上升管荒煤氣余熱回收利用技術在PW型焦爐上的運用

余志彥

（山東鋼鐵集團日照有限公司焦化部，山東 日照276800）

1 前言

山鋼日照鋼鐵精品基地7.3 m焦爐引進意大利PW型焦爐技術，在國內首次使用，在焦爐爐體、焦爐機械、工藝裝備、自動化和環保水平等方面達到國際先進水平。該類型焦爐在日照精品基地共建設了4座，均已順利投產運行，其中3#、4#焦爐采用了上升管荒煤氣余熱回收利用技術。

焦爐荒煤氣的余熱回收利用歷來都是焦爐能源回收利用的主要關注點，荒煤氣余熱利用技術是對于占焦爐支出熱的36%中的溫余熱進行利用的技術。目前焦化行業傳統的方法是噴灑大量70～75℃循環氨水（日照精品基地1#、2#焦爐），其在吸收荒煤氣熱量后蒸發，使荒煤氣溫度得以降低，但如此會造成荒煤氣的熱量白白浪費；而焦爐上升管余熱回收利用系統既通過與循環除氧水的熱交換達到了降低荒煤氣溫度的目的，又使除氧水換熱后轉換為蒸汽，使能源得到了充分的利用。對3#、4#焦爐采用了上升管荒煤氣余熱回收利用系統工藝流程、運行效果及投產后產生的細節問題的解決作了介紹。

2 工藝系統簡介

煉焦過程中熱平衡分布情況如表1所示。

表1 煉焦過程中熱平衡分布

2.1 上升管荒煤氣余熱利用工藝流程

由除鹽水站出口管道輸出壓力為0.4 MPa的除鹽水到余熱回收除鹽水箱的整個工藝流程，通過除鹽水進水電磁閥控制除鹽水箱的液位，通過除氧水泵恒壓供水，通過PID控制進水調節閥調節除氧器液位。進行除氧加熱產生102～104℃的除氧水，經汽包給水泵輸送至汽包，通過PID調節汽包進水調節閥保持設定水位（250 mm），汽包通過強制循環泵向7.3 m焦爐上升管換熱裝置供水。焦爐煉焦生產過程中，炭化室煤餅產生溫度為650～950℃的焦爐荒煤氣，焦爐荒煤氣通過裝置內壁傳熱給換熱器。換熱后，上升管換熱器出口的荒煤氣溫度為500～600℃，通過換熱器吸收熱量換熱產生的汽水混合物，通過汽水連接管道引至汽包，從汽包出來的飽和蒸汽并入低壓蒸汽管網，上升管荒煤氣余熱利用工藝流程如圖1所示。

圖1 上升管荒煤氣余熱利用工藝流程

2.2 工藝設備組成

山鋼日照基地共建設1組2座2×58孔7.3 m焦爐，年產170萬t。設備組成有荒煤氣顯熱回收利用裝置、汽水循環系統、蒸汽利用系統、檢測控制系統、輔助加藥除氧連排定排系統等，設計每年產生0.6～0.8 MPa飽和蒸汽22.1萬t左右，設計指標130 kg蒸汽/t焦。

工程配套的能源接點均就近接入。供電接點由焦化廠上一級變電站分別引來兩路獨立的380 V供電電源，且每路電源皆能承擔各區域100%的負荷；除鹽水來自除鹽水站，利用干熄焦附近的已有接點，在除鹽水站出口管道上附近接入；循環水接點是在干熄焦綜合管廊上利用已有接點就近接入；外送蒸汽是在干熄焦綜合管廊上利用已有接點，就近接入。

上升管換熱器為焦爐頂部沿焦爐機側縱向布置，熱力系統與上升管換熱器之間的連接管道（上升管和下降管）布置于焦爐機側管廊的預留位置。4#焦爐機側對面的空地上增建框架平臺，3層結構，強制循環水泵間和電氣配電室位于熱力泵房1層，除氧器布置于汽包框架平臺2層，汽包布置在框架平臺的第3層。配電室間采用空調冷卻電氣設備，采用必要的封閉設施。電氣控制系統工程師站安裝在焦爐控制室內。

2.3 上升管顯熱回收利用裝置設計特點

上升管顯熱回收利用裝置分上升管換熱器及自動測溫系統兩部分。焦爐上升管荒煤氣顯熱回收裝置分為內壁、汽化裝置、外壁3部分，將焦爐原上升管更換為開發的上升管荒煤氣顯熱回收裝置后，焦爐荒煤氣通過裝置內壁換熱，產生的蒸汽集中至汽包。上升管換熱器結構如圖2所示。

圖2 上升管換熱器結構

本項目使用的上升管為無縫管結構形式，可以避免因焊縫應力不均造成的漏水。其次，上升管內壁附著高于2 600℃的高溫熔融材質，能適用于500～1 500℃的復雜荒煤氣環境，可避免高溫氧化上升管內壁造成上升管變形漏水。另外，在上升管筒中部設置特殊結構膨脹節，可以消除上升管內、外筒周期性熱應力的影響破壞。采用該裝置可以從根本上杜絕上升管余熱回收裝置漏水而損壞爐墻的風險。具有如下設計特點。

1）上升管換熱器共計116個，分別布置在焦爐機側上升管位置，荒煤氣流向為下進上出，除氧水為下進上出，二者進行順流換熱。順流是為了控制壁溫，保證內部不低于焦油露點溫度。

2）上升管換熱器采用并聯方式排列。

3）每臺上升管換熱器進水處設置自動控制閥門，自控閥門根據測量的立管內煤氣溫度進行PID調節（溫度信號由業主方提供接入點）；出水口設置手動閥門，可以根據需要隨時進行換熱器切斷。

4）上升管換熱器保證其環保性、安全性、節能性，材料采用耐高溫性能的材料，具備耐熱防漏水、防結石墨及防掛焦油3重功能。

5）自動測溫系統，是上升管余熱回收的重要組成部分，監控上升管的工作狀態，通過上升管的表面溫度的測量來判斷上升管是否缺水，保障上升管安全、平穩地運行，延長上升管的使用壽命。

6）系統設計對上升管換熱器的安全性具有可靠的保證性。①為防止由于布水不均勻導致上升管干燒情況的發生，系統管道采用梯級布置。考慮到焦爐運行的情況，采取4個上升管換熱器為一供水分管，3個分管并為1個支管，總管采用變徑的方法，有效保證每個上升管換熱器的進水量相對均勻，并在每個支管與總管連接處安裝閥門，保證特殊情況下可以停止單根或1組上升管的運行，不影響整個系統的運行。②通過強制循環泵、大流量低揚程、分段的管網布局，充分保證每個上升管換熱器的進水相對均勻。③考慮焦爐停電可能造成的換熱裝置斷水干燒，采用兩路電源自動切換供電。該新型上升管換熱器具有耐高溫性能，上升管連續干燒時間為1個月以上，但考慮到上升管器干燒時間過長再進水，溫差比較大，影響上升管使用壽命，故干燒時間盡可能短。

3 生產實際效果及改進措施

3.1 荒煤氣顯熱回收率

山鋼日照精品基地3#焦爐在2019年1月30日加煤投產，4#焦爐在2019年5月30日加煤投產，焦爐上升管荒煤氣余熱回收利用裝置一并投入使用，余熱回收利用效率十分明顯。除鹽水溫25℃；汽包給水溫度102～104℃；產生蒸汽溫度165℃；蒸汽發生量436 kg/h。水在165℃時蒸汽焓為2 763 kJ/kg，25℃時水的焓為173 kJ/kg。由25℃至165℃的蒸汽時焓變化，即吸熱量為2 590 kJ/kg。每孔炭化室1個結焦周期（28 h）回收顯熱約為3.16×107kJ。

3.2 節能減排情況

工序能耗：噸焦降低工序能耗＞10 kg標煤。后序工序能耗：可以減少循環氨水循環量15%～20%；可以減少蒸氨工段冷卻系統電耗及用水量。減碳收益：1組2座7.3 m焦爐年產170萬t焦炭產量，可產0.6～0.8 MPa飽和蒸汽22.1萬t，折合標煤2.03萬t以上，可減排CO2約5.66萬t以上，占1座焦爐年總排量的10%左右。

3.3 上升管冒煙問題分析及改進措施

3#焦爐投產不久，出焦時，上升管出現冒“黑煙”現象，嚴重影響了環保問題。通過對外考察，對內分析原因，先后采取了加裝孔板調節水量，減少彎頭減少阻力，增加保溫減少散熱，清理立管，煤車導煙，撬開加煤口熱量帶走焦油，立管內壁加裝金鋼玉等一系列措施。最終，經過試驗，在立管上加裝金剛玉，有效地遏制了上升管冒煙現象。將該措施立即應用到新建4#焦爐上，3#焦爐也隨之根據生產安排，利用檢修時間逐步對立管進行更換。

上升管冒煙的原因，或許是由于立管熱交換效率過大，導致荒煤氣溫度下降過于明顯，超過最底溫度限值。對上升管橋管處溫度檢測得知，荒煤氣溫度不足430℃，而因為焦爐荒煤氣里含有焦油，焦油在低于450℃時易于冷凝成黏稠狀液體浮著在立管內表面上。當上升管水封蓋打開時，焦油液體隨氣流飄出上升管，遇空氣進一步冷凝成黑色固體漂浮物，形成“黑煙”。加裝金剛玉后，降低了立管熱交換效率，上升管上部出口荒煤氣溫度保持在470℃以上，從而有效遏制了上升管冒煙現象的發生。

4 結語

山鋼日照精品基地3#、4#焦爐采用了上升管荒煤氣回收利用技術，利用荒煤氣顯熱回收產生蒸汽，兩座焦爐每年可產0.6～0.8 MPa飽和蒸汽22.1萬t左右，有利于企業節能降耗減排，減輕環境污染。在運用之初，出現上升管冒“黑煙”現象，經過一系列措施和設備改造試驗后，選擇在立管上加裝金剛玉的方式，有效地解決了冒煙現象，真正地實現了節能環保。上升管荒煤氣回收利用技術的成功運用，不僅具有較好的經濟效益，而且具有較顯著的環境效益和社會效益。