焦爐荒煤氣顯熱的余熱利用

摘要：常州江南冶金科技有限公司經過多年研發，研制出利用焦爐上升管荒煤氣顯熱回收利用裝置生產0.6～0.8MPa飽和蒸汽，此蒸汽可應用于低壓蒸汽發電、煤調濕、供暖及工廠其他能源利用。利用該技術可產生較高的直接經濟效益、工序能耗收益、減碳收益等，值得推廣。

關鍵詞：焦爐；荒煤氣；顯熱回收利用裝置；余熱利用；飽和蒸汽；節能減排 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ520 文章編號：1009-2374（2015）19-0103-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.051

1 焦化廠焦爐上升管荒煤氣余熱回收利用的必要性

焦化廠運行過程中的熱量分布如表1所示：

表1 煉焦過程中熱量分布

項目 比例 屬性

紅焦所含顯熱 37 高溫余熱（干熄焦回收）

荒煤氣帶走余熱 36 中溫余熱（有待進一步研究）

燃燒廢氣帶走熱量 16 低溫余熱（煙道余熱回收）

焦爐爐體表面散熱 11 低溫余熱（加強保溫）

焦化廠從加煤開始到推焦，從焦爐炭化室推出的950℃～1050℃紅焦帶出的顯熱（高溫余熱）占焦爐支出熱的37%（此部分已經由干熄焦得以解決），650℃～850℃焦爐上升管荒煤氣帶出熱（中溫余熱）占焦爐支出熱的36%（此部分熱量一直沒有得到有效解決和利用），180℃～230℃焦爐煙道廢氣帶出熱（低溫余熱）占焦爐支出熱的16%（此部分已經由煙道氣余熱鍋爐解決并利用），爐體表面熱損失（低溫余熱）占焦爐支出熱的11%。

我們經過理論計算及中試數據（三鋼集團4.3m焦爐）測試表明，焦爐上升管高溫荒煤氣余熱回收后至少能產生0.6MPa飽和蒸汽0.08噸/噸焦，沙鋼集團6.0m焦爐測試表明，焦爐上升管高溫荒煤氣余熱回收后至少能產生0.6MPa飽和蒸汽0.12噸/噸焦，唐山達豐5.5m焦爐測試表明，焦爐上升管高溫荒煤氣余熱回收后至少能產生0.6MPa飽和蒸汽約0.1噸/噸焦，2014年數據統計，我國焦炭產量約4.3億噸，如將上升管全面改造，測算下來至少可回收3870萬噸的0.6MPa飽和蒸汽，折合標煤約355萬噸，年可減排二氧化碳量885萬噸，二氧化硫26萬噸，氮氧化物13萬噸，節能又減排。

焦爐荒煤氣的余熱利用得以實施和推廣，目前對治理霧霾天氣和環境污染治理具有廣闊前景。

2 焦化廠焦爐上升管荒煤氣顯熱余熱回收利用的進程

目前世界焦化業傳統的方法是噴灑大量70℃～75℃的循環氨水，循環氨水吸熱而大量蒸發，使荒煤氣溫度得以降低，進入后序煤化工產品回收加工工段。這樣的結果是，荒煤氣帶出的熱量被白白浪費掉，既浪費了荒煤氣熱能，還增加了水資源的消耗和電力的消耗，上升管荒煤氣余熱回收技術尚未取得實質性突破。

1970年開始，國內外都對上升管荒煤氣的余熱利用進行了多項次的研究和試驗，夾套上升管、導熱油、熱管技術的應用，最終不能完全解決上升管的簡體焊縫拉裂、漏水、漏汽等問題，以及上升管內部焦油和石墨的吸附問題，未及深入開發研究和使用，而擱置下來近30多年。煉焦荒煤氣余熱回收利用技術在我國經歷了近30年的研究歷程，其材料、結構不能滿足現場工況要求，效率低、壽命短，關鍵技術沒有突破，至今尚無成熟、可靠、穩定的大工業化應用實例。

常州江南電力集團經過多年的研發，已研究開發出的一種高效、可靠、穩定的回收利用新技術，回收利用焦爐荒煤氣顯熱，產生高數量、高品質的蒸汽，并實現其在工業上的應用，逐步于2013年在三鋼進行中試取得突破性進展，并于2013年11月在三鋼初步應用推廣，2014年投運。后續可以在國家的引導和支持下，作為示范技術，

推廣應用到整個煉焦行業，實現整個行業的熱能高效

利用和節能減排，從而顯著降低這個行業的碳排放量。

3 焦爐上升管荒煤氣顯熱余熱回收技術的應用

焦爐上升管荒煤氣顯熱的回收，成為近年來我國焦化企業研發的熱門課題，主要集中在導熱油夾套管、熱管、鍋爐和半導體溫差發電等技術，來回收荒煤氣帶出熱（如圖1）。

圖1 焦爐荒煤氣余熱利用工藝流程圖

圖2所示的傳統水夾套方式，2009年，我公司開始組織研發人員進行焦爐上升管荒煤氣的余熱利用的上升管換熱器的研發；按照傳統的思維方式設計并生產出一臺上升管換熱器，其主要的特征是，保持原有上升管的結構，我們對換熱器的結構形式進行了多種設計，最終確定了一種形式，就是在換熱器的外壁，參照化工反應釜的原理，設計了半圓盤管，經過一段時間的試運行，最終還是因為荒煤氣的溫差原因，造成焊縫疲勞而裂開，宣告了此種設計的缺陷性和弊端（如圖2）。

到目前為止該技術在首鋼、太鋼以及濟鋼的導熱油技術和梅山鋼鐵的分離式熱管技術已經全部拆除。

圖2 傳統處理型式

圖3 研發的特殊結構型式

常州江南電力設備集團公司經過多年的研發，經過多次的失敗和反復。我們組織了從事過化工和壓力容器以及換熱器設計開發人員，跳出焦化行業這個圈子，從專業的換熱器和化工機械著手，公司生產的單晶硅生長爐的結構和技術運用，給我們帶來了觸發和靈感，單晶爐在生產過程中始終的運行溫度為1400℃～1700℃，在如此高溫的情況下，需要對爐體進行冷卻，其結構值得借鑒。為此，我們依據單晶爐的冷卻系統，結合了我們的換熱效果，進行了特殊設計，形成了現在獨有的換熱器結構形式。已經在三鋼焦化廠進行了一系列的中試，并取得突破性進展，經過5次中試，最終取得圓滿成功。其下屬節能公司2014年已經在2臺焦爐（2×65孔）實現產業化（如圖3）。其下屬常州江南冶金科技有限公司，在三鋼成功的基礎上，進一步開發，采用了大量的新材料新技術，經過唐山達豐焦化5.5m焦爐、沙鋼集團6m焦爐的試驗，掌握了大量的試驗數據和經驗，2014年11月與邯鄲鋼鐵集團簽署了6m焦爐上升管余熱回收總承包合同，并已經開始執行。從而將上升管余熱利用項目大大地向前推進了一大步，成為國內唯一一家進行6m焦爐上升管余熱回收利用改造的企業。

4 焦爐上升管荒煤氣顯熱余熱回收技術的實現

4.1 荒煤氣高導熱、耐蝕、長壽命的上升管內襯材料開發研究

上升管內襯材料是提高荒煤氣余熱回收利用效率的關鍵技術之一。原工藝裝備上升管采用普通碳鋼材料，內壁襯耐火磚，更換用余熱回收裝置后，內壁不能再襯耐火磚，否則熱傳導效率極低。這樣，導致裝置內壁直接與高溫（650℃～900℃）荒煤氣接觸，而荒煤氣中含有氧氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、氧化氮、氫氣、甲烷、水汽及芳香烴類化合物等，普通碳鋼在此溫度及環境下，高溫燒蝕嚴重，不能滿足工況要求。若提高內筒材質，則只有采用耐高溫腐蝕的特殊合金鋼，如哈氏120級別以上鋼材，但其價格就急劇上升。本研究課題之一就是在仍然采用普通碳鋼材質情況下，取消耐火磚，對材質內壁進行表面處理，滿足以下要求：（1）防高溫H2S、CO2、滲碳、滲氮腐蝕；（2）防高溫氧化；（3）耐高低溫溫差；（4）耐外力沖擊（內壁需機械清理和吹空氣燃燒沉積石墨）；（5）成本較低。

常規要求控制荒煤氣溫度不低于500℃，以避免上升管內壁過快長石墨，本項目可控制在400℃以上，石墨生長速度低于原常規生產模式。

4.2 穩定、可靠、高效的換熱形式研究及選擇

荒煤氣熱量通過鋼質內筒內壁導出到外壁后，需要良好的導熱介質將外壁上的熱量快速導出，提供給水進行汽化。由于上升管可有效利用的高度僅2m左右，荒煤氣在內筒以較快速度通過，因此，整個熱傳導過程必須快速，才能最大限度回收荒煤氣余熱。由于鋼鐵的導熱系數為80W/m·K，因此導熱介質的導熱系數必須大于80W/m·K，而且越大越好。但同時又需要控制導出的荒煤氣的溫度不能過低而造成上升管內壁過快長石墨，經過多次試驗和計算，最終確定下來采用特殊結構形式的換熱模式，經過中試結果證明滿足上述要求。

4.3 低熱應力的換熱系統結構研究及選擇

荒煤氣通過內壁快速熱量傳遞給換熱器內壁后，需要盡快將熱量通過換熱裝置，傳遞給水進行汽化吸熱，由于換熱裝置也是鋼鐵材質，其導熱系數與內筒一樣，就必須增加其換熱面積，只有其換熱面積大于內筒外壁導熱面積，熱量才能快速有效地傳導。要在直徑為400～500mm的圓形環腔內布置較大的換熱面積的換熱裝置，其結構必須十分密排、緊湊。又由于裝置內外溫差大，溫度區間從常溫到900℃，產生汽水混合物壓力將達0.6MPa，并存在汽液相之間的熱量交換，熱膨脹及熱應力必將對換熱系統及整個余熱利用系統造成嚴重的影響。因此，換熱系統的結構設計，必須具備消除熱應力的能力，否則換熱裝置結構將被破壞，不能長期有效

使用。

目前已研發出的技術措施很好地解決了上述問題，整個換熱部件在內、外筒之間的密閉空間內，水汽在管道中流動，壓力低于1MPa，通過特殊連接方式，不存在泄漏及爆管問題。已經通過中試進行驗證，現已投入

改造。

4.4 選擇及研發合適的、可靠、可控的配套水循環系統、蒸汽循環系統、控制管理系統

為了保證工業應用系統的穩定高效運行，要求裝置供水系統和蒸汽循環系統可靠、可調節、可監控，同時控制管理系統必須對系統中水的質量、水和蒸氣的溫度、流量、壓力進行實時監測和系統控制。為了保證系統的安全性，還需要對系統設置故障診斷和安全報警等集中操控管理系統，對蒸氣壓力、溫度、臨界流量等一系列參數進行監測、控制。

5 焦爐上升管荒煤氣顯熱余熱回收技術的效益

5.1 焦爐上升管荒煤氣顯熱余熱回收利用裝置改造的技術指標

荒煤氣顯熱利用率達30%～40%，達國內外先進

水平。

噸焦產生蒸汽達0.10噸，溫度平均達158℃，壓力達到0.6MPa。

可以實現工業化長期、穩定運行，操作維護簡單，維護成本低。使用壽命達5年以上，投資回收期約2年

左右。

煉焦工序能耗降低10kg標煤/噸焦。

5.2 項目研發對行業節能減排的意義

經過三鋼一年多的運行，焦爐上升管荒煤氣余熱回收利用的經濟效益十分顯著：高溫荒煤氣余熱回收后至少能產生0.6MPa的飽和蒸汽約0.08～0.1噸/噸焦，如果全面推廣到5.5m、6m焦爐則應用前景會更加廣闊，為行業和國家的節能減排作更大貢獻。

5.3 環境保護

本工程生產原料及中間產品僅為“水—蒸氣—水”，水液兩相全封閉循環，無廢氣產生。出現故障時僅有少量蒸汽泄露。

本工程生產原料及中間產品僅為“水—蒸氣—水”兩相全封閉循環，僅有少量排污情況。排污水水量最大0.5t/h，水質優于現焦化廠循環水補充水水質，故將其作為循環水系統補充水排入現焦化廠循環水系統，本工程對外無廢水排放。

5.4 增量效益

荒煤氣溫度降低約300℃，減少氨水、循環水、制冷水消耗量40%；每上升管裝置每小時產生蒸汽0.10噸，降低煉焦工序能耗10公斤。

6 結語

常州江南冶金科技有限公司進行的焦爐上升管荒煤氣顯熱余熱回收利用，其節能減排研發與實踐是以節能降耗生產理念為指導，對傳統節能降耗工作的深化和提升，對發展循環經濟的作用是顯著的。通過實踐，認為我們開發和研制的焦爐上升管荒煤氣顯熱余熱回收利用系列工藝技術及裝備，填補了焦化行業節能降耗的一項空白。這些技術和設備無論從生產、經濟還是環保方面考慮都是十分可行的，是焦化企業最佳的選擇。尤其切合國家節能減排新政，對盡可能達到十二五規劃目標會起到一定的推動作用。

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作者簡介：韓培（1965-），江蘇常州人，常州江南冶金科技有限公司總工程師，高級工程師，研究方向：節能減排。

（責任編輯：黃銀芳）