宣鋼焦爐煙氣顯熱回收利用技術的應用研究

武巖偉

隨著我國能源供求矛盾的日趨突出和能源結構不合理問題的嚴重困擾，除廣開能源供應渠道、大力開發利用新能源等措施外，節能新技術、新工藝和節能設備的開發和應用，對于提高我國能源利用效率、促進節能減排目標的實現，也具有十分重要的現實意義。

1 焦爐上升管顯熱回收利用系統的結構組成

5#6#焦爐上升管顯熱回收技術包括上升管換熱器、汽包、強制循環泵、除鹽水箱、除氧泵、除氧器、汽包給水泵等以及相關電氣儀控設備。干熄焦除氧水經過給水調節閥供至緩沖水箱（緩沖水箱同時配備一路來自于干熄焦除鹽水箱出口的應急和補充水源），經汽包給水泵（變頻防爆、一用一備）輸送至汽包，通過PID 調節汽包進水調節閥保持設定水位（250mm），汽包通過強制循環泵（變頻防爆、一用一備）向6m 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℃～800℃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，汽包出來的飽和蒸汽并入低壓蒸汽管網。工藝流程圖1 所示。

圖1 工藝流程圖

2 上升管荒煤氣顯熱回收技術的應用

2.1 控制水量新技術，減少內壁石墨焦油的增長

上升管換熱器共計100 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。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：流量大小由孔板控制，1 號～20 號孔板直徑8mm，21 號～40 號孔板直徑10mm，41 號～60 號孔板直徑12mm，61 號～80 號孔板直徑14mm，81 號～100 號孔板直徑16mm；上升管換熱器采用順流布置，很好地控制壁溫，保證內部不低于焦油露點溫度；上升管換熱器采用并聯方式排列，通過強制循環泵、大流量高揚程、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；每臺上升管換熱器進出水處均設置手動控制閥門，可以根據需要隨時進行換熱器切斷；材料采用耐高溫性能的材料,具備耐熱防漏水、防結石墨及掛焦油的三重功能。并且系統采用兩路電源一備一用，強制循環泵一用一備，補水泵一用一備。考慮焦爐有停電可能會造成換熱裝置斷水干燒，采用兩路電源自動切換供電。

2.2 采用無縫復合整體技術，防止上升管換熱器的變形

上升管內筒是在2600 度高溫下熔合成型的無縫復合整體，能適用于500℃～1500℃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。上升管連續干燒時間為一個月以上，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；上升管換熱器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。上升管換熱器采用內筒外筒結構，受熱介質在內外筒之間的密閉空間進行換熱，介質不會滲漏到炭化室。內壁配以納米自潔材料，經過500°的高溫后內表面形成均勻光滑而又堅固的釉面，均勻光滑、無死角、不會結石墨和凝聚煤焦。

新型上升管換熱器不改變原有上升管荒煤氣內部通道，上升管換熱器內筒內徑與原上升管襯磚后的內徑保持一致；上升管換熱器的高度為原上升管總高減去底座高度304mm，保證上升管高度不變，不影響焦爐的正常生產。上升管外形尺寸圖2 如下。

圖2 上升管外形尺寸

3 焦爐荒煤氣顯熱回收技術設備的應用分析

3.1 焦爐上升管換熱器

上升管余熱回收設備的余熱回收體系的重點機械，其應用HYWHR 型荒煤氣換熱設備，此設備的構造方式、導熱設備和固態導熱介質的應用方式全部是我國研發的，有效的處理了荒煤氣廢熱應用過程中可能出現的各種影響安全性的情況。①設備構造特性。換熱設備的大小與焦爐上升管一樣，裝設期間不會妨礙焦爐的工作。內筒與外筒將的盤管應用導熱性能較好的薄片，換熱效果較好。內筒的材質選取抗高溫抗腐蝕的合金管，受力勻實度較高。無縫合金內筒表層比較光滑，不會輕易吸附結石墨和焦油。上升管換熱腔是開放性，內容與外筒夾層空腔和空氣互通，若是盤管中的水汽出現泄露則能夠借助底層的排水口進行排放，可以有效的防止水汽流入到焦爐炭化室中，確保的焦爐運轉的安全。HYWHR 換熱設備僅換熱盤管中存在壓力，別的位置均為正常壓力且開放型構造，不是壓力設備，無需按時進行檢驗，從而有效的節約了公司的開銷，并且提升了生產安全。②5#6#焦爐共設置上升管換熱器100 套，每臺換熱器進水處設置手動切斷閥門，出口處設置手動切斷閥門，切斷閥門均為2 道，1 道焊接連接，1 道法蘭連接，保證上升管換熱器正常運行和檢修更換安全。

3.2 汽包及汽水系統

除鹽水站中的除鹽水，借助除氧水泵把除鹽水輸送到熱力除氧設備中展開除氧操作，之后借助汽包送水泵把水輸送到汽包中。水在汽包和上升管余熱回收應用設備間借助強制循環泵展開強制循環換熱，然后到汽包中展開水與汽的分離，蒸汽自汽包被運送到蒸汽管網中，水接著運動然后被運送到上升管余熱回收應用設備展開熱交換。汽水體系中包含兩部汽包，其中一部為備用設備；四部強制循環泵，其中兩部為備用設備。并且，所有的汽水體系均設立3 臺取樣冷卻設備，用途是汽包水取樣、除氧水取樣以及飽和蒸汽取樣。汽包設電動放散調節閥，人工在中控室控制。放散管出口設消音器，消音器的消音量＞40dB（A）。采用2 臺單窗式磁敏雙色液位計就地顯示，2 臺平衡容器遠傳。安全閥與汽包之間加切斷閥，方便安全閥的年檢。設置事故供水槽，為預防停電燒損上升管式換熱器，滿足至少三個小時的供水，產生的蒸汽應急放散。系統蒸汽產量約12t/h，三小時的供水量為36t。預防停電措施：一是保證供水的可靠性，水泵均為運1 備1，雙回路供電；二是系統本身留有半個小時的事故處理時間。控制系統采用冗余控制，鍋爐及泵房設工業電視，信號傳至中控室。采用臥式離心泵2 臺，運1 備1，備用泵自投，5#6#焦爐共100 個上升管，考慮到上升管分布距離較長，阻力損失等以及保證每個上升管不缺水，選用6 倍～8 倍的循環倍率，保證系統的正常運行。

采用臥式離心泵2 臺，運1 備1，備用泵自投，兩泵能滿足人工同時投運，保證汽包液位在正常范圍內，防止安全事故的發生。除氧泵，采用臥式離心泵2 臺，運1 備1，備用泵自投，保證緩沖水箱液位的正常范圍。

3.3 冷卻水系統和排污疏放水系統

體系中強制循環水泵、除鹽水泵以及補水泵的冷卻水全部來自廠區中的供水管，回水進入冷卻塔展開降溫，從而再次應用，之后回水進入之前的回水管。所有的余熱回收體系均會配備定期排污擴容設備和連續排污擴容設備，汽包本體與除氧設備的排污通過管路然后流入排污擴容設備，冷凝水通過集水坑中的潛污泵進入到污水管中，經過處理之后再次應用。緊急防水與緩沖水箱連接確保能夠重復應用。

3.4 分散生產調節模式

所有上升管換熱設備均新增了進口控制閥門與出口控制閥門，能夠落實各個上升管的水汽調控。所有的換熱設備均各為整體，出現問題期間能夠單一的進行關閉，不會干預生產活動，有效的展現了生產信用，落實了節能的目標。

4 上升管荒煤氣顯熱回收技術的好處

4.1 促進能源高效利用

炭化室內煤料在隔絕空氣高溫干餾變成焦炭過程中析出荒煤氣，經過上升管流出，然后通過集氣管、吸氣管輸送到化產冷鼓工段。上升管荒煤氣余熱中包含的熱量最高能夠為焦爐輸出熱量綜合的40%左右，和紅焦顯熱差不多相同，若是不進行回收應用則會在很大程度上損耗此部分資源。借助在上升管裝設余熱回收器，能夠將大多數荒煤氣余熱進行回收并再次應用，生成的蒸汽會被輸送到氣管網中，并且被用到工業領域與低溫取暖中。理論知識和有關的試驗信息顯示，依照50%的回收率展開測算，每生成一噸焦炭，上升管荒煤氣余熱進行回收之后能夠形成0.1 噸氣壓為0.4-0.8MPa 的飽和蒸汽。由此可見其回收價值較高。

4.2 滿足集氣管溫度工藝指標

荒煤氣通過焦爐炭化室然后進入上升管，此時溫度在650℃～800℃，尤其是裝煤之后荒煤氣生成量會進入鼎盛時期，此時溫度能夠到達1000℃。若是不針對較高溫度的荒煤氣展開降溫操作，則可能造成焦爐集氣管與橋管等發生形變甚至損壞，導致焦爐冒煙，并且影響粗苯、焦油等化產品的質量。焦爐集氣管溫度必須控制在80-100℃之間。焦化行業管控荒煤氣溫度的方式為噴灑氨水，將溫度為70℃的循環氨水噴灑在橋管位置，循環氨水在高溫作用下會蒸發，從而降低荒煤氣的溫度。在具體工作期間，會出現循環氨水管路堵塞的情況，導致噴灑不順暢，從而造成集氣管溫度管控效果較差，解決過程比較繁瑣，同時氨水也會在一定程度上腐蝕焦爐的鐵質部件，影響焦爐的維修與養護。借助上升管余熱回收設備能夠減少循環氨水的噴灑量，且上升管余熱回收設備的熱量轉換與導熱效果較好，能夠在短時間內使得荒煤氣溫度下降；尤其是應用氣體介質的熱轉換設備，能夠良好的避免上升管堵塞或者結焦情況的出現，進而有效的保障了焦爐集氣管溫度指標的穩定。

4.3 減少荒煤氣導出設備的腐蝕

研發了相對靈便的荒煤氣顯熱回收技術體系，能夠依據焦化廠實際需要生成飽和蒸汽，良好的提升荒煤氣顯熱回收應用工藝的具體價值，并且減少了焦爐荒煤氣導出設備結焦與腐蝕情況，有效的減少了清掃直橋管的任務量。①應用雙汽包并聯形式裝設，有效的提升體系的安全性與可靠性，有效的規避上升管蒸發設備發生干燒的情況，規劃大流量強制循環體系，蒸發設備進口和出口管路應用科學的梯級配置，確保所有的蒸發設備進口和出口水量的均勻度，提升體系的換熱效果；②高效自清潔不粘涂層工藝可以良好的規避荒煤氣中焦油在蒸發設備表層的結焦與腐蝕，有效的減少焦爐清理任務量，增加焦爐清理周期，提升了焦爐生產效果；③科學的上升管蒸發設備構造。將蒸發設備規劃為“斜切”進出口構造，降低流動損耗；借助在汽水夾套中規劃導流設備，規劃汽水流場布設，防止出現流動盲區或者溫度較高區域，提升蒸發設備的總傳熱效果；④利用顯熱回收技術降低上升管表面溫度，改善職工的作業環境。

5 實施效果

焦爐荒煤氣顯熱回收利用技術實施后，焦爐爐頂上升管表面溫度由200℃～280℃降低到50℃～90℃以下，減少熱輻射，改善職工操作環境；上升管內部避免結焦，減少了人工清理上升管內壁的勞動強度和清理過程中的煙塵外逸，防止了高溫對直橋管的損壞。如圖3。

圖3 實施前后對比圖

5#6#焦爐利用焦爐上升管荒煤氣顯熱回收裝置每小時生產壓力為0.4MPa ～0.8MPa 飽和蒸汽約12t，大大節約了能源，降低了工序能耗，可回收10.5 萬t0.4MPa ～0.8MPa 蒸汽，折合標煤約0.994 萬t，年可減排二氧化碳量2.58 萬t，二氧化硫量238t，氮氧化物量70t，節能效果明顯。

6 結語

綜上所述，宣鋼焦化廠5#6#焦爐上升管內的荒煤氣顯熱回收方式，采用換熱式上升管的形式，2018 年投用以來，運行穩定，存在上升管內壁掛結石墨焦油和鼓包的問題，需要對換熱結構和內壁材料加以優化，以增強換熱能力和減少石墨焦油掛壁，防止內壁鼓包現象的發生。隨著上升管余熱回收利用系統的不斷實踐與改進，如今這項技術已經較為完善，并且在運用能源過程中，還可以生成一些其他的經濟效益。所以，在焦爐荒煤氣余熱回收利用方面，該系統也能夠充分發揮其作用，為焦爐穩定生產提供保障的同時也避免了能源浪費現象的發生，為其可持續發展提供條件。