焦爐上升管荒煤氣余熱利用技術

摘 要：文章介紹了焦爐上升管荒煤氣余熱利用技術的發展歷程，提出了一種新型的利用技術，并就具體應用工程進行了工藝流程、主要設備、投資等介紹。希望通過文章的分析，能夠對相關工作提供參考。

關鍵詞：焦爐上升管；荒煤氣；余熱利用

煉焦生產是典型的能源再加工和熱能的再回收利用過程，焦炭和煉焦煤氣是其主要的能源產品。表1為煉焦過程中熱量損失分布及相應的主要回收利用技術。

隨著干熄焦和焦爐煙道廢氣余熱鍋爐技術的成熟，煤在干餾過程中產生的高溫荒煤氣的余熱回收與利用就成為歷來是焦化行業節能關注的焦點。

理論計算和各種試驗裝置的試驗數據均表明，每生產1噸紅焦焦爐上升管段的高溫荒煤氣余熱回收后至少能產生0.8MPa蒸汽0.1噸，2015年我國生產焦炭4.48億噸，如其荒煤氣余熱全部得到回收利用，則至少可回收4480萬噸0.8MPa蒸汽，折合標煤約424萬噸，年可減排二氧化碳量1102萬噸，二氧化硫量10.2萬噸，氮氧化物量3.0萬噸，節能減排潛力巨大。

1 我國焦爐上升管荒煤氣余熱利用的進程

目前世界焦化行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，既流失了荒煤氣熱能，還增加了水資源的消耗。

早在上世紀70年代，首鋼、太鋼采用夾套上升管，夾套內冷卻水吸收荒煤氣所攜帶的熱量而汽化，產生蒸汽，實現熱能的回收利用，簡稱為“焦爐上升管汽化冷卻裝置”，并相繼在武鋼、馬鋼、鞍鋼、漣鋼、北京焦化廠、沈陽煤氣二廠、本鋼一鐵和平頂山焦化廠等多家企業得到應用。北京焦化在上升管體卷邊結構、焊接方法方面進行了多項改進，仍不能完全解決上升管的筒體焊縫拉裂、漏水、漏汽等問題，運行幾年后終因系統安全穩定性、運行成本等方面原因紛紛停用。據悉國內運行時間最長的本鋼一鐵也由于2008年4.3m焦爐的拆除而中止了該技術的使用。焦爐上升管汽化冷卻裝置在我國的應用經歷了發展、停滯、再研發、再停滯的過程。研究的技術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。但這些技術均不能滿足現場工況要求，效率低、壽命短、易結焦積碳。

2 一種新的焦爐上升管換煤氣余熱利用技術

江南電力集團2009年組織有關單位及科技人員進行上升管荒煤氣余熱利用技術研究。通過三年多的研究，取得了一系列進展和技術突破。通過分析原有裝置所有弊病的前提下，另辟它途，對材料、結構、工藝上作系統研發，在高效率、長壽命、高穩定、高可靠、低成本上取得了突破，目前已經完成了前期研發、方案的審查、導熱方式的選擇、導熱材料的選擇、換熱裝置的研發與制作，已經開發出新型的余熱回收裝置。并且在福建三鋼經過多次中試，取得一定成功經驗后，對其4.3米焦爐實施了全面改造，并且取得了比較滿意的效果。2014年3月，成立常州江南冶金科技有限公司，開展冶金行業業務。

該公司研究開發的余熱利用裝置在結構形式、汽化導熱裝置及固態導熱介質等方面與過去的技術有根本性的區別，屬國內首創，技術領域無國內外相關專利，目前已申報成功多項專利。

核心技術在上升管換熱器裝置上，重點在于如何克服上升管堵塞、結焦等現象，以及如何防止上升管漏水等問題。其余余熱鍋爐系統為成熟技術的專項應用。

該上升管換熱器由內、中、外三部分組成，內層為耐高溫抗腐蝕材質，抗氧化、滲碳、滲氮，最大程度地改變了在正常運行環境下，不可避免地產生焦油存積和積碳現象。中間層為換熱交換層，高溫煙氣與除氧水在這部分進行充分的熱交換，既利用了上升管的余熱，又保證了利用余熱后的荒煤氣溫度不致降低過快而造成煤焦油的凝結和積碳的產生，換熱管道為合金材質。外層為隔熱和保護層，通過特殊保溫材料的運用，改善了原有上升管表面溫度過高的現象，同時對中間層的換熱核心部分進行保護。此結構形式不同以往任何換熱裝置，克服了以往換熱裝置的弊病。換熱裝置的專利結構形式消除了周期性熱應力破壞情況。

利用焦爐上升管荒煤氣余熱回收利用裝置生產0.8MPa飽和蒸汽（也可生產過熱蒸汽），此蒸汽可應用于低壓蒸汽發電，煤調濕、供暖、工廠其他能源利用。

3 6m焦爐上升管荒煤氣余熱利用系統

我院與常州江南冶金科技有限公司合作，在河北鋼鐵股份有限公司邯鄲分公司焦化廠5#、6#焦爐上升管荒煤氣余熱利用工程中開發了在6m焦爐上應用的系統。兩座45孔焦爐年產焦90萬噸、90根上升管全部改為上升管換熱器，吸收上升管荒煤氣的余熱，使荒煤氣溫度由750℃左右降至450℃后進去橋管，實現生產飽和蒸汽10t/h（壓力0.8MPa，溫度175℃）供焦化生產使用的目標，該項目2014年4月開始考察、研究、設計、優化，于2015年2月開始建設，2015年12月15日達產后，年回收8.76萬噸0.8MPa蒸汽，折合標煤約0.829萬噸。

焦爐上升管荒煤氣余熱利用工程包括上升管換熱器、汽包、熱水循環泵、除鹽水箱、除氧泵、除氧器、汽包給水泵等以及電氣儀控設備。該工程將外網來的除鹽水作為汽包進水，利用除氧泵將除鹽水經除氧器、汽包給水泵送入汽包，汽包內的水由熱水循環泵壓入上升管換熱器吸收高溫荒煤氣（約850℃）的熱能，汽水混合物再返回汽包。汽包內產生的飽和蒸汽通過汽水分離器分離后并入焦化廠現有蒸汽管網。

焦爐上升管換熱器由內、中、外三部分組成，內層為耐高溫抗腐蝕材質，抗氧化、滲碳、滲氮，最大程度避免了在正常運行環境下產生焦油存積和積碳的現象。中間層為換熱交換層，高溫煙氣與除氧水在這部分進行充分的熱交換，既利用了上升管的余熱，又保證了利用余熱后的荒煤氣溫度不致降低過快而造成煤焦油的凝結和積碳的產生，換熱管道為合金材質。外層為隔熱和保護層，通過特殊保溫材料的運用，改善了原有上升管表面溫度過高的現象，同時對中間層的換熱核心部分進行保護。此結構形式不同以往任何換熱裝置，克服了以往換熱裝置的弊病。換熱裝置的專利結構形式消除了周期性熱應力破壞情況。

該工程熱力設施主要分為三大部分：除氧給水泵房、汽包及附近設施、熱力管道外線。

除氧給水泵房的流程：根據水質分析和汽包的水質標準，本設計采用外網除鹽水——除鹽水箱——除氧泵——除氧器——汽包給水泵——汽包的給水流程。

汽包及附件設施：循環熱水分兩路自汽包下降管分別流入5#和6#焦爐熱水循環泵，再分別進入5#和6#焦爐下降集管中，經各自的焦爐上升管換熱器，變為汽水混合物后，沿上升集管進汽包，完成一個循環。循環倍率取6～8倍。

整個工程投資概算約3000萬元，年創效約900萬元，投資回收期3.5年。

4 結束語

近幾年來，隨著國內企業節能減排意識的提高，建設資源節約、環境友好的綠色焦化廠越來越成為行業共識，這也是經濟可持續發展和低碳社會發展的需要。焦爐上升管荒煤氣余熱利用技術的發展，必將成為實現這一目標的重大助力。

參考文獻

[1]張宇晨，孫業新.焦爐上升管荒煤氣顯熱回收技術探討[J].冶金能源，2011（5）：46-48.

[2]張政，郁鴻凌，楊東偉，等.焦爐上升管中荒煤氣余熱回收的結焦問題研究[J].潔凈煤技術，2012（1）：79-81.

作者簡介：陳海生（1979-），男，河北石家莊人，高級工程師，雙學士，從事鍋爐房、壓縮空氣站、熱電廠、城市供熱系統、工業余熱回收利用系統等的設計工作。