王浩^1，2  金保昇¹  唐剛³  安忠義²  張浩³ 桂峰²  余波²  呂冬強²

(1.東南大學，2.中冶華天工程技術(shù)有限公司，3.安徽工業(yè)大學建筑工程學院)

摘 要：通過分析焦爐荒煤氣特性、煤焦油結(jié)焦特性，開發(fā)上升管換熱器技術(shù)、不粘涂層技術(shù)，為焦爐荒煤氣余熱回收技術(shù)推廣提供參考，并對今后荒煤氣換熱器技術(shù)發(fā)展方向和荒煤氣余熱回收工藝提出相關(guān)建議。目前，該研發(fā)成果已成功地應(yīng)用于6m焦爐節(jié)能示范工程，顯熱回收利用系統(tǒng)等表現(xiàn)出良好的操作和使用性能，各項運行參數(shù)合理，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，解決了蒸發(fā)器內(nèi)壁結(jié)焦、積碳和腐蝕等行業(yè)普遍存在的技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞：上升管；蒸發(fā)器；防結(jié)焦；不粘涂層；荒煤氣；顯熱；回收

我國是世界上主要的焦炭生產(chǎn)國，2016年焦炭產(chǎn)量合計44911萬t,約占世界焦炭總產(chǎn)量的70%^[1-2]。生產(chǎn)的焦炭一方面用于國內(nèi)冶金行業(yè)，一方面用于出口，為我國和世界的經(jīng)濟發(fā)展提供了有力支撐。同時，煉焦工業(yè)既是重要的能源生產(chǎn)部門，又是耗能大戶。煉焦占總能耗的70% -80%,其中荒煤氣帶走的余熱約占煉焦能耗的32%~36%。因此，加強焦爐上升管荒煤氣顯熱回收成為我國節(jié)能降耗戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)^[3]。

目前對焦爐上升管荒煤氣顯熱回收技術(shù)的研發(fā)尚處于起步階段，國內(nèi)眾多焦化企業(yè)已不同程度開展荒煤氣顯熱回收利用工作，但是尚未達到合理有效回收利用的目標。傳統(tǒng)工藝通過采用70~80T循環(huán)氨水噴淋高溫荒煤氣直接急冷，荒煤氣中的高溫熱量被汽化的氨與水蒸氣吸收后, 變成80~85℃低溫熱源，這些低溫熱源隨著荒煤氣進入初冷器，最終被循環(huán)水帶走，造成能源的大量浪費^[4]。同時由于循環(huán)水取熱，初冷器面積較大，循環(huán)水耗量大^[5]。所得到的效果是荒煤氣被冷卻，其中所夾帶的粉塵被除去，絕大部分焦油蒸汽冷凝、茶凝結(jié)（并溶于焦油）而被脫除，為煤氣輸送、深度凈化和化學產(chǎn)品回收創(chuàng)造了較好的條件^[4]。

上述過程對荒煤氣的冷卻和初步凈化而言是高效的，但在熱力學上卻是不完善的：①該部分顯熱未回收。荒煤氣在橋管和集氣管內(nèi)急劇降溫，增濕過程是高度不可逆過程，其物理損失達90%以上；②冷卻氨水循環(huán)量大。未采用顯熱回收時，通過循環(huán)氨水將荒煤氣從650 ~ 850℃冷卻至80~85℃，單集氣管焦爐每噸干煤需5m³ 循環(huán)氨水，雙集氣管焦爐需6m³循環(huán)氨水。與干熄焦技術(shù)的規(guī)?；孟啾龋拿簹怙@熱回收技術(shù)還處于探索和起步階段，蒸發(fā)器腐蝕、結(jié)焦等問題導致荒煤氣顯熱回收技術(shù)推廣緩慢。

基于此，文章以某焦化廠2x50孔6m焦爐上升管荒煤氣顯熱回收利用示范工程為例，主要從焦爐上升管蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計、防結(jié)焦不粘涂層開發(fā)、荒煤氣顯熱回收系統(tǒng)開發(fā)、示范工程應(yīng)用、經(jīng)濟及社會效益等方面，闡述、分析焦爐上升管荒煤氣顯熱回收利用技術(shù)的研究與應(yīng)用情況，為解決焦爐上升管內(nèi)壁結(jié)焦問題，提高蒸發(fā)器換熱效率，有效回收焦爐荒煤氣顯熱，降低焦化企業(yè)能耗，提供工程基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1核心技術(shù)研發(fā)

1.1上升管蒸發(fā)器

自主開發(fā)的焦爐荒煤氣上升管蒸發(fā)器（見圖1 是焦爐上升管荒煤氣顯熱回收系統(tǒng)的核心裝備，包括由內(nèi)向外依次設(shè)置的防結(jié)焦涂層、蒸發(fā)器內(nèi)管、汽-水通道、隔熱保溫層和保護套管切。其中，蒸發(fā)器內(nèi)管的內(nèi)側(cè)為荒煤氣通道, 內(nèi)管的外側(cè)為有螺旋式孔槽的汽-水通道，汽-水通道外設(shè)保溫層和保護套管；汽水出口和汽水入口與上升管蒸發(fā)器汽-水通道圓周面相切。該結(jié)構(gòu)流場分布均勻、換熱效率高，可消除內(nèi)管局部應(yīng)力分布不均，在有效回收荒煤氣顯熱的同時，減緩或解決石墨化以及焦油粘結(jié)問題。

1.2防結(jié)焦不粘涂層

荒煤氣除了含有凈煤氣外，還含有硫化氫、 煤焦油等成分，見表1。

煤焦油成分復雜，按照沸點高低，其成分為瀝青、蔥油、洗油、蔡油、酚油和輕油等。采用上升管蒸發(fā)器回收荒煤氣顯熱時，當荒煤氣溫度低于450℃時，煤焦油開始在溫度較低的上升管蒸發(fā)器表面凝結(jié)附壁^[9-10]，冷凝的煤焦油沿上升管蒸發(fā)器壁面向下流動，到蒸發(fā)器底部。一部分煤焦油受到炭化室的高溫輻射，煤焦油再次分解，剩余固體碳著在上升管蒸發(fā)器表面造成積碳^[11-12]；另一部分煤焦油凝結(jié)在上升管蒸發(fā)器表面并未產(chǎn)生二次分解^[13],此兩種現(xiàn)象都是焦爐上升管蒸發(fā)器運行過程中面臨的重要難題，因此，開發(fā)防結(jié)焦不粘涂層是解決上升管蒸發(fā)器表面煤焦油凝結(jié)的技術(shù)關(guān)鍵。

筆者以焦爐上升管內(nèi)壁結(jié)焦炭層為研究對象，采用掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線光電子能譜儀（XPS）研究各結(jié)焦炭層的微觀形貌、元素組成及鍵合狀態(tài)，分析結(jié)焦炭層織構(gòu)形成及演化規(guī)律，揭示了荒煤氣上升管結(jié)焦炭層織構(gòu)形成及演化機制，開發(fā)了防結(jié)焦不粘涂層，為解決焦爐荒煤氣上升管內(nèi)壁結(jié)焦問題，降低焦爐上升管內(nèi)壁結(jié)焦清理工作量及焦化企業(yè)能耗提供了應(yīng)用基礎(chǔ)和理論依據(jù)，焦爐上升管內(nèi)壁對比效果如圖2所示。

1.3荒煤氣顯熱回收系統(tǒng)

焦爐在煉焦過程中，炭化室逸出大量的荒煤氣，經(jīng)過焦爐上升管、橋管、集氣管冷卻集合后送入化產(chǎn)裝置進行凈化處理。在一個結(jié)焦周期內(nèi)，單孔炭化室產(chǎn)出的荒煤氣約10000m³,荒煤氣經(jīng)過焦爐上升管時溫度高達650 ~ 800℃ ,含有大量的顯熱。為了降低焦爐荒煤氣溫度便于后續(xù)焦化工藝處理，傳統(tǒng)工藝采用噴循環(huán)氨水急速冷卻高溫荒煤氣，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，增加了污水排放量網(wǎng)。

針對上述現(xiàn)有焦爐上升管荒煤氣顯熱尚未被合理回收利用現(xiàn)狀，提出了一種能夠綜合回收焦爐荒煤氣顯熱的工藝系統(tǒng)（圖3 ,主要包括: 荒煤氣系統(tǒng)、焦爐上升管荒煤氣蒸發(fā)器熱力循環(huán)系統(tǒng)等。

2示范工程應(yīng)用

2.1工藝流程

針對某焦化公司兩座50孔6m頂裝焦爐, 年產(chǎn)焦炭90萬t,通過采用焦爐上升管荒煤氣顯熱回收利用技術(shù)，有效回收焦爐荒煤氣顯熱，工藝流程主要包括荒煤氣流動系統(tǒng)、汽水流動系統(tǒng)。

荒煤氣流動系統(tǒng)（圖4 焦爐在煉焦過程中，炭化室逸出大量荒煤氣，750℃的高溫荒煤氣進入焦爐上升管蒸發(fā)器，經(jīng)換熱后，溫度降低到約500℃經(jīng)過三通管進入橋管，在橋管中經(jīng)噴淋冷卻降溫后，通過集氣管冷卻集合后進入化產(chǎn)系統(tǒng)進行凈化處理。

汽水流動系統(tǒng)(圖5) 除鹽水經(jīng)除鹽水箱、除氧給水泵后被送入除氧器除氧，然后送入汽包經(jīng)過強制循環(huán)泵進入上升管蒸發(fā)器，除氧水與荒煤氣在上升管蒸發(fā)器中完成間接熱交換過程，而后生成飽和蒸汽，再次通過上升管過熱器與荒煤氣熱交換生成過熱蒸汽，并入用戶蒸汽管網(wǎng)^[15]。

2.2工藝參數(shù)

2.3工藝特點

研究開發(fā)了一套靈活的荒煤氣顯熱回收工藝系統(tǒng)，可根據(jù)焦化廠用汽需求生產(chǎn)飽和蒸汽或過熱蒸汽，有效提高荒煤氣顯熱回收利用技術(shù)的實用價值，同時解決了焦爐荒煤氣蒸發(fā)器結(jié)焦和腐蝕問題，顯著降低清爐工作量。

(1)采用雙汽包并聯(lián)方式設(shè)置，提高系統(tǒng)安全性、可靠性，避免上升管蒸發(fā)器出現(xiàn)干燒現(xiàn)象；設(shè)置大流量強制循環(huán)系統(tǒng)，蒸發(fā)器進出口管路采用合理的梯級配置，保證每個蒸發(fā)器進出水量的均勻性，提高系統(tǒng)的換熱效率；

(2) 高效自清潔不粘涂層技術(shù)能夠有效避免荒煤氣中焦油在蒸發(fā)器壁面的結(jié)焦腐蝕，顯著降低清爐工作量，延長了清爐周期，提高焦爐生產(chǎn)效率；

(3) 高效合理的上升管蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)。通過設(shè)置蒸發(fā)器“斜切”進出口結(jié)構(gòu)，減小流動損失；通過在汽水夾套內(nèi)設(shè)置導流裝置，均化汽水流場分布，避免流動盲區(qū)、過熱區(qū)，提高蒸發(fā)器的總傳熱效率；

(4) “互聯(lián)網(wǎng)+”全自動在線監(jiān)控預警系統(tǒng)?？梢罁?jù)炭化室結(jié)焦周期荒煤氣溫度、流量變化曲線補償控制確保換熱效率，實時在線監(jiān)控、事前預警上升管蒸發(fā)器工作狀態(tài)，有效避免發(fā)生蒸發(fā)器泄漏、爆管等事故，確保系統(tǒng)安全運行。

3運行情況及效益分析

該6m焦爐上升管荒煤氣顯熱回收利用示范工程，自投產(chǎn)使用至今，生產(chǎn)狀況穩(wěn)定，運行情況良好，顯熱回收系統(tǒng)運行穩(wěn)定，產(chǎn)汽量達到合同約定要求，焦爐上升管蒸發(fā)器無結(jié)焦腐蝕、漏水等現(xiàn)象。

(1)經(jīng)濟效益

由于該技術(shù)具有荒煤氣顯熱高效、可靠回收與能量梯級利用等優(yōu)勢，工程自投產(chǎn)至今，平均每年創(chuàng)利650萬元，投資回收期約2年，經(jīng)濟效益顯著。

(2)社會效益和環(huán)境效益

通過將荒煤氣顯熱回收發(fā)電、化產(chǎn)或供暖等，折合噸焦節(jié)約12.7kgce, CO₂減排33.5kg。 目前，我國焦化行業(yè)在產(chǎn)能過剩、粗放發(fā)展及環(huán)境壓力加大的形勢下，調(diào)整工藝結(jié)構(gòu)、淘汰落后、創(chuàng)新發(fā)展已成為焦化行業(yè)迫在眉睫之事。隨著國家和地方加快節(jié)能減排工作的推進，企業(yè)自身為了提高資源綜合利用率、推進能源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略調(diào)整、促進產(chǎn)業(yè)升級、提高企業(yè)競爭力，開展焦爐荒煤氣顯熱回收技術(shù)，有利于提高其焦炭產(chǎn)品競爭力，實現(xiàn)企業(yè)長遠發(fā)展和經(jīng)濟效益提升。在國家節(jié)能減排創(chuàng)新發(fā)展的大背景下，該技術(shù)所具有的社會效益、經(jīng)濟效益和市場空間不言而喻，推廣應(yīng)用前景廣闊。

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