焦化爐廢氣余熱回收利用的技術(shù)研究

李少?gòu)?qiáng)

（潞安化工集團(tuán)焦化有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

0 引言

焦化工業(yè)是重要的能源和化工基礎(chǔ)工業(yè)之一，但同時(shí)也是環(huán)境污染的重要源頭之一。在焦化過(guò)程中，廢氣和余熱是不可避免的產(chǎn)生物。廢氣中含有大量的二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等有害物質(zhì)，直接排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。而廢氣中的余熱是一種可再生的能源，如果不能有效地回收利用，不僅浪費(fèi)能源，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的負(fù)面影響[1-2]。因此，焦化爐廢氣余熱回收利用技術(shù)的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 焦化爐廢氣余熱的來(lái)源

焦化爐廢氣的主要組成物質(zhì)包括煙塵、有機(jī)物、一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)狻⒁谎趸?、二氧化硫等。其中，煙塵是焦化爐廢氣中的主要污染物之一，其含量較高，會(huì)對(duì)環(huán)境和人體健康造成極大的危害。焦化爐廢氣中的熱能主要來(lái)自于焦化爐煤氣和煉焦炭的燃燒。煤氣中的熱能主要來(lái)自于燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，而煉焦炭則通過(guò)熱傳導(dǎo)將熱能傳遞給焦化爐底部的煤氣，從而將其升溫[3]。由于焦化爐廢氣的溫度一般在700～1 100 ℃之間，熱能非常豐富，如果不能充分利用，將會(huì)浪費(fèi)大量的能源資源[4]。因此，焦化爐廢氣余熱的回收利用具有非常重要的意義。通過(guò)對(duì)焦化爐廢氣中的熱能進(jìn)行回收和利用，可以提高能源利用效率，減少對(duì)環(huán)境的污染和破壞，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，同時(shí)也能促進(jìn)清潔生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展。

2 焦化爐廢氣余熱的產(chǎn)生特點(diǎn)

2.1 高溫高壓

焦化爐廢氣余熱的產(chǎn)生特點(diǎn)主要包括高溫高壓、成分復(fù)雜和穩(wěn)定性差。其中，高溫高壓是焦化爐廢氣余熱最顯著的特點(diǎn)之一。焦化爐廢氣的溫度一般在700～1 100 ℃之間，而且氣流速度較大，壓力較高[5]。這主要是因?yàn)榻够癄t內(nèi)的焦炭在高溫下熱解產(chǎn)生的煙氣被帶出爐外，同時(shí)爐內(nèi)還需要用高壓空氣進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生的氣體也被排放到大氣中。這些高溫高壓的氣體具有很大的能量潛力，但同時(shí)也帶來(lái)了利用難度和安全風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。

2.2 成分復(fù)雜

焦化爐廢氣的成分非常復(fù)雜，含有大量的煙塵、有機(jī)物、一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)?、一氧化氮、二氧化硫等物質(zhì)。其中，煙塵是指直徑小于10 μm 的固體顆粒物，會(huì)對(duì)人體健康造成危害，例如在空氣中懸浮時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，容易進(jìn)入肺部造成呼吸道疾病。有機(jī)物則包括苯、甲苯、二甲苯等多種化學(xué)物質(zhì)，對(duì)人體也有一定的危害性，例如長(zhǎng)期暴露會(huì)引起頭痛、惡心、嘔吐、肝臟損傷等癥狀。此外，一氧化碳是一種無(wú)色、無(wú)味、有毒的氣體，吸入過(guò)量會(huì)引起中毒甚至死亡；二氧化硫和一氧化氮?jiǎng)t是造成酸雨的主要元兇之一，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。

2.3 穩(wěn)定性差

焦化爐廢氣的排放濃度和組成在很大程度上取決于焦?fàn)t的操作和管理水平。焦化爐在不同的操作狀態(tài)下，廢氣的組成和排放濃度可能會(huì)發(fā)生較大的變化，這就給焦化爐廢氣余熱的回收利用帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。此外，焦化爐的停產(chǎn)、維修等情況也會(huì)對(duì)廢氣的排放產(chǎn)生影響，從而影響廢氣余熱的回收利用效果。例如，在焦化爐的操作和管理上加強(qiáng)監(jiān)管和控制，提高焦化爐的運(yùn)行穩(wěn)定性，減少?gòu)U氣排放的波動(dòng)性；在設(shè)備設(shè)計(jì)和維護(hù)上優(yōu)化焦化爐和余熱回收設(shè)備的結(jié)構(gòu)和性能，提高其耐用性和可靠性，確保余熱回收設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.4 利用難度大

由于焦化爐廢氣的復(fù)雜成分、高溫高壓和穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，其余熱回收利用存在一定的難度。焦化爐廢氣中含有多種有害物質(zhì)，需要進(jìn)行有效的處理，以確保回收利用后不對(duì)環(huán)境和人體造成危害。同時(shí)，焦化爐廢氣的溫度和壓力也需要通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)手段進(jìn)行調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換，以便更好地利用余熱。

3 現(xiàn)有的焦化爐廢氣余熱回收技術(shù)

3.1 傳統(tǒng)余熱回收技術(shù)

3.1.1 煙氣余熱鍋爐

煙氣余熱鍋爐是目前廣泛應(yīng)用的焦化爐廢氣余熱回收技術(shù)之一。其原理是通過(guò)將煙氣在鍋爐內(nèi)進(jìn)行換熱，將煙氣中的余熱轉(zhuǎn)化為蒸汽或熱水，用于工業(yè)生產(chǎn)或供暖。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是成熟、穩(wěn)定、易于操作，能夠有效地回收焦化爐廢氣中的余熱。但其缺點(diǎn)也十分明顯，煙氣中的灰塵、硫酸等物質(zhì)會(huì)對(duì)換熱管產(chǎn)生腐蝕，導(dǎo)致設(shè)備壽命縮短，而且在煙氣進(jìn)入鍋爐之前需要進(jìn)行除塵處理，增加了成本。

3.1.2 深冷制氫

深冷制氫是利用焦化爐廢氣余熱制取高純度氫氣的技術(shù)。這種技術(shù)的原理是將焦化爐廢氣先經(jīng)過(guò)除塵、除酸處理，再進(jìn)行脫硫、脫氮等前處理，然后將凈化后的煙氣通過(guò)壓縮機(jī)增壓，進(jìn)入冷卻器進(jìn)行冷卻，使水蒸氣和氧氣凝結(jié)出來(lái)，通過(guò)分離器分離出氫氣和氮?dú)?，最后得到高純度的氫氣。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可回收廢氣中大部分能量，并生產(chǎn)高純度的氫氣，適用于工業(yè)用途。但其缺點(diǎn)是設(shè)備投資和運(yùn)營(yíng)成本高，且氫氣產(chǎn)量受制于焦化爐廢氣產(chǎn)量和質(zhì)量，對(duì)應(yīng)用范圍有限制。

3.2 新型余熱回收技術(shù)

3.2.1 傳熱管束技術(shù)

傳熱管束技術(shù)是一種通過(guò)在廢氣流道內(nèi)放置傳熱管束進(jìn)行余熱回收的技術(shù)。在焦化爐廢氣流道中安裝傳熱管束，將廢氣中的余熱通過(guò)傳熱管束傳遞給工作介質(zhì)，如水、汽等，實(shí)現(xiàn)廢氣余熱的回收利用。與傳統(tǒng)的余熱回收技術(shù)相比，傳熱管束技術(shù)具有節(jié)能效果好的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)傳熱管束技術(shù)，可以將焦化爐廢氣中的余熱高效地回收，將熱能轉(zhuǎn)化為實(shí)用能源，從而提高能源利用效率，占地面積小，操作維護(hù)方便。傳熱管束技術(shù)采用的是對(duì)流傳熱方式，不需要使用化學(xué)藥劑和填料等，操作和維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單。但傳熱管束技術(shù)也存在一些問(wèn)題，如管束易受到高溫高壓氣體的腐蝕，需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

3.2.2 濕式煙氣處理技術(shù)

濕式煙氣處理技術(shù)是指通過(guò)向煙氣中噴灑一定量的水或其他液體，將煙氣中的顆粒物和有害氣體降低到一定程度的技術(shù)。這種技術(shù)在余熱回收領(lǐng)域中也得到了廣泛應(yīng)用。濕式煙氣處理技術(shù)的主要原理是通過(guò)水與煙氣中的污染物接觸，將污染物溶解、吸附或沉淀到水中，從而達(dá)到凈化煙氣的目的。該技術(shù)主要適用于高濃度、高溫、高濕的廢氣，比如爐頂煙氣、爐塵、脫硫煙氣等。

與傳統(tǒng)的干式煙氣凈化相比，濕式煙氣處理技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）降低煙氣溫度：通過(guò)向煙氣中加水，可以降低煙氣溫度，減輕了煙氣對(duì)設(shè)備的腐蝕和熱損失。

2）凈化效率高：濕式煙氣處理技術(shù)可以有效地去除煙氣中的顆粒物和有害氣體，其凈化效率可以達(dá)到90%以上。

3）應(yīng)用廣泛：濕式煙氣處理技術(shù)適用于不同的煙氣來(lái)源，比如焦化爐、燃煤發(fā)電廠(chǎng)、鋼鐵廠(chǎng)等。

濕式煙氣處理技術(shù)的缺點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：液體噴霧系統(tǒng)的維護(hù)和操作成本較高。煙氣處理后，排放的水可能帶有污染物，需要進(jìn)行處理。煙氣處理后，濕度較大，對(duì)后續(xù)工藝設(shè)備有一定的影響。據(jù)研究表明，將濕式煙氣處理技術(shù)應(yīng)用于焦化爐廢氣余熱回收中，可以將余熱利用率提高10%以上，有效降低企業(yè)的能耗和排放量。

4 焦化爐廢氣余熱回收的用途

4.1 余熱發(fā)電

焦化爐廢氣余熱回收的一個(gè)重要用途是進(jìn)行余熱發(fā)電。余熱發(fā)電是利用余熱來(lái)驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)，將廢熱轉(zhuǎn)化為電能，從而提高能源利用效率。

在焦化爐中，高溫高壓的廢氣中攜帶著大量的能量，這些能量如果得不到有效利用就會(huì)白白浪費(fèi)，而余熱發(fā)電技術(shù)可以將這些廢氣中的能量回收利用。優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)U熱轉(zhuǎn)化為電能，從而減少了對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴(lài)，同時(shí)也能夠降低工業(yè)生產(chǎn)中的能源消耗和排放，達(dá)到環(huán)保和節(jié)能的目的。此外，余熱發(fā)電技術(shù)還具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，可以為企業(yè)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)收益，降低生產(chǎn)成本。以中國(guó)某焦化廠(chǎng)為例，該廠(chǎng)利用焦化爐廢氣余熱進(jìn)行發(fā)電，每年可發(fā)電量達(dá)到3 000 萬(wàn)kW·h，相當(dāng)于減少二氧化碳排放36 000 t，減少二氧化硫排放380 t，減少粉塵排放29.5 t，同時(shí)可以為企業(yè)帶來(lái)800 萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)收益。

4.2 高壓蒸汽

焦化爐廢氣中的余熱不僅可以用于發(fā)電，還可以通過(guò)余熱鍋爐回收產(chǎn)生高壓蒸汽，用于煉油廠(chǎng)、化工廠(chǎng)等場(chǎng)所的加熱和生產(chǎn)過(guò)程中的蒸汽需求。這種利用方式被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，包括化工、冶金、造紙、食品等行業(yè)。由于焦化爐廢氣中的余熱溫度高，且具有較大的熱量傳遞面積，因此余熱鍋爐的效率較高，可以達(dá)到80%以上，節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本的效果明顯。除了節(jié)能減排和降低成本的效益外，利用焦化爐廢氣余熱回收產(chǎn)生的蒸汽還具有環(huán)保效益。采用余熱鍋爐技術(shù)回收焦化爐廢氣余熱，可以減少溫室氣體和有害氣體的排放，降低對(duì)環(huán)境的影響。

4.3 供熱供暖

空調(diào)和供暖設(shè)備的能耗占據(jù)了工業(yè)、商業(yè)和家庭的重要部分，因此節(jié)約能源是非常重要的。使用余熱回收裝置來(lái)提供供暖服務(wù)，可以減少空調(diào)和供暖設(shè)備的能耗，并降低相關(guān)的運(yùn)營(yíng)成本。同時(shí)，這種方法還可以減少焦化爐廢氣排放所產(chǎn)生的溫室氣體，從而降低對(duì)環(huán)境的影響。與傳統(tǒng)的供暖方式相比，利用余熱進(jìn)行空調(diào)供暖具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這種方法可以減少能源的消耗，從而節(jié)約了成本；同時(shí)由于煙氣中的熱量被有效回收，空氣質(zhì)量得到了提高；還可以降低溫室氣體排放量，從而保護(hù)環(huán)境。

5 焦化爐廢氣余熱的利用存在的問(wèn)題

5.1 利用效率不高

雖然焦化爐廢氣中攜帶著大量的余熱，但其利用難度較大，目前仍存在著利用效率不高的問(wèn)題。其中一個(gè)主要的原因是焦化爐廢氣的復(fù)雜成分和不穩(wěn)定性。這使得對(duì)焦化爐廢氣進(jìn)行處理和利用過(guò)程更加困難。煙氣余熱鍋爐是傳統(tǒng)的焦化爐廢氣余熱回收技術(shù)之一，可以利用焦化爐廢氣余熱產(chǎn)生蒸汽，用于煉油廠(chǎng)、化工廠(chǎng)等場(chǎng)所的加熱和生產(chǎn)過(guò)程中的蒸汽需求。然而，煙氣余熱鍋爐的利用效率一般只有50%左右，不能充分發(fā)揮余熱的潛力。其原因在于煙氣余熱鍋爐存在一些設(shè)計(jì)和操作上的缺陷，例如過(guò)熱器、再熱器的設(shè)計(jì)不合理、熱量回收率低等。此外，焦化爐廢氣中攜帶的灰塵和有害物質(zhì)也會(huì)對(duì)鍋爐的運(yùn)行造成一定的影響，導(dǎo)致鍋爐的壽命縮短，增加維修成本。

5.2 技術(shù)不成熟

雖然焦化爐廢氣余熱回收技術(shù)已經(jīng)有了多種實(shí)用的方法，但其技術(shù)仍然存在不成熟的問(wèn)題。其中一個(gè)主要問(wèn)題是技術(shù)不成熟。具體來(lái)說(shuō)，雖然新型余熱回收技術(shù)能夠提高能源利用效率和經(jīng)濟(jì)效益，但這些技術(shù)仍處于研發(fā)和實(shí)驗(yàn)階段，其應(yīng)用范圍和效果還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證和探究。此外，這些技術(shù)需要在現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備中進(jìn)行改造和升級(jí)，對(duì)于技術(shù)實(shí)現(xiàn)和經(jīng)濟(jì)投入等方面都存在一定的挑戰(zhàn)。另外一個(gè)主要問(wèn)題是能耗過(guò)高，回收過(guò)程中需要消耗大量的能量。這種能量的消耗可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生負(fù)面影響，需要通過(guò)進(jìn)一步的技術(shù)優(yōu)化和調(diào)整來(lái)降低能耗。

5.3 經(jīng)濟(jì)性不高

除了技術(shù)不成熟，焦化爐廢氣余熱回收還存在經(jīng)濟(jì)性不高的問(wèn)題。一方面，余熱回收設(shè)備的投資成本較高，設(shè)備維護(hù)、清洗等運(yùn)營(yíng)成本也不低，需要較長(zhǎng)的回收周期才能收回成本。另一方面，焦化爐廢氣中的余熱能量密度不高，需要經(jīng)過(guò)多級(jí)換熱才能夠得到可利用的高品質(zhì)余熱，這也增加了設(shè)備成本和運(yùn)營(yíng)成本。

5.4 安全隱患

由于焦化爐廢氣的溫度和壓力較高，對(duì)于設(shè)備的安全性要求較高，如果設(shè)備設(shè)計(jì)不合理或者運(yùn)營(yíng)不當(dāng)，可能會(huì)存在安全隱患。首先，余熱回收裝置需要承受來(lái)自焦化爐的高溫高壓煙氣，如果設(shè)計(jì)不合理或材料不符合要求，就有可能出現(xiàn)設(shè)備失效、泄漏等情況，引發(fā)安全事故。例如，一些焦化廠(chǎng)在余熱回收裝置的設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中，沒(méi)有考慮到熱膨脹的問(wèn)題，導(dǎo)致設(shè)備變形、爆炸等事故頻發(fā)。其次，焦化爐廢氣中可能含有硫化氫、氰化物、苯等有毒有害氣體，如果處理不當(dāng)就可能會(huì)對(duì)人員健康造成威脅。

6 結(jié)語(yǔ)

本文就焦化爐廢氣余熱回收利用技術(shù)進(jìn)行了探討和分析，總結(jié)出了該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和存在的局限性。雖然傳統(tǒng)技術(shù)存在經(jīng)濟(jì)性不高、技術(shù)不成熟、安全隱患等問(wèn)題，但通過(guò)新型技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，可以實(shí)現(xiàn)多元化的技術(shù)應(yīng)用，提高技術(shù)成熟度和回收效率，并加強(qiáng)政策引導(dǎo)和行業(yè)間的合作。這些舉措有助于進(jìn)一步推動(dòng)焦化爐廢氣余熱回收技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，降低能源消耗、減少環(huán)境污染和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。因此，建議政府、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)加強(qiáng)合作，不斷推進(jìn)相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益的雙贏(yíng)。