宣钢焦炉烟气显热回收利用技术的应用研究

武岩伟

随着我国能源供求矛盾的日趋突出和能源结构不合理问题的严重困扰，除广开能源供应渠道、大力开发利用新能源等措施外，节能新技术、新工艺和节能设备的开发和应用，对于提高我国能源利用效率、促进节能减排目标的实现，也具有十分重要的现实意义。

1 焦炉上升管显热回收利用系统的结构组成

5#6#焦炉上升管显热回收技术包括上升管换热器、汽包、强制循环泵、除盐水箱、除氧泵、除氧器、汽包给水泵等以及相关电气仪控设备。干熄焦除氧水经过给水调节阀供至缓冲水箱（缓冲水箱同时配备一路来自于干熄焦除盐水箱出口的应急和补充水源），经汽包给水泵（变频防爆、一用一备）输送至汽包，通过PID 调节汽包进水调节阀保持设定水位（250mm），汽包通过强制循环泵（变频防爆、一用一备）向6m 焦炉上升管换热装置供水。焦炉炼焦生产过程中，炭化室煤饼产生温度为650℃～800℃的焦炉荒煤气，焦炉荒煤气通过装置内壁传热给换热器，换热后，上升管换热器出口的荒煤气温度为500℃～600℃，通过换热器吸收热量换热产生的汽水混合物通过汽水连接管道引至汽包，汽包出来的饱和蒸汽并入低压蒸汽管网。工艺流程图1 所示。

图1 工艺流程图

2 上升管荒煤气显热回收技术的应用

2.1 控制水量新技术，减少内壁石墨焦油的增长

上升管换热器共计100 个，分别布置在焦炉机侧上升管位置，荒煤气流向为下进上出，除氧水为下进上出，二者进行顺流换热。为防止由于布水不均匀导致上升管干烧情况的发生，系统管道采用梯级布置：流量大小由孔板控制，1 号～20 号孔板直径8mm，21 号～40 号孔板直径10mm，41 号～60 号孔板直径12mm，61 号～80 号孔板直径14mm，81 号～100 号孔板直径16mm；上升管换热器采用顺流布置，很好地控制壁温，保证内部不低于焦油露点温度；上升管换热器采用并联方式排列，通过强制循环泵、大流量高扬程、分段的管网布局，充分保证每个上升管换热器的进水相对均匀；每台上升管换热器进出水处均设置手动控制阀门，可以根据需要随时进行换热器切断；材料采用耐高温性能的材料,具备耐热防漏水、防结石墨及挂焦油的三重功能。并且系统采用两路电源一备一用，强制循环泵一用一备，补水泵一用一备。考虑焦炉有停电可能会造成换热装置断水干烧，采用两路电源自动切换供电。

2.2 采用无缝复合整体技术，防止上升管换热器的变形

上升管内筒是在2600 度高温下熔合成型的无缝复合整体，能适用于500℃～1500℃的复杂荒煤气环境，可避免高温氧化上升管内壁造成上升管变形漏水。上升管连续干烧时间为一个月以上，但考虑到上升管器干烧时间过长再进水，温差比较大，影响上升管使用寿命，故干烧时间尽可能短；上升管换热器中部设置特殊结构膨胀节，可以消除上升管内、外筒周期性热应力的影响破坏。上升管换热器采用内筒外筒结构，受热介质在内外筒之间的密闭空间进行换热，介质不会渗漏到炭化室。内壁配以纳米自洁材料，经过500°的高温后内表面形成均匀光滑而又坚固的釉面，均匀光滑、无死角、不会结石墨和凝聚煤焦。

新型上升管换热器不改变原有上升管荒煤气内部通道，上升管换热器内筒内径与原上升管衬砖后的内径保持一致；上升管换热器的高度为原上升管总高减去底座高度304mm，保证上升管高度不变，不影响焦炉的正常生产。上升管外形尺寸图2 如下。

图2 上升管外形尺寸

3 焦炉荒煤气显热回收技术设备的应用分析

3.1 焦炉上升管换热器

上升管余热回收设备的余热回收体系的重点机械，其应用HYWHR 型荒煤气换热设备，此设备的构造方式、导热设备和固态导热介质的应用方式全部是我国研发的，有效的处理了荒煤气废热应用过程中可能出现的各种影响安全性的情况。①设备构造特性。换热设备的大小与焦炉上升管一样，装设期间不会妨碍焦炉的工作。内筒与外筒将的盘管应用导热性能较好的薄片，换热效果较好。内筒的材质选取抗高温抗腐蚀的合金管，受力匀实度较高。无缝合金内筒表层比较光滑，不会轻易吸附结石墨和焦油。上升管换热腔是开放性，内容与外筒夹层空腔和空气互通，若是盘管中的水汽出现泄露则能够借助底层的排水口进行排放，可以有效的防止水汽流入到焦炉炭化室中，确保的焦炉运转的安全。HYWHR 换热设备仅换热盘管中存在压力，别的位置均为正常压力且开放型构造，不是压力设备，无需按时进行检验，从而有效的节约了公司的开销，并且提升了生产安全。②5#6#焦炉共设置上升管换热器100 套，每台换热器进水处设置手动切断阀门，出口处设置手动切断阀门，切断阀门均为2 道，1 道焊接连接，1 道法兰连接，保证上升管换热器正常运行和检修更换安全。

3.2 汽包及汽水系统

除盐水站中的除盐水，借助除氧水泵把除盐水输送到热力除氧设备中展开除氧操作，之后借助汽包送水泵把水输送到汽包中。水在汽包和上升管余热回收应用设备间借助强制循环泵展开强制循环换热，然后到汽包中展开水与汽的分离，蒸汽自汽包被运送到蒸汽管网中，水接着运动然后被运送到上升管余热回收应用设备展开热交换。汽水体系中包含两部汽包，其中一部为备用设备；四部强制循环泵，其中两部为备用设备。并且，所有的汽水体系均设立3 台取样冷却设备，用途是汽包水取样、除氧水取样以及饱和蒸汽取样。汽包设电动放散调节阀，人工在中控室控制。放散管出口设消音器，消音器的消音量＞40dB（A）。采用2 台单窗式磁敏双色液位计就地显示，2 台平衡容器远传。安全阀与汽包之间加切断阀，方便安全阀的年检。设置事故供水槽，为预防停电烧损上升管式换热器，满足至少三个小时的供水，产生的蒸汽应急放散。系统蒸汽产量约12t/h，三小时的供水量为36t。预防停电措施：一是保证供水的可靠性，水泵均为运1 备1，双回路供电；二是系统本身留有半个小时的事故处理时间。控制系统采用冗余控制，锅炉及泵房设工业电视，信号传至中控室。采用卧式离心泵2 台，运1 备1，备用泵自投，5#6#焦炉共100 个上升管，考虑到上升管分布距离较长，阻力损失等以及保证每个上升管不缺水，选用6 倍～8 倍的循环倍率，保证系统的正常运行。

采用卧式离心泵2 台，运1 备1，备用泵自投，两泵能满足人工同时投运，保证汽包液位在正常范围内，防止安全事故的发生。除氧泵，采用卧式离心泵2 台，运1 备1，备用泵自投，保证缓冲水箱液位的正常范围。

3.3 冷却水系统和排污疏放水系统

体系中强制循环水泵、除盐水泵以及补水泵的冷却水全部来自厂区中的供水管，回水进入冷却塔展开降温，从而再次应用，之后回水进入之前的回水管。所有的余热回收体系均会配备定期排污扩容设备和连续排污扩容设备，汽包本体与除氧设备的排污通过管路然后流入排污扩容设备，冷凝水通过集水坑中的潜污泵进入到污水管中，经过处理之后再次应用。紧急防水与缓冲水箱连接确保能够重复应用。

3.4 分散生产调节模式

所有上升管换热设备均新增了进口控制阀门与出口控制阀门，能够落实各个上升管的水汽调控。所有的换热设备均各为整体，出现问题期间能够单一的进行关闭，不会干预生产活动，有效的展现了生产信用，落实了节能的目标。

4 上升管荒煤气显热回收技术的好处

4.1 促进能源高效利用

炭化室内煤料在隔绝空气高温干馏变成焦炭过程中析出荒煤气，经过上升管流出，然后通过集气管、吸气管输送到化产冷鼓工段。上升管荒煤气余热中包含的热量最高能够为焦炉输出热量综合的40%左右，和红焦显热差不多相同，若是不进行回收应用则会在很大程度上损耗此部分资源。借助在上升管装设余热回收器，能够将大多数荒煤气余热进行回收并再次应用，生成的蒸汽会被输送到气管网中，并且被用到工业领域与低温取暖中。理论知识和有关的试验信息显示，依照50%的回收率展开测算，每生成一吨焦炭，上升管荒煤气余热进行回收之后能够形成0.1 吨气压为0.4-0.8MPa 的饱和蒸汽。由此可见其回收价值较高。

4.2 满足集气管温度工艺指标

荒煤气通过焦炉炭化室然后进入上升管，此时温度在650℃～800℃，尤其是装煤之后荒煤气生成量会进入鼎盛时期，此时温度能够到达1000℃。若是不针对较高温度的荒煤气展开降温操作，则可能造成焦炉集气管与桥管等发生形变甚至损坏，导致焦炉冒烟，并且影响粗苯、焦油等化产品的质量。焦炉集气管温度必须控制在80-100℃之间。焦化行业管控荒煤气温度的方式为喷洒氨水，将温度为70℃的循环氨水喷洒在桥管位置，循环氨水在高温作用下会蒸发，从而降低荒煤气的温度。在具体工作期间，会出现循环氨水管路堵塞的情况，导致喷洒不顺畅，从而造成集气管温度管控效果较差，解决过程比较繁琐，同时氨水也会在一定程度上腐蚀焦炉的铁质部件，影响焦炉的维修与养护。借助上升管余热回收设备能够减少循环氨水的喷洒量，且上升管余热回收设备的热量转换与导热效果较好，能够在短时间内使得荒煤气温度下降；尤其是应用气体介质的热转换设备，能够良好的避免上升管堵塞或者结焦情况的出现，进而有效的保障了焦炉集气管温度指标的稳定。

4.3 减少荒煤气导出设备的腐蚀

研发了相对灵便的荒煤气显热回收技术体系，能够依据焦化厂实际需要生成饱和蒸汽，良好的提升荒煤气显热回收应用工艺的具体价值，并且减少了焦炉荒煤气导出设备结焦与腐蚀情况，有效的减少了清扫直桥管的任务量。①应用双汽包并联形式装设，有效的提升体系的安全性与可靠性，有效的规避上升管蒸发设备发生干烧的情况，规划大流量强制循环体系，蒸发设备进口和出口管路应用科学的梯级配置，确保所有的蒸发设备进口和出口水量的均匀度，提升体系的换热效果；②高效自清洁不粘涂层工艺可以良好的规避荒煤气中焦油在蒸发设备表层的结焦与腐蚀，有效的减少焦炉清理任务量，增加焦炉清理周期，提升了焦炉生产效果；③科学的上升管蒸发设备构造。将蒸发设备规划为“斜切”进出口构造，降低流动损耗；借助在汽水夹套中规划导流设备，规划汽水流场布设，防止出现流动盲区或者温度较高区域，提升蒸发设备的总传热效果；④利用显热回收技术降低上升管表面温度，改善职工的作业环境。

5 实施效果

焦炉荒煤气显热回收利用技术实施后，焦炉炉顶上升管表面温度由200℃～280℃降低到50℃～90℃以下，减少热辐射，改善职工操作环境；上升管内部避免结焦，减少了人工清理上升管内壁的劳动强度和清理过程中的烟尘外逸，防止了高温对直桥管的损坏。如图3。

图3 实施前后对比图

5#6#焦炉利用焦炉上升管荒煤气显热回收装置每小时生产压力为0.4MPa ～0.8MPa 饱和蒸汽约12t，大大节约了能源，降低了工序能耗，可回收10.5 万t0.4MPa ～0.8MPa 蒸汽，折合标煤约0.994 万t，年可减排二氧化碳量2.58 万t，二氧化硫量238t，氮氧化物量70t，节能效果明显。

6 结语

综上所述，宣钢焦化厂5#6#焦炉上升管内的荒煤气显热回收方式，采用换热式上升管的形式，2018 年投用以来，运行稳定，存在上升管内壁挂结石墨焦油和鼓包的问题，需要对换热结构和内壁材料加以优化，以增强换热能力和减少石墨焦油挂壁，防止内壁鼓包现象的发生。随着上升管余热回收利用系统的不断实践与改进，如今这项技术已经较为完善，并且在运用能源过程中，还可以生成一些其他的经济效益。所以，在焦炉荒煤气余热回收利用方面，该系统也能够充分发挥其作用，为焦炉稳定生产提供保障的同时也避免了能源浪费现象的发生，为其可持续发展提供条件。