賴良軍

(四川省川威集團(tuán)有限公司，四川成都610100)

1 引言

焦?fàn)t煉焦生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的余熱，其中荒煤氣帶走的余熱占到了總余熱的36%，荒煤氣中成分復(fù)雜并且含大量焦油，在生產(chǎn)過(guò)程中每個(gè)孔道的荒煤氣量及其溫度波動(dòng)大，因此荒煤氣的余熱回收難度很大，各種回收方案都在探討和實(shí)驗(yàn)之中，本文以有機(jī)朗肯循環(huán)螺桿發(fā)電機(jī)組利用初冷器中荒煤氣的高溫部分余熱進(jìn)行探討。

2 荒煤氣余熱回收利用的必要性

焦炭生產(chǎn)過(guò)程中，配合煤在焦?fàn)t中被隔絕空氣加熱干餾，生成焦炭的同時(shí)產(chǎn)生大量的荒煤氣。從煉焦生產(chǎn)過(guò)程熱平衡分布看，從焦?fàn)t炭化室推出的950℃ ～1 050℃紅焦帶出的顯熱(高溫余熱)占焦?fàn)t支出熱的37%，650℃ ～750℃焦?fàn)t荒煤氣帶出熱(中溫余熱)占焦?fàn)t支出熱的36%，180℃ ～230℃焦?fàn)t煙道廢氣帶出熱(低溫余熱)占焦?fàn)t支出熱的16%，爐體表面熱損失(低溫余熱)占焦?fàn)t支出熱的11%。

煉焦荒煤氣余熱回收利用的經(jīng)濟(jì)效益顯著。理論及測(cè)試數(shù)據(jù)表明，每生產(chǎn)1t紅焦的高溫荒煤氣余熱回收后至少能產(chǎn)生0.1t0.6MPa蒸汽，節(jié)能潛力巨大。

3 我國(guó)煉焦荒煤氣余熱回收利用的現(xiàn)狀

早在上世紀(jì)70年代，首鋼、太鋼采用夾套上升管，夾套內(nèi)冷卻水吸收荒煤氣所攜帶的熱量而汽化，產(chǎn)生蒸汽。

在總結(jié)水套上升管教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，濟(jì)鋼把冷卻水換成了導(dǎo)熱油回收荒煤氣余熱。

梅山鋼鐵公司煉焦廠采用熱管回收荒煤氣余熱產(chǎn)生蒸汽。

中冶焦耐工程公司設(shè)計(jì)的冷卻流程，使脫硫貧液與高溫荒煤氣間接換熱，脫硫貧液換熱后通過(guò)閃蒸裝置產(chǎn)生蒸汽。

此外，我國(guó)焦化工作者還設(shè)計(jì)了用鍋爐回收荒煤氣帶出熱的方案，半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)回收荒煤氣余熱等。

雖然上述煉焦荒煤氣余熱回收利用技術(shù)在我國(guó)經(jīng)歷了多年的研究歷程，但其材料、結(jié)構(gòu)均不能很好滿足現(xiàn)場(chǎng)工況要求，效率低、壽命短，關(guān)鍵技術(shù)沒(méi)有突破，至今尚無(wú)成熟、可靠、穩(wěn)定的大工業(yè)化應(yīng)用實(shí)例。

4 利用有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電機(jī)回收荒煤氣余熱方案

目前對(duì)荒煤氣的處理采用的工藝為:從焦?fàn)t炭化室經(jīng)上升管逸出的荒煤氣(也稱為粗煤氣)溫度為650～750℃，首先經(jīng)橋管進(jìn)入集氣管，被噴灑的循環(huán)氨水冷卻到80～85℃，然后經(jīng)初冷器將煤氣溫度降至21～22℃。

其中在集氣管中煤氣溫度從650～750℃降為80～85℃，煤氣熱量并未被帶走，只是將高溫?zé)崮茏優(yōu)榱说蜏責(zé)崮?，煤氣的熱能轉(zhuǎn)換為水汽的熱能，80～85℃的荒煤氣幾乎被水汽所飽和?？梢?jiàn)進(jìn)入初冷器的80～85℃的荒煤氣具有大量的熱量，并且熱量主要存于煤氣中處于飽和狀態(tài)的水蒸汽中，尤其是處于70℃ ～85℃狀態(tài)的荒煤氣。經(jīng)計(jì)算，1Nm3焦?fàn)t煤氣由 82℃降到 75℃可釋放800kJ，凝結(jié)水蒸汽量335g。

有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電機(jī)的工藝流程見(jiàn)圖1，利用有機(jī)介質(zhì)的低沸點(diǎn)特性(35～65℃蒸發(fā))，當(dāng)余熱溫度大于介質(zhì)蒸發(fā)溫度時(shí)，有機(jī)介質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)汽化，相變?yōu)榫哂幸欢▔毫Φ臍怏w，膨脹推動(dòng)螺桿或透平機(jī)做功，螺桿機(jī)或透平機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。做功后有機(jī)介質(zhì)氣體的溫度和壓力下降，從螺桿機(jī)或透平機(jī)排出時(shí)為氣液兩相，經(jīng)冷凝器冷凝為全液相，進(jìn)入儲(chǔ)液槽，工質(zhì)泵將液態(tài)工質(zhì)泵入蒸發(fā)器，完成一個(gè)做功循環(huán)。

熱水、低壓飽和蒸汽、熱物液、煙氣等經(jīng)蒸發(fā)器流出，有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)汽化，當(dāng)溫度達(dá)到70℃時(shí)，工質(zhì)氣體壓力可達(dá)到1.0～1.5MPa，推動(dòng)螺桿機(jī)旋轉(zhuǎn)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。因此可利用有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電機(jī)回收初冷器中焦化荒煤氣高溫部分(82～75℃或82～70℃)的熱量進(jìn)行發(fā)電。

5 有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)主要技術(shù)難點(diǎn)及初步解決方案

5.1 工質(zhì)預(yù)熱器、蒸發(fā)器的換熱效果和壽命問(wèn)題

蒸發(fā)器主要難點(diǎn)是焦?fàn)t荒煤氣含有很多雜質(zhì)，影響換熱和壽命問(wèn)題。這個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)有較好的解決方法，可利用初冷器現(xiàn)有成熟方法，定期噴灑氨水清洗換熱表面的污垢;另根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，初冷器的普通碳鋼受熱面也有十多年的使用壽命，以此看來(lái)保證受熱面的壽命不是問(wèn)題。

圖1 有機(jī)朗肯循環(huán)工藝流程圖

5.2 整個(gè)系統(tǒng)的工質(zhì)充裝量大

這個(gè)問(wèn)題目前看來(lái)是個(gè)主要問(wèn)題，可以采取的方法為:工質(zhì)預(yù)熱器、蒸發(fā)器采用小管徑換熱管;蒸發(fā)器做成直流型式即:進(jìn)口為液體，出口為100%氣體和采用緊湊型氣液分離器;發(fā)電本體盡量靠近初冷器等。

目前初步計(jì)算15 000Nm3粗煤氣的蒸發(fā)器、預(yù)熱器(蒸發(fā)壓力為0.52MPa飽和溫度為65℃的R245FA蒸發(fā)量72t/h)等容積分別為:2.65m3，0.75m3。

5.3 環(huán)境溫度對(duì)發(fā)電量影響大

環(huán)境溫度對(duì)有機(jī)郎肯循環(huán)的冷凝溫度有重大影響，隨著冷凝溫度的增加，凈輸出電功逐漸減小，冷凝溫度越低，凈輸出電功越大。因此對(duì)環(huán)境溫度低的地方有利于有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行余熱回收。

6 發(fā)電量初步估算

1Nm3干煤氣在 82℃，常壓(100kpa)，飽和狀態(tài)(即煤氣濕度為100%)時(shí)有關(guān)物理量計(jì)算如下:

體積為:

煤氣濕度為100%，水蒸氣壓力為82℃的水的飽和壓力即為:51.3kpa，煤氣分壓為:

水蒸氣與煤氣體積比則為:51.3/48.7 1Nm3干煤氣在煤氣濕度100%時(shí)的體積為:

1 m3濕煤氣(濕度為100%)含水蒸氣量為:

1Nm3干煤氣在75℃，常壓，飽和狀態(tài)(即煤氣濕度為100%)時(shí)有關(guān)物理量計(jì)算如下:

體積為:

煤氣濕度為100%，水蒸氣壓力為82℃的水的飽和壓力即為:38.5kpa，煤氣分壓為:

水蒸氣與煤氣體積比則為:38.5/61.5

1Nm3干煤氣在煤氣濕度100%時(shí)的體積為:

1 m3濕煤氣(濕度為100%)含水蒸氣量為:

1Nm3干煤氣含水蒸氣:

由上可得1Nm3干煤氣由在濕飽和情況下由82℃冷卻到75℃將凝結(jié)水蒸氣量為:

每kg水蒸氣的汽化潛熱平均按2 345kJ計(jì)算，則1Nm3干煤氣在濕飽和情況下由82℃冷卻到75℃的放熱量為:

熱源溫度為82℃ －75℃，工質(zhì)排氣溫度按平均溫度為31℃的螺桿膨脹發(fā)電機(jī)的絕對(duì)熱效率約為7.5%。

140萬(wàn)噸焦炭生產(chǎn)線(焦?fàn)t煤氣產(chǎn)量60 000 Nm3/h)發(fā)電量可達(dá):

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上初步分析，利用有機(jī)朗肯循環(huán)膨脹發(fā)電機(jī)回收初冷器中焦化荒煤氣高溫部分(82℃ ～75℃或82℃ ～70℃)的熱量進(jìn)行發(fā)電是值得研究、進(jìn)行小型工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)，進(jìn)而投入到工業(yè)生產(chǎn)的。