焦?fàn)t多余熱回收系統(tǒng)的分析及優(yōu)化

尹珩宇，樊俊杰，鄧加曉，杜梅芳，陳時(shí)選

（1上海理工大學(xué)理學(xué)院，上海200093；2上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海200093）

焦化行業(yè)作為鋼鐵行業(yè)的耗能大戶，在煉焦過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的余熱資源，高效回收并且合理利用焦?fàn)t生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的余熱資源已經(jīng)成為提高焦?fàn)t效率的主要途徑之一，也是焦?fàn)t節(jié)能的主要發(fā)展方向和潛力所在[1-3]。煉焦過(guò)程中焦?fàn)t的熱量消耗主要包括：推焦過(guò)程中帶走的紅焦顯熱、上升管中荒煤氣帶走的中高溫余熱、燃燒煙道廢氣帶走的中低溫余熱以及爐體表面的散熱[4]。

在焦?fàn)t的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，整體的余熱回收系統(tǒng)包含多種余熱資源的同時(shí)回收。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)焦化系統(tǒng)的余熱回收做了大量的研究。Errera 等[5]對(duì)干熄焦系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，并與濕法熄焦進(jìn)行了各方面的對(duì)比；孫蘭義等[6]提出將干熄焦系統(tǒng)與荒煤氣回收系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，使用PRO/Ⅱ模擬器研究了荒煤氣流量、成分以及蒸汽消耗量對(duì)能量回收效率的影響；張欣欣等[7]對(duì)焦?fàn)t進(jìn)行物料平衡以及熱平衡計(jì)算并指出了煉焦過(guò)程中產(chǎn)生的余熱資源的分布情況?；跓崃W(xué)第一定律的分析方法只注重能的數(shù)量，而忽略了能的質(zhì)量；而基于熱力學(xué)第二定律的分析方法可以兼顧質(zhì)與量的同時(shí)分析，對(duì)研究焦?fàn)t中能量在數(shù)量、質(zhì)量上的轉(zhuǎn)移、利用以及損失的情況有重要的意義[8-10]。本文以某鋼廠一6m焦?fàn)t的實(shí)際運(yùn)行工況為例，依據(jù)分析理論分別對(duì)焦?fàn)t多余熱子系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，清晰地揭示了能量回收過(guò)程的本質(zhì)；依據(jù)計(jì)算結(jié)果以及能量梯級(jí)利用的原則對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種焦?fàn)t多余熱梯級(jí)利用方案，為焦化系統(tǒng)余熱資源的利用以及優(yōu)化提供理論支撐。

1 焦?fàn)t多余熱回收方案及分析模型

1.1 傳統(tǒng)方案

某鋼廠兩座55孔、6m焦?fàn)t的余熱回收系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，主要包括3個(gè)子系統(tǒng)。一是干熄焦余熱回收系統(tǒng)，煉焦?fàn)t產(chǎn)生的高溫焦炭從干熄爐的頂部裝入，130℃的惰性循環(huán)氣體進(jìn)入干熄爐中吸收紅焦顯熱，冷卻后的焦炭從干熄爐底部排出，吸收熱量后的惰性氣體送入余熱鍋爐中產(chǎn)生5.8MPa 的中壓蒸汽；二是荒煤氣余熱回收系統(tǒng)，在炭化室頂部的上升管上加裝夾套式換熱器，用以回收高溫荒煤氣的顯熱，產(chǎn)生1.7MPa的中壓蒸汽；三是煙道廢氣余熱回收系統(tǒng)，將總煙道中的煙道廢氣采出送入廢熱回收系統(tǒng)中，經(jīng)裝置換熱降溫后排入大氣中，產(chǎn)生0.85MPa的低壓蒸汽。

1.2 多余熱梯級(jí)利用方案

依據(jù)“溫度對(duì)口，梯級(jí)利用”能量利用理念，多余熱梯級(jí)利用方案可以更合理地回收煉焦過(guò)程中產(chǎn)生的不同品位的余熱資源。該方案利用煙道廢氣的熱量來(lái)預(yù)熱干熄焦余熱回收系統(tǒng)中鍋爐的給水溫度，可降低干熄焦系統(tǒng)中余熱鍋爐換熱時(shí)的傳熱溫差，減少有效能的損失，提高能源利用效率。具體為：首先在干熄焦余熱回收系統(tǒng)中使用高溫高壓的余熱鍋爐進(jìn)行高溫?zé)崃康幕厥?；另外在整個(gè)系統(tǒng)中，除氧器出口的水一部分經(jīng)過(guò)高壓泵加壓送入煙氣余熱回收系統(tǒng)，提高水溫后進(jìn)入干熄焦系統(tǒng)中產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，另一部分的水經(jīng)水泵加壓后進(jìn)入荒煤氣余熱回收系統(tǒng)產(chǎn)生中壓蒸汽。根據(jù)圖1的工藝流程對(duì)干熄焦、荒煤氣、煙氣余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，多余熱梯級(jí)利用方案如圖2所示。

圖1 焦化系統(tǒng)余熱回收工藝流程

圖2 煉焦系統(tǒng)多余熱梯級(jí)利用方案

在干熄焦、荒煤氣、煙氣系統(tǒng)的熱量回收過(guò)程中基本上只有能量的轉(zhuǎn)化，化學(xué)并未釋放，而是以儲(chǔ)存能的形式出現(xiàn)，且經(jīng)計(jì)算得知系統(tǒng)出方與入方的化學(xué)基本相等[11]。因此，在計(jì)算過(guò)程中不進(jìn)行化學(xué)的計(jì)算，同時(shí)不考慮管道的輻射散熱損失和壓力損失。

在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，3個(gè)子系統(tǒng)的構(gòu)造雖然有所差別，但是從熱力學(xué)角度分析，這3個(gè)系統(tǒng)的都可以分為以下幾項(xiàng)：系統(tǒng)的輸入，包括給水和進(jìn)入系統(tǒng)的熱量；換熱過(guò)程中系統(tǒng)輸出的功即有效輸出；系統(tǒng)內(nèi)部損以及外部損。平衡的模型如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)平衡圖

2 主要熱工參數(shù)

國(guó)內(nèi)某鋼鐵公司的兩座55孔、6m焦?fàn)t，年產(chǎn)焦炭110 萬(wàn)噸，配套140t/h 的干熄焦裝置，以及配套的熱力回收系統(tǒng)。干熄焦余熱回收系統(tǒng)、荒煤氣余熱回收系統(tǒng)以及煙道廢氣余熱回收系統(tǒng)的熱工參數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，在進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)以1t入爐干煤為計(jì)算單位。

表1 系統(tǒng)熱工參數(shù)

3 各個(gè)余熱回收系統(tǒng)的計(jì)算及分析

在焦化系統(tǒng)余熱資源的回收過(guò)程中，涉及多設(shè)備、多環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)移，使用分析的方法可以很好地揭示能量轉(zhuǎn)移過(guò)程中的損耗以及能量利用的不合理環(huán)節(jié)，使人們科學(xué)地了解余熱回收系統(tǒng)的完善程度，找出能量利用的薄弱環(huán)節(jié)。

3.1 干熄焦系統(tǒng)

干熄焦系統(tǒng)分為兩個(gè)換熱階段，循環(huán)氣體在熄焦?fàn)t中與紅熱焦炭進(jìn)行換熱，吸收熱量后進(jìn)入余熱鍋爐中與水交換熱量，產(chǎn)生蒸汽。使用上文中提出的分析模型對(duì)干熄焦系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算后將結(jié)果整理至表2。由計(jì)算結(jié)果可知，干熄焦系統(tǒng)中的主要的收入為焦炭帶入和焦炭燒損；在輸出中占比較大的為中壓蒸汽和不可逆換熱損，出口損較低。系統(tǒng)的效率為55.16%，有效輸出為中壓蒸汽，數(shù)量為554.07MJ/t干煤。

表2 干熄焦余熱回收系統(tǒng)的平衡

表2 干熄焦余熱回收系統(tǒng)的平衡

收入images/BZ_378_476_1286_507_1315.png輸出images/BZ_378_956_1286_987_1315.png項(xiàng)目項(xiàng)目數(shù)量/MJ·t-1比例/%數(shù)量/MJ·t-1比例/%焦炭帶入images/BZ_378_367_1404_398_1433.png中壓蒸汽images/BZ_378_848_1404_879_1433.png焦炭燒損images/BZ_378_367_1463_398_1492.png焦炭出口images/BZ_378_848_1463_879_1492.png給水帶入images/BZ_378_367_1522_398_1551.png655.28 326.94 22.37 65.23 32.54 2.23散熱images/BZ_378_817_1522_848_1551.png氣體散失images/BZ_378_848_1581_879_1610.png排污images/BZ_378_801_1640_832_1669.png損不可逆換熱images/BZ_378_848_1699_879_1728.png損合計(jì)1004.53 100.00合計(jì)554.07 50.58 40.46 1.93 2.92 354.57 1004.53 55.16 5.04 4.03 0.19 0.29 35.30 100.00

3.2 荒煤氣系統(tǒng)

在焦?fàn)t荒煤氣顯熱回收系統(tǒng)中，工質(zhì)水在上升管換熱器中直接與荒煤氣進(jìn)行換熱產(chǎn)生蒸汽。表3為對(duì)荒煤氣系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，荒煤氣余熱回收系統(tǒng)中荒煤氣帶入為收入的主要來(lái)源，占總收入的96.70%；荒煤氣的出口損占輸出的大部分，內(nèi)部損占比不高；有效輸出為上升管換熱器產(chǎn)生的中壓蒸汽，占總輸出的17.18%，效率較低。

表3 荒煤氣余熱回收系統(tǒng)的平衡

表3 荒煤氣余熱回收系統(tǒng)的平衡

收入images/BZ_378_1549_394_1580_423.png輸出images/BZ_378_2030_394_2061_423.png項(xiàng)目項(xiàng)目數(shù)量/MJ·t-1比例/%數(shù)量/MJ·t-1比例/%荒煤氣帶入images/BZ_378_1462_512_1493_541.png中壓蒸汽images/BZ_378_1927_512_1958_541.png紅焦輻射帶入images/BZ_378_1478_571_1509_600.png荒煤氣出口images/BZ_378_1943_571_1974_600.png給水帶入images/BZ_378_1447_630_1478_659.png266.03 9.07 1.25 96.70 3.30 0.45散熱images/BZ_378_1896_630_1927_659.png排污images/BZ_378_1880_689_1911_718.png損不可逆換熱images/BZ_378_1943_748_1974_777.png合計(jì)275.11 100.00合計(jì)48.91 181.46 10.12 1.20 33.42 275.11 17.78 65.96 3.68 0.44 12.15 100.00

3.3 煙道廢氣系統(tǒng)

在焦?fàn)t煙道廢氣的余熱回收系統(tǒng)中，熱管換熱器中的工質(zhì)吸收煙道廢氣的低溫?zé)崃亢笤倥c水交換熱量。由表4的計(jì)算結(jié)果可知，在煙氣余熱回收系統(tǒng)中收入中基本全是系統(tǒng)進(jìn)口煙氣帶入的；系統(tǒng)輸出中有效輸出所占比例較大，損主要分布在外部損，也就是煙氣出口的損失。

表4 煙氣余熱回收系統(tǒng)的平衡

表4 煙氣余熱回收系統(tǒng)的平衡

收入images/BZ_378_1534_2697_1565_2726.png輸出項(xiàng)目images/BZ_378_2015_2697_2046_2726.png數(shù)量/MJ·t-1比例/%項(xiàng)目 數(shù)量/MJ·t-1比例/%煙氣進(jìn)口給水帶入images/BZ_378_1420_2874_1451_2903.png134.70 1.24 99.08 0.12低壓蒸汽images/BZ_378_1901_2815_1932_2844.png煙氣出口images/BZ_378_1901_2874_1932_2903.png散熱images/BZ_378_1870_2933_1901_2962.png排污images/BZ_378_1854_2992_1885_3021.png損不可逆換熱images/BZ_378_1916_3051_1947_3080.png合計(jì)135.94 100.00合計(jì)70.34 50.42 4.17 0.21 10.79 135.94 51.75 37.09 3.07 0.15 7.94 100.00

在目前的煉焦余熱資源回收過(guò)程中，紅焦顯熱、荒煤氣顯熱、煙道廢氣顯熱分別進(jìn)行余熱回收，產(chǎn)生不同品級(jí)的蒸汽送入蒸汽管道中。看似對(duì)余熱資源進(jìn)行了有效的回收利用，但是從分析的角度來(lái)看，各個(gè)子系統(tǒng)的效率不高，還有很大的提升空間。其原因主要源于兩方面，一方面是由于回收技術(shù)的限制，另一方面則是由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中忽略了對(duì)能量品級(jí)的考慮。

4 兩種方案的對(duì)比分析

在焦?fàn)t多余熱梯級(jí)利用的方案中，先利用煙氣的余熱產(chǎn)生高壓不飽和水，然后送進(jìn)干熄焦系統(tǒng)中的余熱鍋爐中回收高溫?zé)崃?，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽。利用煙氣余熱提高干熄焦的給水溫度，降低了干熄焦系統(tǒng)中熱量回收過(guò)程的傳熱溫差，減少了傳熱過(guò)程中產(chǎn)生的不可逆換熱損。對(duì)比于傳統(tǒng)方案的中溫中壓鍋爐，增加煙氣和干熄焦系統(tǒng)中水汽側(cè)的壓力，會(huì)使得傳熱過(guò)程中的不可逆損失降低，汽水能級(jí)提高。這種焦?fàn)t余熱回收方式不僅可以提高能量的利用率，同時(shí)也會(huì)提高所回收蒸汽的做工能力。根據(jù)余熱回收系統(tǒng)的熱工參數(shù)，使用分析計(jì)算模型分別對(duì)傳統(tǒng)方案以及焦?fàn)t多余熱利用方案進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 兩種余熱利用方案的分析結(jié)果對(duì)比

表5 兩種余熱利用方案的分析結(jié)果對(duì)比

項(xiàng)目輸入images/BZ_379_344_2610_375_2639.png/MJ·t-1有效輸出images/BZ_379_406_2669_437_2698.png/MJ·t-1不可逆換熱images/BZ_379_437_2728_468_2757.png損/MJ·t-1images/BZ_379_281_2787_312_2816.png效率/%原有方案1416.20 674.83 391.23 47.65多余熱梯級(jí)利用方案1415.37 831.05 235.74 58.72

5 結(jié)論

（2）提高干熄焦系統(tǒng)的換熱效果以及使用高溫高壓余熱鍋爐可以提高干熄焦系統(tǒng)的效率；解決荒煤氣熱量回收過(guò)程中的焦油凝結(jié)問(wèn)題以及煙氣的冷凝腐蝕問(wèn)題可以大大提高荒煤氣以及煙氣余熱回收系統(tǒng)的效率。

（3）優(yōu)化后的焦?fàn)t多余熱梯級(jí)利用方案符合“能量匹配，梯級(jí)利用”的原則，焦?fàn)t余熱回收系統(tǒng)的總效率達(dá)到58.72%，可以合理高效地回收焦化過(guò)程中產(chǎn)生的余熱資源。

符號(hào)說(shuō)明

cp—— 比定壓熱容，kJ/(kg·K)

Dx—— 系統(tǒng)中各狀態(tài)下水和水蒸氣的流量，kg/h

Ein,i—— 系統(tǒng)輸入，kJ/h

El,k—— 系統(tǒng)的內(nèi)部損，kJ/h

Eout,j—— 系統(tǒng)中外部損，kJ/h

Ex—— 混合氣體的值，kJ/h

E'x—— 系統(tǒng)中各狀態(tài)下水和水蒸氣的值，kJ/h

Hx—— 系統(tǒng)中各狀態(tài)下水和水蒸氣的焓值，kJ/kg

Sx—— 系統(tǒng)中各狀態(tài)水和水蒸氣的熵值，kJ/(kg·K)

Tx—— 系統(tǒng)中氣體換熱前后的溫度，K

T0—— 環(huán)境狀態(tài)溫度，K

V—— 氣體流量，m3/h

W—— 系統(tǒng)有效輸出，kJ/h

ρ—— 氣體密度，kg/m3

η—— 系統(tǒng)的效率，%