃的循環(huán)氨水，循環(huán)氨水吸熱而大量蒸發(fā)，使荒煤氣溫度得以降低，進入后序煤化工產(chǎn)品回收加工工段。這樣的結(jié)果是，荒煤氣帶出的熱量被白白浪費掉，既浪費了荒煤氣熱能，還增加了水資源的消耗和電力的消耗，上升管荒煤氣余熱回收技術(shù)尚未取得實質(zhì)性突破。

1970年開始，國內(nèi)外都對上升管荒煤氣的余熱利用進行了多項次的研究和試驗，夾套上升管、導(dǎo)熱油、熱管技術(shù)的應(yīng)用，最終不能完全解決上升管的簡體焊縫拉裂、漏水、漏汽等問題，以及上升管內(nèi)部焦油和石墨的吸附問題，未及深入開發(fā)研究和使用，而擱置下來近30多年。煉焦荒煤氣余熱回收利用技術(shù)在我國經(jīng)歷了近30年的研究歷程，其材料、結(jié)構(gòu)不能滿足現(xiàn)場工況要求，效率低、壽命短，關(guān)鍵技術(shù)沒有突破，至今尚無成熟、可靠、穩(wěn)定的大工業(yè)化應(yīng)用實例。

常州江南電力集團經(jīng)過多年的研發(fā)，已研究開發(fā)出的一種高效、可靠、穩(wěn)定的回收利用新技術(shù)，回收利用焦爐荒煤氣顯熱，產(chǎn)生高數(shù)量、高品質(zhì)的蒸汽，并實現(xiàn)其在工業(yè)上的應(yīng)用，逐步于2013年在三鋼進行中試取得突破性進展，并于2013年11月在三鋼初步應(yīng)用推廣，2014年投運。后續(xù)可以在國家的引導(dǎo)和支持下，作為示范技術(shù)，

推廣應(yīng)用到整個煉焦行業(yè)，實現(xiàn)整個行業(yè)的熱能高效

利用和節(jié)能減排，從而顯著降低這個行業(yè)的碳排放量。

3 焦爐上升管荒煤氣顯熱余熱回收技術(shù)的應(yīng)用

焦爐上升管荒煤氣顯熱的回收，成為近年來我國焦化企業(yè)研發(fā)的熱門課題，主要集中在導(dǎo)熱油夾套管、熱管、鍋爐和半導(dǎo)體溫差發(fā)電等技術(shù)，來回收荒煤氣帶出熱（如圖1）。

圖1 焦爐荒煤氣余熱利用工藝流程圖

圖2所示的傳統(tǒng)水夾套方式，2009年，我公司開始組織研發(fā)人員進行焦爐上升管荒煤氣的余熱利用的上升管換熱器的研發(fā)；按照傳統(tǒng)的思維方式設(shè)計并生產(chǎn)出一臺上升管換熱器，其主要的特征是，保持原有上升管的結(jié)構(gòu)，我們對換熱器的結(jié)構(gòu)形式進行了多種設(shè)計，最終確定了一種形式，就是在換熱器的外壁，參照化工反應(yīng)釜的原理，設(shè)計了半圓盤管，經(jīng)過一段時間的試運行，最終還是因為荒煤氣的溫差原因，造成焊縫疲勞而裂開，宣告了此種設(shè)計的缺陷性和弊端（如圖2）。

到目前為止該技術(shù)在首鋼、太鋼以及濟鋼的導(dǎo)熱油技術(shù)和梅山鋼鐵的分離式熱管技術(shù)已經(jīng)全部拆除。

圖2 傳統(tǒng)處理型式

圖3 研發(fā)的特殊結(jié)構(gòu)型式

常州江南電力設(shè)備集團公司經(jīng)過多年的研發(fā)，經(jīng)過多次的失敗和反復(fù)。我們組織了從事過化工和壓力容器以及換熱器設(shè)計開發(fā)人員，跳出焦化行業(yè)這個圈子，從專業(yè)的換熱器和化工機械著手，公司生產(chǎn)的單晶硅生長爐的結(jié)構(gòu)和技術(shù)運用，給我們帶來了觸發(fā)和靈感，單晶爐在生產(chǎn)過程中始終的運行溫度為1400℃～1700℃，在如此高溫的情況下，需要對爐體進行冷卻，其結(jié)構(gòu)值得借鑒。為此，我們依據(jù)單晶爐的冷卻系統(tǒng)，結(jié)合了我們的換熱效果，進行了特殊設(shè)計，形成了現(xiàn)在獨有的換熱器結(jié)構(gòu)形式。已經(jīng)在三鋼焦化廠進行了一系列的中試，并取得突破性進展，經(jīng)過5次中試，最終取得圓滿成功。其下屬節(jié)能公司2014年已經(jīng)在2臺焦爐（2×65孔）實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化（如圖3）。其下屬常州江南冶金科技有限公司，在三鋼成功的基礎(chǔ)上，進一步開發(fā)，采用了大量的新材料新技術(shù)，經(jīng)過唐山達豐焦化5.5m焦爐、沙鋼集團6m焦爐的試驗，掌握了大量的試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，2014年11月與邯鄲鋼鐵集團簽署了6m焦爐上升管余熱回收總承包合同，并已經(jīng)開始執(zhí)行。從而將上升管余熱利用項目大大地向前推進了一大步，成為國內(nèi)唯一一家進行6m焦爐上升管余熱回收利用改造的企業(yè)。

4 焦爐上升管荒煤氣顯熱余熱回收技術(shù)的實現(xiàn)

4.1 荒煤氣高導(dǎo)熱、耐蝕、長壽命的上升管內(nèi)襯材料開發(fā)研究

上升管內(nèi)襯材料是提高荒煤氣余熱回收利用效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。原工藝裝備上升管采用普通碳鋼材料，內(nèi)壁襯耐火磚，更換用余熱回收裝置后，內(nèi)壁不能再襯耐火磚，否則熱傳導(dǎo)效率極低。這樣，導(dǎo)致裝置內(nèi)壁直接與高溫（650℃～900℃）荒煤氣接觸，而荒煤氣中含有氧氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、氧化氮、氫氣、甲烷、水汽及芳香烴類化合物等，普通碳鋼在此溫度及環(huán)境下，高溫燒蝕嚴重，不能滿足工況要求。若提高內(nèi)筒材質(zhì)，則只有采用耐高溫腐蝕的特殊合金鋼，如哈氏120級別以上鋼材，但其價格就急劇上升。本研究課題之一就是在仍然采用普通碳鋼材質(zhì)情況下，取消耐火磚，對材質(zhì)內(nèi)壁進行表面處理，滿足以下要求：（1）防高溫H2S、CO2、滲碳、滲氮腐蝕；（2）防高溫氧化；（3）耐高低溫溫差；（4）耐外力沖擊（內(nèi)壁需機械清理和吹空氣燃燒沉積石墨）；（5）成本較低。

常規(guī)要求控制荒煤氣溫度不低于500℃，以避免上升管內(nèi)壁過快長石墨，本項目可控制在400℃以上，石墨生長速度低于原常規(guī)生產(chǎn)模式。

4.2 穩(wěn)定、可靠、高效的換熱形式研究及選擇

荒煤氣熱量通過鋼質(zhì)內(nèi)筒內(nèi)壁導(dǎo)出到外壁后，需要良好的導(dǎo)熱介質(zhì)將外壁上的熱量快速導(dǎo)出，提供給水進行汽化。由于上升管可有效利用的高度僅2m左右，荒煤氣在內(nèi)筒以較快速度通過，因此，整個熱傳導(dǎo)過程必須快速，才能最大限度回收荒煤氣余熱。由于鋼鐵的導(dǎo)熱系數(shù)為80W/m·K，因此導(dǎo)熱介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)必須大于80W/m·K，而且越大越好。但同時又需要控制導(dǎo)出的荒煤氣的溫度不能過低而造成上升管內(nèi)壁過快長石墨，經(jīng)過多次試驗和計算，最終確定下來采用特殊結(jié)構(gòu)形式的換熱模式，經(jīng)過中試結(jié)果證明滿足上述要求。

4.3 低熱應(yīng)力的換熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究及選擇

荒煤氣通過內(nèi)壁快速熱量傳遞給換熱器內(nèi)壁后，需要盡快將熱量通過換熱裝置，傳遞給水進行汽化吸熱，由于換熱裝置也是鋼鐵材質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)與內(nèi)筒一樣，就必須增加其換熱面積，只有其換熱面積大于內(nèi)筒外壁導(dǎo)熱面積，熱量才能快速有效地傳導(dǎo)。要在直徑為400～500mm的圓形環(huán)腔內(nèi)布置較大的換熱面積的換熱裝置，其結(jié)構(gòu)必須十分密排、緊湊。又由于裝置內(nèi)外溫差大，溫度區(qū)間從常溫到900℃，產(chǎn)生汽水混合物壓力將達0.6MPa，并存在汽液相之間的熱量交換，熱膨脹及熱應(yīng)力必將對換熱系統(tǒng)及整個余熱利用系統(tǒng)造成嚴重的影響。因此，換熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，必須具備消除熱應(yīng)力的能力，否則換熱裝置結(jié)構(gòu)將被破壞，不能長期有效

使用。

目前已研發(fā)出的技術(shù)措施很好地解決了上述問題，整個換熱部件在內(nèi)、外筒之間的密閉空間內(nèi)，水汽在管道中流動，壓力低于1MPa，通過特殊連接方式，不存在泄漏及爆管問題。已經(jīng)通過中試進行驗證，現(xiàn)已投入

改造。

4.4 選擇及研發(fā)合適的、可靠、可控的配套水循環(huán)系統(tǒng)、蒸汽循環(huán)系統(tǒng)、控制管理系統(tǒng)

為了保證工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運行，要求裝置供水系統(tǒng)和蒸汽循環(huán)系統(tǒng)可靠、可調(diào)節(jié)、可監(jiān)控，同時控制管理系統(tǒng)必須對系統(tǒng)中水的質(zhì)量、水和蒸氣的溫度、流量、壓力進行實時監(jiān)測和系統(tǒng)控制。為了保證系統(tǒng)的安全性，還需要對系統(tǒng)設(shè)置故障診斷和安全報警等集中操控管理系統(tǒng)，對蒸氣壓力、溫度、臨界流量等一系列參數(shù)進行監(jiān)測、控制。

5 焦爐上升管荒煤氣顯熱余熱回收技術(shù)的效益

5.1 焦爐上升管荒煤氣顯熱余熱回收利用裝置改造的技術(shù)指標

荒煤氣顯熱利用率達30%～40%，達國內(nèi)外先進

水平。

噸焦產(chǎn)生蒸汽達0.10噸，溫度平均達158℃，壓力達到0.6MPa。

可以實現(xiàn)工業(yè)化長期、穩(wěn)定運行，操作維護簡單，維護成本低。使用壽命達5年以上，投資回收期約2年

左右。

煉焦工序能耗降低10kg標煤/噸焦。

5.2 項目研發(fā)對行業(yè)節(jié)能減排的意義

經(jīng)過三鋼一年多的運行，焦爐上升管荒煤氣余熱回收利用的經(jīng)濟效益十分顯著：高溫荒煤氣余熱回收后至少能產(chǎn)生0.6MPa的飽和蒸汽約0.08～0.1噸/噸焦，如果全面推廣到5.5m、6m焦爐則應(yīng)用前景會更加廣闊，為行業(yè)和國家的節(jié)能減排作更大貢獻。

5.3 環(huán)境保護

本工程生產(chǎn)原料及中間產(chǎn)品僅為“水—蒸氣—水”，水液兩相全封閉循環(huán)，無廢氣產(chǎn)生。出現(xiàn)故障時僅有少量蒸汽泄露。

本工程生產(chǎn)原料及中間產(chǎn)品僅為“水—蒸氣—水”兩相全封閉循環(huán)，僅有少量排污情況。排污水水量最大0.5t/h，水質(zhì)優(yōu)于現(xiàn)焦化廠循環(huán)水補充水水質(zhì)，故將其作為循環(huán)水系統(tǒng)補充水排入現(xiàn)焦化廠循環(huán)水系統(tǒng)，本工程對外無廢水排放。

5.4 增量效益

荒煤氣溫度降低約300℃，減少氨水、循環(huán)水、制冷水消耗量40%；每上升管裝置每小時產(chǎn)生蒸汽0.10噸，降低煉焦工序能耗10公斤。

6 結(jié)語

常州江南冶金科技有限公司進行的焦爐上升管荒煤氣顯熱余熱回收利用，其節(jié)能減排研發(fā)與實踐是以節(jié)能降耗生產(chǎn)理念為指導(dǎo)，對傳統(tǒng)節(jié)能降耗工作的深化和提升，對發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的作用是顯著的。通過實踐，認為我們開發(fā)和研制的焦爐上升管荒煤氣顯熱余熱回收利用系列工藝技術(shù)及裝備，填補了焦化行業(yè)節(jié)能降耗的一項空白。這些技術(shù)和設(shè)備無論從生產(chǎn)、經(jīng)濟還是環(huán)保方面考慮都是十分可行的，是焦化企業(yè)最佳的選擇。尤其切合國家節(jié)能減排新政，對盡可能達到十二五規(guī)劃目標會起到一定的推動作用。

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作者簡介：韓培（1965-），江蘇常州人，常州江南冶金科技有限公司總工程師，高級工程師，研究方向：節(jié)能減排。

（責任編輯：黃銀芳）