焦?fàn)t荒煤氣顯熱的余熱利用

摘要：常州江南冶金科技有限公司經(jīng)過多年研發(fā)，研制出利用焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱回收利用裝置生產(chǎn)0.6～0.8MPa飽和蒸汽，此蒸汽可應(yīng)用于低壓蒸汽發(fā)電、煤調(diào)濕、供暖及工廠其他能源利用。利用該技術(shù)可產(chǎn)生較高的直接經(jīng)濟(jì)效益、工序能耗收益、減碳收益等，值得推廣。

關(guān)鍵詞：焦?fàn)t；荒煤氣；顯熱回收利用裝置；余熱利用；飽和蒸汽；節(jié)能減排 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TQ520 文章編號：1009-2374（2015）19-0103-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.051

1 焦化廠焦?fàn)t上升管荒煤氣余熱回收利用的必要性

焦化廠運(yùn)行過程中的熱量分布如表1所示：

表1 煉焦過程中熱量分布

項(xiàng)目 比例 屬性

紅焦所含顯熱 37 高溫余熱（干熄焦回收）

荒煤氣帶走余熱 36 中溫余熱（有待進(jìn)一步研究）

燃燒廢氣帶走熱量 16 低溫余熱（煙道余熱回收）

焦?fàn)t爐體表面散熱 11 低溫余熱（加強(qiáng)保溫）

焦化廠從加煤開始到推焦，從焦?fàn)t炭化室推出的950℃～1050℃紅焦帶出的顯熱（高溫余熱）占焦?fàn)t支出熱的37%（此部分已經(jīng)由干熄焦得以解決），650℃～850℃焦?fàn)t上升管荒煤氣帶出熱（中溫余熱）占焦?fàn)t支出熱的36%（此部分熱量一直沒有得到有效解決和利用），180℃～230℃焦?fàn)t煙道廢氣帶出熱（低溫余熱）占焦?fàn)t支出熱的16%（此部分已經(jīng)由煙道氣余熱鍋爐解決并利用），爐體表面熱損失（低溫余熱）占焦?fàn)t支出熱的11%。

我們經(jīng)過理論計(jì)算及中試數(shù)據(jù)（三鋼集團(tuán)4.3m焦?fàn)t）測試表明，焦?fàn)t上升管高溫荒煤氣余熱回收后至少能產(chǎn)生0.6MPa飽和蒸汽0.08噸/噸焦，沙鋼集團(tuán)6.0m焦?fàn)t測試表明，焦?fàn)t上升管高溫荒煤氣余熱回收后至少能產(chǎn)生0.6MPa飽和蒸汽0.12噸/噸焦，唐山達(dá)豐5.5m焦?fàn)t測試表明，焦?fàn)t上升管高溫荒煤氣余熱回收后至少能產(chǎn)生0.6MPa飽和蒸汽約0.1噸/噸焦，2014年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國焦炭產(chǎn)量約4.3億噸，如將上升管全面改造，測算下來至少可回收3870萬噸的0.6MPa飽和蒸汽，折合標(biāo)煤約355萬噸，年可減排二氧化碳量885萬噸，二氧化硫26萬噸，氮氧化物13萬噸，節(jié)能又減排。

焦?fàn)t荒煤氣的余熱利用得以實(shí)施和推廣，目前對治理霧霾天氣和環(huán)境污染治理具有廣闊前景。

2 焦化廠焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱余熱回收利用的進(jìn)程

目前世界焦化業(yè)傳統(tǒng)的方法是噴灑大量70℃～75℃的循環(huán)氨水，循環(huán)氨水吸熱而大量蒸發(fā)，使荒煤氣溫度得以降低，進(jìn)入后序煤化工產(chǎn)品回收加工工段。這樣的結(jié)果是，荒煤氣帶出的熱量被白白浪費(fèi)掉，既浪費(fèi)了荒煤氣熱能，還增加了水資源的消耗和電力的消耗，上升管荒煤氣余熱回收技術(shù)尚未取得實(shí)質(zhì)性突破。

1970年開始，國內(nèi)外都對上升管荒煤氣的余熱利用進(jìn)行了多項(xiàng)次的研究和試驗(yàn)，夾套上升管、導(dǎo)熱油、熱管技術(shù)的應(yīng)用，最終不能完全解決上升管的簡體焊縫拉裂、漏水、漏汽等問題，以及上升管內(nèi)部焦油和石墨的吸附問題，未及深入開發(fā)研究和使用，而擱置下來近30多年。煉焦荒煤氣余熱回收利用技術(shù)在我國經(jīng)歷了近30年的研究歷程，其材料、結(jié)構(gòu)不能滿足現(xiàn)場工況要求，效率低、壽命短，關(guān)鍵技術(shù)沒有突破，至今尚無成熟、可靠、穩(wěn)定的大工業(yè)化應(yīng)用實(shí)例。

常州江南電力集團(tuán)經(jīng)過多年的研發(fā)，已研究開發(fā)出的一種高效、可靠、穩(wěn)定的回收利用新技術(shù)，回收利用焦?fàn)t荒煤氣顯熱，產(chǎn)生高數(shù)量、高品質(zhì)的蒸汽，并實(shí)現(xiàn)其在工業(yè)上的應(yīng)用，逐步于2013年在三鋼進(jìn)行中試取得突破性進(jìn)展，并于2013年11月在三鋼初步應(yīng)用推廣，2014年投運(yùn)。后續(xù)可以在國家的引導(dǎo)和支持下，作為示范技術(shù)，

推廣應(yīng)用到整個煉焦行業(yè)，實(shí)現(xiàn)整個行業(yè)的熱能高效

利用和節(jié)能減排，從而顯著降低這個行業(yè)的碳排放量。

3 焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱余熱回收技術(shù)的應(yīng)用

焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱的回收，成為近年來我國焦化企業(yè)研發(fā)的熱門課題，主要集中在導(dǎo)熱油夾套管、熱管、鍋爐和半導(dǎo)體溫差發(fā)電等技術(shù)，來回收荒煤氣帶出熱（如圖1）。

圖1 焦?fàn)t荒煤氣余熱利用工藝流程圖

圖2所示的傳統(tǒng)水夾套方式，2009年，我公司開始組織研發(fā)人員進(jìn)行焦?fàn)t上升管荒煤氣的余熱利用的上升管換熱器的研發(fā)；按照傳統(tǒng)的思維方式設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出一臺上升管換熱器，其主要的特征是，保持原有上升管的結(jié)構(gòu)，我們對換熱器的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了多種設(shè)計(jì)，最終確定了一種形式，就是在換熱器的外壁，參照化工反應(yīng)釜的原理，設(shè)計(jì)了半圓盤管，經(jīng)過一段時間的試運(yùn)行，最終還是因?yàn)榛拿簹獾臏夭钤颍斐珊缚p疲勞而裂開，宣告了此種設(shè)計(jì)的缺陷性和弊端（如圖2）。

到目前為止該技術(shù)在首鋼、太鋼以及濟(jì)鋼的導(dǎo)熱油技術(shù)和梅山鋼鐵的分離式熱管技術(shù)已經(jīng)全部拆除。

圖2 傳統(tǒng)處理型式

圖3 研發(fā)的特殊結(jié)構(gòu)型式

常州江南電力設(shè)備集團(tuán)公司經(jīng)過多年的研發(fā)，經(jīng)過多次的失敗和反復(fù)。我們組織了從事過化工和壓力容器以及換熱器設(shè)計(jì)開發(fā)人員，跳出焦化行業(yè)這個圈子，從專業(yè)的換熱器和化工機(jī)械著手，公司生產(chǎn)的單晶硅生長爐的結(jié)構(gòu)和技術(shù)運(yùn)用，給我們帶來了觸發(fā)和靈感，單晶爐在生產(chǎn)過程中始終的運(yùn)行溫度為1400℃～1700℃，在如此高溫的情況下，需要對爐體進(jìn)行冷卻，其結(jié)構(gòu)值得借鑒。為此，我們依據(jù)單晶爐的冷卻系統(tǒng)，結(jié)合了我們的換熱效果，進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，形成了現(xiàn)在獨(dú)有的換熱器結(jié)構(gòu)形式。已經(jīng)在三鋼焦化廠進(jìn)行了一系列的中試，并取得突破性進(jìn)展，經(jīng)過5次中試，最終取得圓滿成功。其下屬節(jié)能公司2014年已經(jīng)在2臺焦?fàn)t（2×65孔）實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化（如圖3）。其下屬常州江南冶金科技有限公司，在三鋼成功的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)，采用了大量的新材料新技術(shù)，經(jīng)過唐山達(dá)豐焦化5.5m焦?fàn)t、沙鋼集團(tuán)6m焦?fàn)t的試驗(yàn)，掌握了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，2014年11月與邯鄲鋼鐵集團(tuán)簽署了6m焦?fàn)t上升管余熱回收總承包合同，并已經(jīng)開始執(zhí)行。從而將上升管余熱利用項(xiàng)目大大地向前推進(jìn)了一大步，成為國內(nèi)唯一一家進(jìn)行6m焦?fàn)t上升管余熱回收利用改造的企業(yè)。

4 焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱余熱回收技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

4.1 荒煤氣高導(dǎo)熱、耐蝕、長壽命的上升管內(nèi)襯材料開發(fā)研究

上升管內(nèi)襯材料是提高荒煤氣余熱回收利用效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。原工藝裝備上升管采用普通碳鋼材料，內(nèi)壁襯耐火磚，更換用余熱回收裝置后，內(nèi)壁不能再襯耐火磚，否則熱傳導(dǎo)效率極低。這樣，導(dǎo)致裝置內(nèi)壁直接與高溫（650℃～900℃）荒煤氣接觸，而荒煤氣中含有氧氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、氧化氮、氫氣、甲烷、水汽及芳香烴類化合物等，普通碳鋼在此溫度及環(huán)境下，高溫?zé)g嚴(yán)重，不能滿足工況要求。若提高內(nèi)筒材質(zhì)，則只有采用耐高溫腐蝕的特殊合金鋼，如哈氏120級別以上鋼材，但其價格就急劇上升。本研究課題之一就是在仍然采用普通碳鋼材質(zhì)情況下，取消耐火磚，對材質(zhì)內(nèi)壁進(jìn)行表面處理，滿足以下要求：（1）防高溫H2S、CO2、滲碳、滲氮腐蝕；（2）防高溫氧化；（3）耐高低溫溫差；（4）耐外力沖擊（內(nèi)壁需機(jī)械清理和吹空氣燃燒沉積石墨）；（5）成本較低。

常規(guī)要求控制荒煤氣溫度不低于500℃，以避免上升管內(nèi)壁過快長石墨，本項(xiàng)目可控制在400℃以上，石墨生長速度低于原常規(guī)生產(chǎn)模式。

4.2 穩(wěn)定、可靠、高效的換熱形式研究及選擇

荒煤氣熱量通過鋼質(zhì)內(nèi)筒內(nèi)壁導(dǎo)出到外壁后，需要良好的導(dǎo)熱介質(zhì)將外壁上的熱量快速導(dǎo)出，提供給水進(jìn)行汽化。由于上升管可有效利用的高度僅2m左右，荒煤氣在內(nèi)筒以較快速度通過，因此，整個熱傳導(dǎo)過程必須快速，才能最大限度回收荒煤氣余熱。由于鋼鐵的導(dǎo)熱系數(shù)為80W/m·K，因此導(dǎo)熱介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)必須大于80W/m·K，而且越大越好。但同時又需要控制導(dǎo)出的荒煤氣的溫度不能過低而造成上升管內(nèi)壁過快長石墨，經(jīng)過多次試驗(yàn)和計(jì)算，最終確定下來采用特殊結(jié)構(gòu)形式的換熱模式，經(jīng)過中試結(jié)果證明滿足上述要求。

4.3 低熱應(yīng)力的換熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究及選擇

荒煤氣通過內(nèi)壁快速熱量傳遞給換熱器內(nèi)壁后，需要盡快將熱量通過換熱裝置，傳遞給水進(jìn)行汽化吸熱，由于換熱裝置也是鋼鐵材質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)與內(nèi)筒一樣，就必須增加其換熱面積，只有其換熱面積大于內(nèi)筒外壁導(dǎo)熱面積，熱量才能快速有效地傳導(dǎo)。要在直徑為400～500mm的圓形環(huán)腔內(nèi)布置較大的換熱面積的換熱裝置，其結(jié)構(gòu)必須十分密排、緊湊。又由于裝置內(nèi)外溫差大，溫度區(qū)間從常溫到900℃，產(chǎn)生汽水混合物壓力將達(dá)0.6MPa，并存在汽液相之間的熱量交換，熱膨脹及熱應(yīng)力必將對換熱系統(tǒng)及整個余熱利用系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響。因此，換熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須具備消除熱應(yīng)力的能力，否則換熱裝置結(jié)構(gòu)將被破壞，不能長期有效

使用。

目前已研發(fā)出的技術(shù)措施很好地解決了上述問題，整個換熱部件在內(nèi)、外筒之間的密閉空間內(nèi)，水汽在管道中流動，壓力低于1MPa，通過特殊連接方式，不存在泄漏及爆管問題。已經(jīng)通過中試進(jìn)行驗(yàn)證，現(xiàn)已投入

改造。

4.4 選擇及研發(fā)合適的、可靠、可控的配套水循環(huán)系統(tǒng)、蒸汽循環(huán)系統(tǒng)、控制管理系統(tǒng)

為了保證工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行，要求裝置供水系統(tǒng)和蒸汽循環(huán)系統(tǒng)可靠、可調(diào)節(jié)、可監(jiān)控，同時控制管理系統(tǒng)必須對系統(tǒng)中水的質(zhì)量、水和蒸氣的溫度、流量、壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和系統(tǒng)控制。為了保證系統(tǒng)的安全性，還需要對系統(tǒng)設(shè)置故障診斷和安全報警等集中操控管理系統(tǒng)，對蒸氣壓力、溫度、臨界流量等一系列參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測、控制。

5 焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱余熱回收技術(shù)的效益

5.1 焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱余熱回收利用裝置改造的技術(shù)指標(biāo)

荒煤氣顯熱利用率達(dá)30%～40%，達(dá)國內(nèi)外先進(jìn)

水平。

噸焦產(chǎn)生蒸汽達(dá)0.10噸，溫度平均達(dá)158℃，壓力達(dá)到0.6MPa。

可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化長期、穩(wěn)定運(yùn)行，操作維護(hù)簡單，維護(hù)成本低。使用壽命達(dá)5年以上，投資回收期約2年

左右。

煉焦工序能耗降低10kg標(biāo)煤/噸焦。

5.2 項(xiàng)目研發(fā)對行業(yè)節(jié)能減排的意義

經(jīng)過三鋼一年多的運(yùn)行，焦?fàn)t上升管荒煤氣余熱回收利用的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著：高溫荒煤氣余熱回收后至少能產(chǎn)生0.6MPa的飽和蒸汽約0.08～0.1噸/噸焦，如果全面推廣到5.5m、6m焦?fàn)t則應(yīng)用前景會更加廣闊，為行業(yè)和國家的節(jié)能減排作更大貢獻(xiàn)。

5.3 環(huán)境保護(hù)

本工程生產(chǎn)原料及中間產(chǎn)品僅為“水—蒸氣—水”，水液兩相全封閉循環(huán)，無廢氣產(chǎn)生。出現(xiàn)故障時僅有少量蒸汽泄露。

本工程生產(chǎn)原料及中間產(chǎn)品僅為“水—蒸氣—水”兩相全封閉循環(huán)，僅有少量排污情況。排污水水量最大0.5t/h，水質(zhì)優(yōu)于現(xiàn)焦化廠循環(huán)水補(bǔ)充水水質(zhì)，故將其作為循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)充水排入現(xiàn)焦化廠循環(huán)水系統(tǒng)，本工程對外無廢水排放。

5.4 增量效益

荒煤氣溫度降低約300℃，減少氨水、循環(huán)水、制冷水消耗量40%；每上升管裝置每小時產(chǎn)生蒸汽0.10噸，降低煉焦工序能耗10公斤。

6 結(jié)語

常州江南冶金科技有限公司進(jìn)行的焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱余熱回收利用，其節(jié)能減排研發(fā)與實(shí)踐是以節(jié)能降耗生產(chǎn)理念為指導(dǎo)，對傳統(tǒng)節(jié)能降耗工作的深化和提升，對發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的作用是顯著的。通過實(shí)踐，認(rèn)為我們開發(fā)和研制的焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱余熱回收利用系列工藝技術(shù)及裝備，填補(bǔ)了焦化行業(yè)節(jié)能降耗的一項(xiàng)空白。這些技術(shù)和設(shè)備無論從生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)還是環(huán)保方面考慮都是十分可行的，是焦化企業(yè)最佳的選擇。尤其切合國家節(jié)能減排新政，對盡可能達(dá)到十二五規(guī)劃目標(biāo)會起到一定的推動作用。

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作者簡介：韓培（1965-），江蘇常州人，常州江南冶金科技有限公司總工程師，高級工程師，研究方向：節(jié)能減排。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）