焦炉荒煤气显热的余热利用

　　1　焦化厂焦炉上升管荒煤气余热回收利用的必要性

　　焦化厂从加煤开始到推焦，从焦炉炭化室推出的950℃～1050℃红焦带出的显热(高温余热)占焦炉支出热的37%(此部分已经由干熄焦得以解决)，650℃～850℃焦炉上升管荒煤气带出热(中温余热)占焦炉支出热的36%(此部分热量一直没有得到有效解决和利用)，180℃～230℃焦炉烟道废气带出热(低温余热)占焦炉支出热的16%(此部分已经由烟道气余热锅炉解决并利用)，炉体表面热损失(低温余热)占焦炉支出热的11%。

　　我们经过理论计算及中试数据(三钢集团4.3m焦炉)测试表明，焦炉上升管高温荒煤气余热回收后至少能产生0.6MPa饱和蒸汽0.08吨/吨焦，沙钢集团6.0m焦炉测试表明，焦炉上升管高温荒煤气余热回收后至少能产生0.6MPa饱和蒸汽0.12吨/吨焦，唐山达丰5.5m焦炉测试表明，焦炉上升管高温荒煤气余热回收后至少能产生0.6MPa饱和蒸汽约0.1吨/吨焦，2014年数据统计，我国焦炭产量约4.3亿吨，如将上升管全面改造，测算下来至少可回收3870万吨的0.6MPa饱和蒸汽，折合标煤约355万吨，年可减排二氧化碳量885万吨，二氧化硫26万吨，氮氧化物13万吨，节能又减排。

　　焦炉荒煤气的余热利用得以实施和推广，目前对治理雾霾天气和环境污染治理具有广阔前景。

　　2　焦化厂焦炉上升管荒煤气显热余热回收利用的进程

　　目前世界焦化业传统的方法是喷洒大量70℃～75℃的循环氨水，循环氨水吸热而大量蒸发，使荒煤气温度得以降低，进入后序煤化工产品回收加工工段。这样的结果是，荒煤气带出的热量被白白浪费掉，既浪费了荒煤气热能，还增加了水资源的消耗和电力的消耗，上升管荒煤气余热回收技术尚未取得实质性突破。

　　1970年开始，国内外都对上升管荒煤气的余热利用进行了多项次的研究和试验，夹套上升管、导热油、热管技术的应用，最终不能完全解决上升管的简体焊缝拉裂、漏水、漏汽等问题，以及上升管内部焦油和石墨的吸附问题，未及深入开发研究和使用，而搁置下来近30多年。炼焦荒煤气余热回收利用技术在我国经历了近30年的研究历程，其材料、结构不能满足现场工况要求，效率低、寿命短，关键技术没有突破，至今尚无成熟、可靠、稳定的大工业化应用实例。

　　常州江南电力集团经过多年的研发，已研究开发出的一种高效、可靠、稳定的回收利用新技术，回收利用焦炉荒煤气显热，产生高数量、高品质的蒸汽，并实现其在工业上的应用，逐步于2013年在三钢进行中试取得突破性进展，并于2013年11月在三钢初步应用推广，2014年投运。后续可以在国家的引导和支持下，作为示范技术，推广应用到整个炼焦行业，实现整个行业的热能高效利用和节能减排，从而显著降低这个行业的碳排放量。

　　3　焦炉上升管荒煤气显热余热回收技术的应用

　　焦炉上升管荒煤气显热的回收，成为近年来我国焦化企业研发的热门课题，主要集中在导热油夹套管、热管、锅炉和半导体温差发电等技术，来回收荒煤气带出热。

　　图2所示的传统水夹套方式，2009年，我公司开始组织研发人员进行焦炉上升管荒煤气的余热利用的上升管换热器的研发;按照传统的思维方式设计并生产出一台上升管换热器，其主要的特征是，保持原有上升管的结构，我们对换热器的结构形式进行了多种设计，最终确定了一种形式，就是在换热器的外壁，参照化工反应釜的原理，设计了半圆盘管，经过一段时间的试运行，最终还是因为荒煤气的温差原因，造成焊缝疲劳而裂开，宣告了此种设计的缺陷性和弊端。到目前为止该技术在首钢、太钢以及济钢的导热油技术和梅山钢铁的分离式热管技术已经全部拆除。

　　常州江南电力设备集团公司经过多年的研发，经过多次的失败和反复。我们组织了从事过化工和压力容器以及换热器设计开发人员，跳出焦化行业这个圈子，从专业的换热器和化工机械着手，公司生产的单晶硅生长炉的结构和技术运用，给我们带来了触发和灵感，单晶炉在生产过程中始终的运行温度为1400℃～1700℃，在如此高温的情况下，需要对炉体进行冷却，其结构值得借鉴。为此，我们依据单晶炉的冷却系统，结合了我们的换热效果，进行了特殊设计，形成了现在独有的换热器结构形式。已经在三钢焦化厂进行了一系列的中试，并取得突破性进展，经过5次中试，最终取得圆满成功。其下属节能公司2014年已经在2台焦炉(2×65孔)实现产业化。其下属常州江南冶金科技有限公司，在三钢成功的基础上，进一步开发，采用了大量的新材料新技术，经过唐山达丰焦化5.5m焦炉、沙钢集团6m焦炉的试验，掌握了大量的试验数据和经验，2014年11月与邯郸钢铁集团签署了6m焦炉上升管余热回收总承包合同，并已经开始执行。从而将上升管余热利用项目大大地向前推进了一大步，成为国内唯一一家进行6m焦炉上升管余热回收利用改造的企业。

　　4　焦炉上升管荒煤气显热余热回收技术的实现

　　4.1　荒煤气高导热、耐蚀、长寿命的上升管内衬材料开发研究

　　上升管内衬材料是提高荒煤气余热回收利用效率的关键技术之一。原工艺装备上升管采用普通碳钢材料，内壁衬耐火砖，更换用余热回收装置后，内壁不能再衬耐火砖，否则热传导效率极低。这样，导致装置内壁直接与高温(650℃～900℃)荒煤气接触，而荒煤气中含有氧气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氧化氮、氢气、甲烷、水汽及芳香烃类化合物等，普通碳钢在此温度及环境下，高温烧蚀严重，不能满足工况要求。若提高内筒材质，则只有采用耐高温腐蚀的特殊合金钢，如哈氏120级别以上钢材，但其价格就急剧上升。本研究课题之一就是在仍然采用普通碳钢材质情况下，取消耐火砖，对材质内壁进行表面处理，满足以下要求：(1)防高温H2S、CO2、渗碳、渗氮腐蚀;(2)防高温氧化;(3)耐高低温温差;(4)耐外力冲击(内壁需机械清理和吹空气燃烧沉积石墨);(5)成本较低。常规要求控制荒煤气温度不低于500℃，以避免上升管内壁过快长石墨，本项目可控制在400℃以上，石墨生长速度低于原常规生产模式。

　　4.2　稳定、可靠、高效的换热形式研究及选择

　　荒煤气热量通过钢质内筒内壁导出到外壁后，需要良好的导热介质将外壁上的热量快速导出，提供给水进行汽化。由于上升管可有效利用的高度仅2m左右，荒煤气在内筒以较快速度通过，因此，整个热传导过程必须快速，才能最大限度回收荒煤气余热。由于钢铁的导热系数为80W/m·K，因此导热介质的导热系数必须大于80W/m·K，而且越大越好。但同时又需要控制导出的荒煤气的温度不能过低而造成上升管内壁过快长石墨，经过多次试验和计算，最终确定下来采用特殊结构形式的换热模式，经过中试结果证明满足上述要求。

　　4.3　低热应力的换热系统结构研究及选择

　　荒煤气通过内壁快速热量传递给换热器内壁后，需要尽快将热量通过换热装置，传递给水进行汽化吸热，由于换热装置也是钢铁材质，其导热系数与内筒一样，就必须增加其换热面积，只有其换热面积大于内筒外壁导热面积，热量才能快速有效地传导。要在直径为400～500mm的圆形环腔内布置较大的换热面积的换热装置，其结构必须十分密排、紧凑。又由于装置内外温差大，温度区间从常温到900℃，产生汽水混合物压力将达0.6MPa，并存在汽液相之间的热量交换，热膨胀及热应力必将对换热系统及整个余热利用系统造成严重的影响。因此，换热系统的结构设计，必须具备消除热应力的能力，否则换热装置结构将被破坏，不能长期有效使用。

　　目前已研发出的技术措施很好地解决了上述问题，整个换热部件在内、外筒之间的密闭空间内，水汽在管道中流动，压力低于1MPa，通过特殊连接方式，不存在泄漏及爆管问题。已经通过中试进行验证，现已投入改造。

　　4.4　选择及研发合适的、可靠、可控的配套水循环系统、蒸汽循环系统、控制管理系统

　　为了保证工业应用系统的稳定高效运行，要求装置供水系统和蒸汽循环系统可靠、可调节、可监控，同时控制管理系统必须对系统中水的质量、水和蒸气的温度、流量、压力进行实时监测和系统控制。为了保证系统的安全性，还需要对系统设置故障诊断和安全报警等集中操控管理系统，对蒸气压力、温度、临界流量等一系列参数进行监测、控制。

　　5　焦炉上升管荒煤气显热余热回收技术的效益

　　5.1　焦炉上升管荒煤气显热余热回收利用装置改造的技术指标

　　荒煤气显热利用率达30%～40%，达国内外先进水平。

　　吨焦产生蒸汽达0.10吨，温度平均达158℃，压力达到0.6MPa。

　　可以实现工业化长期、稳定运行，操作维护简单，维护成本低。使用寿命达5年以上，投资回收期约2年左右。

　　炼焦工序能耗降低10kg标煤/吨焦。

　　5.2　项目研发对行业节能减排的意义

　　经过三钢一年多的运行，焦炉上升管荒煤气余热回收利用的经济效益十分显著：高温荒煤气余热回收后至少能产生0.6MPa的饱和蒸汽约0.08～0.1吨/吨焦，如果全面推广到5.5m、6m焦炉则应用前景会更加广阔，为行业和国家的节能减排作更大贡献。

　　5.3　环境保护

　　本工程生产原料及中间产品仅为“水—蒸气—水”，水液两相全封闭循环，无废气产生。出现故障时仅有少量蒸汽泄露。

　　本工程生产原料及中间产品仅为“水—蒸气—水”两相全封闭循环，仅有少量排污情况。排污水水量最大0.5t/h，水质优于现焦化厂循环水补充水水质，故将其作为循环水系统补充水排入现焦化厂循环水系统，本工程对外无废水排放。

　　5.4　增量效益

　　荒煤气温度降低约300℃，减少氨水、循环水、制冷水消耗量40%;每上升管装置每小时产生蒸汽0.10吨，降低炼焦工序能耗10公斤。

　　6　结语

　　常州江南冶金科技有限公司进行的焦炉上升管荒煤气显热余热回收利用，其节能减排研发与实践是以节能降耗生产理念为指导，对传统节能降耗工作的深化和提升，对发展循环经济的作用是显著的。通过实践，认为我们开发和研制的焦炉上升管荒煤气显热余热回收利用系列工艺技术及装备，填补了焦化行业节能降耗的一项空白。这些技术和设备无论从生产、经济还是环保方面考虑都是十分可行的，是焦化企业最佳的选择。尤其切合国家节能减排新政，对尽可能达到十二五规划目标会起到一定的推动作用。