高溫煅后焦顯熱高品位回收利用的效益分析

談雙根

(鎮江焦化煤氣集團有限公司， 江蘇 鎮江 212003)

高溫煅后焦顯熱高品位回收利用的效益分析

談雙根

(鎮江焦化煤氣集團有限公司， 江蘇 鎮江 212003)

摘要：提出了高溫煅后焦顯熱高品位回收利用的設想，計算了其經濟效益。

關鍵詞：高溫煅后焦； 顯熱； 回收利用

引 言

煅后焦是石油焦在煅燒爐中煅燒至1200 ℃以上的產物[1-2]，是重要的工業中間材料，可廣泛應用于生產鋁電解陽極、煉鋼用石墨電極。目前，從煅燒爐排出的煅后焦顆粒溫度通常在1000 ℃以上，其伴隨的熱能約占整個生產工藝總能耗的33.5%[3]，具有很高的利用價值。高溫煅后焦顆粒在排料前需要進行密閉均勻冷卻，溫度降到200 ℃以下排出[4]。目前，國內、外在煅后焦顆粒顯熱回收利用方面的研究極少，而中國石油煅后焦生產量已居世界第一，如能充分利用高溫煅后焦的顯熱資源，對炭素行業的節能減排意義重大。

國內的煅后焦絕大部分是由豎罐式煅燒爐生產，冷卻過程中的移動非常緩慢，停留時間在24 h以上，通常采用在煅后焦冷卻段外設置冷卻水套的方法進行冷卻[5]。迄今為止，國內、外在高溫煅后焦顆粒高品位顯熱回收方面的研究較少。明文雪等[6]理論上優化了冷卻水套裝置，將水套的內、外鋼板之間采用豎排導流板焊接，冷卻介質仍為冷水，但相比于傳統的水夾套冷卻器，煅后焦的溫度分布更為均勻，傳熱效率更高。Zheng等[7]針對煅后焦顆粒顯熱回收裝置進行了試驗研究，采用了內、外換熱器的結構，內換熱器為一片豎列管排，外換熱器是由頂、底端連貫的豎列管圍成的箱體形換熱器，試驗證明，換熱器內部煅后焦溫度分布均勻，總換熱系數遠高于傳統水冷夾套，同時還能產生1 MPa的蒸汽。

本文提出采用余熱鍋爐回收高溫煅后焦顆粒的顯熱、產生高品位蒸汽的設想，分析了經濟效益，旨在為炭素行業的深度節能減排、進一步提高經濟效益提供理論依據。

1 實例分析

以江蘇蘇潤高碳材股份有限公司的炭素生產工藝為例，該公司的炭素煅燒生產能力為4×48罐，每罐出焦量為20 t/h，煅后焦的出焦溫度約為900 ℃，經水冷后降到約200 ℃。根據石油煅后焦的有效比熱容約為0.55 kJ/(kg·℃)[8]，由此可計算出煅后焦在冷卻器中的理論總放熱量為

4×48×20×1000×0.55×(900-200)/3600=4.11×105kW

該熱量目前采用水冷方式，進水溫度為20 ℃，出水溫度為90 ℃，進、出溫差為70 ℃，水的比熱為4.18 kJ/(kg·℃)，則理論上所需的冷卻水量為

4.11×105×3600/(4.18×70)=5.05×106kg/h

但如若有效利用該部分的高品位顯熱，在冷卻罐內設置余熱鍋爐，采用104 ℃給水，使其在余熱鍋爐內吸熱產生約1.0 MPaG的飽和蒸汽，則理論產蒸汽量可計算如下

4.11×105×3600/(2780.67-436.72)=

6.3×105kg/h

其中，104 ℃給水的焓值為436.72 kJ/kg，1.0 MPaG飽和蒸汽的焓值為2780.67 kJ/kg，考慮～5%的熱損，實際產蒸汽量約為600 t/h。

以平均蒸汽價格120元/t計算，全年(～8700 h)回收熱量產生的經濟效益為

600×120×8700/10000=6.264×104萬元。

原采用水冷方法，每噸水的取用、電耗、人力等費用約為2元，則全年節省的水冷費用為

5.05×106×2×8700/(1000×10000)=8787萬元。

2 余熱鍋爐設置分析

回收高溫煅后焦高溫顯熱的余熱鍋爐，從總體結構和功能的角度可分為兩部分：高溫段為蒸發器；低溫段為省煤器。由于1.0 MPaG飽和蒸汽的飽和溫度為184 ℃，按照鍋爐設計規范，省煤器可將104 ℃的給水加熱至～150 ℃(其焓值為632.64 kJ/kg)后進入鍋筒，由此可計算出高溫煅后焦在兩者間的分界溫度為～260 ℃。

回收高溫煅后焦高溫顯熱的余熱鍋爐可采用重力自流式結構，高溫煅后焦在重力作用下繞著傳熱管自上而下流動。余熱鍋爐內的傳熱管布置形式如圖1所示。

圖1 傳熱管布置形式

傳熱管的排列可以是順排或叉排兩種，如圖2所示為順排方式。

圖2 傳熱管剖面圖

可以預測，在煅后焦冷卻器內部布置傳熱管，煅后焦的內部溫度比目前的水冷夾套式冷卻器的更為均勻，還可以減少煅后焦的停留時間，冷卻器的高度也會大大縮短。

此外，由于煅后焦在冷卻器內的停留時間較長，流速大約為0.02 mm/s，因此，可不必考慮煅后焦對傳熱管的磨損問題，亦即余熱鍋爐除常規維護以外，可不用擔心余熱鍋爐的使用壽命問題，其使用壽命幾乎等同于高溫煙氣的余熱鍋爐。

3 結束語

本文從理論上提出了高效利用煅后焦高溫顯熱產生高品位蒸汽的初步設想，初步分析了余熱利用的經濟效益。

參考文獻：

[1] 王平甫，羅英濤，宮 振，等.中國豎罐式爐煅燒石油焦技術分析與研討[J].炭素技術，2009，28(5):31—37.

[2] 張忠霞.罐式爐煅燒技術[J].工業加熱，2011，40(4):73—74.

[3] 鄭 斌,劉永啟,王佐任,等.煅后石油焦熱物理性能研究[J].炭素技術，2013，(03):33—35.

[4] Edwards Les. The history and future challenges of calcined petroleum coke production and use in Aluminum smelting[J]. JOM, 2015,67(2):308—321.

[5] Zhang Hongliang, Yang Shuai, Zhang Hehui, et al. Numerical simulation of alumina-mixing process with a multicomponent flow model coupled with electromagnetic forces in Aluminum reduction cells[J]. JOM，2014，66(7):1210—1217.

[6] 明文雪,羅立軍.基于CFD的罐式煅燒爐冷卻水套的優化研究[J].炭素技術,2013，32(03):16—18.

[7] Zheng B, Liu Y, Zou L, et al. Heat transfer characteristics of calcined petroleum coke in waste heat recovery process[J]. Mathematical Problems in Engineering, 2016,(5):1—9.

[8] 湯 林.炭素煅后石油焦余熱回收蒸發器內傳熱過程的數值模擬[D]. 南京：南京工業大學. 2017.

收稿日期：2018-01-08

作者簡介：談雙根(1958—)，男，高級工程師。電話：13605281966;E-mail:tanpeng5505@sina.com

中圖分類號：TQ522.1； X784