焦化炉废气余热回收利用的技术研究

李少强

（潞安化工集团焦化有限责任公司，山西 长治 046000）

0 引言

焦化工业是重要的能源和化工基础工业之一，但同时也是环境污染的重要源头之一。在焦化过程中，废气和余热是不可避免的产生物。废气中含有大量的二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等有害物质，直接排放会对环境造成污染。而废气中的余热是一种可再生的能源，如果不能有效地回收利用，不仅浪费能源，还会对环境造成一定的负面影响[1-2]。因此，焦化炉废气余热回收利用技术的研究具有重要的理论和实践意义。

1 焦化炉废气余热的来源

焦化炉废气的主要组成物质包括烟尘、有机物、一氧化碳、二氧化碳、氮气、一氧化氮、二氧化硫等。其中，烟尘是焦化炉废气中的主要污染物之一，其含量较高，会对环境和人体健康造成极大的危害。焦化炉废气中的热能主要来自于焦化炉煤气和炼焦炭的燃烧。煤气中的热能主要来自于燃烧产生的高温烟气，而炼焦炭则通过热传导将热能传递给焦化炉底部的煤气，从而将其升温[3]。由于焦化炉废气的温度一般在700～1 100 ℃之间，热能非常丰富，如果不能充分利用，将会浪费大量的能源资源[4]。因此，焦化炉废气余热的回收利用具有非常重要的意义。通过对焦化炉废气中的热能进行回收和利用，可以提高能源利用效率，减少对环境的污染和破坏，降低企业的生产成本，同时也能促进清洁生产和可持续发展。

2 焦化炉废气余热的产生特点

2.1 高温高压

焦化炉废气余热的产生特点主要包括高温高压、成分复杂和稳定性差。其中，高温高压是焦化炉废气余热最显著的特点之一。焦化炉废气的温度一般在700～1 100 ℃之间，而且气流速度较大，压力较高[5]。这主要是因为焦化炉内的焦炭在高温下热解产生的烟气被带出炉外，同时炉内还需要用高压空气进行燃烧，产生的气体也被排放到大气中。这些高温高压的气体具有很大的能量潜力，但同时也带来了利用难度和安全风险等问题。

2.2 成分复杂

焦化炉废气的成分非常复杂，含有大量的烟尘、有机物、一氧化碳、二氧化碳、氮气、一氧化氮、二氧化硫等物质。其中，烟尘是指直径小于10 μm 的固体颗粒物，会对人体健康造成危害，例如在空气中悬浮时间过长，容易进入肺部造成呼吸道疾病。有机物则包括苯、甲苯、二甲苯等多种化学物质，对人体也有一定的危害性，例如长期暴露会引起头痛、恶心、呕吐、肝脏损伤等症状。此外，一氧化碳是一种无色、无味、有毒的气体，吸入过量会引起中毒甚至死亡；二氧化硫和一氧化氮则是造成酸雨的主要元凶之一，对环境造成严重危害。

2.3 稳定性差

焦化炉废气的排放浓度和组成在很大程度上取决于焦炉的操作和管理水平。焦化炉在不同的操作状态下，废气的组成和排放浓度可能会发生较大的变化，这就给焦化炉废气余热的回收利用带来了一定的挑战。此外，焦化炉的停产、维修等情况也会对废气的排放产生影响，从而影响废气余热的回收利用效果。例如，在焦化炉的操作和管理上加强监管和控制，提高焦化炉的运行稳定性，减少废气排放的波动性；在设备设计和维护上优化焦化炉和余热回收设备的结构和性能，提高其耐用性和可靠性，确保余热回收设备的长期运行稳定性。

2.4 利用难度大

由于焦化炉废气的复杂成分、高温高压和稳定性差等特点，其余热回收利用存在一定的难度。焦化炉废气中含有多种有害物质，需要进行有效的处理，以确保回收利用后不对环境和人体造成危害。同时，焦化炉废气的温度和压力也需要通过相应的技术手段进行调节和转换，以便更好地利用余热。

3 现有的焦化炉废气余热回收技术

3.1 传统余热回收技术

3.1.1 烟气余热锅炉

烟气余热锅炉是目前广泛应用的焦化炉废气余热回收技术之一。其原理是通过将烟气在锅炉内进行换热，将烟气中的余热转化为蒸汽或热水，用于工业生产或供暖。这种技术的优点是成熟、稳定、易于操作，能够有效地回收焦化炉废气中的余热。但其缺点也十分明显，烟气中的灰尘、硫酸等物质会对换热管产生腐蚀，导致设备寿命缩短，而且在烟气进入锅炉之前需要进行除尘处理，增加了成本。

3.1.2 深冷制氢

深冷制氢是利用焦化炉废气余热制取高纯度氢气的技术。这种技术的原理是将焦化炉废气先经过除尘、除酸处理，再进行脱硫、脱氮等前处理，然后将净化后的烟气通过压缩机增压，进入冷却器进行冷却，使水蒸气和氧气凝结出来，通过分离器分离出氢气和氮气，最后得到高纯度的氢气。这种技术的优点是可回收废气中大部分能量，并生产高纯度的氢气，适用于工业用途。但其缺点是设备投资和运营成本高，且氢气产量受制于焦化炉废气产量和质量，对应用范围有限制。

3.2 新型余热回收技术

3.2.1 传热管束技术

传热管束技术是一种通过在废气流道内放置传热管束进行余热回收的技术。在焦化炉废气流道中安装传热管束，将废气中的余热通过传热管束传递给工作介质，如水、汽等，实现废气余热的回收利用。与传统的余热回收技术相比，传热管束技术具有节能效果好的优点。通过传热管束技术，可以将焦化炉废气中的余热高效地回收，将热能转化为实用能源，从而提高能源利用效率，占地面积小，操作维护方便。传热管束技术采用的是对流传热方式，不需要使用化学药剂和填料等，操作和维护相对简单。但传热管束技术也存在一些问题，如管束易受到高温高压气体的腐蚀，需要采取相应的防护措施。

3.2.2 湿式烟气处理技术

湿式烟气处理技术是指通过向烟气中喷洒一定量的水或其他液体，将烟气中的颗粒物和有害气体降低到一定程度的技术。这种技术在余热回收领域中也得到了广泛应用。湿式烟气处理技术的主要原理是通过水与烟气中的污染物接触，将污染物溶解、吸附或沉淀到水中，从而达到净化烟气的目的。该技术主要适用于高浓度、高温、高湿的废气，比如炉顶烟气、炉尘、脱硫烟气等。

与传统的干式烟气净化相比，湿式烟气处理技术具有以下优点：

1）降低烟气温度：通过向烟气中加水，可以降低烟气温度，减轻了烟气对设备的腐蚀和热损失。

2）净化效率高：湿式烟气处理技术可以有效地去除烟气中的颗粒物和有害气体，其净化效率可以达到90%以上。

3）应用广泛：湿式烟气处理技术适用于不同的烟气来源，比如焦化炉、燃煤发电厂、钢铁厂等。

湿式烟气处理技术的缺点主要包括以下几个方面：液体喷雾系统的维护和操作成本较高。烟气处理后，排放的水可能带有污染物，需要进行处理。烟气处理后，湿度较大，对后续工艺设备有一定的影响。据研究表明，将湿式烟气处理技术应用于焦化炉废气余热回收中，可以将余热利用率提高10%以上，有效降低企业的能耗和排放量。

4 焦化炉废气余热回收的用途

4.1 余热发电

焦化炉废气余热回收的一个重要用途是进行余热发电。余热发电是利用余热来驱动蒸汽涡轮发电机，将废热转化为电能，从而提高能源利用效率。

在焦化炉中，高温高压的废气中携带着大量的能量，这些能量如果得不到有效利用就会白白浪费，而余热发电技术可以将这些废气中的能量回收利用。优点在于能够将废热转化为电能，从而减少了对传统能源的依赖，同时也能够降低工业生产中的能源消耗和排放，达到环保和节能的目的。此外，余热发电技术还具有一定的经济效益，可以为企业带来一定的经济收益，降低生产成本。以中国某焦化厂为例，该厂利用焦化炉废气余热进行发电，每年可发电量达到3 000 万kW·h，相当于减少二氧化碳排放36 000 t，减少二氧化硫排放380 t，减少粉尘排放29.5 t，同时可以为企业带来800 万元的经济收益。

4.2 高压蒸汽

焦化炉废气中的余热不仅可以用于发电，还可以通过余热锅炉回收产生高压蒸汽，用于炼油厂、化工厂等场所的加热和生产过程中的蒸汽需求。这种利用方式被广泛应用于各种工业生产领域，包括化工、冶金、造纸、食品等行业。由于焦化炉废气中的余热温度高，且具有较大的热量传递面积，因此余热锅炉的效率较高，可以达到80%以上，节约能源、降低生产成本的效果明显。除了节能减排和降低成本的效益外，利用焦化炉废气余热回收产生的蒸汽还具有环保效益。采用余热锅炉技术回收焦化炉废气余热，可以减少温室气体和有害气体的排放，降低对环境的影响。

4.3 供热供暖

空调和供暖设备的能耗占据了工业、商业和家庭的重要部分，因此节约能源是非常重要的。使用余热回收装置来提供供暖服务，可以减少空调和供暖设备的能耗，并降低相关的运营成本。同时，这种方法还可以减少焦化炉废气排放所产生的温室气体，从而降低对环境的影响。与传统的供暖方式相比，利用余热进行空调供暖具有多个优点。这种方法可以减少能源的消耗，从而节约了成本；同时由于烟气中的热量被有效回收，空气质量得到了提高；还可以降低温室气体排放量，从而保护环境。

5 焦化炉废气余热的利用存在的问题

5.1 利用效率不高

虽然焦化炉废气中携带着大量的余热，但其利用难度较大，目前仍存在着利用效率不高的问题。其中一个主要的原因是焦化炉废气的复杂成分和不稳定性。这使得对焦化炉废气进行处理和利用过程更加困难。烟气余热锅炉是传统的焦化炉废气余热回收技术之一，可以利用焦化炉废气余热产生蒸汽，用于炼油厂、化工厂等场所的加热和生产过程中的蒸汽需求。然而，烟气余热锅炉的利用效率一般只有50%左右，不能充分发挥余热的潜力。其原因在于烟气余热锅炉存在一些设计和操作上的缺陷，例如过热器、再热器的设计不合理、热量回收率低等。此外，焦化炉废气中携带的灰尘和有害物质也会对锅炉的运行造成一定的影响，导致锅炉的寿命缩短，增加维修成本。

5.2 技术不成熟

虽然焦化炉废气余热回收技术已经有了多种实用的方法，但其技术仍然存在不成熟的问题。其中一个主要问题是技术不成熟。具体来说，虽然新型余热回收技术能够提高能源利用效率和经济效益，但这些技术仍处于研发和实验阶段，其应用范围和效果还需要进一步的验证和探究。此外，这些技术需要在现有生产设备中进行改造和升级，对于技术实现和经济投入等方面都存在一定的挑战。另外一个主要问题是能耗过高，回收过程中需要消耗大量的能量。这种能量的消耗可能会导致对环境和经济产生负面影响，需要通过进一步的技术优化和调整来降低能耗。

5.3 经济性不高

除了技术不成熟，焦化炉废气余热回收还存在经济性不高的问题。一方面，余热回收设备的投资成本较高，设备维护、清洗等运营成本也不低，需要较长的回收周期才能收回成本。另一方面，焦化炉废气中的余热能量密度不高，需要经过多级换热才能够得到可利用的高品质余热，这也增加了设备成本和运营成本。

5.4 安全隐患

由于焦化炉废气的温度和压力较高，对于设备的安全性要求较高，如果设备设计不合理或者运营不当，可能会存在安全隐患。首先，余热回收装置需要承受来自焦化炉的高温高压烟气，如果设计不合理或材料不符合要求，就有可能出现设备失效、泄漏等情况，引发安全事故。例如，一些焦化厂在余热回收装置的设计和使用过程中，没有考虑到热膨胀的问题，导致设备变形、爆炸等事故频发。其次，焦化炉废气中可能含有硫化氢、氰化物、苯等有毒有害气体，如果处理不当就可能会对人员健康造成威胁。

6 结语

本文就焦化炉废气余热回收利用技术进行了探讨和分析，总结出了该技术的优点和存在的局限性。虽然传统技术存在经济性不高、技术不成熟、安全隐患等问题，但通过新型技术的不断发展和创新，可以实现多元化的技术应用，提高技术成熟度和回收效率，并加强政策引导和行业间的合作。这些举措有助于进一步推动焦化炉废气余热回收技术的发展和应用，降低能源消耗、减少环境污染和实现可持续发展。因此，建议政府、企业和科研机构加强合作，不断推进相关技术的研究和应用，实现经济效益和环保效益的双赢。