焦爐上升管余熱利用的研究
——替代煤氣凈化管式爐

孫靈乾，郗傳鵬，郭飛

（青島特殊鋼鐵有限公司 焦化廠，山東 青島 266409）

20世紀70年代，焦爐上升管余熱利用技術(shù)在國內(nèi)焦化廠開始應用，但限于它所帶來的焦爐上升管結(jié)焦、泄露等問題，嚴重威脅焦爐生產(chǎn)的安全穩(wěn)定性，所以未能在焦化行業(yè)內(nèi)取得廣泛應用。近年來，隨著對上升管蒸發(fā)器應用材料的不斷探索、結(jié)構(gòu)的不斷改進、中間導熱介質(zhì)的不斷優(yōu)化，焦爐上升管余熱利用技術(shù)取得了較大的發(fā)展。現(xiàn)國內(nèi)投產(chǎn)上升管余熱利用裝置已超過40余套。

1 焦爐余熱利用現(xiàn)狀

在煉焦工藝中，煉焦配合煤在焦爐中被隔絕空氣加熱干餾，在生成焦炭的同時，裂解出來大量的荒煤氣。

其中，從焦爐炭化室推出的950～1050℃紅焦帶出的顯熱占焦爐總熱量的37%；650～800℃荒煤氣帶出的熱量占焦爐總熱量的36%；210～280℃焦爐煙道廢氣帶出的熱量占焦爐總熱量的17%；另外，爐體表面熱損失占焦爐總熱量的10%。

目前，紅焦帶出的顯熱，已有成熟可靠的干熄焦裝置進行回收，用于發(fā)電；焦爐煙道氣余熱，也有成熟的煙道氣余熱鍋爐裝置進行回收。而焦爐荒煤氣帶出的熱量，則需要通過焦爐上升管余熱利用裝置進行回收并利用。

圖1 焦爐荒煤氣導出系統(tǒng)

2 焦爐荒煤氣導出系統(tǒng)

在焦爐工藝中，焦爐荒煤氣導出系統(tǒng)（如圖1）的作用主要為，將焦爐碳化室內(nèi)荒煤氣順利導出，防止爐門冒煙冒火，并保持炭化室在整個結(jié)焦過程中為正壓；同時，將導出的荒煤氣進行適度冷卻，降低荒煤氣體積流量，并保持焦油和氨水良好的流動性。

其設備主要包括上升管、橋管、水封閥、集氣管、吸氣管以及相應的噴灑氨水系統(tǒng)。在焦爐生產(chǎn)過程中，焦爐上升管內(nèi)荒煤氣的流量、溫度以及焦油量等隨結(jié)焦時間呈周期性變化（如圖2、3）。

以4.3m焦爐（結(jié)焦時間18h）為例，在一個結(jié)焦周期內(nèi)，隨著結(jié)焦時間的推移，荒煤氣溫度呈現(xiàn)緩慢上升再下降的過程，其溫度在650～800℃變化。煤氣流量在結(jié)焦過程中逐漸下降，至結(jié)焦末期荒煤氣逐漸變的極少。焦爐荒煤氣的組分較為復雜，上升管所處工況環(huán)境惡劣。在運行中，上升管蒸發(fā)器內(nèi)部接觸面，會受到荒煤氣高溫腐蝕氣體的化學腐蝕、溫度劇烈變化的周期熱應力、溫差變化導致金屬材料的晶形不可逆轉(zhuǎn)化，最終可能導致上升管蒸發(fā)器發(fā)生高溫變形，甚至泄漏。

3 焦爐上升管蒸發(fā)器技術(shù)比較

在焦爐上升管余熱利用系統(tǒng)中，核心設備為上升管蒸發(fā)器。目前，上升管蒸發(fā)器主要形式有水夾套式、外盤管式和內(nèi)盤管式。水夾套式上升管蒸發(fā)器，具有結(jié)構(gòu)簡單、換熱溫差大、噸焦蒸汽產(chǎn)量高等優(yōu)點；但因其結(jié)構(gòu)形式，承壓能力較低，受劇烈溫度變化引起的熱應力交替變化易出現(xiàn)金屬疲勞。

圖2 結(jié)焦時間內(nèi)荒煤氣溫度和流量

圖3 焦油析出率與溫度關(guān)系

另外，在應用過程中，需適當降低導熱系數(shù)，控制好內(nèi)壁溫度，防止上升管結(jié)焦油和石墨等問題的發(fā)生。外盤管式上升管蒸發(fā)器，具有管程承壓能力強，可產(chǎn)生過熱蒸汽，內(nèi)部上升管壁溫控制較好，有一定的蓄熱能力的特點；但其產(chǎn)汽量較低，在使用過程中，需強化荒煤氣側(cè)的換熱，以提高產(chǎn)汽率。同時，要避免上升管內(nèi)部焦粉或焦油沉積。內(nèi)盤管式上升管蒸發(fā)器，具有與外盤管相同的特點，且其產(chǎn)汽量更高；但由于其盤管直接暴露在上升管荒煤氣中，易腐蝕泄漏，泄漏后工質(zhì)將會直接進入碳化室內(nèi)，運行的安全性存在較大風險。

圖4 上升管余熱替代煤氣凈化管式爐工藝流程圖

4 焦爐上升管余熱利用新思路——替代煤氣凈化管式爐

管式爐是焦化廠煤氣凈化工序使用的一種常用設備，一般包括蒸氨管式爐和脫苯管式爐。其中，脫苯管式爐的作用是將富油進行加熱，從約135℃加熱至185℃左右，同時，生產(chǎn)400℃以上的過熱蒸汽，用于脫苯和洗油再生工序；蒸氨管式爐的作用是把剩余氨水加熱到110℃，再進行蒸氨。管式爐一般消耗焦爐煤氣，燃燒后產(chǎn)生約300℃的高溫廢氣，不進行處理的情況下，無法達到排放標準。因此，回收焦爐上升管荒煤氣熱量，用于加熱富油和剩余氨水，替代凈化作業(yè)區(qū)管式爐。

一方面，回收荒煤氣熱量，節(jié)約能源；另一方面，消除焦化不達標廢氣排放點，達到節(jié)能與減排一舉兩得的效果。同時，上升管余熱利用還具有減少焦爐爐頂熱輻射，改善爐頂職工操作環(huán)境的社會效益。

主要工藝流程（如圖4）為，通過焦爐上升管余熱回收系統(tǒng)，對焦爐荒煤氣熱量進行回收，經(jīng)中間傳熱介質(zhì)（水汽），將熱量用于煤氣凈化過程中富油和剩余氨水加熱，取代脫苯和蒸氨兩座管式爐，多余蒸汽并入低壓蒸汽管網(wǎng)，并將蒸汽管網(wǎng)中蒸汽作為蒸氨備用熱源。其中，洗脫苯過程中的脫苯和洗油再生所需的過熱蒸汽，可通過上升管過熱器產(chǎn)生，也可由干熄焦減溫減壓后并入，設置蒸汽電加熱器作為備用（若有2套及以上干熄焦時，可兩套互為備用，無須采用電加熱器）。

5 焦爐上升管余熱利用技術(shù)注意事項

在焦爐上升管余熱利用技術(shù)運用過程中，需注意以下幾點。

（1）上升管蒸發(fā)器需要采取有效措施和合理結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)變形和泄漏。即使在出現(xiàn)上述問題時，也應避免工質(zhì)進入焦爐碳化室內(nèi)，確保焦爐生產(chǎn)的安全穩(wěn)定性。

（2）需要合理有效控制上升管蒸發(fā)器內(nèi)壁溫度（≥450℃），避開焦油大量凝結(jié)溫度區(qū)，以免造成上升管內(nèi)結(jié)焦油和石墨化堵塞上升管和由此帶來的環(huán)保問題（上升管冒煙）。

（3）上升管余熱利用系統(tǒng)中，由于上升管蒸發(fā)器較多，需要保證各上升管汽水流量的合理均勻分配。

（4）在上升管余熱利用系統(tǒng)中，需保證工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)的連續(xù)安全穩(wěn)定，設置相應的上升管壁溫，工質(zhì)流量、溫度等測量點，保證系統(tǒng)的安全可靠。

（5）在煤氣凈化工序中，換熱器材質(zhì)需要適當提高，避免換熱設備的腐蝕串漏，并采用一開一備的配置。