焦炉上升管余热利用的研究<br/>——替代煤气净化管式炉

焦炉上升管余热利用的研究
——替代煤气净化管式炉

2020-10-16孙灵乾郗传鹏郭飞

中国设备工程 2020年19期

孙灵乾，郗传鹏，郭飞

（青岛特殊钢铁有限公司焦化厂，山东青岛 266409）

20世纪70年代，焦炉上升管余热利用技术在国内焦化厂开始应用，但限于它所带来的焦炉上升管结焦、泄露等问题，严重威胁焦炉生产的安全稳定性，所以未能在焦化行业内取得广泛应用。近年来，随着对上升管蒸发器应用材料的不断探索、结构的不断改进、中间导热介质的不断优化，焦炉上升管余热利用技术取得了较大的发展。现国内投产上升管余热利用装置已超过40余套。

1 焦炉余热利用现状

在炼焦工艺中，炼焦配合煤在焦炉中被隔绝空气加热干馏，在生成焦炭的同时，裂解出来大量的荒煤气。

其中，从焦炉炭化室推出的950～1050℃红焦带出的显热占焦炉总热量的37%；650～800℃荒煤气带出的热量占焦炉总热量的36%；210～280℃焦炉烟道废气带出的热量占焦炉总热量的17%；另外，炉体表面热损失占焦炉总热量的10%。

目前，红焦带出的显热，已有成熟可靠的干熄焦装置进行回收，用于发电；焦炉烟道气余热，也有成熟的烟道气余热锅炉装置进行回收。而焦炉荒煤气带出的热量，则需要通过焦炉上升管余热利用装置进行回收并利用。

图1 焦炉荒煤气导出系统

2 焦炉荒煤气导出系统

在焦炉工艺中，焦炉荒煤气导出系统（如图1）的作用主要为，将焦炉碳化室内荒煤气顺利导出，防止炉门冒烟冒火，并保持炭化室在整个结焦过程中为正压；同时，将导出的荒煤气进行适度冷却，降低荒煤气体积流量，并保持焦油和氨水良好的流动性。

其设备主要包括上升管、桥管、水封阀、集气管、吸气管以及相应的喷洒氨水系统。在焦炉生产过程中，焦炉上升管内荒煤气的流量、温度以及焦油量等随结焦时间呈周期性变化（如图2、3）。

以4.3m焦炉（结焦时间18h）为例，在一个结焦周期内，随着结焦时间的推移，荒煤气温度呈现缓慢上升再下降的过程，其温度在650～800℃变化。煤气流量在结焦过程中逐渐下降，至结焦末期荒煤气逐渐变的极少。焦炉荒煤气的组分较为复杂，上升管所处工况环境恶劣。在运行中，上升管蒸发器内部接触面，会受到荒煤气高温腐蚀气体的化学腐蚀、温度剧烈变化的周期热应力、温差变化导致金属材料的晶形不可逆转化，最终可能导致上升管蒸发器发生高温变形，甚至泄漏。

3 焦炉上升管蒸发器技术比较

在焦炉上升管余热利用系统中，核心设备为上升管蒸发器。目前，上升管蒸发器主要形式有水夹套式、外盘管式和内盘管式。水夹套式上升管蒸发器，具有结构简单、换热温差大、吨焦蒸汽产量高等优点；但因其结构形式，承压能力较低，受剧烈温度变化引起的热应力交替变化易出现金属疲劳。

图2 结焦时间内荒煤气温度和流量

图3 焦油析出率与温度关系

另外，在应用过程中，需适当降低导热系数，控制好内壁温度，防止上升管结焦油和石墨等问题的发生。外盘管式上升管蒸发器，具有管程承压能力强，可产生过热蒸汽，内部上升管壁温控制较好，有一定的蓄热能力的特点；但其产汽量较低，在使用过程中，需强化荒煤气侧的换热，以提高产汽率。同时，要避免上升管内部焦粉或焦油沉积。内盘管式上升管蒸发器，具有与外盘管相同的特点，且其产汽量更高；但由于其盘管直接暴露在上升管荒煤气中，易腐蚀泄漏，泄漏后工质将会直接进入碳化室内，运行的安全性存在较大风险。

图4 上升管余热替代煤气净化管式炉工艺流程图

4 焦炉上升管余热利用新思路——替代煤气净化管式炉

管式炉是焦化厂煤气净化工序使用的一种常用设备，一般包括蒸氨管式炉和脱苯管式炉。其中，脱苯管式炉的作用是将富油进行加热，从约135℃加热至185℃左右，同时，生产400℃以上的过热蒸汽，用于脱苯和洗油再生工序；蒸氨管式炉的作用是把剩余氨水加热到110℃，再进行蒸氨。管式炉一般消耗焦炉煤气，燃烧后产生约300℃的高温废气，不进行处理的情况下，无法达到排放标准。因此，回收焦炉上升管荒煤气热量，用于加热富油和剩余氨水，替代净化作业区管式炉。

一方面，回收荒煤气热量，节约能源；另一方面，消除焦化不达标废气排放点，达到节能与减排一举两得的效果。同时，上升管余热利用还具有减少焦炉炉顶热辐射，改善炉顶职工操作环境的社会效益。

主要工艺流程（如图4）为，通过焦炉上升管余热回收系统，对焦炉荒煤气热量进行回收，经中间传热介质（水汽），将热量用于煤气净化过程中富油和剩余氨水加热，取代脱苯和蒸氨两座管式炉，多余蒸汽并入低压蒸汽管网，并将蒸汽管网中蒸汽作为蒸氨备用热源。其中，洗脱苯过程中的脱苯和洗油再生所需的过热蒸汽，可通过上升管过热器产生，也可由干熄焦减温减压后并入，设置蒸汽电加热器作为备用（若有2套及以上干熄焦时，可两套互为备用，无须采用电加热器）。