焦炉余热回收高效利用技术研究

2023-01-14杨明燕师晋恺

山西化工 2022年1期

杨明燕，师晋恺

（山西焦化股份有限公司，山西洪洞 041600）

引言

焦化企业的炼焦工艺主要是通过热分解和结焦产生焦炭、焦炉煤气和其他炼焦化学产品的过程。在这个过程中，焦炉炉体、处理烟气系统的管道、焦炉出焦等可产生大量热量，如果将这部分热量进行有效回收利用，既减少企业不必要的污染排放，又能为企业带来经济效益和环保效益，也是当前国家节能减排政策背景下的必走之路。

焦炉炼焦余热包括出炉红焦、焦炉炉体、炼焦干馏过程中产生的荒煤气以及系统烟道排放的烟气。

1 国内发展现状

1.1 焦炭显热回收

所谓干熄焦，是相对湿熄焦而言的，是指采用惰性气体将红焦降温冷却的一种熄焦方法。通常CDQ是焦炭干法熄焦的简称，CDQ 不仅能吸收红焦的热量，节约能源，还可改善焦炭质量，减少污染。干熄焦过程中，随着排焦均匀的下降和缓慢的冷却，焦炭裂纹较少，强度较好，此外，干熄焦炭与焦粉容易分离同时也减轻了筛分的困难。我国干熄焦技术的应用，始于上海宝钢。上世纪80 年代，上海宝钢引进日本的4×75 t/h 干熄焦装置是我国最早引进投产的干熄焦装置。鉴于干熄焦的优势，我国的焦化企业相继投入该装置运行。

1.2 烟道气余热回收

生产工艺中焦炉炭化室加热后温度高达280℃～300℃左右的废气通过烟道汇总一直向大气排放，烟气将通过烟囱排放到空中，不仅浪费能源，又污染环境。因此对焦炉烟道废烟气余热进行回收利用，实现烟气余热二次利用很有必要。针对此高温废烟气，我国一些焦化公司建设了热管余热锅炉装置，利用烟气余热产生的蒸汽并网供生产和生活使用。

1.3 焦炉

炼焦煤在焦炉中被隔绝空气加热的同时，产生大量荒煤气。对于从焦炉炭化室推出的红焦带出的显热，已有成熟可靠的干熄焦装置回收并发电；而焦炉荒煤气带出的显热，目前南京圣诺与常州江南冶金联合研发技术已取得成功，后续逐步开始在焦化行业中进行推广。

2 焦炉余热回收利用在山西发展现状

焦炉余热回收项目，山西省一些企业已将焦炉烟气经过脱硝后的烟气进入余热锅炉进行热量回收，汽水通过上升、回流管路参与蒸发器换热面的吸热循环，产生的饱和蒸汽，经汽液分离后送至蒸汽管网用户使用或发电。

干熄炉130 ℃的低温惰性循环气体吸收红焦显热，从干熄炉环形烟道出来的高温惰性气体，经过除尘分离粗颗粒焦粉后流经干熄焦锅炉进行热交换，锅炉产生的蒸汽外送至蒸汽管网用户发电。

上升管余热回收南京圣诺与常州江南冶金通过多年的研究与实践，开发的上升管换热器结构形式和纳米隔热材料的使用方法与过去的技术有根本性的区别，属国内首创。

单个炭化室压力自动调节集气管负压技术，还需进一步研究开发，此技术不仅可以回收产生的荒煤气，同时可实现无烟装煤和清洁生产，大大改观焦炉的生产环境，经济效益和推广应用价值可观。

3 技术路线、技术成熟度及可行性分析

3.1 干熄焦工艺技术路线

装满1 000 ℃红焦的焦罐由提升机提升并横移至干熄炉炉顶，从干熄炉顶部装入干熄焦炉内，在干熄焦炉内与惰性气体进行热交换，冷却焦炭的惰性气体通过干熄焦炉底部的供气装置在干熄焦炉与红焦炭进行换热，惰性气体经除尘系统进余热锅炉换热，温度降低，再经二次除尘系统和循环风机加压经水冷却至130 ℃进行循环利用。

3.2 烟道气余热回收

该工艺分为烟气流程、汽水流程、热管余热锅炉三部分。

烟气流程主要是将主烟道路热烟气从地下主烟道路引出，换热降温后经锅炉引风机排入地下烟道经烟囱排空；汽水流程是工业软化水经过除氧器除氧，除氧后的水一部分分别进入汽包、中温热管蒸汽发生器，吸收热量变成饱和水，再进入汽包进行水汽分离，形成饱和蒸汽送至蒸汽总管或用户；热管余热锅炉系统系统的核心部件——热管，通过密闭真空管壳内工作介质的相变潜热来传递热量，其传热性能具有传热能力大，传热效率高的特点；且能以较小的温差获得较大的传热功率，具有单向导热的特点，使冷热流体间的热交换均在管外进行，方便进行强化传热。

3.3 焦炉上升管余热回收工艺

该工艺中经过过滤的除盐水通过汽包、循环水泵将除盐水送入上升管取热系统汽化为蒸汽，返回汽包，再供给各用户，用户产生的冷凝水系统进行集中收集，返回系统重复使用。本系统不产生废水，无三废排放。该工艺中的材料属于耐高温耐腐蚀的新型材料；能够控制焦油粘结的高效导热介质；工艺可在断水、断电状态下干烧而不损坏的耐高温热应力抗变形的结构的焦炉上升管夹套管中进行。

此工艺已经成熟并且进行了推广，通过以上对现有工艺及新工艺条件要求分析，此项目可行。

4 关键技术问题分析

4.1 干熄焦

干熄焦避免了传统湿熄焦过程中红焦显热浪费大的缺点，干熄焦过程中，吸收红焦的80%左右的热量并使之产生蒸汽，干熄每吨焦炭可产生420 kg～450 kg 的中压蒸汽，此部分蒸汽可继续进行回收利用；其次，干熄每吨焦炭可节省0.5 t 左右水资源；另外，焦炭在干熄炉的预存室里有一个再炼焦的过程，可提高焦炭质量，也避免了湿熄焦过程中有害物质的排放对大气造成的污染和对设备的腐蚀。

4.2 烟道气余热回收

该工艺有别于一般余热锅炉，系统的核心部件采用热管作为传热元件，整个汽水系统的受热及循环独立存在于热流体烟道以外；设备中热管元件间相互独立，热流体与蒸汽发生区双重隔离互不影响；工艺设计根据烟气特点，采用镍基钎焊翅片，防止低温下酸点的腐蚀；且此工艺操作简单、维修方便、故障率低、效率高。

4.3 上升管余热回收

上升管装置满足干烧条件，即使在换热系统出现故障的情况下，对焦化生产工艺不会产生影响；且不影响集气管操作，不会因循环氨水量减少而造成集气管堵塞事故；同时因为上升管采用特殊结构，在荒煤气温度最低的时候也能确保上升管换热壁温高于露点温度，从而换热壁面不会出现焦油粘接堵塞现象，上升管煤气导出畅通，不会影响焦炉正常生产；最后，荒煤气高温段在结焦中后期，不会对荒煤气成分造成影响。

5 市场分析及对山西产业的带动性

5.1 干熄焦经济效益分析

以一套80 t/h 的干熄焦为例，年处理焦炭约62万t，年产汽约40 万t（根据系统负荷数据会有所偏差）。扣除成本及干熄焦自身的能源动力等消耗外，每年可实现直接经济效益约为1 300 万元。

5.2 烟道气余热回收

本项目动态效益分析方面，按产蒸汽计算，每年可收回投资700 余万元，扣除运行成本（250 万元考虑设备折旧，因工艺和设备差异，运行成本会有所浮动）年可收益450 万元左右。节能减排方面，本项目中产生的蒸汽可供生活取暖，按照北方冬季供暖时间3 000 h/a 计算，每年可节约标煤量约3 000 t，不仅减少了颗粒物和酸性气体的排放，也大大减少了水蒸气、二氧化碳等温室气体的排放，符合国家节能减排政策，环保节能效益突出。

5.3 荒煤气余热回收

首先，本项目由于从荒煤气中提取了大于25%的热量，导致煤气初冷器热负荷也降低，因此循环水系统的电力消耗大大降低，初步估算100 万t 焦化每年减少用电约60 万kW·h；其次，此项目如果生产的蒸汽用于脱苯富油加热，每年节省500 万m3煤气，节约的煤气可用于发电、化工等行业；最后，按照每吨焦炭能生产110 kg 蒸汽计算，100 万t 焦化每年生产蒸汽11 万t，年效益可观。