焦爐多余熱回收系統(tǒng)的分析及優(yōu)化

尹珩宇，樊俊杰，鄧加曉，杜梅芳，陳時選

（1上海理工大學理學院，上海200093；2上海理工大學環(huán)境與建筑學院，上海200093）

焦化行業(yè)作為鋼鐵行業(yè)的耗能大戶，在煉焦過程中會產生大量的余熱資源，高效回收并且合理利用焦爐生產過程中所產生的余熱資源已經成為提高焦爐效率的主要途徑之一，也是焦爐節(jié)能的主要發(fā)展方向和潛力所在[1-3]。煉焦過程中焦爐的熱量消耗主要包括：推焦過程中帶走的紅焦顯熱、上升管中荒煤氣帶走的中高溫余熱、燃燒煙道廢氣帶走的中低溫余熱以及爐體表面的散熱[4]。

在焦爐的實際運行過程中，整體的余熱回收系統(tǒng)包含多種余熱資源的同時回收。近些年來，國內外學者對焦化系統(tǒng)的余熱回收做了大量的研究。Errera 等[5]對干熄焦系統(tǒng)進行了熱力學分析，并與濕法熄焦進行了各方面的對比；孫蘭義等[6]提出將干熄焦系統(tǒng)與荒煤氣回收系統(tǒng)結合起來，使用PRO/Ⅱ模擬器研究了荒煤氣流量、成分以及蒸汽消耗量對能量回收效率的影響；張欣欣等[7]對焦爐進行物料平衡以及熱平衡計算并指出了煉焦過程中產生的余熱資源的分布情況。基于熱力學第一定律的分析方法只注重能的數(shù)量，而忽略了能的質量；而基于熱力學第二定律的分析方法可以兼顧質與量的同時分析，對研究焦爐中能量在數(shù)量、質量上的轉移、利用以及損失的情況有重要的意義[8-10]。本文以某鋼廠一6m焦爐的實際運行工況為例，依據(jù)分析理論分別對焦爐多余熱子系統(tǒng)進行計算分析，清晰地揭示了能量回收過程的本質；依據(jù)計算結果以及能量梯級利用的原則對原系統(tǒng)進行優(yōu)化，提出了一種焦爐多余熱梯級利用方案，為焦化系統(tǒng)余熱資源的利用以及優(yōu)化提供理論支撐。

1 焦爐多余熱回收方案及分析模型

1.1 傳統(tǒng)方案

某鋼廠兩座55孔、6m焦爐的余熱回收系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，主要包括3個子系統(tǒng)。一是干熄焦余熱回收系統(tǒng)，煉焦爐產生的高溫焦炭從干熄爐的頂部裝入，130℃的惰性循環(huán)氣體進入干熄爐中吸收紅焦顯熱，冷卻后的焦炭從干熄爐底部排出，吸收熱量后的惰性氣體送入余熱鍋爐中產生5.8MPa 的中壓蒸汽；二是荒煤氣余熱回收系統(tǒng)，在炭化室頂部的上升管上加裝夾套式換熱器，用以回收高溫荒煤氣的顯熱，產生1.7MPa的中壓蒸汽；三是煙道廢氣余熱回收系統(tǒng)，將總煙道中的煙道廢氣采出送入廢熱回收系統(tǒng)中，經裝置換熱降溫后排入大氣中，產生0.85MPa的低壓蒸汽。

1.2 多余熱梯級利用方案

依據(jù)“溫度對口，梯級利用”能量利用理念，多余熱梯級利用方案可以更合理地回收煉焦過程中產生的不同品位的余熱資源。該方案利用煙道廢氣的熱量來預熱干熄焦余熱回收系統(tǒng)中鍋爐的給水溫度，可降低干熄焦系統(tǒng)中余熱鍋爐換熱時的傳熱溫差，減少有效能的損失，提高能源利用效率。具體為：首先在干熄焦余熱回收系統(tǒng)中使用高溫高壓的余熱鍋爐進行高溫熱量的回收；另外在整個系統(tǒng)中，除氧器出口的水一部分經過高壓泵加壓送入煙氣余熱回收系統(tǒng)，提高水溫后進入干熄焦系統(tǒng)中產生高溫高壓蒸汽，另一部分的水經水泵加壓后進入荒煤氣余熱回收系統(tǒng)產生中壓蒸汽。根據(jù)圖1的工藝流程對干熄焦、荒煤氣、煙氣余熱回收系統(tǒng)進行簡化，多余熱梯級利用方案如圖2所示。

圖1 焦化系統(tǒng)余熱回收工藝流程

圖2 煉焦系統(tǒng)多余熱梯級利用方案

在干熄焦、荒煤氣、煙氣系統(tǒng)的熱量回收過程中基本上只有能量的轉化，化學并未釋放，而是以儲存能的形式出現(xiàn)，且經計算得知系統(tǒng)出方與入方的化學基本相等[11]。因此，在計算過程中不進行化學的計算，同時不考慮管道的輻射散熱損失和壓力損失。

在系統(tǒng)運行的過程中，3個子系統(tǒng)的構造雖然有所差別，但是從熱力學角度分析，這3個系統(tǒng)的都可以分為以下幾項：系統(tǒng)的輸入，包括給水和進入系統(tǒng)的熱量；換熱過程中系統(tǒng)輸出的功即有效輸出；系統(tǒng)內部損以及外部損。平衡的模型如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)平衡圖

2 主要熱工參數(shù)

國內某鋼鐵公司的兩座55孔、6m焦爐，年產焦炭110 萬噸，配套140t/h 的干熄焦裝置，以及配套的熱力回收系統(tǒng)。干熄焦余熱回收系統(tǒng)、荒煤氣余熱回收系統(tǒng)以及煙道廢氣余熱回收系統(tǒng)的熱工參數(shù)數(shù)據(jù)見表1，在進行計算分析時以1t入爐干煤為計算單位。

表1 系統(tǒng)熱工參數(shù)

3 各個余熱回收系統(tǒng)的計算及分析

在焦化系統(tǒng)余熱資源的回收過程中，涉及多設備、多環(huán)節(jié)的能量轉移，使用分析的方法可以很好地揭示能量轉移過程中的損耗以及能量利用的不合理環(huán)節(jié)，使人們科學地了解余熱回收系統(tǒng)的完善程度，找出能量利用的薄弱環(huán)節(jié)。

3.1 干熄焦系統(tǒng)

干熄焦系統(tǒng)分為兩個換熱階段，循環(huán)氣體在熄焦爐中與紅熱焦炭進行換熱，吸收熱量后進入余熱鍋爐中與水交換熱量，產生蒸汽。使用上文中提出的分析模型對干熄焦系統(tǒng)進行計算后將結果整理至表2。由計算結果可知，干熄焦系統(tǒng)中的主要的收入為焦炭帶入和焦炭燒損；在輸出中占比較大的為中壓蒸汽和不可逆換熱損，出口損較低。系統(tǒng)的效率為55.16%，有效輸出為中壓蒸汽，數(shù)量為554.07MJ/t干煤。

表2 干熄焦余熱回收系統(tǒng)的平衡

表2 干熄焦余熱回收系統(tǒng)的平衡

收入images/BZ_378_476_1286_507_1315.png輸出images/BZ_378_956_1286_987_1315.png項目項目數(shù)量/MJ·t-1比例/%數(shù)量/MJ·t-1比例/%焦炭帶入images/BZ_378_367_1404_398_1433.png中壓蒸汽images/BZ_378_848_1404_879_1433.png焦炭燒損images/BZ_378_367_1463_398_1492.png焦炭出口images/BZ_378_848_1463_879_1492.png給水帶入images/BZ_378_367_1522_398_1551.png655.28 326.94 22.37 65.23 32.54 2.23散熱images/BZ_378_817_1522_848_1551.png氣體散失images/BZ_378_848_1581_879_1610.png排污images/BZ_378_801_1640_832_1669.png損不可逆換熱images/BZ_378_848_1699_879_1728.png損合計1004.53 100.00合計554.07 50.58 40.46 1.93 2.92 354.57 1004.53 55.16 5.04 4.03 0.19 0.29 35.30 100.00

3.2 荒煤氣系統(tǒng)

在焦爐荒煤氣顯熱回收系統(tǒng)中，工質水在上升管換熱器中直接與荒煤氣進行換熱產生蒸汽。表3為對荒煤氣系統(tǒng)進行計算的結果，可以發(fā)現(xiàn)，荒煤氣余熱回收系統(tǒng)中荒煤氣帶入為收入的主要來源，占總收入的96.70%；荒煤氣的出口損占輸出的大部分，內部損占比不高；有效輸出為上升管換熱器產生的中壓蒸汽，占總輸出的17.18%，效率較低。

表3 荒煤氣余熱回收系統(tǒng)的平衡

表3 荒煤氣余熱回收系統(tǒng)的平衡

收入images/BZ_378_1549_394_1580_423.png輸出images/BZ_378_2030_394_2061_423.png項目項目數(shù)量/MJ·t-1比例/%數(shù)量/MJ·t-1比例/%荒煤氣帶入images/BZ_378_1462_512_1493_541.png中壓蒸汽images/BZ_378_1927_512_1958_541.png紅焦輻射帶入images/BZ_378_1478_571_1509_600.png荒煤氣出口images/BZ_378_1943_571_1974_600.png給水帶入images/BZ_378_1447_630_1478_659.png266.03 9.07 1.25 96.70 3.30 0.45散熱images/BZ_378_1896_630_1927_659.png排污images/BZ_378_1880_689_1911_718.png損不可逆換熱images/BZ_378_1943_748_1974_777.png合計275.11 100.00合計48.91 181.46 10.12 1.20 33.42 275.11 17.78 65.96 3.68 0.44 12.15 100.00

3.3 煙道廢氣系統(tǒng)

在焦爐煙道廢氣的余熱回收系統(tǒng)中，熱管換熱器中的工質吸收煙道廢氣的低溫熱量后再與水交換熱量。由表4的計算結果可知，在煙氣余熱回收系統(tǒng)中收入中基本全是系統(tǒng)進口煙氣帶入的；系統(tǒng)輸出中有效輸出所占比例較大，損主要分布在外部損，也就是煙氣出口的損失。

表4 煙氣余熱回收系統(tǒng)的平衡

表4 煙氣余熱回收系統(tǒng)的平衡

收入images/BZ_378_1534_2697_1565_2726.png輸出項目images/BZ_378_2015_2697_2046_2726.png數(shù)量/MJ·t-1比例/%項目 數(shù)量/MJ·t-1比例/%煙氣進口給水帶入images/BZ_378_1420_2874_1451_2903.png134.70 1.24 99.08 0.12低壓蒸汽images/BZ_378_1901_2815_1932_2844.png煙氣出口images/BZ_378_1901_2874_1932_2903.png散熱images/BZ_378_1870_2933_1901_2962.png排污images/BZ_378_1854_2992_1885_3021.png損不可逆換熱images/BZ_378_1916_3051_1947_3080.png合計135.94 100.00合計70.34 50.42 4.17 0.21 10.79 135.94 51.75 37.09 3.07 0.15 7.94 100.00

在目前的煉焦余熱資源回收過程中，紅焦顯熱、荒煤氣顯熱、煙道廢氣顯熱分別進行余熱回收，產生不同品級的蒸汽送入蒸汽管道中。看似對余熱資源進行了有效的回收利用，但是從分析的角度來看，各個子系統(tǒng)的效率不高，還有很大的提升空間。其原因主要源于兩方面，一方面是由于回收技術的限制，另一方面則是由于在系統(tǒng)設計過程中忽略了對能量品級的考慮。

4 兩種方案的對比分析

在焦爐多余熱梯級利用的方案中，先利用煙氣的余熱產生高壓不飽和水，然后送進干熄焦系統(tǒng)中的余熱鍋爐中回收高溫熱量，產生高溫高壓蒸汽。利用煙氣余熱提高干熄焦的給水溫度，降低了干熄焦系統(tǒng)中熱量回收過程的傳熱溫差，減少了傳熱過程中產生的不可逆換熱損。對比于傳統(tǒng)方案的中溫中壓鍋爐，增加煙氣和干熄焦系統(tǒng)中水汽側的壓力，會使得傳熱過程中的不可逆損失降低，汽水能級提高。這種焦爐余熱回收方式不僅可以提高能量的利用率，同時也會提高所回收蒸汽的做工能力。根據(jù)余熱回收系統(tǒng)的熱工參數(shù)，使用分析計算模型分別對傳統(tǒng)方案以及焦爐多余熱利用方案進行計算，計算結果見表5。

表5 兩種余熱利用方案的分析結果對比

表5 兩種余熱利用方案的分析結果對比

項目輸入images/BZ_379_344_2610_375_2639.png/MJ·t-1有效輸出images/BZ_379_406_2669_437_2698.png/MJ·t-1不可逆換熱images/BZ_379_437_2728_468_2757.png損/MJ·t-1images/BZ_379_281_2787_312_2816.png效率/%原有方案1416.20 674.83 391.23 47.65多余熱梯級利用方案1415.37 831.05 235.74 58.72

5 結論

（2）提高干熄焦系統(tǒng)的換熱效果以及使用高溫高壓余熱鍋爐可以提高干熄焦系統(tǒng)的效率；解決荒煤氣熱量回收過程中的焦油凝結問題以及煙氣的冷凝腐蝕問題可以大大提高荒煤氣以及煙氣余熱回收系統(tǒng)的效率。

（3）優(yōu)化后的焦爐多余熱梯級利用方案符合“能量匹配，梯級利用”的原則，焦爐余熱回收系統(tǒng)的總效率達到58.72%，可以合理高效地回收焦化過程中產生的余熱資源。

符號說明

cp—— 比定壓熱容，kJ/(kg·K)

Dx—— 系統(tǒng)中各狀態(tài)下水和水蒸氣的流量，kg/h

Ein,i—— 系統(tǒng)輸入，kJ/h

El,k—— 系統(tǒng)的內部損，kJ/h

Eout,j—— 系統(tǒng)中外部損，kJ/h

Ex—— 混合氣體的值，kJ/h

E'x—— 系統(tǒng)中各狀態(tài)下水和水蒸氣的值，kJ/h

Hx—— 系統(tǒng)中各狀態(tài)下水和水蒸氣的焓值，kJ/kg

Sx—— 系統(tǒng)中各狀態(tài)水和水蒸氣的熵值，kJ/(kg·K)

Tx—— 系統(tǒng)中氣體換熱前后的溫度，K

T0—— 環(huán)境狀態(tài)溫度，K

V—— 氣體流量，m3/h

W—— 系統(tǒng)有效輸出，kJ/h

ρ—— 氣體密度，kg/m3

η—— 系統(tǒng)的效率，%