焦爐荒煤氣顯熱回收技術研究取得新進展
本文針對焦爐荒煤氣顯熱回收難題，通過系統**的分析，提出上升管高效換熱器裝置，并結合現場建成包括上升管高效換熱器在內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，系統運行可靠，工業應用可行，具有應用推廣價值。
1 前言
我國是焦炭生產大國。2013年，我國焦炭產量達4.76億噸，僅鋼鐵行業就消耗3.99億噸，焦化行業發展與鋼鐵生產緊密相連。在煉焦生產過程中，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焦的影響，極易導致換熱失效，且易引起焦爐安全生產難題，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。現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節能減排的熱點之一。
2 荒煤氣顯熱回收技術發展現狀
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。國內研究人員先后嘗試研究開發導熱油夾套管、熱管、鍋爐和半導體溫差發電等余熱回收技術。2006年濟鋼利用新型結構的繞帶式換熱器，以導熱油為熱介質，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的高溫荒煤氣通過上升管上部的三通道直接導出，不經氨水噴氨，而是通過接管與匯總管相連，將各個炭化室內的荒煤氣導入匯總管，再進入余熱鍋爐進行換熱，終因焦油析出導致換熱失效，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，它包括外筒和內筒，外筒套在內筒上，外筒和內筒之間形成環形空腔，環形空腔內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形空腔外筒與外界相連，*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，因焦油結焦引起換熱效果下降而未進一步研發。
國外關于荒煤氣顯熱回收研究*早出現在蘇聯哈爾科夫煉焦廠，該方案采用水夾套結構形式，用泵將65℃的水引入換熱器，經過換熱后獲得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，在焦爐煙道中與300℃左右的煉焦煙氣進行換熱，有機工質被加熱到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焦炭和還原性氣體兩種產品，但均沒有商業化成功的報導。
經以上分析，國內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構，日本新日鐵、濟鋼以及武鋼所采用的螺旋盤管夾套結構，梅鋼所采用的熱管技術。此方案的優點是對焦爐原有系統影響小，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，受熱面發生泄露之后，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，如果不采用水而采用導熱油作為工質，由于導熱油是有機物質，并且同時還需要導熱油控制系統，整個系統結構復雜，在高溫情況下導熱油發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，且荒煤氣側流速低，對流放熱系數小，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（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，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，對系統氣密性和安全性提出新的挑戰。
上述兩種技術同時還面臨因荒煤氣中焦油析出而導致換熱失效的難題。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，換熱管表面出現了焦油析出的現象，導致換熱效率大幅下降。
3）利用荒煤氣顯熱將荒煤氣制成其他產品。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焦炭和還原性氣體兩種產品。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、焦油析出結焦易致換熱失效、泄漏危險及焦爐的安全生產等極大難題。考慮在狹小空間實現高效換熱、在低成本下實現高可靠性，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，同時兼顧了結構、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構，包括荒煤氣通道、涂層、內壁、腔室、外壁、保溫層六個主要組成部分；同時根據實際需要設置端部保護、強化換熱、導流、排污、檢漏等狀態監控、防膨脹等輔助結構或元件或系統。
3.2上升管高效換熱器中試系統設計
1）主要設計參數
中試試驗裝置兼顧結構、材料、效率、成本等因素，設計了不同結構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、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。為確保中試系統安全、可靠運行，中試系統采用強制循環系統，生產蒸汽供二期焦爐煤氣預熱等用戶使用。中試系統基本設計參數如表1所示。
2）中試系統工藝流程設計
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。新建鋼結構輔機房，布置化學除氧器、除氧水箱、給水泵、循環泵、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，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：純水經過管道**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，產生飽和蒸汽，然后將飽和蒸汽送入蒸汽管網，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 中試系統試驗效果分析
4.1中試試驗工況運行參數分析
系統設計回收蒸汽為飽和蒸汽，壓力為1.70MPa，實際運行壓力根據蒸汽用戶現場需要來設定。根據現場熱態調試結果，上升管能夠比較穩定地產生壓力為0.3-0.8 MPa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，噸焦節約標煤量為9.47kg。
4.2工業示范應用經濟性分析
根據中試試驗結果分析，單根上升管高效換熱器回收蒸汽*高可達102kg/h。考慮生產、環境等變化因素，每根上升管高效換熱器平均產生蒸汽按60-80kg/h分析，以2座50孔焦爐年產焦炭為例，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，則年產生經濟效益約817萬元。
按2013年我國焦炭產量達4.76億噸計算，若全部采用上升管高效換熱器技術，則年可節約能源350萬噸標準煤左右，具有良好的經濟效益和社會效益。
5 總結
國內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、結構、成本等角度出發，已完成上升管顯熱回收裝置具體結構設計與制造，并形成上升管高效換熱器（CATHE）。結合現場設計，建立了包括上升管高效換熱器在內的荒煤氣顯熱回收中試系統，并進行了相關試驗研究分析。試驗結果表明，荒煤氣顯熱回收技術應用示范技術經濟可行，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節能減排。 （曹先常）
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