余熱回收裝置在焦爐上的應用

近年來，焦化企業(yè)不斷研究開發(fā)余熱余能的回收利用，其中，焦爐荒煤氣余熱回收利用就是一大亮點。熱交換器位于過濾網的下方，采用的熱煤體是熱油，熱交換器上具有許多很薄的散熱片可產生熱交換。馬鋼煤焦化公司5號焦爐第壹套荒煤氣余熱回收利用裝置，于2016年7月22日投入運行。該裝置從可行性研究到投產運行，要制定完整、科學的方案，才能確保其質量、功能達到相關技術要求。

1概述

1.1焦爐上升管余熱概述

焦化行業(yè)要堅持綠色發(fā)展，有效降低能耗、物耗和污染物排放量，進一步發(fā)展循環(huán)經濟，重點是加強節(jié)能環(huán)保關鍵技術、工藝、裝備研發(fā)和推廣應用，構建高校、清潔、低碳、循環(huán)的綠色發(fā)展體系。在滿足上述廢熱回收的同時，污水源不足時，可依靠空氣源側制造熱水。焦爐荒煤氣余熱回收利用裝置的應用就是一大亮點，是焦化企業(yè)節(jié)能減排新舉措之一。因為焦爐荒煤氣帶走的熱量占煉焦過程中熱量損失總量的36%。

1.2焦爐荒煤氣余熱回收技術的應用實踐

20世紀90年代初，已有焦化企業(yè)采用上升管汽化冷卻裝置來冷卻荒煤氣溫度，它的應用經歷了發(fā)展、停滯、再研發(fā)、再停滯的過程。預熱空氣助燃是一種較好的方法，一般配置在加熱爐上，也可強化燃燒，加快爐子的升溫速度，提高爐子熱工性能。此后，國內相關研究院所、焦化企業(yè)在總結水套上升管教訓的基礎上，做了大量探索研究。目前進入工業(yè)化，運行較為成功的案例如下：

福建三鋼焦化廠2×65孔4.3m搗固焦爐上升管換熱器技術，于2014年11月投產，產生飽和蒸汽(平均產汽量7.2t/h、壓力0.6MPa、溫度165℃;荒煤氣溫度由770-550℃降到560-450℃，降幅200℃左右;上升管外殼表面溫度由原來170-230℃降低到50-80℃)。廢氣余熱回收裝置就是提取熱定型機排出的廢氣能量來加熱定型機所需新鮮空氣進氣溫度，達到降低廢氣的排放溫度和節(jié)約熱定型機能源的目的。

邯鋼焦化廠2×45孔6m頂裝焦爐上升管換熱器技術，5號焦爐于2015年11月投產，6號焦爐于2015年底投產，產生飽和蒸汽(噸焦可回收0.6MPa蒸汽100kg左右，上升管表面溫度在65℃左右)。

馬鋼煤焦化公司5號焦爐50孔6m頂裝焦爐荒煤氣余熱回收技術，于2016年7月投產，產生飽和蒸汽(設計參數：產汽量3.6-5t/h、產汽壓力0.4-0.8MPa、產汽溫度150-175℃)。

截至2016年7月，焦爐荒煤氣余熱回收裝置，國內只有三家企業(yè)四座焦爐投用，焦爐荒煤氣余熱回收技術，將成為近期我國煉焦企業(yè)研發(fā)的熱門課題。其建設、開工、運行操作、環(huán)保及效益方面的技術，需要行業(yè)認真總結和研究，不斷優(yōu)化與提高。

2馬鋼煤焦化公司5號焦爐荒煤氣余熱回收裝置的配置與技術創(chuàng)新

焦爐在煉焦過程中，炭化室產出大量的荒煤氣，經過焦爐上升管、橋管、集氣管冷卻集合后，送入化產系統(tǒng)進行凈化處理。在一個結焦周期內，單孔炭化室產出的荒煤氣近10000m3，荒煤氣經過焦爐上升管時溫度高達650℃以上，含有大量的顯熱并且管壁上結有較多的焦油。適用范圍:管樁、墻材、印染、食品、化工等行業(yè)的低品位廢水余熱回收。為降低焦爐荒煤氣溫度便于后續(xù)焦化工藝處理，現有傳統(tǒng)工藝采用噴氨水急冷的方式，使荒煤氣溫度急劇降至80-85℃。該工藝不僅浪費大量荒煤氣顯熱，而且消耗大量電能冷卻荒煤氣，對焦油石墨化也沒有有效的處理方法和防止手段。

2.1配置情況

工藝路線包括：荒煤氣路線、給水路線、汽水路線。

荒煤氣余熱回收系統(tǒng)由六部分組成：上升管部分、給水部分、強制循環(huán)部分、汽包部分、排污部分、水系統(tǒng)取樣部分。

荒煤氣余熱回收系統(tǒng)附屬設備包括：除鹽水箱、汽包給水泵、汽包、強制循環(huán)泵、上升管蒸發(fā)器、定期排污膨脹器、連續(xù)排污膨脹器、取樣冷卻器、電動葫蘆等。

2.2技術創(chuàng)新

上升管蒸發(fā)器結構為夾套型，中心管路為圓柱形荒煤氣通道，管壁夾套為汽水通道，上升管蒸發(fā)器整體是合金無縫鋼管，無焊縫可避免出現事故時水流入炭化室的情況發(fā)生，上升管蒸發(fā)器下部設置除鹽冷卻水進水口和排污口，上部設置汽水出口。

上升管換熱器內管壁，經過特殊工藝處理，涂覆有LED保護層作為主要受熱面，其內壁采用耐腐蝕和耐高溫的材料，解決了上升管內壁耐腐蝕(氧化、還原、H2S酸化等)和耐高溫的問題。這種定型機的鏈條同別的定型機有所不同，它可以分別控制每段針鋏的拉伸，從而做出好的效果，而有些定型機，不能調節(jié)每段針鋏，只能調成長方形或梯形。上升管換熱器外壁，采用抗腐蝕和氧化的不銹鋼材質，達程度地適應了焦爐的運行環(huán)境。

上升管換熱器進水管路采用分組、梯級管徑配置，保證了每個上升管換熱器進出水量相對平均，一定程度上均衡了上升管進出口荒煤氣的溫差，并且上升管換熱器內壁表面均勻光滑，無死角，不易凝結，從而盡可能地降低了焦油在內壁的凝結。

3方案的制定與實施

焦爐荒煤氣余熱回收系統(tǒng)在建設開工前，要制定完整、規(guī)范的崗位技術操作規(guī)程。

按照固定式壓力容器使用要求，該系統(tǒng)安裝制件完成，在使用前需進行熱態(tài)調試，使其汽包、上升管蒸發(fā)器、管道及受壓元件均勻受熱，以保證該系統(tǒng)整體性能達到要求，直到轉入正常生產。

蒸發(fā)器裝置及附屬汽水管道安裝結束后，按規(guī)范要求必須通過一次水壓試驗。其目的是檢查系統(tǒng)中熱力設備和管路在冷態(tài)條件下承壓部件是否嚴密(包括全部焊口和法蘭密封面)，剛度及強度是否滿足設計要求。

飽和蒸汽并入蒸汽管網之前必須進行吹掃，以清除管道的雜質，否則蒸汽運行后，銹皮、焊渣、灰物等雜質的存在將影響蒸汽品質，并隨蒸汽被帶到各設備，造成閥門堵塞及閥門密封面損壞，影響系統(tǒng)工況正常運行。

為確保崗位職工盡快適應新工藝、新設備的崗位需要，保障荒煤氣余熱回收系統(tǒng)安全生產、日常操作、設備維護工作的有效開展，要重視焦爐荒煤氣余熱回收系統(tǒng)崗位人員的培訓。

4運行效果

馬鋼煤焦化公司5號焦爐荒煤氣余熱回收裝置，于2016年7月22日投入運行。運行后，按照預期效果能夠連續(xù)穩(wěn)定回收荒煤氣顯熱、穩(wěn)定產出蒸汽。

具體運行效果如下：

5號焦爐配置：6m頂裝焦爐，1×50孔，年產焦46萬噸。該裝置目前平均產生160℃、0.5MPa飽和蒸汽3.8t/h(約合73kg/t焦)。

直接效益(蒸汽)：以年產飽和蒸汽約3.4萬噸，公司內部價60元/噸計，年產經濟效益204萬元，總成本年約4萬元，折合直接效益：200萬元左右。

工序能耗效益：降低工序能耗約10kg/t焦。

減碳效益：按年產焦46萬噸、可產生0.5MPa飽和蒸汽約3.4萬噸，折合標煤0.11萬噸、減排二氧化碳近0.88萬噸。

上升管換熱器出口荒煤氣溫度控制在450℃以上，減緩石墨的形成及其他成分的附積，降低工人勞動強度，提高勞動生產率。

目前，國內正在應用的荒煤氣余熱回收裝置，尚需要在穩(wěn)定經濟運行上進一步優(yōu)化，堅持有效、安全、可靠的原則，提高換熱效率，逐步推廣應用到7m乃至7.63m大型焦爐上，解決大型焦爐上升管集墨及清掃的難題。

應用余熱回收設備應用領域為紡織印染行業(yè)定型機和涂層機。熱定型機或涂層機是利用高溫的空氣對紡織物進行干燥和整理使產品定型。一般熱定型機內生產所需的空氣溫度約為200度左右，同時要不斷引入新鮮空氣并排出污濁的廢氣。為順利進行生產熱定型機需用風機不斷引入新鮮空氣并排出一部分的廢氣，該廢氣的溫度一般也能達到140到180度左右。該部分廢氣被直接排入大氣中，既浪費了能源又污染了環(huán)境。幸運的是，現在大多數公司都使用空氣壓縮機來收集廢氣并通過轉換來重復使用。廢氣余熱回收裝置就是提取熱定型機排出的廢氣能量來加熱定型機所需新鮮空氣進氣溫度，達到降低廢氣的排放溫度和節(jié)約熱定型機能源的目的。與其他型式的換熱器相比，有以下特點：a 、傳熱性能高。尤其對氣-氣熱管換熱器，更能顯示出它的優(yōu)點。b 、傳熱平均溫差大。冷、熱流體的通道布置方便，流向可以布置成單純的逆流形式。c 、結構緊湊。每根熱管的傳熱能力也大，可以用較少熱管數目保證熱量的傳遞。d 、布置靈活。熱管可以作為通用的傳熱元件，用改變熱管根數的方法任意組合。e、工作安全可靠。每根熱管是獨立的傳熱元件，可以單獨進行更換，不影響整個換熱裝置的正常工作。

煙氣余熱回收主要是通過某種換熱方式將煙氣攜帶的熱量轉換成可以利用的熱量。

煙氣是一般耗能設備浪費能量的主要途徑，比如鍋爐排煙耗能大約在15%，而其他設備比如印染行業(yè)的定型機、烘干機以及窯爐等主要耗能都是通過煙氣排放。煙氣余熱回收主要是通過某種換熱方式將煙氣攜帶的熱量轉換成可以利用的熱量。

煙氣余熱回收的方式：1.余熱回收器（氣-水）熱管余熱回收器是燃煤、油、氣鍋爐專用設備，安裝在鍋爐煙口，回收煙氣余熱加熱生活用水或鍋爐補水。其構造如圖所示：下部是煙道，上部為水箱，中間有隔板。頂部有安全閥、壓力表、溫度表接口，水箱有進出水和排污口。熱電廠余熱回收集中供暖系統(tǒng)配置政府政策中已有規(guī)劃，到2020年全部供暖用熱中的四分之一都由余熱回收來提供。工作時，煙氣流經熱管余熱回器煙道沖刷熱管下端，熱管吸熱后將熱量導至上端，熱管上端放熱將水加熱。為了防止堵灰和腐蝕，余熱回收器出口煙氣溫度一般控制在路點以上，即燃油、燃煤鍋爐排煙溫度≮130℃，燃氣鍋爐排煙溫度≮100℃，節(jié)約燃料4-18%。2.余熱回收器（氣-氣）熱管余熱回收器是燃油、煤、氣鍋爐專用設備，安裝在鍋爐煙口或煙道中，將煙氣余熱回收后加熱空氣，熱風可用作鍋爐助燃和干燥物料。其構造如圖所示：四周管箱，中間隔板將兩側通道隔開，熱管為全翅片管，單根熱管可更換。工作時，高溫煙氣從左側通道向動沖刷熱管，此時熱管吸熱，煙氣放熱溫度下降。熱管將吸收的熱量導致右端，冷空氣從右側通道向下逆向沖刷熱管，此時熱管放熱，空氣吸熱溫度升高。余熱回收器出口煙氣溫度不低于路段點。

1、回收干凈的煙氣，就是燃用氣體、液體或固體燃料的爐窯或各種內燃原動機械的排氣，而未受主流程嚴重沾污者。

2、帶有塵埃的煙氣，這種煙氣往往存在于鍋爐的煙道、受損的鍋爐壁中。

3、粘結性煙氣，余熱回收，在工作煙溫下，所挾帶的，集升華與氣化物質等，在一定條件下粘附在鍋爐受熱面或其他部件上的特性。

4、腐蝕性煙氣在制酸工業(yè)、有色冶金工業(yè)、以及石油化工工業(yè)等極為常見。對于腐蝕性煙氣，即使采用了理論和實踐上行之有效的措施，鍋爐某些部件還是需要定期更換的。因此，鍋爐的結構設計應充分考慮這一特點。

5、高壓煙氣(p＝3～4mpa)，一般不采用煙道式鍋爐，因為平面擴板是無法經濟地加強到足以承受如此高的壓力。目前采用較多的有管殼式直煙管鍋爐、雙套管式直煙管鍋爐、雙套管與螺旋管相結合的煙管鍋爐、u形管煙管鍋爐、插入管式水管鍋爐等。

6、需要急冷的煙氣，在化工流程中，余熱回收系統(tǒng)，往往煙氣需要在一個規(guī)定的時間內，冷卻到一個規(guī)定的溫度。由于余熱鍋爐熱交換在時間方面的嚴格限制，這就在現實的煙氣通道長度的結構條件下，規(guī)定了煙氣的流速。上料部分結構較為簡單，由料槽和軋輥組成，布進入料槽內，帶上化工料，然后經軋輥將多余的化工料壓榨干凈。對于這種煙氣，余熱回收裝置，目前煙管鍋爐與水管鍋爐皆有所應用。但如果煙氣在受熱面上積灰結焦的可能性較大時，則往往傾向于采用煙管鍋爐。

7、參數不穩(wěn)定的煙氣，余熱鍋爐煙氣在流量、溫度、成份組成、含塵量等各方面的波動是其特征之一，波動的性質可以是有規(guī)律的、周期性的，也可以是非規(guī)律性、非周期性的；波動的特點可以是漸進性的、也可以是沖擊性的；可以是單一參數的，也可以是多參數的復合性波動。余熱鍋爐的選型必須首先分析主工藝流程的整個周期，確定周期中各個時間區(qū)段的煙氣特點，從而在余熱鍋爐設計中逐個落實相應的措施。由于Naksda開發(fā)的空氣壓縮機已經投入使用，它已經很好地解決了這個問題。其中突出的特點往往是余熱鍋爐選型的主要根據。