焦爐荒煤氣上升管余熱回收技術(shù)的應(yīng)用研究

巢文智

（山西焦化集團有限責任公司，山西 臨汾 031400）

0 引言

隨著煉焦熱能回收技術(shù)不斷發(fā)展，上升管荒煤氣的余熱回收技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用，在低碳環(huán)保和綠色節(jié)能減排的驅(qū)動下，焦化企業(yè)為山西低碳綠色環(huán)保生產(chǎn)，提升對能源的循環(huán)利用，加強對荒煤氣余熱回收技術(shù)的研究與應(yīng)用[1-2]。煉焦煤在焦爐中被隔絕空氣加熱干餾產(chǎn)生焦炭，同時大量揮發(fā)出來750～850 ℃的荒煤氣。目前焦化行業(yè)對荒煤氣帶出的顯熱常規(guī)處理方法為噴灑大量70～75 ℃的循環(huán)氨水來冷卻高溫荒煤氣，但如此會造成高溫荒煤氣帶出顯熱無法利用而白白浪費[3]。而上升管余熱回收則利用除鹽水與高溫荒煤氣進行間接換熱，一方面降低荒煤氣溫度，另一方面可以產(chǎn)生蒸汽供廠內(nèi)使用。

1 工藝組成

本項目主要由盤管式上升管荒煤氣換熱器、汽包、除氧給水泵、汽包給水泵、強制循環(huán)泵及配套的供配電、檢測控制系統(tǒng)等組成，除氧水利用干熄焦車間除氧器提供，通過除氧給水泵將除氧水送到余熱回收除氧水箱，再通過汽包給水泵將除氧水箱內(nèi)的除氧水送入汽包內(nèi)，汽包內(nèi)除氧水由強制循環(huán)泵送入上升管荒煤氣換熱器內(nèi)，產(chǎn)生汽水混合物，產(chǎn)生的汽水混合物再返回汽包，汽包內(nèi)的飽和蒸汽再由氣液分離器分離出飽和蒸汽后并入廠內(nèi)低壓蒸汽管網(wǎng)[4]，系統(tǒng)工藝流程如圖1 所示。

圖1 上升管余熱回收系統(tǒng)工藝流程圖

本項目配套4×60 孔炭化室高度7.5 m 頂裝焦爐，共建設(shè)兩套，分別對應(yīng)2×60 孔焦爐，每套設(shè)置2 個汽包，單個汽包可以滿足2 座焦爐生產(chǎn)，項目產(chǎn)生0.9～2.0 MPa 飽和蒸汽并入焦化廠低壓蒸汽管網(wǎng)，供化產(chǎn)車間生產(chǎn)使用。

2 部分結(jié)構(gòu)特點

1）上升管荒煤氣換熱器采用的HYWHR 型雙盤單介質(zhì)盤管式荒煤氣換熱器，從內(nèi)壁到換熱水之間經(jīng)過三層共10～15 mm 的傳熱壁厚，明顯優(yōu)于其他水夾套類型換熱器的28～30 mm 換熱壁厚，傳熱效率高；采用盤管走水強制循環(huán)進行換熱，這樣水在盤管內(nèi)處于強制高雷諾數(shù)的紊流狀態(tài)，換熱效率明顯優(yōu)于夾套方式的穩(wěn)流狀態(tài)。

2）裝置采用雙汽包設(shè)計，單個汽包即可滿足2 座焦爐正常生產(chǎn)要求。汽包屬于壓力容器，投用后3 年需要進行內(nèi)部檢查。屆時需要斷水，若只有1 個汽包，則余熱回收裝置需要全停進行干燒，時間大概為2 天。雖然盤管式余熱回收裝置具有長時間干燒無損壞記錄，但不建議大面積干燒。

3）每組2×60 孔焦爐上升管分為4 段，即每30 個上升管為一段，每座焦爐第一段上升管進入1#汽包、第二段上升管進入2#汽包，解決焦爐2-1 串序出焦導(dǎo)致的兩個汽包產(chǎn)氣不均衡的問題。

4）每個上升管可以單獨控制循環(huán)量同時上升管內(nèi)筒壁面經(jīng)過光潔表面處理，可以控制荒煤氣出口溫度在火落點之前≥480 ℃，以防止出現(xiàn)焦油冷凝造成開上升管蓋時出現(xiàn)冒黑煙、黃煙污染環(huán)境的情況。

5）整個上升管荒煤氣換熱器只有換熱盤管內(nèi)部有壓力，其他部位都是常壓非封閉結(jié)構(gòu)，所以按照國家的壓力容器管理規(guī)范，不屬于壓力容器，不需要進行年檢。

3 項目運行效果

目前2#、3#、4#焦爐配套的上升管余熱回收項目已經(jīng)投入使用，其中3#焦爐配套上升管余熱回收已經(jīng)投入使用約半年時間，各焦爐上升管總體運行良好，上升管內(nèi)部沒有出現(xiàn)明顯的結(jié)焦油等情況、換熱盤管沒有出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，系統(tǒng)各項參數(shù)及蒸汽產(chǎn)量逐步穩(wěn)定。

3.1 蒸汽產(chǎn)量

本項目設(shè)計為生產(chǎn)0.9～2.0 MPa 的飽和蒸汽，0.9 MPa 飽和蒸汽產(chǎn)量約36 t/h，目前由于化產(chǎn)使用的低壓蒸汽管網(wǎng)管道安全閥設(shè)置的壓力較低，系統(tǒng)外供0.9 MPa 壓力的飽和蒸汽時，外部管網(wǎng)安全閥容易起跳，故目前實際的外供蒸汽為0.85 MPa 飽和蒸汽。由于目前幾座焦爐均未達到滿產(chǎn)，且生產(chǎn)過程中周轉(zhuǎn)時間調(diào)整較多，根據(jù)目前非滿負荷的生產(chǎn)狀況進行核算。截止12 月16 日，3#、4#焦爐共產(chǎn)焦炭388 726 t，蒸汽產(chǎn)量共計33 228 t，折算蒸汽產(chǎn)率約85.5 kg/t。

3.2 上升管出口荒煤氣溫度

為確保上升管換熱器內(nèi)筒不出現(xiàn)焦油冷凝或生長石墨現(xiàn)象，從而防止出現(xiàn)上升管開蓋冒黑煙、黃煙污染環(huán)境，上升管出口荒煤氣溫度在火落點之前必須≥480 ℃[5]，通過每根上升管進出口閥門對單根上升管的循環(huán)量進行調(diào)節(jié)，既保證每根上升管換熱器的換熱效果達到最佳，又保證上升管出口荒煤氣溫度在火落點之前不低于480 ℃，以4#焦爐為例，各段上升管換熱器出口荒煤氣溫度如表1 所示。

表1 4#焦爐各段上升管荒煤氣換熱器出口荒煤氣溫度

由表1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可以看出，4#焦爐各段上升管出口荒煤氣平均溫度均在500 ℃左右，且均大于480 ℃。

3.3 上升管表面溫度

焦爐產(chǎn)生的高溫荒煤氣進入上升管換熱器后經(jīng)過與盤管內(nèi)的除鹽水換熱后，溫度降低，上升管表面溫度也得到降低，以3#焦爐1～10#上升管為例，經(jīng)現(xiàn)場測試，上升管換熱器外罩溫度下降明顯如表2 所示，上升管周邊的作業(yè)環(huán)境得到了明顯改善。

表2 3#焦爐部分上升管外表溫度情況（室外溫度12 ℃）

4 經(jīng)濟效益估算

本項目主要利用除鹽水與荒煤氣進行換熱，荒煤氣從焦爐炭化室上升管入口的約800 ℃降低到約550 ℃以下，同時產(chǎn)生大量的飽和蒸汽外供廠內(nèi)使用。

4.1 外供蒸汽價值

以焦炭產(chǎn)量350 萬t/a，生產(chǎn)0.85 MPa 飽和蒸汽，蒸汽產(chǎn)率按目前測算的85.5 kg/t，蒸汽價格按照柳鋼內(nèi)部結(jié)算價格110 元/t 進行計算，蒸汽年產(chǎn)量：350 萬t×0.085 5 t/t=29.9 萬t。

年收益：29.9 萬t×110 元/t=3 289 萬元。

4.2 生產(chǎn)成本

1）除鹽水消耗：33 萬t×7.8 元/t=257.4 萬元。

2）冷卻用生產(chǎn)水：10 t/h×24 h/d×365 d×1.2 元/t=10.5 萬元。

3）電耗：878 kW×24 h/d×365 d×0.6 元/（kW·h）=461.5 萬元。

以上三項相加，每年的生產(chǎn)成本為729.4 萬元。

4.3 直接效益

根據(jù)以上兩項計算，產(chǎn)生的蒸汽價值扣除生產(chǎn)成本后，每年直接效益為：3 289 萬元-729.4 萬元=2 559.6 萬元。

5 結(jié)論

1）焦化節(jié)能減排是目前行業(yè)的重點工作，通過對上升管的改造有效地回收了荒煤氣的廢熱，是一項一舉多得的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。

2）采用上升管余熱回收技術(shù)，不僅可以產(chǎn)生蒸汽供化產(chǎn)使用，降低了噸焦能耗，而且降低了焦爐爐頂區(qū)域的環(huán)境溫度，經(jīng)濟效益和社會效益都很明顯；采用“盤管式”上升管荒煤氣換熱器可以解決“夾套式”上升管荒煤氣換熱器將來可能面臨的壓力容器檢驗難題。

3）汽包作為壓力容器，采用雙汽包結(jié)構(gòu)可以避免壓力容器到期檢驗需要全系統(tǒng)停產(chǎn)的問題；采用雙汽包結(jié)構(gòu)時，雙汽包間應(yīng)增加一根液位平衡管道，便于對雙汽包液位進行調(diào)節(jié)。