焦?fàn)t上升管荒煤氣余熱利用技術(shù)

樊 響 劉 江 楊 飛

（1北京市鋼鐵冶金節(jié)能減排工程技術(shù)研究中心 北京 100029 2北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京 100029）

引言

隨著我國(guó)能源供求矛盾的日趨突出和能源結(jié)構(gòu)不合理問題的嚴(yán)重困擾，除廣開能源供應(yīng)渠道、大力開發(fā)利用新能源等措施外，節(jié)能新技術(shù)、新工藝和節(jié)能設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用，對(duì)于提高我國(guó)能源利用效率、促進(jìn)“十三五”節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，也具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。煉焦化學(xué)工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，焦炭的生產(chǎn)過程為：配合煤在焦?fàn)t里隔絕空氣的條件下加熱干餾，經(jīng)過干燥、熱解、熔融、粘結(jié)、固化、收縮等過程制成焦炭，過程中產(chǎn)生大量荒煤氣。焦?fàn)t荒煤氣的溫度650℃～800℃，這一部分熱量屬于中溫余熱，占焦?fàn)t支出熱的36%[2]。從80年代初期國(guó)內(nèi)就開始嘗試回收焦化荒煤氣帶出的這部分顯熱，但至今未形成成熟、可靠、高效的回收利用技術(shù)，焦?fàn)t荒煤氣余熱資源沒有得到有效回收利用的現(xiàn)象，造成大量能源浪費(fèi)[3]。

1 荒煤氣余熱利用技術(shù)簡(jiǎn)介

荒煤氣余熱利用技術(shù)是對(duì)于占焦?fàn)t支出熱的36%的中溫余熱進(jìn)行利用的技術(shù)（見表1）。利用上升管換熱器回收荒煤氣中的余熱加熱水，從換熱裝置出來的汽水混合物通過汽包進(jìn)行汽水分離，產(chǎn)生蒸汽產(chǎn)品。作為鋼鐵企業(yè)中的一個(gè)重要生產(chǎn)工序，焦?fàn)t生產(chǎn)過程中能源消耗占鋼鐵總能耗的7%～8%，焦化過程中每噸焦有50千克標(biāo)煤可以進(jìn)行回收利用。上升管荒煤氣余熱在焦?fàn)t生產(chǎn)中熱量支出排第二位，該余熱資源進(jìn)行回收后，可產(chǎn)生低壓飽和蒸汽11.45萬噸/a，同時(shí)，可節(jié)約氨水用電量96×104kWh/a。

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多家焦化廠采用了上升管荒煤氣余熱利用技術(shù)，河北某大型鋼鐵企業(yè)焦化廠2x45孔6米焦?fàn)t采用上升管荒煤氣余熱利用技術(shù)生產(chǎn)壓力0.8MPa，溫度175℃的飽和蒸汽供廠區(qū)自用；江西某鋼鐵焦化廠2x63孔6米焦?fàn)t采用上升管荒煤氣余熱利用技術(shù)后，產(chǎn)生0.5～0.7MPa飽和蒸汽進(jìn)行蒸汽并網(wǎng)；河南某焦化2x55孔6米焦?fàn)t采用上升管荒煤氣余熱利用技術(shù)生產(chǎn)過熱蒸汽，每年可可產(chǎn)蒸汽約8.8萬噸。除此之外，還有多家焦化廠正在進(jìn)行改造，上升管荒煤氣余熱利用技術(shù)已經(jīng)成為一種相對(duì)成熟的技術(shù)，應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中也達(dá)到了很好的效果。

2 工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 工藝流程

荒煤氣自焦?fàn)t碳化室經(jīng)上升管荒煤氣余熱回收裝置進(jìn)行換熱，煙氣溫度降至450℃以上。除鹽水通過除氧給水泵送入熱力除氧器進(jìn)行除氧，除氧后的水通過汽包給水泵送入汽包。在汽包內(nèi)進(jìn)行汽水分離，蒸汽從汽包輸出，輸送到廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)，分離后的水在汽水系統(tǒng)中通過強(qiáng)制循環(huán)泵進(jìn)入上升管余熱回收裝置進(jìn)行再次熱交換。工藝流程見圖1：

表1 煉焦過程中熱平衡分布情況

圖1 工藝流程圖

2.2 煙氣系統(tǒng)

煤在高溫干餾的過程中，經(jīng)歷了從濕煤—干煤—塑性狀態(tài)煤—半焦—焦炭的變化，此間以氣態(tài)形式析出的熱解產(chǎn)物稱為荒煤氣。荒煤氣自炭化室經(jīng)上升管換熱器進(jìn)行余熱回收后，溫度降至450以上，再經(jīng)橋管氨水噴淋降溫至82-85℃，匯集到集氣管后經(jīng)初步冷卻器降溫至22-35℃[4]，最后去化工車間處理。

2.3 汽水系統(tǒng)

接自除鹽水站的除鹽水，通過除氧水泵將除鹽水送入熱力除氧器進(jìn)行除氧，然后通過汽包給水泵將水送入汽包。水在汽包與上升管余熱回收利用裝置之間通過強(qiáng)制循環(huán)泵進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)換熱，之后進(jìn)入汽包，在汽包內(nèi)進(jìn)行汽水分離，蒸汽從汽包輸出，輸送到廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)，水繼續(xù)循環(huán)進(jìn)入上升管余熱回收利用裝置進(jìn)行再次熱交換。汽水系統(tǒng)設(shè)置兩臺(tái)汽包，一備一用；四臺(tái)強(qiáng)制循環(huán)泵，兩用兩備。此外，每套汽水系統(tǒng)需設(shè)置三臺(tái)取樣冷卻器，分別用于汽包水取樣、除氧水取樣和飽和蒸汽取樣。

2.4 除氧系統(tǒng)和磷酸鹽加藥系統(tǒng)

為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)行不受氧腐蝕，提高設(shè)備使用壽命，汽包補(bǔ)水進(jìn)入熱力式除氧器進(jìn)行除氧處理，氧含量≤0.05mg/L。汽包水采用磷酸鹽處理，磷酸鹽溶液通過計(jì)量泵直接加入到汽包。配置一套磷酸鹽加藥裝置，加藥量由人工控制。系統(tǒng)設(shè)置三臺(tái)取樣冷卻器，分別用于爐水取樣、除氧水取樣和飽和蒸汽取樣。

2.5 冷卻水系統(tǒng)和排污疏放水系統(tǒng)

系統(tǒng)中強(qiáng)制循環(huán)水泵、除鹽水泵和補(bǔ)水泵的冷卻水均接自廠區(qū)內(nèi)部供水母管，回水送入原冷卻塔進(jìn)行冷卻，實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用，回水返回原母管回水管道。每套余熱回收系統(tǒng)設(shè)置1臺(tái)2m3定期排污擴(kuò)容器和1臺(tái)0.8m3的連續(xù)排污擴(kuò)容期，汽包本體和除氧器的排污經(jīng)管道進(jìn)入排污擴(kuò)容器，冷凝水由積水坑內(nèi)潛污泵排入廠區(qū)污水管道，統(tǒng)一處理后重復(fù)利用。緊急放水接至緩沖水箱循環(huán)利用。

3 主要設(shè)備參數(shù)簡(jiǎn)介

以2x55孔6米焦?fàn)t為例，上升管荒煤氣余熱利用系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)見表2。在荒煤氣余熱利用系統(tǒng)中，設(shè)置兩臺(tái)汽包，一備一用，其特點(diǎn)在于，當(dāng)設(shè)備進(jìn)行檢修時(shí)，或者正在使用的汽包出現(xiàn)了問題，汽包需要年檢的情況下，啟用備用汽包。其優(yōu)點(diǎn)為：避免了上升管換熱器的干燒，延長(zhǎng)了上升管換熱器的使用壽命；防止?fàn)t頂溫度過高，影響工人的操作；生產(chǎn)蒸汽不會(huì)間斷，不影響其他生產(chǎn)的進(jìn)行。上升管換熱裝置存在夾套式和盤管式兩種形式。

表2 設(shè)備參數(shù)表

3.1 夾套式上升管基本參數(shù)和特點(diǎn)

工作壓力（汽水管路）1.0MPa（G）

設(shè)計(jì)壓力（汽水管路）1.6MPa（G）

工作溫度（汽水管路）175℃

設(shè)計(jì)溫度（汽水管路）240℃

進(jìn)口荒煤氣溫度：650℃～870℃

出口荒煤氣溫度：大于450℃

材質(zhì)：15CrMo

數(shù)量：112臺(tái)（其中2臺(tái)庫(kù)備）

夾套式上升管管壁由多層材料構(gòu)成，由內(nèi)到外依次為：①納米導(dǎo)熱層。②耐高溫耐腐合金。③導(dǎo)熱體。④幾何態(tài)換熱體。⑤納米保溫層。⑥外保護(hù)層。為了防止漏水，上升管內(nèi)側(cè)的水夾套采用的材質(zhì)為特殊合金，這種合金在2600℃以上高溫時(shí)熔化成型。為了增加其抗應(yīng)變性，在高溫熔化成型后需與外層無縫鋼管加工融合，充分利用了特殊材料的耐磨和耐高溫性，又利用了鋼管的強(qiáng)度，二者有機(jī)結(jié)合形成防漏保護(hù)層。上升管換熱器的主體部分為無縫完整結(jié)構(gòu)體，這種結(jié)構(gòu)體是通過特殊設(shè)計(jì)和加工制造而成，呈異性幾何態(tài)規(guī)律排列，無縫鋼管形式的金屬導(dǎo)熱體保證無水滲漏。換熱器壁導(dǎo)熱和絕熱的納米材料與特殊合金二者的高溫熔合，具有防腐、耐高溫、不掛結(jié)的特性，納米導(dǎo)熱材料的選擇和應(yīng)用最大程度避免大面積結(jié)焦。幾何態(tài)換熱體是獨(dú)立受壓結(jié)構(gòu)，位于內(nèi)層和外層之間，獨(dú)立于整個(gè)結(jié)構(gòu)，利用蓄熱導(dǎo)熱材料保證換熱效果穩(wěn)定可靠。納米保溫層材料的選擇和應(yīng)用不僅保證了熱交換效率而且降低了環(huán)境溫度。

3.2 盤管式上升管基本參數(shù)和特點(diǎn)

工作壓力（汽水管路）1.0MPa（G）

設(shè)計(jì)壓力（汽水管路）1.6MPa（G）

工作溫度（汽水管路）175℃

設(shè)計(jì)溫度（汽水管路）240℃

進(jìn)口荒煤氣溫度：650℃～870℃

出口荒煤氣溫度：大于450℃

材質(zhì)：15CrMo

數(shù)量：112臺(tái)（其中2臺(tái)庫(kù)備）

盤管式上升管換熱器管壁由多層材料組成，從內(nèi)到外依次為：①納米導(dǎo)熱層。②耐高溫耐腐合金。③導(dǎo)熱體。④獨(dú)立換熱盤管。⑤大空間流態(tài)型導(dǎo)熱層。⑥納米保溫層。⑦外保護(hù)層。盤管式上升管換熱器內(nèi)壁采用耐高溫進(jìn)口納米導(dǎo)熱材料，耐熱溫度為1800℃，經(jīng)過500℃的高溫后內(nèi)表面形成均勻光滑而又堅(jiān)固的釉面，無死角，不易造成結(jié)焦，即使結(jié)焦，也不易附著，而且易于清除[5]。通過進(jìn)水流量和出口荒煤氣溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，一定程度上控制了上升管的除鹽水進(jìn)出口溫度差，出口荒煤氣溫度的合理控制（不低于450℃）減緩焦油的凝析形成，及其他成分的附積[5]。新型導(dǎo)熱材料的應(yīng)用，確保了換熱過程中溫度的穩(wěn)定。

3.3 兩種上升管換熱器的對(duì)比

表3 夾套式和盤管式上升管對(duì)比表

結(jié)語(yǔ)

上升管荒煤氣余熱利用技術(shù)能夠有效的回收焦?fàn)t荒煤氣的顯熱，降低煙氣溫度，生產(chǎn)蒸汽產(chǎn)品，不僅有效的提高了焦化廠的能源利用率，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，而且降低了爐頂溫度，改善了作業(yè)環(huán)境，達(dá)到了節(jié)能減排的效果。兩種類型的上升管換熱器，可滿足不同工況焦化廠的需求。該技術(shù)的節(jié)能效果顯著，在焦?fàn)t荒煤氣余熱利用領(lǐng)域具有廣闊的前景。