熱管技術與煅后焦煙氣的節能環保綜合治理

談雙根， 鄭 璇， 沙海濤， 陸建寧， 董人和,3， 劉小平,3， 李菊香,3

(1. 鎮江焦化煤氣集團有限公司，江蘇 鎮江 212003； 2. 南京華電節能環保設備有限公司， 江蘇 南京 211162； 3. 南京工業大學，江蘇 南京 211816)

引 言

目前，鋁業是國際上產能最大的電化學工業之一；全球的鋁產量僅次于鋼，居各種有色金屬之首。全球對鋁材料的需求仍呈現大幅增長的趨勢。炭素陽極是鋁電解生產過程中非常重要的電極材料；炭素陽極的生產過程包括煅燒、成型、焙燒、組裝。煅燒工藝是炭素陽極生產的最初及最重要工藝階段，在煅燒過程中，由于以碳氫化合物為主要成分的揮發分煅燒及部分粉焦的燒蝕，產生一定量的高溫廢氣，這些廢氣中的熱能，除了部分用于物料煅燒過程中的加熱得到利用外，大部分隨廢氣排出。每產1噸煅后焦，可產生950 ℃左右的煙氣量約4000 m3，相當于約310 kg標煤的發熱值。實現炭素工藝煅后焦煙氣有效的節能環保綜合治理，是保障炭素工業發展的關鍵之一。

1 傳統的治理方法

1.1 局部余熱回收

炭素煅后焦煙氣局部的余熱回收僅僅優于直接排放的傳統工藝。在煅燒爐的煙氣出口引入導熱油鍋爐，煙氣進入導熱油鍋爐后與爐管內的導熱油進行熱交換，導熱油被加熱到所需的溫度，煙氣從約950 ℃降到350～400 ℃后再排放，或將350～400 ℃的煙氣再進入水預熱器進一步進行余熱回收，最后降溫至約200 ℃經引風機引入煙囪排空。

導熱油作為循環熱媒，其吸收煙氣的熱量用以產生低壓蒸汽，所生產的低壓蒸汽小部分供生產、生活用外，大部分排入大氣。目前，中國許多已經建成使用或正在建設的延遲石油焦煅燒項目，均采用這樣的工藝流程；此法除了浪費能源、工藝蒸汽的冷凝水不能回收外，蒸汽的排放還產生嚴重的噪音污染。

1.2 余熱蒸汽發電

煅燒爐排出的950 ℃左右的高溫煙氣經蒸汽余熱鍋爐，產生450 ℃左右的中、高壓過熱蒸汽供發電或工藝使用；經過蒸汽余熱鍋爐降溫后的煙氣溫度通常為180 ℃左右，由引風機送入煙囪排入大氣。目前，中國已有較多相關企業采用了這種工藝。

2 綜合治理工藝

2.1 工藝思路

近些年來，隨著國家對企業的環保要求越來越嚴格，對煙氣進行脫硝、脫硫等的環保處理也被提到議事日程。目前的中溫(350～380 ℃)SCR脫硝技術已較為成熟且被廣泛應用，為此，如下的節能環保工藝應運而生：煅后焦煙氣先進入余熱鍋爐的高溫段，降溫至350～380 ℃進入SCR脫硝反應器，后再進入余熱鍋爐。

在對煅后焦煙氣進行上述的節能及脫硝治理后，為了達到對煙氣的脫硫治理，再將180 ℃左右煙氣引入濕法脫硫反應器。在中國，脫硫技術分為多種，包括爐內脫硫和煙氣脫硫，其中的煙氣脫硫又包括干法脫硫、半干法脫硫、濕法脫硫，而脫硫效率較高且技術較為成熟的是濕法脫硫；由于濕法脫硫對原煙氣的進塔溫度點要求較苛刻，同時為了節約脫硫成本，要求原煙氣的溫度必須低于150 ℃。為了達到對煅后焦煙氣的高效、全面的綜合環保治理，首先對煅后焦煙氣的降溫節能提出了更高的要求，其中最為困難的節能環節就是將煅后焦煙氣從約180 ℃降溫至約150 ℃的工藝階段，即必須對煅后焦煙氣進行深度節能。

2.2 工藝措施

為解決以上問題，南京華電節能環保設備有限公司獨家研制出了一種利用熱管技術來達到炭素煅后焦煙氣深度節能、高效全面環保綜合治理的新技術，系統流程如圖1所示。

圖1 煅后焦煙氣綜合治理流程

(1) 工藝流程

煙氣系統：～950 ℃廢氣→高溫蒸發器→過熱器→脫硝反應器→低溫蒸發器→徑向熱管省煤器(降溫至約170 ℃)→相變省煤器(降溫至約150 ℃)→引風機→濕法脫硫塔→放空。

汽水系統：常溫軟化水→泵→相變省煤器→除氧器→給水泵→徑向熱管省煤器→汽包(高溫蒸發器、低溫蒸發器)→過熱器→用戶用汽部門。

整個工藝流程中，過熱器和脫硝反應器的位置視過熱蒸汽的溫度要求可以調整。高溫蒸發器帶有煙氣溫度調節裝置，以保證進入SCR脫硝反應器的煙氣溫度符合高效脫硝的要求。余熱回收系統產生的過熱蒸汽可作工藝用或送至汽輪機發電。

圖2 徑向熱管工作原理

(2) 徑向熱管省煤器，其工作原理如圖2所示。暴露在煙氣中的徑向熱管外管，采用高頻焊螺旋翅片來強化傳熱，因而設備的傳熱效率高、設備緊湊、煙氣流動阻力相對較小；由于煙氣側的傳熱面積遠遠大于管內水流的傳熱面積，所以能有效提高煙氣側的壁面溫度，可避免省煤器內部出現煙氣的低溫腐蝕；徑向熱管具有很高的等溫性能，不凝性氣體對其影響極小，傳熱性能相對較好；熱量由煙氣傳輸到水，完全由熱管元件完成，水被間接加熱，煙氣與水完全隔開；系統中熱管元件相對獨立，單根或數根損壞也不會造成冷熱流體的串流，提高了系統運行的可靠性；省煤器中的水在內管內流動，因此具有很好的承壓能力；由于水路的焊點均在省煤器設備的外部，其操作簡單、維修方便。整個系統的熱量輸送過程不需要任何外界動力，故障率低，效率高。

(3) 相變省煤器，其核心的熱交換原理仍為熱管技術，可將煙氣進一步降溫至約130 ℃，加熱鍋爐的常溫給水，達到深度節能的目的。相變省煤器由吸熱端和放熱端通過外連管路組成一封閉回路，如圖3所示，其中，吸熱端為煙氣與熱管介質換熱，采用的傳熱面為翅片管，翅片與管殼采用高頻電阻焊，

圖3 相變省煤器工作原理

焊接緊密牢固，煙氣在翅片管外流動，將熱量傳遞給翅片管中的工質；放熱端為熱管介質與常溫給水換熱。通過這樣的間接換熱，達到將煙氣降溫、冷水升溫的目的。

相變省煤器可應用于鍋爐的設計及改造中的煙氣尾部，布置靈活，可大幅度降低煙氣的排放溫度，使大量的煙氣低溫熱能被有效回收，產生十分可觀的經濟效益；在降低排煙溫度的同時，保持金屬受熱面壁溫處于較高水平，避免了煙氣的結露腐蝕和堵灰，大幅度降低設備的維護成本；省煤器的壁溫處于可控、可調、相對穩定，能適應鍋爐的燃料品種及負荷的變化；在保留熱管換熱器高效傳熱特性的同時，通過適時排放不凝性氣體有效再生，大大延長設備的使用壽命。

本工藝最終可使得煅后焦煙氣的余熱回收利用效率提高約2%。

3 結束語

炭素煅后焦煙氣的深度節能、高效環保綜合治理技術，已在部分炭素企業得到了應用，使用效果達到了預期的要求，得到了用戶及當地環保部門的認可，可作為今后一段時期大多數炭素生產企業借鑒的工藝之一。