焦爐是焦化企業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備和能量聚集點。焦爐的支出熱主要由三部分組成：一是焦爐炭化室出焦時所推出的紅焦帶出的高溫余熱，約占37%；二是焦爐上升管排出的高溫荒煤氣帶出的中溫余熱，約占33%；三是焦爐煙道排出的廢氣帶出的低溫余熱，約占17%。

焦爐荒煤氣是焦煤在結(jié)焦過程中揮發(fā)份逸出而形成，通常溫度為600—800℃左右，其顯熱占焦爐熱支出的約33%左右。為降低焦爐荒煤氣溫度便于后續(xù)焦化工藝處理，傳統(tǒng)工藝采用噴氨水急冷的工藝冷卻高溫荒煤氣，使荒煤氣急劇降溫至80-85℃。該工藝流程不僅浪費了大量的荒煤氣顯熱，而且消耗大量的氨水、又浪費了大量的水資源和電力，增加污水排放。

其中，紅焦帶出的高溫余熱目前已通過干熄焦技術(shù)予以回收并發(fā)電；煙道氣排出的低溫余熱也已采用煤調(diào)濕、煤干燥、熱管技術(shù)予以回收；但對于焦爐頂部上升管排出的800℃荒煤氣，其帶出的熱量在焦爐輸出顯熱中位居第二，該項中溫余熱是焦爐余熱余能回收利用的最后一道亟待攻破的技術(shù)難關(guān)。

目前關(guān)于荒煤氣顯熱利用已經(jīng)研究了近30年，有水套式、熱管式、風媒式、荒煤氣引出式、介質(zhì)浴式等等方法。

水套式。這種方式試驗最早，是在原上升管外面包覆一層水套，形式有若干種，利用荒煤氣的部分熱量產(chǎn)生熱水或蒸汽。以6m焦爐為例，每根上升管產(chǎn)0.5MPa蒸汽約79kg/h，荒煤氣從692℃降低到606℃，100根上升管可產(chǎn)蒸汽約7.9t/h，強制循環(huán)泵功率約30KW，設(shè)備總投資約1000～2000多萬元。水套式的優(yōu)點是設(shè)備體積較小，不結(jié)焦，對焦爐原有工藝沒有太大影響，但是焦爐的上升管變成一個壓力容器，存在運行時起停不易的限制和泄漏隱患。

風媒式。這種方式是在原上升管外面制造一個風冷卻套，其形式也有若干種，將荒煤氣的一部分熱量吸收產(chǎn)生熱風，再將熱風引到地面的余熱鍋爐中產(chǎn)生蒸汽，熱風放熱后再通過風機循環(huán)回上升管中。還是以6m焦爐為例，荒煤氣從692℃降低到637℃，100根上升管可產(chǎn)蒸汽約4.5t/h，循環(huán)風機電耗約179KW，設(shè)備總投資約600～1000萬元。風媒的優(yōu)點是也是對焦爐原有工藝沒有太大影響，不結(jié)焦，控制方便、安全，但是蒸汽產(chǎn)量比水套式的少約40%。

熱管式。熱管式有插入式和徑向式兩種。插入式是將熱管插入上升管中，將熱量通過熱管傳遞給水使其蒸發(fā)；徑向式是將上升管做成一個徑向熱管，吸收荒煤氣熱量后再傳遞給水產(chǎn)生蒸汽，徑向熱管式的蒸汽產(chǎn)量與水套式基本相同。在上升管中插入熱管，一方面影響焦爐原有生產(chǎn)條件，另外一方面熱管容易結(jié)焦。徑向熱管不影響焦爐原有的生產(chǎn)，也存在結(jié)焦和焦爐頂部有壓力容器帶來的安全問題。

荒煤氣引出式。將荒煤氣通過管道引到焦爐外，再用余熱鍋爐進行熱交換產(chǎn)生蒸汽，換熱后的荒煤氣再重新經(jīng)過降溫、除焦油再進入后面的凈化工序。同樣以6m焦爐為例，荒煤氣引出后，從692℃降低到250℃，100根上升管可產(chǎn)蒸汽約9.8t，引風機電耗約230KW，設(shè)備總投資約800～2000萬元。將荒煤氣引出，可以有足夠的空間回收荒煤氣的大部分的顯熱，但是結(jié)焦和運行問題目前會使系統(tǒng)無法長期有效的運轉(zhuǎn)。

分布式余熱回收技術(shù)——介質(zhì)浴式

相對于常規(guī)直接汽化冷卻式焦爐上升管余熱回收技術(shù),該技術(shù)基于上升管荒煤氣高溫顯熱資源特點,采用導(dǎo)熱油作為換熱媒介,獨創(chuàng)上升管余熱回收裝置分布式余熱回收技術(shù),維持上升管內(nèi)壁溫度在500℃以上,成功解決上升管荒煤氣余熱回收面臨的“掛焦油、泄漏、干燒”三大難題,確保工藝生產(chǎn)安全,實現(xiàn)余熱資源高效回收利用;該系統(tǒng)主要設(shè)備有上升管換熱器、導(dǎo)熱油蒸發(fā)器、導(dǎo)熱油過熱器、儲油槽、膨脹罐、除氧器、除氧泵、給水泵、強制導(dǎo)熱油循環(huán)泵以及鋼支架、導(dǎo)熱油管、進出水管以及電儀設(shè)備等設(shè)施。

1主要系統(tǒng)流程

系統(tǒng)包括荒煤氣系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、熱媒系統(tǒng)、氮封系統(tǒng)、排污系統(tǒng)、放空系統(tǒng)和控制系統(tǒng),系統(tǒng)設(shè)備包括主體設(shè)備、附屬設(shè)備等。

荒煤氣系統(tǒng)：來自炭化室的荒煤氣(~800℃)→上升管取熱裝置(更換原上升管)→集氣管→荒煤氣管網(wǎng)。

汽水系統(tǒng)：常溫化水→化水箱→除氧器及水箱→導(dǎo)熱油蒸發(fā)器→導(dǎo)熱油過熱器→用戶主管網(wǎng)。

熱媒系統(tǒng)：導(dǎo)熱油由循環(huán)油泵輸出→上升管取熱裝置→導(dǎo)熱油過熱器→導(dǎo)熱油蒸發(fā)器→油汽分離器→循環(huán)油泵,完成一個循環(huán)。

2主體設(shè)備

2.1上升管取熱裝置

上升管取熱裝置由內(nèi)、中、外三部分組成:內(nèi)層采用耐高溫、耐磨損、抗腐蝕合金鋼材料,其內(nèi)壁有特殊涂層,能夠耐受長時間干燒,同時避免了高溫硫腐蝕;中間層為導(dǎo)熱油吸熱層,設(shè)有合金鋼材質(zhì)導(dǎo)熱油傳熱管,導(dǎo)熱油充分吸收從內(nèi)層來的荒煤氣熱量,通過強制循環(huán)最終將熱量帶出;外層為隔熱和保護層,通過合理的保溫設(shè)計,改善了原有上升管存在的表面溫度過高的問題,同時對中間層的換熱核心部分進行結(jié)構(gòu)保護。

上升管取熱裝置采用特殊耐高溫、無應(yīng)力自由膨脹式取熱結(jié)構(gòu),沒有任何熱應(yīng)力產(chǎn)生,不存在熱脹冷縮導(dǎo)致的局部應(yīng)力;導(dǎo)熱油傳熱管為無縫鋼管整彎拼接而成,制造過程中對接焊縫100%拍片探傷,確保了設(shè)備的安全可靠。

2.2導(dǎo)熱油蒸發(fā)器

導(dǎo)熱油蒸發(fā)器為一用一備,可隨時切換,便于單臺設(shè)備的年檢;導(dǎo)熱油蒸發(fā)器主要由U型管束、殼體和管箱等組成,導(dǎo)熱油走管程,殼程為水-飽和蒸汽,利用高溫導(dǎo)熱油來加熱給水,使其汽化產(chǎn)生飽和蒸汽。

導(dǎo)熱油蒸發(fā)器作為產(chǎn)生蒸汽的核心部件,其制造工藝考慮了以下幾個問題:U形換熱管與管板在180~240MPa下脹接,脹接完后試壓,無泄漏后,再采用管口自動焊機;管板、折流板等均為精加工件,避免了換熱管的機械磨損導(dǎo)致使用中出現(xiàn)局部腐蝕;設(shè)備結(jié)構(gòu)充分避免了設(shè)備氧腐蝕、堿脆、堿腐蝕和垢下腐蝕等。

2.3導(dǎo)熱油過熱器

導(dǎo)熱油過熱器主要由U型管束、殼體和管箱等組成,導(dǎo)熱油走管程,殼程為飽和-過熱蒸汽,利用高溫導(dǎo)熱油加熱蒸汽為過熱蒸汽。

3技術(shù)優(yōu)勢

采用導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì),所選導(dǎo)熱油最高操作溫度高達345℃,導(dǎo)熱油經(jīng)上升管取熱裝置吸熱升溫后,送至導(dǎo)熱油過熱器、導(dǎo)熱油蒸發(fā)器與汽水系統(tǒng)換熱,降溫后的導(dǎo)熱油通過強制循環(huán)泵再回到上升管取熱裝置再次吸熱,實現(xiàn)密閉循環(huán)。相對于常規(guī)直接汽化冷卻式焦爐上升管余熱回收技術(shù),分布式余熱回收技術(shù)在長期運行安全性、蒸汽品質(zhì)方面具有如下優(yōu)勢:

(1)導(dǎo)熱油最高操作溫度高達345℃,導(dǎo)熱油過熱器、導(dǎo)熱油蒸發(fā)器等設(shè)備按壓力4.0MPa及以上設(shè)計制造,因此可產(chǎn)3.82MPa、300℃以下品質(zhì)蒸汽,蒸汽品質(zhì)高,用途更廣泛;常規(guī)汽化冷卻式焦爐上升管余熱回收技術(shù),由于受上升管取熱裝置承壓限制,一般只產(chǎn)0.8MPa以下飽和蒸汽。

(2)無論產(chǎn)何種壓力的蒸汽,上升管取熱裝置內(nèi)、外筒均為常壓條件工作,內(nèi)筒僅承受荒煤氣壓力,外筒工作壓力為大氣壓,上升管取熱裝置中導(dǎo)熱油傳熱管的工作壓力只需克服導(dǎo)熱油循環(huán)阻力,正常工作壓力小于0.5MPa,壓力較低,進一步降低了泄漏風險;常規(guī)汽化冷卻式焦爐上升管余熱回收技術(shù),上升管取熱裝置承壓取決于汽包蒸汽壓力。

(3)除可間接產(chǎn)高品質(zhì)蒸汽外,高溫導(dǎo)熱油可遠距離輸送,直接用于煤調(diào)濕或蒸氨等焦化工序,實現(xiàn)熱量直接高效利用。

(4)不同于汽化冷卻,導(dǎo)熱油在循環(huán)過程中始終穩(wěn)定為液態(tài),不發(fā)生汽化,不結(jié)垢,不存在局部汽堵,不會因受熱不均發(fā)生管道爆裂;常規(guī)汽化冷卻式焦爐上升管余熱回收技術(shù),取熱裝置內(nèi)污垢沉淀較多,且單個取熱裝置無法實現(xiàn)在線排污,影響設(shè)備長期運行的安全性。

(5)汽水排污集中在導(dǎo)熱油過熱器和導(dǎo)熱油蒸發(fā)器內(nèi),對給水水質(zhì)要求低,可采用軟化水作為系統(tǒng)補給水水源;常規(guī)汽化冷卻式焦爐上升管余熱回收技術(shù),為減少取熱裝置內(nèi)結(jié)垢,對給水水質(zhì)要求高,必須采用除鹽水。

(6)導(dǎo)熱油的導(dǎo)熱系數(shù)低,約為水導(dǎo)熱系數(shù)的15%~20%,且其可操作溫度高,上升管取熱裝置干燒后,無需降溫或更換,可立刻再次投入使用,不會發(fā)生爆管。

(7)采用分布式余熱回收技術(shù):可實時監(jiān)控導(dǎo)熱油的進油總管溫度和回油總管溫度,通過油溫調(diào)節(jié)閥自動控制上升管余熱回收裝置入口導(dǎo)熱油溫度,可有效控制上升管內(nèi)壁溫度和荒煤氣出口溫度,使其壁面溫度維持在500℃以上,有效防止荒煤氣中焦油蒸汽結(jié)焦;而常規(guī)直接汽化冷卻式焦爐上升管余熱回收技術(shù),其換熱介質(zhì)溫度為汽包壓力飽和水溫度,隨汽包壓力波動而波動,特別在啟停爐過程中,受影響較大。

(8)采用焦爐上升管取熱裝置多支路換熱控制技術(shù),在導(dǎo)熱油系統(tǒng)設(shè)置有油壓控制閥,通過調(diào)節(jié)油壓控制閥開度,達到均衡控制各上升管取熱裝置間熱媒流量及合理取熱。

4主要技術(shù)指標

采用導(dǎo)熱油作為媒介取熱,特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計及獨特的阻熱保溫技術(shù),結(jié)構(gòu)安全可靠,產(chǎn)品指標如下:

平均蒸汽量約110kg/t;

蒸汽壓力≤3.82MPa;

蒸汽溫度≤300℃。

5、技術(shù)經(jīng)濟分析

以100萬t/a焦化為例,回收上升管荒煤氣余熱,可產(chǎn)3.82MPa、約300℃參數(shù)以下過熱蒸汽或飽和蒸汽約11萬t/a,按照120元/t的蒸汽價格計算,每年營業(yè)收入1320萬元,年運行成本約150萬元,年稅前直接利潤總額約1170萬元。

焦爐上升管荒煤氣顯熱回收對荒煤氣的后續(xù)冷卻及處理帶來額外增效,減少循環(huán)氨水循環(huán)量30%~35%,減少煤氣回收車間煤氣初冷器熱負荷30%~35%,減少煤氣回收車間煤氣初冷器冷卻用循環(huán)水30%~35%,同時減少循環(huán)水系統(tǒng)電耗和補充水消耗,具有良好的經(jīng)濟及社會效益。

總結(jié)

近幾年國內(nèi)焦爐上升管荒煤氣余熱回收利用進入實際應(yīng)用,進入快速發(fā)展期,采用導(dǎo)熱油作為媒介取熱的分布式余熱回收技術(shù)—介質(zhì)浴式可降低焦化工序能耗約11kgce/t,并在長期運行安全性、蒸汽品質(zhì)和產(chǎn)汽品質(zhì)指標等方面具有明顯優(yōu)勢,為焦化廠焦爐上升管余熱回收提供了一種更高效、安全可靠的解決方案。