曹先常
本文針對焦爐荒煤氣顯熱回收難題，通過系統(tǒng)全面的分析，提出上升管高效換熱器裝置，并結(jié)合現(xiàn)場建成包括上升管高效換熱器在內(nèi)的荒煤氣顯熱回收中試試驗工程。通過中試試驗和運行效果分析，系統(tǒng)運行可靠，工業(yè)應用可行，具有應用推廣價值。
1 前言
我國是焦炭生產(chǎn)大國。2013 年，我國焦炭產(chǎn)量達4.76 億噸，僅鋼鐵行業(yè)就消耗3.99 億噸，焦化行業(yè)發(fā)展與鋼鐵生產(chǎn)緊密相連。在煉焦生產(chǎn)過程中，進入焦爐上升管中溫度在650-750℃的荒煤氣含有的顯熱約占整個焦爐輸出熱量的36%，同時約占焦爐未回收余熱資源的51%(焦爐煙氣顯熱約占39%、焦炭顯熱約占10%)，具有很高的顯熱回收利用價值和潛力。
由于受到上升管受熱面積狹小的限制及荒煤氣中所含焦油蒸汽在上升管管壁表面冷凝結(jié)焦
的影響，極易導致?lián)Q熱失效，且易引起焦爐安全生產(chǎn)難題，焦爐荒煤氣顯熱的回收至今仍未形成一種成熟、高效、可靠的技術方案?，F(xiàn)有焦爐荒煤氣顯熱不僅未被回收，而且為降低焦爐荒煤氣溫度便于后續(xù)焦化工藝處理，需要噴灑氨水進行冷卻處理，導致余熱資源浪費的同時，又增加氨水、電力消耗。所以，焦爐荒煤氣顯熱回收技術的研究一直是整個焦化行業(yè)節(jié)能減排的熱點之一。
2 荒煤氣顯熱回收技術發(fā)展現(xiàn)狀
從20 世紀70 年代末開始，為有效利用荒煤氣的高溫顯熱，國內(nèi)外研究人員一直在探索研究各種荒煤氣顯熱回收技術與工藝。國內(nèi)研究人員先后嘗試研究開發(fā)導熱油夾套管、熱管、鍋爐和半導體溫差發(fā)電等余熱回收技術。2006 年濟鋼利用新型結(jié)構(gòu)的繞帶式換熱器，以導熱油為熱介質(zhì)，在其6m 焦爐的5 個上升管進行了導熱油回收荒煤氣顯熱的試驗，因生產(chǎn)安全問題未獲進展；隨后濟鋼集團有限公司又嘗試將焦爐各個炭化室內(nèi)的高溫荒煤氣通過上升管上部的三通道直接導出，不經(jīng)氨水噴氨，而是通過接管與匯總管相連，將各個炭化室內(nèi)的荒煤氣導入?yún)R總管，再進入余熱鍋爐進行換熱，終因焦油析出導致?lián)Q熱失效，至今沒有找到有效解決方案。武漢鋼鐵集團公司開發(fā)出一種多螺旋管式焦爐上升管余熱利用裝置，它包括外筒和內(nèi)筒，外筒套在內(nèi)筒上，外筒和內(nèi)筒之間形成環(huán)形空腔，環(huán)形空腔內(nèi)設有從上到下的螺旋盤管，螺旋盤管的兩端分別為進水口和出水口，進水口和出水口穿過環(huán)形空腔外筒與外界相連，最終因汽水泄漏而將所有上升管拆除復原處理。上海梅山鋼鐵股份有限公司與南京圣諾熱管有限公司開發(fā)出了利用分離式熱管回收上升管荒煤氣熱量的技術，并在4.3m 焦爐上進行了小試，因焦油結(jié)焦引起換熱效果下降而未進一步研發(fā)。
國外關于荒煤氣顯熱回收研究最早出現(xiàn)在蘇聯(lián)哈爾科夫煉焦廠，該方案采用水夾套結(jié)構(gòu)形
式，用泵將65℃的水引入換熱器，經(jīng)過換熱后獲得85℃的水，作為取暖的熱源。日本新日鐵通
過在焦爐上升管中設置夾套管換熱器，采用一種有機物作為傳熱介質(zhì)，在焦爐煙道中與300℃左右的煉焦煙氣進行換熱，有機工質(zhì)被加熱到150℃后，再進入上升管布置的換熱器，與上升管中荒煤氣進行換熱，有機介質(zhì)被加熱到195℃。20 世紀90 年代，德國提出了一種新型煉焦廠概念，這種煉焦廠可同時生產(chǎn)焦炭和還原性氣體兩種產(chǎn)品，但均沒有商業(yè)化成功的報導。
經(jīng)以上分析，國內(nèi)外荒煤氣顯熱回收研究技術路線可以分為三類:
1)分布式顯熱回收方案。采用帶有余熱回收功能的上升管替代原有上升管方案，例如首鋼以前所采用的水夾套結(jié)構(gòu)，日本新日鐵、濟鋼以及武鋼所采用的螺旋盤管夾套結(jié)構(gòu)，梅鋼所采用的熱管技術。此方案的優(yōu)點是對焦爐原有系統(tǒng)影響小，但存在兩方面問題:一是炭化室的安全問題，由于上升管直接與炭化室相連，如果采用水作為工質(zhì)，受熱面發(fā)生泄露之后，水進入炭化室會對爐體造成極大的損害并影響焦爐安全生產(chǎn)，如果不采用水而采用導熱油作為工質(zhì)，由于導熱油是有機物質(zhì)，并且同時還需要導熱油控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，在高溫情況下導熱油發(fā)生泄漏會引起火災等問題；二是受熱面布置空間受限的問題，且荒煤氣側(cè)流速低，對流放熱系數(shù)小，從而使整個受熱面的換熱效果不佳，荒煤氣的熱量回收率并不高。
2)集中式顯熱回收方案。將所有荒煤氣引出進行集中余熱回收后再送回到原有系統(tǒng)(集氣管)
中，如濟鋼和鞍山焦耐院合作所采用的將荒煤氣集中引出，然后通入一個余熱鍋爐進行荒煤氣顯熱回收。此方案有利于離線試驗分析，可以布置足夠的受熱面，更不會有炭化室的安全運行難題，也可隨時切換回原有系統(tǒng)，但在實際操作過程中由于沿程引出管道復雜，再加上引入余熱鍋爐之前的兩級除塵器，使進入余熱鍋爐的荒煤氣溫度大大降低，有大部分熱量散失在沿程管路中；同時荒煤氣為可燃氣體，對系統(tǒng)氣密性和安全性提出新的挑戰(zhàn)。
上述兩種技術同時還面臨因荒煤氣中焦油析出而導致?lián)Q熱失效的難題。例如梅鋼采用熱管技術進行余熱回收試驗，在試驗初期受熱面的運行狀況與理論計算值基本一致，在試驗進行約3-4天后，荒煤氣出口溫度較設計值偏高，換熱管表面出現(xiàn)了焦油析出的現(xiàn)象，導致?lián)Q熱效率大幅下降。
3)利用荒煤氣顯熱將荒煤氣制成其他產(chǎn)品。此方面的研究較少，例如德國新型煉焦廠利用熱荒煤氣同時生產(chǎn)焦炭和還原性氣體兩種產(chǎn)品。考慮其屬于余熱間接回收，不屬于本文研究范圍。綜上所述，由于焦爐上升管顯熱回收技術仍存在諸多問題，尤其是荒煤氣所含焦油蒸汽的結(jié)焦問題，從而導致焦爐荒煤氣顯熱回收一直沒有成功的解決方案。
3 上升管高效換熱器中試裝置及系統(tǒng)設計
3.1 上升管高效換熱器裝置設計
通過相關研究分析表明，分布式顯熱回收方案相對更為可行，但仍然存在布置空間小、受熱面布置困難、焦油析出結(jié)焦易致?lián)Q熱失效、泄漏危險及焦爐的安全生產(chǎn)等極大難題?？紤]在狹小空間實現(xiàn)高效換熱、在低成本下實現(xiàn)高可靠性，本研究提出了將上升管與換熱器功能合二為一的上升管高效換熱器技術，同時兼顧了結(jié)構(gòu)、材料、效率、成本等因素(本研究得到國家科技部科技支撐計劃課題資助，同時也獲得上海市科學技術委員會科技攻關項目資助)。
本上升管高效換熱器采用復合結(jié)構(gòu)，包括荒煤氣通道、涂層、內(nèi)壁、腔室、外壁、保溫層六個主要組成部分；同時根據(jù)實際需要設置端部保護、強化換熱、導流、排污、檢漏等狀態(tài)監(jiān)控、防膨脹等輔助結(jié)構(gòu)或元件或系統(tǒng)。
3.2 上升管高效換熱器中試系統(tǒng)設計
1)主要設計參數(shù)
中試試驗裝置兼顧結(jié)構(gòu)、材料、效率、成本等因素，設計了不同結(jié)構(gòu)的上升管高效換熱器(型號CATHE-60)，安裝在某鋼鐵廠3B 焦爐上，將其101-105 炭化室上升管改造為上升管高效換熱器，并新建配套輔助設備，包括工藝系統(tǒng)、給排水、供配電、檢測儀表、自動控制和土建等設施的設計與施工。為確保中試系統(tǒng)安全、可靠運行，中試系統(tǒng)采用強制循環(huán)系統(tǒng)，生產(chǎn)蒸汽供二期焦爐煤氣預熱等用戶使用。中試系統(tǒng)基本設計參數(shù)如表1 所示。
2)中試系統(tǒng)工藝流程設計
本中試工程新設計上升管高效換熱器替換3B 焦爐原有編號為101-105 的上升管。新建鋼結(jié)構(gòu)輔機房，布置化學除氧器、除氧水箱、給水泵、循環(huán)泵、汽包、加藥、取樣裝置、組合式干燥機及儲氣罐布置于輔機房內(nèi)，汽包排污擴容器、排污降溫池布置于輔機房外空地。
汽水工藝流程:純水經(jīng)過管道先進入真空模式除氧器和除氧水箱進行除氧，然后將其通入汽包
中進行氣液分離，液體水進入荒煤氣顯熱回收裝置進行荒煤氣顯熱的回收，產(chǎn)生飽和蒸汽，然后將飽和蒸汽送入蒸汽管網(wǎng)，具體如下:純水→純水箱→除氧器→汽包→上升管高效換熱器→汽包→汽水分離器→送用戶。
4 中試系統(tǒng)試驗效果分析
41 中試試驗工況運行參數(shù)分析
系統(tǒng)設計回收蒸汽為飽和蒸汽，壓力為1.70MPa，實際運行壓力根據(jù)蒸汽用戶現(xiàn)場需要來設定。根據(jù)現(xiàn)場熱態(tài)調(diào)試結(jié)果，上升管能夠比較穩(wěn)定地產(chǎn)生壓力為0.3-0.8MPa 的飽和蒸汽，5 根上升管蒸汽流量高達0.510t/h，單根上升管蒸汽流量可達到102kg/h。根據(jù)裝煤量和成焦率，計算分析表明，上升管熱量回收后噸煤可回收206.3MJ，折合噸焦可回收277.1MJ，噸焦節(jié)約標煤量為9.47kg。
4.2 工業(yè)示范應用經(jīng)濟性分析
根據(jù)中試試驗結(jié)果分析，單根上升管高效換熱器回收蒸汽最高可達102kg/h?？紤]生產(chǎn)、環(huán)境等變化因素，每根上升管高效換熱器平均產(chǎn)生蒸汽按60-80kg/h 分析，以2 座50 孔焦爐年產(chǎn)焦炭為例，小時平均可回收蒸汽7t/h，考慮維修等因素影響，則年回收蒸汽55188 噸，折合標煤5833噸，約減少1.5 萬噸CO2 排放；蒸汽按成本價148 元/噸計算，則年產(chǎn)生經(jīng)濟效益約817 萬元。
按2013 年我國焦炭產(chǎn)量達4.76 億噸計算，若全部采用上升管高效換熱器技術，則年可節(jié)約能源350 萬噸標準煤左右，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
5 總結(jié)
國內(nèi)外焦爐荒煤氣顯熱回收的研究進展表明，荒煤氣顯熱回收技術暫無成功的商業(yè)應用，對比不同技術路線可知，上升管獨立布置換熱器的荒煤氣顯熱回收技術路線可行，并取得了實際效果。本研究從效率、材料、結(jié)構(gòu)、成本等角度出發(fā)，已完成上升管顯熱回收裝置具體結(jié)構(gòu)設計與制造，并形成上升管高效換熱器(CATHE)。結(jié)合現(xiàn)場設計，建立了包括上升管高效換熱器在內(nèi)的荒煤氣顯熱回收中試系統(tǒng)，并進行了相關試驗研究分析。試驗結(jié)果表明，荒煤氣顯熱回收技術應用示范技術經(jīng)濟可行，為焦爐荒煤氣顯熱回收技術進步奠定了良好的基礎，有助于推動煉焦行業(yè)節(jié)能減排。