6 m焦爐上升管余熱利用技術的應用與實踐

張紀民 李洪鈞 張漢卿 張化強 張海英 張 俊 高慶華

（安陽鋼鐵股份有限公司）

6 m焦爐上升管余熱利用技術的應用與實踐

張紀民 李洪鈞 張漢卿 張化強 張海英 張 俊 高慶華

（安陽鋼鐵股份有限公司）

主要介紹了6 m焦爐上升管余熱利用技術的應用目的、工藝原理、工藝流程以及在應用實踐中存在的問題，并通過采取有針對性的改造措施，合理高效地利用余熱以達到節能增效的目的。

上升管 余熱利用 改造 節能增效

0 前言

安鋼焦化分公司四煉焦車間6 m焦爐承擔著為公司2＃、3＃大高爐提供優質焦炭供應的任務。近年來隨著節能技術的不斷發展，合理利用焦爐荒煤氣的顯熱，降低荒煤氣的溫度，既可以節能增效，同時又可以減輕后續化產系統的冷卻負荷，有利于提高化產品的產量和收率。經過公司前期研究和方案論證，6 m焦爐決定進行上升管改造，實施上升管余熱利用技術，該項目于2017年4月21日更換完所有新型上升管，系統正式投產運行，目前該系統整體運行平穩，節能增效效果明顯！

1 應用目的及工藝原理

焦爐生產過程中煉焦煤在焦爐碳化室內被隔絕空氣加熱干餾生成焦炭，在該過程中同時產生大量荒煤氣。這些荒煤氣通過上升管、橋管而后進入集氣管，再通過鼓風機送入后續化產處理工序［1］?；拿簹鉁囟却蠹s在700℃～850℃，這么高的溫度必須經過冷卻處理。目前處理工藝是直接用70℃～75℃的氨水大量噴灑來冷卻荒煤氣，將煤氣溫度冷卻到80℃～85℃左右［2］?；拿簹鈱С鱿到y如圖1所示。

這種冷卻工藝造成高溫荒煤氣帶出的650℃～750℃的顯熱大部分被氨水汽化吸熱所帶走而無法有效利用，同時也增加了后續系統處理的熱負荷［3］。

圖1 荒煤氣導出系統示意圖

為此，在6 m焦爐進行了試驗，根據配合煤成分分布比例，通過上升管溫度隨結焦時間變化呈現的溫度分布區間規律，確定荒煤氣換熱溫差，從而來確定上升管余熱利用的參數設置?；拿簹馐敲涸诮範t炭化室溫高溫干餾的過程中，從焦爐上升管逸出的高溫熱解產物。荒煤氣的組成十分復雜，按大類劃分，可分為三部分：水汽、干煤氣和雜質。依據煉焦煤的不同荒煤氣組成也不相同。其中，影響荒煤氣組成的主要因素有：煉焦煤的含水量、煤的揮發分含量、煉焦操作條件等。對焦爐上升管溫度進行周期測量，尋找上升管溫度與結焦時間之間的函數關系。因上升管溫度范圍約在600℃～750℃，在換熱的理論計算中，實現全部熱量余熱回收可實現能源回收的最大化。但是上升管內壁溫度低于一定值容易附著焦油，造成內壁空間縮小、傳熱系數降低。在荒煤氣的余熱回收過程中，當荒煤氣被冷卻到一定的溫度時，荒煤氣中的焦油就會在換熱界面析出，而且荒煤氣冷卻溫度越低，冷凝在傳熱界面的焦油量就會越多。我們對上升管進行換熱量試驗，按照不同換熱量進行溫度測量、換熱系數計算和內壁附著物測定。對換熱量及降溫點進行試驗界定，保證上升管換熱后內壁不能有附著物。抽取6 m焦爐的10根上升管，觀察測量上升管溫度變化與焦油形成的對應關系。經試驗研究表明：在荒煤氣余熱回收過程中荒煤氣中的焦油蒸汽受到冷卻或遇到冷的換熱界面（上升管內壁）冷凝析出，荒煤氣冷卻溫度越低，焦油析出量就越大。當上升管內壁溫度為260℃～270℃時，焦油沉積物較多；當內壁溫度升到450℃～470℃時，焦油沉積物少且酥松。因此確定荒煤氣換熱溫度不小于450℃，減少焦油冷凝析出量。同時根據配合煤組分調整和結焦時間變化，定期監測荒煤氣流量和溫度，根據實際情況來規定荒煤氣冷卻的下限溫度，從而對換熱介質的流量進行調控，使換熱裝置盡量在不結焦油沉積物的情況下，盡可能多的回收荒煤氣顯熱，達到余熱回收效率最高，實現動態控制焦油附著狀況。通過試驗確定上升管余熱系統的控制參數后，為有效利用荒煤氣的顯熱，我們對上升管進行了更換，使用達到系統參數設置的具有汽化導熱裝置和固態導熱介質的新型上升管，在新型上升管夾套層內以除氧水作為換熱介質來回收荒煤氣顯熱，可以將荒煤氣溫度降低200℃～300℃，有效降低后續煤氣處理系統的熱負荷；除氧水與高溫荒煤氣換熱后生成汽水混合物，在夾套上部排出通過管道送至汽包，并通過后續處理達標后送往蒸汽主管網供后續用戶使用。

2 工藝流程

上升管余熱利用系統核心設備新型上升管和汽包全部在焦爐爐頂，其他輔助設施在地面泵房內。其工藝流程如圖2所示。

圖2 上升管余熱利用工藝流程

公司管網供應的除鹽水進入除鹽水箱，除鹽水經過除氧補水泵壓入除氧器進行除氧，經過除氧后的除氧水再經汽包補水泵送到1＃、2＃汽包。系統使用的除鹽水指標見表1。

表1 除鹽水水質控制指標

汽包內的爐水通過強制循環泵分別進入7＃、8＃焦爐上升管換熱器進行換熱，通過換熱裝置利用焦爐荒煤氣顯熱加熱爐水，上升管換熱器出來的汽水混合物通過管道返回汽包進行汽水分離。上部產生的飽和蒸汽一路供給除氧器用于對除鹽水除氧，另一路進入上升管過熱器進行再次加熱生成過熱蒸汽，達標后的過熱蒸汽通過分氣缸后并入蒸汽主管網供后續用戶使用。汽包下部的爐水通過強制循環泵再供到上升管中進行循環使用。

3 存在問題及改進措施

上升管余熱利用系統自投產運行以來，總體運行平穩，蒸汽產出連續穩定。但在實際生產過程中仍然存在一些問題，為此對其進行了分析和改造。

3.1 所有給水泵增加備用水源

系統所屬的所有給水泵都是使用地表水作為冷卻水源，沒有備用水源，這將給生產造成很大被動，萬一地表水停水將造成系統被迫全部停產，影響生產穩定運行和造成設備燒損損壞。為此我們對給水泵的冷卻水源進行了改造，增加了一路循環水作為備用水源，在原供水主管上增加了一個供水回路，并單獨設立控制閥門可實現單獨使用任意水源，這樣就可以避免因停水而造成系統的全面停產。

3.2 蒸汽管線改造

系統投產后從過熱蒸汽主管至分汽缸的管線上沒有設膨脹節，而且兩個汽包的連接管線是直管硬連接，這種結構在蒸汽溫度和壓力出現較大波動時容易應力過大造成管線開裂或拉斷。為此我們對這兩處進行了改造分別增設了膨脹節和U形管，這樣可以減少波動對管線的沖擊，有利于提高管線的使用壽命。

3.3 設計工藝改進

上升管余熱利用回收生產蒸汽一般為飽和蒸汽，參數為壓力0.5 MPa、溫度175℃。而我分公司使用的生產用蒸汽為過熱蒸汽，參數要求壓力0.9 MPa、溫度200℃～240℃，顯然飽和蒸汽溫度低于生產要求，必須要進行改進。為此設計時我們改變了換熱流程，采用了分段取熱工藝。通過換熱熱平衡計算，我們將6 m焦爐的110根上升管中用100根生產飽和蒸汽，這100根上升管生產的飽和蒸汽再進入其余10根上升管過熱器中換熱生產過熱蒸汽，以此來滿足蒸汽指標要求。通過改進設計工藝，產生的蒸汽壓力和溫度都能滿足生產需要，生產的蒸汽指標見表2。

表2 蒸汽各項指標

3.4 蒸汽回收系統增加應急備用設備

上升管余熱利用系統在其他單位應用時每兩座焦爐為一個焦爐荒煤氣余熱回收系統，在設計時，考慮的汽包容積是單位時間生產蒸汽量的1.2～1.3倍。正常生產時完全可以滿足蒸汽回收分離要求，因為沒有備用汽包，在生產出現特殊情況需要檢修汽包或高壓容器年檢時，只能余熱系統整體停止生產，造成余熱無法回收，浪費較嚴重。因此，在工藝設計時我們提出蒸汽回收系統要增加應急備用設備，即實行一爐一包、兩包并聯互備的工藝運行模式，每座焦爐對應一個可以容納兩個焦爐蒸汽量的汽包，平時并聯運行，檢修及特殊狀況下可以單個汽包對接兩座焦爐蒸汽量，實現不停產在線鑒定維修，保證余熱蒸汽回收連續穩定。

3.5 工藝設備布置改進

該系統上升管設計時為單一集中供水，單一集中收集汽水混合物的并聯聯動控制工藝，相對于串聯的余熱回收模式，回收物料理化狀態較穩定。每五個上升管為一組管路，但每組管路沒有安裝控制閥門，在出現數次蒸汽管道漏汽的情況下，只能整爐停產維修，維修期間蒸汽放散，造成能源回收的浪費?？紤]到分組控制有利于區域工藝調控和縮小檢修影響面，因此我們在設計時增加了每個小組的進出口控制閥門，可實現區域進出水汽的量化調節，實現區域換熱量和溫度的調控。

4 運行效果

經過對上升管余熱利用系統在設計和生產實踐過程中存在問題的改造，系統運行整體穩定順行，效果明顯。在系統168 h性能測試中，噸焦產飽和蒸汽80 kg，達到設計目標值。按6 m焦爐的設計生產能力每年可生產蒸汽約8.8萬t，可為公司節能增效1 056萬元。不僅具有可觀的經濟效益，而且上升管余熱利用技術的應用降低了上升管的表面溫度，改善了操作環境，有效減少了對環境的熱污染，也具有很好的社會效益。

［1］ 潘立慧.煉焦技術問答［M］.北京：冶金工業出版社，2007：175.

［2］ 余振東.焦爐生產技術［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，2003：120－146.

［3］ 嚴文福.焦爐熱工測試與調節［M］.北京：冶金工業出版社，1994：118－195.

THE APPLICATION AND PRACTICE OF SURPLUS HEAT UTILIZATION TECHNOLOGY IN 6m COKE OVEN

Zhang Jimin Li Hongjun Zhang Hanqing Zhang Huaqiang Zhang Haiying Zhang Jun Gao Qinghua
（Anyang Lron and Steel Stock Co.， Ltd）

The article mainly introduces the purpose， technical principle， process flow and problem in application prac?tice.Through the targeted transformation measures，use the surplus heat utilization realizing the purpose of energy efficiency.

riser surplus heat utilization transformation energy efficiency

：2017—7—16