空氣介質回收荒煤氣余熱的研究與探討

文 趙洪榮 萊鋼集團焦化廠

空氣介質回收荒煤氣余熱的研究與探討

文/趙洪榮 萊鋼集團焦化廠

鋼鐵企業屬于高耗能行業，其中鐵前系統耗能約占企業總耗能量的70%左右。在鐵前的燒結、球團、焦化、煉鐵4個工序中，煉鐵和燒結工序已有若干節能技術，但我國煉焦生產仍存在耗能大、利用率低的問題，為此節能技術應用于焦化工序(焦化廠)則更具有節能發展空間。一般情況下就焦爐產物帶出的熱量而言，焦炭顯熱約占40%；荒煤氣顯熱約占30%；廢氣帶走的熱量約占20%；三項總和占90%左右，余熱可利用空間非常大。目前焦炭的顯熱可以被干熄焦回收利用，而后兩者在目前焦爐實際生產中沒有得到充分利用，且增加了后續的化產回收的額外負擔。為了對荒煤氣余熱進行利用，從上世紀70年代開始，許多專家學者對其熱利用問題進行了初步探究。首先我國在首鋼、太鋼的71孔、65孔單集氣管焦爐上，利用夾套式換熱器裝置產生蒸汽，用于生產工序所需消耗的蒸汽；其次日本新日鐵公司于1982年開發了利用導熱油- 聯苯醚夾套技術回收焦爐荒煤氣顯熱用于煤調濕；2008年南京圣諾熱管有限公司開發出了利用分離式熱管回收上升管荒煤氣熱量的技術。目前江蘇中顯集團采用上升管夾套生產中壓蒸汽，外壁貼太陽能電池板發電。

利用套管、導熱油夾套管、熱管、鍋爐和半導體溫差發電等技術，回收荒煤氣帶出的余熱，雖然取得一定效果，但因其結構布局、改造及其換熱介質成本較高，經濟效益不大明顯。目前空氣作為介質進行上升管余熱利用鮮有報道，應用于焦化企業本體熱能再利用很有意義。

1 采用空氣介質回收上升管余熱的優勢

無論是套管還是熱管采用水作為介質，在換熱過程中都會產生相變，一旦壓力控制不當便會發生爆炸，而且浪費水資源。同時在換熱過程中如果進水處理不當便會產生水垢堵塞管道,利用導熱油載體則受到上限溫度及使用成本的限制。上升管冷卻裝置中如若采用空氣作為冷卻介質，可以有以下幾個優點：

（1）免除管道堵塞、漏水，防止對炭化室爐墻的損壞；

（2）降低荒煤氣溫度，減少氨水噴灑量；

（3）空氣在受熱前后壓力變化不大，不發生相變，提高了操作安全系數；

（4）改造方便、易行、投資少、見效快；

（5）荒煤氣在500℃以上焦油附著物很少，采用空氣介質換熱后，能夠將上升管荒煤氣溫度維持在500℃左右免除管壁結焦而影響荒煤氣輸出。

2 擬采用換熱裝置及其余熱利用示意圖

擬采用換熱裝置及其余熱利用示意圖如下圖1、圖2。

2.1 結構工藝描述

如圖1所示，擬采用螺旋套管式換熱器形式，以上升管作為中心管，外套同心夾套。內設置成螺旋上升結構可以加長介質流程，延長介質流動時間，從而促使介質與熱壁的接觸面增大，增加傳熱量。

2.2 氣流工藝描述

如圖2所示，使用可調功率的小型鼓風機，將空氣介質按照一定的流速從上升管上部螺旋夾套進口鼓入，通過自上而下換熱后從下部出口流出，送入到焦爐所需供熱部位。此種流向逆流換熱，可較為充分吸收荒煤氣熱量。

3上升管換熱系統和焦爐地下室煤氣換熱器熱平衡計算

3.1上升管換熱器的熱量計算

為探究采用空氣介質后上升管熱量回收效果，本文以萊鋼3#、4# 分別對42、52孔年產焦炭62萬t焦爐為例，根據現有生產狀況，其相關參數如表1所示。

表1 3#、4#焦爐工藝參數

由于單孔炭化室荒煤氣的流量在整個結焦過程中是動態變化的，參照表2相關數據，針對一個上升管進行總荒煤氣產生熱量計算。

表2 不同結焦時間段荒煤氣溫度及流量分配表

根據當前交換機統計3#、4#焦爐煤氣量表3所示。

表3 3#、4#焦爐煤氣量

根據表2、表3計算出煤氣產率、不同結焦時間段所對應的荒煤氣量及其總的熱量。以換熱后煤氣溫度降至550℃為準，所回收一個上升管熱量計算如下：

式中：Vmq──每孔炭化室產生的荒煤氣量m3；

M──每孔裝煤量t；

Φ──成焦率 %；

ρ──荒煤氣密度kg/m3（1）結焦時間到7h時上升管荒煤氣溫度換熱后達到550℃所產生的熱量Qmq1

（2）結焦時間到達7h到達13h時上升管荒煤氣溫度，換熱后達到550℃所產生的熱量Qmq2

（3）結焦時間到達13h到17.5h時上升管荒煤氣溫度，換熱后達到550℃所產生的熱量Qmq3

故：溫降為550℃時平均荒煤氣釋放的熱量為：

式中：Qmq1、Qmq1、Qmq3──不同結焦時間段荒煤氣溫度降到550℃時所產生的熱量kJ；

C1、C1、C1──不同時間段荒煤氣比熱 kJ/kg·℃；

m1、m2、m3──不同時間段荒煤氣量m3；

w1、w2、w3──不同時間段荒煤氣累積流量百分比 %；

τ──結焦時間h。

3.2焦爐煤氣預熱所需熱量的計算

根據目前3#、4#焦爐所需加熱煤氣量如表3所示，及其需對20℃的焦爐煤氣預熱到50℃計算煤氣預熱器所需熱量如下。

3.3上升管個數的確定及經濟效益分析

根據上述計算分析，考慮的整個系統熱損失如若熱損失按15%計算，則空氣通過一個上升管換熱后所產生的熱量為：

而煤氣預熱器所需熱量為Qjlmq=7.008×105kJ/h

通過計算分析可以看出，就萊鋼目前生產狀況下，3#、4#焦爐如若采用此裝置回收荒煤氣余熱，僅焦爐煤氣預熱利用一項，5個不同結焦時期的上升管并聯，將回收的熱量并入同一管道，利用保溫管道送入煤氣預熱器，即可達到對焦爐煤氣預期的預熱目的，且熱回收效益非常可觀。尤其在冬季，多增加幾個空氣介質作為導熱原的套管式上升管，就可以解決焦爐本體及周邊的采暖問題及焦爐地下室保溫等，這樣就完全可以替代兩座焦爐全年100萬元的蒸汽消耗。若整個焦化廠全部采用此種方式，則年降低外來蒸汽費用近400萬元。

4 結論

通過對上升管余熱利用的現狀分析，利用空氣介質回收余熱及其對上升管余熱與焦爐煤氣預熱熱量計算分析，得出以下結論。

（1）上升管采用空氣作為介質，具有資源廣泛易得，安全無污染的優點，具有很好的推廣價值。

（2）萊鋼3#、4#焦爐的1個上升管利用空氣介質所能得到熱量為1.709×105kJ/h，5個改造后的上升管就可以滿足兩座爐子焦爐煤氣的預熱問題。

（3）通過計算分析，利用荒煤氣余熱完全可行，并且可以替代焦爐本體及周邊先前采用蒸汽預熱及采暖問題，可以給企業帶來良好的經濟效益。

（4）既簡單易行、改造方便、投資少、見效快，可以產生顯著的經濟效益和環保效益。