新型余熱焦化蒸氨工藝的應用分析

趙舉浪

(湖南漣鋼工程技術有限公司，湖南 婁底 417009)

煉鋼廠在焦化生產(chǎn)過程中，利用循環(huán)氨水噴灑冷卻集氣管中的煤氣，多余部分氨水稱為剩余氨水，是焦化廢水主要來源[1]。剩余氨水在送到廢水處理站前先要由蒸氨工序進行除油、脫氨、脫氰，蒸氨工序回收氨資源，同時對排放廢水進行預處理[2-3]。

現(xiàn)階段的蒸氨工藝包括水蒸汽直接蒸氨、導熱油加熱間接蒸氨、管式爐加熱間接蒸氨、水蒸汽加熱間接蒸氨、熱泵法蒸氨和負壓蒸氨等。目前所有蒸氨工藝都需要較大能耗，達到13.2～20.8 kgce/t氨水，能耗和花費大，通常是焦化生產(chǎn)工藝中蒸汽汽的最大用戶[4-6]。

基于我國“碳達峰、碳中和”行動路線，必須降低煉焦單位產(chǎn)品能耗，采用一些重型設備的工藝改造，通過利用鋼廠低溫余熱進行蒸氨蒸汽替換，可以實現(xiàn)煉焦工序降耗和降成本的目的[7]。

1 焦化蒸氨技術

1.1 水蒸汽直接蒸氨工藝

本工藝在焦化行業(yè)使用最普遍、是國內(nèi)占比最高，具有工藝成熟、簡單、投資省和安全可靠性高等優(yōu)點，其工藝流程如圖所示。廢水主要含有揮發(fā)性氨和固定銨鹽，固定銨通過在塔的適當部位加入氫氧化鈉溶液進行分解。水蒸汽直接蒸氨工藝的蒸汽消耗大，每處理一噸剩余氨水大約需要0.55 GJ的熱量，約為200 kg蒸汽，折算18.8 kgce/t氨水，通常是焦化生產(chǎn)工藝過程中水蒸汽的最大用戶。同時蒸氨蒸汽會轉(zhuǎn)化為廢水，使需要處理的廢水量增加20%左右。部分企業(yè)采用余熱回收的蒸汽進行蒸氨，會出現(xiàn)蒸汽壓力不穩(wěn)定或達不到要求，導致蒸氨塔的蒸氨溫度無法滿足工藝要求，使得蒸氨工序消耗蒸汽超過200 kg/氨水。

圖1 水蒸汽直接蒸氨工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of direct ammonia evaporation with steam

1.2 導熱油加熱間接蒸氨工藝

工藝使用導熱油為介質(zhì)，導熱油爐加熱后的高溫導熱油給蒸氨塔底的廢氨水再沸器提供熱量蒸氨。系統(tǒng)需要在原有水蒸汽直接蒸氨系統(tǒng)上增加導熱油系統(tǒng)，包括導熱油的加熱爐、導儲槽、高溫油泵和再沸器。工藝不增加外排廢水量，導熱油加熱系統(tǒng)為單獨循環(huán)閉路系統(tǒng)，與氨水系統(tǒng)隔離，供熱穩(wěn)定，基本可以保障清潔生產(chǎn)。此工藝相對較為復雜，建設投資大；導熱油長期在超過200 ℃溫度下運行，會存在變質(zhì)問題，通常一年需要更換一次新的導熱油，運行成本較高；少量裂解氣排入大氣也會對環(huán)境造成污染；導熱油系統(tǒng)維護成本很高；需要燃燒煤氣，比蒸汽蒸氨工藝需要消耗更多熱量。

圖2 導熱油加熱間接蒸氨工藝流程圖Fig.2 Heat transfer oil heating indirect ammonia evaporation process flowchart

1.3 管式爐加熱間接蒸氨工藝

圖3 管式爐加熱間接蒸氨工藝流程圖Fig.3 Process flow diagram of indirect ammonia evaporation by tube furnace heating

此工藝是通過氨水泵從塔底抽出部分氨水直接送入管式爐加熱，加熱后的氨水回到蒸氨塔閃蒸產(chǎn)生蒸汽，蒸汽與塔上部流下的氨水混合，通過傳熱傳質(zhì)實現(xiàn)氨汽蒸發(fā)。這種系統(tǒng)在原有水蒸汽直接蒸氨系統(tǒng)外增加煤氣管式爐和剩余氨水循環(huán)泵。實踐證明管式爐加熱間接蒸氨工藝穩(wěn)定運行，蒸氨指標達到要求，不增加廢水外排量。但存在對爐管材質(zhì)要求高的缺點；管式爐是明火設備，對設備布置要求較高且存在安全隱患；同時需要燃燒煤氣，比直接蒸汽蒸氨需要消耗更多熱量。

1.4 水蒸汽汽加熱間接蒸氨工藝

采用水蒸汽汽通過再沸器間接加熱蒸氨塔底廢氨水的工藝，是間接蒸氨工藝中相對簡單、安全的工藝，同時相比其它工藝，該工藝生產(chǎn)管理方便、建設投資較小。該工藝要求熱源蒸汽汽源充足且蒸汽壓力穩(wěn)定。工藝不增加廢水外排量，但每處理一噸剩余氨水大約需要比直接蒸汽蒸氨多消耗約60 kg蒸汽。

圖4 水蒸汽加熱間接蒸氨工藝流程圖Fig.4 Process flow diagram of indirect ammonia evaporation by steam heating

1.5 熱泵法蒸氨工藝

圖5 熱泵法蒸氨工藝流程圖Fig.5 Heat pump ammonia evaporation process flowchart

熱泵法蒸氨工藝是直接蒸汽加熱的一種改進工藝，蒸氨用蒸汽先經(jīng)在蒸氨廢水中間槽的上部增設的噴射式熱泵后再進入蒸氨塔，將蒸氨廢水中的熱量進行有效利用。蒸氨廢水從蒸氨塔的底部流到廢水中間槽，再泵送到廢水處理站，中間通過廢水換熱器回收熱量。熱泵法蒸氨工藝噸氨水消耗比水蒸汽直接蒸氨工藝降低約15%，但是仍然有廢水量增加和能耗較大的缺點。

1.6 負壓蒸氨工藝

負壓蒸氨工藝是與上述的幾種間接蒸氨技術組合形成的新蒸氨集成技術，將蒸氨塔的操作壓力從常壓條件改為負壓操作條件，熱源多為高溫導熱油。蒸氨塔內(nèi)壓力低，氨氣在水中的溶解度小，氨-水相揮發(fā)度增加，更易分離，因此節(jié)約能量消耗，負壓蒸氨能耗已降至0.25 GJ/t氨水。

表1 幾種傳統(tǒng)蒸氨工藝特點和能耗比較Table 1 Comparison of characteristics and energy consumption of several traditional ammonia distillation processes

現(xiàn)階段雖然開發(fā)了如上表介紹的許多新工藝來降低蒸氨能耗，但是因為節(jié)能效果不顯著且焦化年產(chǎn)量大，其整體能耗和成本仍較高[8]。

2 余熱焦化蒸氨工藝

在碳中和愿景下，耦合余熱資源和傳統(tǒng)蒸氨系統(tǒng)的余熱焦化蒸氨工藝，節(jié)能降碳效果顯著。

2.1 余熱資源來源

焦炭生產(chǎn)單位特別是冶金企業(yè)，有大量低溫余熱如焦爐和燒結(jié)低溫段煙氣余熱尚未利用。

焦爐煙氣溫度比較低，通常在220～250 ℃之間，少部分達到280 ℃，因其產(chǎn)生蒸汽的壓力低且產(chǎn)量和利用效率低，所以焦爐低溫煙氣余熱極少得到利用。

現(xiàn)階段絕大部分燒結(jié)環(huán)冷機煙氣在250～500 ℃的中高溫段余熱都被用于余熱發(fā)電，而250 ℃以下的煙氣余熱基本沒有利用。與焦爐煙氣類似，這種低溫煙氣產(chǎn)生蒸汽的能力低且沒有合適的用熱場景，其余熱基本未利用。

2.2 新工藝流程

結(jié)合負壓蒸氨工藝和水蒸汽汽間接加熱蒸氨工藝，通過熱水間接蒸氨的新工藝，熱水替代蒸汽、導熱油等通過再沸器提供蒸氨所需要的熱源。該工藝熱源為余熱熱水，溫度可控并實現(xiàn)蒸氨系統(tǒng)運行穩(wěn)定，確保廢氨水含氨量指標完全達標，系統(tǒng)不增加外排蒸氨廢水處理量，蒸氨熱量消耗為0.25 GJ/t氨水，但其能耗供給來源為回收的余熱，除工藝額外增加循環(huán)水泵電耗約0.5 kWh/t氨水，可認為新工藝蒸氨能耗基本為0。

3 余熱蒸氨技術案例

3.1 具體方案

某鋼廠有5.5 m頂裝焦爐，100萬t/a焦炭生產(chǎn)能力，采用水洗氨工藝，氨水產(chǎn)生量為60～80 t/h。原采用蒸汽直接蒸氨工藝，年消耗蒸汽約12萬噸。進行熱水負壓蒸氨技術改造，利用焦爐煙道廢棄余熱產(chǎn)生熱水替代蒸汽，系統(tǒng)增加焦爐煙氣換熱器、熱水再沸器，負壓蒸氨系統(tǒng)。焦爐產(chǎn)生煙道廢氣，在2座煙囪附近各布置1臺煙氣引風機和1臺煙氣換熱器，產(chǎn)生高溫熱水送至負壓蒸氨塔的再沸器給蒸氨塔的氨水加熱，然后從再沸器返回換熱器[9]。

3.2 系統(tǒng)組成和布置

圖6 余熱焦化蒸氨工藝流程圖Fig.6 Process flow diagram of waste heat coking and ammonia distillation

余熱熱水蒸氨系統(tǒng)改造主要設備包括焦爐煙氣熱水換熱器、再沸器、廢液循環(huán)泵、管路系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。熱水換熱器采用熱管換熱器，避免低溫腐蝕滲漏。再沸器采用列管式換熱器，逆流式換熱，管程為廢液，殼程為加熱熱水，再沸器一用一備，當一臺出問題的時候，設備進出口閥門關閉，切換到另一臺繼續(xù)使用，不影響系統(tǒng)運行。為了確保使用過程中發(fā)生的腐蝕裕度保持在可控范圍內(nèi)，廢液循環(huán)泵的過流件采用耐腐蝕不銹鋼，電機采用低壓高效電機。管路系統(tǒng)廢液部分包括管道及管件及閥門系統(tǒng)采用不銹鋼材質(zhì)，加熱熱水系統(tǒng)延用原系統(tǒng)材質(zhì)?？刂葡到y(tǒng)通過采集再沸器進出口廢液及熱水溫度，根據(jù)溫度調(diào)節(jié)加熱熱水流量，確保蒸氨效果可靠，系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

改造系統(tǒng)布置綜合考慮，盡量不影響原有系統(tǒng)，考慮安裝、檢修、維護便捷，不影響公共環(huán)境。新增兩臺再沸器布置在蒸氨塔附近管廊底部，廢液循環(huán)泵布置在蒸氨塔底空地位置，中間架設管道進行連接，加熱熱水管道順著管廊走，沒有管廊可以架空部分新建部分管架支撐，并在需要檢修位置架設平臺及爬梯，方便維修。

表2 新蒸氨工藝系統(tǒng)運行參數(shù)Table 2 Operating parameters of the new ammonia distillation process system

3.3 經(jīng)濟效益分析

改造工程總費用為2 150萬元，其中標準設備240萬元，非標設備1 070萬元，電氣儀表設備255萬元，控制系統(tǒng)44萬元，管道閥門系統(tǒng)256萬元，土建及金屬結(jié)構216萬元，設計及其它69萬元。改造過程通過檢修時間連接接口，不影響工藝生產(chǎn)。

新工藝設備從2022年9月開始運行使用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，節(jié)能、減少廢水量的效果顯著，各項經(jīng)濟性統(tǒng)計計算如下表所示。

表3 新工藝經(jīng)濟性分析計算表Table 3 Economic analysis and calculation table for new processes

對比水蒸汽直接蒸氨工藝，焦爐煙道氣余熱負壓蒸氨工藝技術，年生產(chǎn)運行成本降低1 863萬元/年，節(jié)約標煤1.73萬噸/年，減排二氧化碳4.53萬噸/年，具有良好的經(jīng)濟效益、環(huán)保效益和社會效益[10]。

4 結(jié) 論

現(xiàn)階段國內(nèi)焦化生產(chǎn)仍然以水蒸汽直接蒸氨工藝為主，運行能耗大，而其他改進型蒸氨工藝雖然有一定的節(jié)能效果但不顯著，且造成結(jié)構復雜、成本升高、性價比低等問題因此推廣受限。

基于焦化生產(chǎn)結(jié)構和特點開發(fā)新型余熱蒸氨工藝，是對蒸氨工藝設備的提升，結(jié)合了負壓蒸氨、水蒸汽間接蒸氨、余熱回收等技術，對比直接蒸氨工藝增加了部分設備和投資成本，同時也增加了部分電耗，但是其蒸汽用能量、增量廢水處理用能等數(shù)據(jù)基本為零，新工藝運行節(jié)能效果顯著，推廣應用對鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)碳中和具有重要意義。

在某鋼廠的100萬t/a焦炭生產(chǎn)工藝中使用了新余熱蒸氨工藝，實際運行的節(jié)能減排和經(jīng)濟性好：年減少蒸汽生產(chǎn)用量13.6萬t/a，增加電力使用量272萬kWh/a，蒸氨環(huán)節(jié)年減少運行費用1 863萬元/a。鋼鐵廠焦炭生產(chǎn)采用新余熱蒸氨工藝具有非常好的經(jīng)濟性和節(jié)能減排效果，對鋼鐵行業(yè)內(nèi)實現(xiàn)碳中和的意義重大，值得在行業(yè)內(nèi)大力推廣應用。