焦爐上升管荒煤氣余熱利用技術

樊 響 劉 江 楊 飛

（1北京市鋼鐵冶金節(jié)能減排工程技術研究中心 北京 100029 2北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京 100029）

引言

隨著我國能源供求矛盾的日趨突出和能源結構不合理問題的嚴重困擾，除廣開能源供應渠道、大力開發(fā)利用新能源等措施外，節(jié)能新技術、新工藝和節(jié)能設備的開發(fā)和應用，對于提高我國能源利用效率、促進“十三五”節(jié)能減排目標的實現(xiàn)，也具有十分重要的現(xiàn)實意義[1]。煉焦化學工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要組成部分，焦炭的生產(chǎn)過程為：配合煤在焦爐里隔絕空氣的條件下加熱干餾，經(jīng)過干燥、熱解、熔融、粘結、固化、收縮等過程制成焦炭，過程中產(chǎn)生大量荒煤氣。焦爐荒煤氣的溫度650℃～800℃，這一部分熱量屬于中溫余熱，占焦爐支出熱的36%[2]。從80年代初期國內(nèi)就開始嘗試回收焦化荒煤氣帶出的這部分顯熱，但至今未形成成熟、可靠、高效的回收利用技術，焦爐荒煤氣余熱資源沒有得到有效回收利用的現(xiàn)象，造成大量能源浪費[3]。

1 荒煤氣余熱利用技術簡介

荒煤氣余熱利用技術是對于占焦爐支出熱的36%的中溫余熱進行利用的技術（見表1）。利用上升管換熱器回收荒煤氣中的余熱加熱水，從換熱裝置出來的汽水混合物通過汽包進行汽水分離，產(chǎn)生蒸汽產(chǎn)品。作為鋼鐵企業(yè)中的一個重要生產(chǎn)工序，焦爐生產(chǎn)過程中能源消耗占鋼鐵總能耗的7%～8%，焦化過程中每噸焦有50千克標煤可以進行回收利用。上升管荒煤氣余熱在焦爐生產(chǎn)中熱量支出排第二位，該余熱資源進行回收后，可產(chǎn)生低壓飽和蒸汽11.45萬噸/a，同時，可節(jié)約氨水用電量96×104kWh/a。

目前，國內(nèi)已經(jīng)有多家焦化廠采用了上升管荒煤氣余熱利用技術，河北某大型鋼鐵企業(yè)焦化廠2x45孔6米焦爐采用上升管荒煤氣余熱利用技術生產(chǎn)壓力0.8MPa，溫度175℃的飽和蒸汽供廠區(qū)自用；江西某鋼鐵焦化廠2x63孔6米焦爐采用上升管荒煤氣余熱利用技術后，產(chǎn)生0.5～0.7MPa飽和蒸汽進行蒸汽并網(wǎng)；河南某焦化2x55孔6米焦爐采用上升管荒煤氣余熱利用技術生產(chǎn)過熱蒸汽，每年可可產(chǎn)蒸汽約8.8萬噸。除此之外，還有多家焦化廠正在進行改造，上升管荒煤氣余熱利用技術已經(jīng)成為一種相對成熟的技術，應用到實際生產(chǎn)中也達到了很好的效果。

2 工藝系統(tǒng)簡介

2.1 工藝流程

荒煤氣自焦爐碳化室經(jīng)上升管荒煤氣余熱回收裝置進行換熱，煙氣溫度降至450℃以上。除鹽水通過除氧給水泵送入熱力除氧器進行除氧，除氧后的水通過汽包給水泵送入汽包。在汽包內(nèi)進行汽水分離，蒸汽從汽包輸出，輸送到廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)，分離后的水在汽水系統(tǒng)中通過強制循環(huán)泵進入上升管余熱回收裝置進行再次熱交換。工藝流程見圖1：

表1 煉焦過程中熱平衡分布情況

圖1 工藝流程圖

2.2 煙氣系統(tǒng)

煤在高溫干餾的過程中，經(jīng)歷了從濕煤—干煤—塑性狀態(tài)煤—半焦—焦炭的變化，此間以氣態(tài)形式析出的熱解產(chǎn)物稱為荒煤氣?；拿簹庾蕴炕医?jīng)上升管換熱器進行余熱回收后，溫度降至450以上，再經(jīng)橋管氨水噴淋降溫至82-85℃，匯集到集氣管后經(jīng)初步冷卻器降溫至22-35℃[4]，最后去化工車間處理。

2.3 汽水系統(tǒng)

接自除鹽水站的除鹽水，通過除氧水泵將除鹽水送入熱力除氧器進行除氧，然后通過汽包給水泵將水送入汽包。水在汽包與上升管余熱回收利用裝置之間通過強制循環(huán)泵進行強制循環(huán)換熱，之后進入汽包，在汽包內(nèi)進行汽水分離，蒸汽從汽包輸出，輸送到廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)，水繼續(xù)循環(huán)進入上升管余熱回收利用裝置進行再次熱交換。汽水系統(tǒng)設置兩臺汽包，一備一用；四臺強制循環(huán)泵，兩用兩備。此外，每套汽水系統(tǒng)需設置三臺取樣冷卻器，分別用于汽包水取樣、除氧水取樣和飽和蒸汽取樣。

2.4 除氧系統(tǒng)和磷酸鹽加藥系統(tǒng)

為了保證系統(tǒng)正常運行不受氧腐蝕，提高設備使用壽命，汽包補水進入熱力式除氧器進行除氧處理，氧含量≤0.05mg/L。汽包水采用磷酸鹽處理，磷酸鹽溶液通過計量泵直接加入到汽包。配置一套磷酸鹽加藥裝置，加藥量由人工控制。系統(tǒng)設置三臺取樣冷卻器，分別用于爐水取樣、除氧水取樣和飽和蒸汽取樣。

2.5 冷卻水系統(tǒng)和排污疏放水系統(tǒng)

系統(tǒng)中強制循環(huán)水泵、除鹽水泵和補水泵的冷卻水均接自廠區(qū)內(nèi)部供水母管，回水送入原冷卻塔進行冷卻，實現(xiàn)循環(huán)再利用，回水返回原母管回水管道。每套余熱回收系統(tǒng)設置1臺2m3定期排污擴容器和1臺0.8m3的連續(xù)排污擴容期，汽包本體和除氧器的排污經(jīng)管道進入排污擴容器，冷凝水由積水坑內(nèi)潛污泵排入廠區(qū)污水管道，統(tǒng)一處理后重復利用。緊急放水接至緩沖水箱循環(huán)利用。

3 主要設備參數(shù)簡介

以2x55孔6米焦爐為例，上升管荒煤氣余熱利用系統(tǒng)設備參數(shù)見表2。在荒煤氣余熱利用系統(tǒng)中，設置兩臺汽包，一備一用，其特點在于，當設備進行檢修時，或者正在使用的汽包出現(xiàn)了問題，汽包需要年檢的情況下，啟用備用汽包。其優(yōu)點為：避免了上升管換熱器的干燒，延長了上升管換熱器的使用壽命；防止爐頂溫度過高，影響工人的操作；生產(chǎn)蒸汽不會間斷，不影響其他生產(chǎn)的進行。上升管換熱裝置存在夾套式和盤管式兩種形式。

表2 設備參數(shù)表

3.1 夾套式上升管基本參數(shù)和特點

工作壓力（汽水管路）1.0MPa（G）

設計壓力（汽水管路）1.6MPa（G）

工作溫度（汽水管路）175℃

設計溫度（汽水管路）240℃

進口荒煤氣溫度：650℃～870℃

出口荒煤氣溫度：大于450℃

材質：15CrMo

數(shù)量：112臺（其中2臺庫備）

夾套式上升管管壁由多層材料構成，由內(nèi)到外依次為：①納米導熱層。②耐高溫耐腐合金。③導熱體。④幾何態(tài)換熱體。⑤納米保溫層。⑥外保護層。為了防止漏水，上升管內(nèi)側的水夾套采用的材質為特殊合金，這種合金在2600℃以上高溫時熔化成型。為了增加其抗應變性，在高溫熔化成型后需與外層無縫鋼管加工融合，充分利用了特殊材料的耐磨和耐高溫性，又利用了鋼管的強度，二者有機結合形成防漏保護層。上升管換熱器的主體部分為無縫完整結構體，這種結構體是通過特殊設計和加工制造而成，呈異性幾何態(tài)規(guī)律排列，無縫鋼管形式的金屬導熱體保證無水滲漏。換熱器壁導熱和絕熱的納米材料與特殊合金二者的高溫熔合，具有防腐、耐高溫、不掛結的特性，納米導熱材料的選擇和應用最大程度避免大面積結焦。幾何態(tài)換熱體是獨立受壓結構，位于內(nèi)層和外層之間，獨立于整個結構，利用蓄熱導熱材料保證換熱效果穩(wěn)定可靠。納米保溫層材料的選擇和應用不僅保證了熱交換效率而且降低了環(huán)境溫度。

3.2 盤管式上升管基本參數(shù)和特點

工作壓力（汽水管路）1.0MPa（G）

設計壓力（汽水管路）1.6MPa（G）

工作溫度（汽水管路）175℃

設計溫度（汽水管路）240℃

進口荒煤氣溫度：650℃～870℃

出口荒煤氣溫度：大于450℃

材質：15CrMo

數(shù)量：112臺（其中2臺庫備）

盤管式上升管換熱器管壁由多層材料組成，從內(nèi)到外依次為：①納米導熱層。②耐高溫耐腐合金。③導熱體。④獨立換熱盤管。⑤大空間流態(tài)型導熱層。⑥納米保溫層。⑦外保護層。盤管式上升管換熱器內(nèi)壁采用耐高溫進口納米導熱材料，耐熱溫度為1800℃，經(jīng)過500℃的高溫后內(nèi)表面形成均勻光滑而又堅固的釉面，無死角，不易造成結焦，即使結焦，也不易附著，而且易于清除[5]。通過進水流量和出口荒煤氣溫度的自動調(diào)節(jié)控制，一定程度上控制了上升管的除鹽水進出口溫度差，出口荒煤氣溫度的合理控制（不低于450℃）減緩焦油的凝析形成，及其他成分的附積[5]。新型導熱材料的應用，確保了換熱過程中溫度的穩(wěn)定。

3.3 兩種上升管換熱器的對比

表3 夾套式和盤管式上升管對比表

結語

上升管荒煤氣余熱利用技術能夠有效的回收焦爐荒煤氣的顯熱，降低煙氣溫度，生產(chǎn)蒸汽產(chǎn)品，不僅有效的提高了焦化廠的能源利用率，創(chuàng)造了經(jīng)濟效益，而且降低了爐頂溫度，改善了作業(yè)環(huán)境，達到了節(jié)能減排的效果。兩種類型的上升管換熱器，可滿足不同工況焦化廠的需求。該技術的節(jié)能效果顯著，在焦爐荒煤氣余熱利用領域具有廣闊的前景。