焦化廠循環氨水余熱利用技術的研究

高建雷

（山西焦化集團有限公司，山西 洪洞 041600）

0 引言

在煉焦過程中，焦爐產生的荒煤氣溫度高達650～750 ℃，通過上升管換熱器后溫度依然達到了550～600 ℃，在橋管和集氣管內，用循環氨水噴灑冷卻至80～82 ℃，循環氨水溫度高達75 ℃，具有較高的顯熱。為保證氨水冷卻煤氣過程中蒸發的推動力，橋管處噴灑氨水的溫度一般高于70 ℃即可，可利用熱量較大。在焦化產生過程中，各種介質需要頻繁升降溫，需要低溫水為換熱介質，目前工業用制冷機多為燃氣和蒸汽作為動力，制取生產所需的低溫水，不僅能耗高、運行不經濟，且產生的廢氣和廢水還會造成環境污染。

循環氨水余熱制冷機是通過利用循環氨水作為熱源驅動代替煤氣、蒸汽等熱源，為新技術、新工藝。目前山西焦化已建成投入使用，以前使用的蒸汽型制冷機組和燃氣型制冷機組均改為補充使用，平時均以氨水余熱制冷機組為主要制冷設備，項目節能降耗效果顯著，預計每產生熱值100 萬kcal/Nm3，節約1.1 t飽和蒸汽或170 m3焦爐煤氣。如何充分利用系統余熱，降低能源消耗，減少環境污染都將是發展的趨勢。

1 制冷系統改造方案

1.1 方案設計原則

此方案設計的氨水余熱利用制冷系統，將循環氨水泵出口1 150 m3/h、75 ℃的熱氨水送入氨水余熱制冷機組進行熱量回收，出氨水余熱制冷機組的氨水溫度降低至67 ℃后送至煉焦車間對荒煤氣噴灑降溫。制取的低溫水直接并入化產車間制冷水管網送至各用點使用。新建的氨水余熱利用制冷系統節省焦爐煤氣的消耗量，實現節能降耗，達到降低生產運行成本的目的。氨水余熱利用制冷項目屬行業成熟工藝。按現有氨水的余熱利用率計算可制取760 kcal/h 冷量的制冷水，設置2 臺380 kW 的氨水制冷機組，這樣運行方式更為靈活。

1.2 系統整體方案

氨水循環系統：氨水余熱制冷機組系統擬修建在化產車間冷卻塔旁空地。通過在原循環氨水泵出口管DN500 的管道上，采用帶壓開孔的方式，將75 ℃的熱氨水引至氨水余熱制冷機組進行余熱利用。回收熱量后的氨水溫度降低至67 ℃，再送至煉焦車間對荒煤氣進行噴灑降溫，既實現了氨水余熱利用，又使噴灑的氨水溫度降低，提高了荒煤氣冷卻效果。冷卻后的高溫氨水經過機械化澄清槽凈化處理后，再通過循環氨水泵輸送至本機組進行余熱利用，持續循環。

制冷水循環系統：在化產車間使用后的制冷水通過管道輸送至本制冷機組，通過制冷機換熱，將23 ℃的冷卻水冷卻至16 ℃，再輸送到制冷水主管道，供化產車間初冷、預冷、提鹽、終冷、風機用水使用。各點使用后溫升的冷卻水再通過管路輸送至制冷系統制冷降溫，如此循環。環境溫度發生變化時，各溫度亦有少量變化。

1.3 工藝流程

工藝流程簡圖如圖1 所示。

圖1 工藝流程圖

1.4 運行方式

本制冷機組與原燃氣機組并聯運行，互不影響。以氨水余熱制冷機組運行為主，燃氣機組運行為輔。當環境溫度變化、循環氨水溫度降低、制冷水用量發生較大變化，余熱機組不能滿足制冷水水溫要求時，根據制冷水水溫，選擇性開啟原燃氣機組。理論上夏季高溫天氣時，“余熱機組＋2 臺燃氣機組”運行模式，即可滿足現有條件下的化產車間用水。

2 設計的優化措施

1）對廠區所有的氨水管道進行保溫，減少氨水流動過程中不必要的熱量損失，以保證進入上升管噴灑前氨水溫度大于63℃。調試過程中密切跟蹤記錄循環氨水在橋管處的噴灑溫度、噴灑壓力和荒煤氣降溫后的溫度，對荒煤氣的冷卻效果進行實時跟蹤分析。

2）為了保證出余熱利用系統的循環氨水的噴灑效果，新增3 臺氨水泵，新增氨水泵僅用于克服新增加的余熱利用系統內的系統阻力（流量為700 m3/h/臺），保證氨水的噴灑壓力較改造前（改造前進橋管循環氨水主管處壓力0.35 MPa）增加0.03～0.05 MPa，從而保證循環氨水在橋管處的霧化效果，噴灑的循環氨水量不變的情況下保證荒煤氣降溫效果，避免由于循環氨水溫度降低后導致循環氨水在橋管處的噴灑不均勻后與荒煤氣接觸不充分，導致荒煤氣溫度升高。

3）氨水進氨水余熱制冷機前需設置自清洗過濾器，處理的氨水流量為1 400 t/h，自清洗過濾器殼體采用304 不銹鋼，濾網采用鈦鋼。自清洗過濾器后氨水中焦油含量小于100mg/L，同時保證去除95%以上的大于200 μm 的顆粒。防止氨水中雜質進行制冷機組，進而影響余熱制冷機的換熱效率。

4）為防止制冷機組中各水路管道出現腐蝕穿孔等問題，且必須保證制冷機組內的換熱效率，冷卻水換熱管采用材質為鈦材光管，厚度為0.7 mm。冷水換熱管為316L 不銹鋼材質的光管，厚度為0.8 mm。制冷機與氨水系統接觸的換熱管為鈦材光管，厚度為0.7 mm。溶液熱交換器考慮溶液流通阻力小，流道寬，不易使主機內部溶液結晶的溶液熱交換器形式，且換熱效率滿足氨水余熱制冷機對熱量的需求。

5）在單臺制冷機循環氨水管進出口和氨水余熱制冷機組氨水總管進出口均安裝電動閥門，通過程序設定，將氨水余熱制冷機組旁通閥設置為故障狀態下立即全開，氨水余熱制冷機組進出口閥門設置為故障狀態下立即全關，實現在機組故障時自動快速切換，保證高溫荒煤氣冷卻用循環氨水的供應不受氨水制冷機組系統故障而中斷。

3 效果驗證

1）本項目余熱利用制冷系統每小時可以產生制冷量為760 萬kcal，現有燃氣型制冷機的COP 制冷效率為1.354，焦爐煤氣燃燒效率為94%，焦爐煤氣熱值按4 100 kcal/Nm3計，余熱制冷機投用后每小時可節約焦爐煤氣1 456.4 Nm3。

2）橋管處噴灑冷卻后荒煤氣冷卻溫度由82 ℃下降至80 ℃，冷卻效果良好。

3）自清洗過濾器后焦油含量降至38 mg/L，200 μm以上的顆粒檢測不出，換熱效率未受影響。完全替代原4 臺350 萬kcal/h 直燃型溴化鋰吸收式制冷機組，制冷效率高。

4 結語

該項目已在我廠連續運行1 a 以上，針對循環氨水特性、焦化生產工藝，通過優化循環氨水工藝，采用管道保溫、增加氨水泵和制冷機前增加自清洗過濾器等措施保證高溫荒煤氣的冷卻效果。通過優化吸收器中的溶液和蒸發器中的冷劑水噴淋方式及選擇管殼式換熱器作為溶液熱交換器，提升制冷機組的換熱效率和抗堵性，保證了制冷機組的正常運行，制冷量達到設計值，且焦爐沒有因循環氨水溫度降低引起高溫荒煤氣冷卻效果變差和集氣管堵塞問題。該項目屬于節能降耗技術，充分利用系統余熱，減少煤氣等能源消耗。