煤氣發生爐煤氣余熱回收利用工程應用實踐探索

文_李啟輝 中煤科工集團南京設計研究院有限公司

煤氣發生爐產生的煤氣平均出口溫度為300～550℃，蘊含大量的熱能。目前主要通過直接噴淋降溫至30～40℃，煤氣中攜帶熱能直接通過噴淋水帶走，沒有加以合理利用，本研究通過余熱回收設備回收煤氣中余熱并用于生產蒸汽，可有效減少能量損失，同時生產的蒸汽可供應廠內生產，并減少噴淋水利用量，節約煤氣廠生產成本。

當前普遍所采用的余熱回收方式有水或水蒸氣換熱和導熱油換熱兩種。但由于煤氣中含有煤焦油及煤灰，當壁面溫度低于250℃時，煤焦油就會粘連在換熱設備表面，同時煤氣中的煤灰會吸附煤焦油，形成硬塊，很難清理干凈。如果換熱設備管內采用水或水蒸氣進行換熱，其溫度必須控制在250℃以上，對應的飽和壓力為4.0MPa，此壓力等級下安裝余熱鍋爐，若選用普通管殼式鍋爐，壓力等級太高；若選用自然循環鍋爐，管路太復雜，水動力循環很難保證。

本研究采用導熱油為熱載體，利用循環熱油泵，強制液相循環，將熱能輸送給用熱設備。整個換熱設備的壁面溫度都大于250℃，無煤焦油附著在換熱設備上。

1 煤氣發生爐工藝流程和煤氣量

本研究利用的煤氣發生爐出口的煤氣經過噴淋降溫除塵處理，電捕焦油器凈化，加壓機加壓后送至焙燒爐作為燃料使用。單臺爐煤氣量5500Nm3/h，本項目共30臺煤氣發生爐總的煤氣量約165000Nm3/h。煤氣發生爐產生的煤氣平均出口溫度為480℃。

2 余熱回收系統的工藝設計

2.1 導熱油的選用

對于導熱油的選用，首先應考慮工藝溫度要求及導熱油最高允許使用溫度之間的關系，導熱油嚴禁超溫使用，同時考慮包括黏度、閃點、酸值、殘碳等，同時還應考慮溫度與導熱油的密度、比熱、黏度、導熱系數的關系。另外導熱油在使用半年后應每3個月對導熱油取樣化驗一次，四項指標中有兩項不合格（殘炭不大于1.5%、酸值不大于0.5mgKOH/g、閃點變化率不大于20%、黏度變化率不大于15%）或導熱油分解成分含量超過10%時，導熱油應進行更換。

導熱油進出余熱回收設備溫度分別為250℃、280℃，考慮到熱油使用壽命，因此可以選擇YD系列導熱油。根據煤氣產生量及換熱器參數，導熱油總需要量為30m3。

2.2 余熱回收設備及安裝位置

項目采用余熱回收設備為帶擴展受熱面的管簇組成，與煤氣對流換熱，管內導熱油為強制循環，帶走煤氣的熱量。設備安裝于淋洗塔頂部，采用鋼架支撐。

2.3 導熱油輸送系統

導熱油由熱油循環泵輸送至煤氣-油余熱回收設備換熱后，通過蒸汽發生器經油水換熱產生蒸汽。本設計實現了導熱油循環利用，導熱油輸送主管道出主廠房后利用煤氣廠現有煤氣管道管廊架空敷設。

2.4 蒸汽產生系統

除鹽水經水泵進入除氧器除氧，除氧水送入蒸汽發生器，與蒸汽發生器管內的導熱油發生熱交換產生蒸汽。蒸汽發生器產生的蒸汽匯集到分氣缸中，產生的蒸汽除氧器自用外，一部分用于煤氣廠生產，剩余部分送至場內現有蒸汽管網。

2.5 吹灰系統

煤氣中對含氧量有嚴格要求，因此通常聲波（空氣聲源）吹灰器不適用，本系統配備蒸汽吹灰裝置，同時備用高壓水槍沖洗設備。

3 系統安全性分析

3.1 導熱油安全性及控制措施

本項目選用YD系列芳烴導熱油，其化學性質較穩定，與輕質油相比不易著火燃燒。在允許溫度范圍內其主要特性有：熱穩定性較好，結焦少，使用壽命較長；導熱性能、流動性能及可泵性能良好；低毒無味，不腐蝕設備，對環境影響很小；凝固點較低，沸點較高，低沸點組分含量較少，蒸汽壓不高，蒸發損失少；溫度高于70℃時，與空氣接觸會被強烈氧化，其受熱工作系統需密封；膨脹率遠大，溫升100℃，體積膨脹率可達8%～10%；過熱時會發生裂解或縮合，在容器、管道中結焦或積碳；混入水或低沸點組分時，受熱后蒸汽壓會顯著提高；閃點、燃點及自燃點均較高。

由導熱油安全特性可以看出，在允許溫度、導熱油性能正常、操作得當情況下，系統運行是安全可靠的。但為確保安全，本項目通過防泄漏、避免導熱油變質、停電保護等方面設置必要的措施。

3.2 對鼓風機性能影響分析

本項目共用4臺鼓風機（3用1備），每臺煤氣發生爐煤氣余熱回收設備的阻力為100Pa。

由于氣化爐為并聯設置，換熱設備的阻力約100Pa，計算增加的風機消耗功率約為19 kW：

其中：Vg為煤氣量，單位為m3/h，取440000；△hy為增加煤氣阻力，單位為Pa，取100；ηy為引風機效率，取85%。

3.3 對爐底水封的影響

正常工作狀態爐底壓力6.3kPa，折合水柱高度約6300/9.8=643mm。裝備煤氣余熱回收裝置增加的爐底壓力折合水柱高度10.2mm，相較于原來水封高度643mm的1.5%，可以忽略影響。

3.4 對噴淋系統的影響

3.4.1 降溫作用

換熱設備本身吸收一部分熱量，使得煤氣的溫度由480℃降至280℃，減少了噴淋的降溫量。煤氣溫度的降低，煤氣體積減小，約為原來的67.2%。

總體上看，煤氣進口溫度的降低，對噴淋塔的降溫效果是有益的。

3.4.2 除塵作用

在噴淋水量不變或減少的前提下，由于壓縮了噴淋降溫的空間，除塵的效果略微變差，但是考慮到煤氣溫度降低，煤氣流速變慢，煤氣與噴淋水接觸時間變長，這部分影響可以忽略不計。

4 效益分析

4.1 經濟效益

本項目選用與煤氣發生爐相匹配的30套導熱油余熱回收設備及相應2臺蒸汽發生器，系統總投資3094.47萬元，項目建成投產后，產生蒸汽量為12.8萬t/a（1.5MPa，198℃）。年均銷售利潤701.4萬元，項目投資財務內部收益率稅前為31.55%，投資回收年限（稅前）3.92年。

4.2 節能等效標煤量

860——“大卡”和“千瓦時”單位轉換系數。

4.3 減排量

4.3.1 二氧化碳減排量NCO2

4.3.2 二氧化硫減排量NSO2

5 結論

本文中提出的項目設計充分利用煤氣發生爐高溫煤氣中的熱能，回收余熱，實現了循環利用、節能減排的目標，完全符合國家的能源環保政策，具有顯著的經濟效益、社會效益和環境效益。