文_蔣星亮 安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司

1 工藝背景

安鋼焦化廠6m煉焦?fàn)t由110個(gè)炭化室和111個(gè)燃燒室組成。配合煤裝入炭化室后密閉隔絕空氣，由兩側(cè)的燃燒室將熱量傳導(dǎo)給炭化室，煤在炭化室高溫干餾，逐步升溫至1000±50℃，經(jīng)過(guò)物理化學(xué)變化，形成固態(tài)的焦炭和氣態(tài)的荒煤氣，炭化室逸出600～850℃的荒煤氣經(jīng)由筒狀上升管經(jīng)橋管噴灑氨水繼續(xù)降溫匯總到集氣管中，氣液分離后引入下道工序初冷器內(nèi)進(jìn)一步冷卻荒煤氣。

2 工藝選型

安鋼一直關(guān)注國(guó)內(nèi)外上升管顯熱回收技術(shù)，多次到行業(yè)前列的福建三明鋼廠進(jìn)行上升管余熱利用項(xiàng)目考察，發(fā)現(xiàn)福建三明鋼廠選用的常州江南冶金科技有限公司研發(fā)的幾何態(tài)上升管換熱器成功解決了上升管結(jié)焦堵塞、漏水等關(guān)鍵問(wèn)題，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、換熱效率高、經(jīng)濟(jì)效益可觀，技術(shù)成熟可靠。安鋼決定引進(jìn)常州江南冶金科技公司幾何態(tài)上升管換熱器及余熱回收利用系統(tǒng)，在焦化廠6m焦?fàn)t實(shí)施上升管顯熱回收生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽。

安鋼焦化廠對(duì)上升管荒煤氣余熱回收生產(chǎn)蒸汽有飽和蒸汽、過(guò)熱蒸汽兩種需求，因此需設(shè)計(jì)出并生產(chǎn)出符合Ⅰ型（飽和蒸汽）和Ⅱ型（過(guò)熱蒸汽）需求的不同上升管換熱裝置。于是，作為余熱回收系統(tǒng)的核心設(shè)備，上升管本體采用硅鋁合金復(fù)合材料，上升管余熱回收換熱裝置由內(nèi)、中、外等3個(gè)部分組成，由內(nèi)至外分別是內(nèi)壁、套管換熱器、外壁，消除了Ⅰ型和Ⅱ型周期性熱應(yīng)力破壞情況，并充分考慮了焦?fàn)t生產(chǎn)過(guò)程中的熱量急劇變化所帶來(lái)的熱振現(xiàn)象，外層保護(hù)層的膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)最大限度地消除了熱振應(yīng)力的負(fù)面影響，與傳統(tǒng)換熱器相比，具有耐高溫、耐磨、耐腐蝕、使用壽命長(zhǎng)、換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，且能夠滿足余熱資源節(jié)能回收利用周期短、效果好的要求。

3 工藝流程

在安鋼6m焦?fàn)t7#、8#焦?fàn)t每座炭化室對(duì)應(yīng)的上升管單獨(dú)取熱。結(jié)合安鋼供應(yīng)焦化過(guò)熱蒸汽的并網(wǎng)需求，將每組焦?fàn)t按照9∶1的比例分別取熱生產(chǎn)飽和蒸汽和過(guò)熱蒸汽，同時(shí)上升管換熱裝置與蒸汽品質(zhì)進(jìn)行匹配性配置。以除氧水作為換熱介質(zhì)回收荒煤氣顯熱，荒煤氣在上升管中間自下而上導(dǎo)出，除氧水從100根上升管底部進(jìn)入，與向上導(dǎo)出的荒煤氣進(jìn)行換熱。除氧水經(jīng)過(guò)換熱在換熱裝置內(nèi)變?yōu)槠旌衔铮趽Q熱器裝置上部出口導(dǎo)出送至汽包，汽水混合物在汽包進(jìn)行分離，未汽化的水繼續(xù)通過(guò)強(qiáng)制循環(huán)泵循環(huán)進(jìn)入上升管換熱器進(jìn)行再次熱交換，分離出的飽和蒸汽（175℃，0.9MPa）從汽包輸出。飽和蒸汽再進(jìn)入其余10根上升管換熱器中，自上而下逆向和荒煤氣進(jìn)行換熱，飽和蒸汽被再次加熱生成0.9MPa，220～260℃的過(guò)熱蒸汽。具體流程如圖1所示。

4 優(yōu)化改進(jìn)

4.1 解決上升管內(nèi)壁結(jié)焦油問(wèn)題

在荒煤氣的余熱回收過(guò)程中，當(dāng)荒煤氣被冷卻到一定的溫度時(shí)，荒煤氣中的焦油就會(huì)在換熱界面析出，而且荒煤氣冷卻溫度越低，冷凝在傳熱界面的焦油量就會(huì)越多。于是，根據(jù)安鋼配合煤成分分布比例，通過(guò)上升管溫度隨結(jié)焦時(shí)間變化呈現(xiàn)的溫度分布區(qū)間規(guī)律，確定荒煤氣換熱溫差。對(duì)焦?fàn)t上升管溫度進(jìn)行結(jié)焦時(shí)間內(nèi)的周期測(cè)量，尋求上升管溫度與結(jié)焦時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系，因上升管溫度范圍約在600～850℃，理論上實(shí)現(xiàn)全部余熱熱量回收可實(shí)現(xiàn)能源回收的最大化。實(shí)際生產(chǎn)中，在荒煤氣的余熱回收過(guò)程中，一旦荒煤氣余熱回收利用，荒煤氣溫度開(kāi)始下降到800℃以下時(shí)，石墨的析出開(kāi)始減緩，甚至不再析出；當(dāng)荒煤氣被冷卻到一定的溫度時(shí)，荒煤氣中的焦油就會(huì)在換熱界面析出，而且荒煤氣冷卻溫度越低，冷凝在傳熱界面的焦油量就會(huì)越多，造成內(nèi)壁空間縮小、傳熱系數(shù)降低。

對(duì)上升管進(jìn)行換熱量試驗(yàn)，按照不同換熱量進(jìn)行溫度測(cè)量、換熱系數(shù)計(jì)算和內(nèi)壁附著物測(cè)定。同時(shí)焦化廠配合煤組分的差異會(huì)導(dǎo)致荒煤氣組分的差異。抽取6m焦?fàn)t的10根上升管，對(duì)換熱量及降溫點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)界定，保證上升管換熱后內(nèi)壁不能有附著物，觀察測(cè)量上升管溫度變化與焦油形成的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)上升管進(jìn)行換熱量試驗(yàn)，按照不同換熱量進(jìn)行溫度測(cè)量、換熱系數(shù)計(jì)算和內(nèi)壁附著物測(cè)定。經(jīng)試驗(yàn)在荒煤氣余熱回收過(guò)程中荒煤氣中的焦油蒸汽受到冷卻或遇到冷的換熱界面（上升管內(nèi)壁）冷凝析出，荒煤氣冷卻溫度越低，焦油析出量就越大；當(dāng)上升管內(nèi)壁溫度為370℃以下焦油沉積物較多；當(dāng)內(nèi)壁溫度升到450℃以上時(shí)，焦油沉積物少且酥松。

圖1 上升管余熱回收生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽流程圖

4.2 利用自動(dòng)控制系統(tǒng)提高運(yùn)行穩(wěn)定性

為了避免因荒煤氣溫度降幅過(guò)大，上升管內(nèi)部焦油快速凝析，造成焦油掛結(jié)、結(jié)焦堵塞及因荒煤氣溫度過(guò)高上升管換熱器的換熱效率差等情況。在焦?fàn)t上升管換熱器出口法蘭處的測(cè)量口，連接電接點(diǎn)溫度計(jì)，溫度控制系統(tǒng)將電接點(diǎn)溫度計(jì)的溫度信號(hào)傳輸?shù)?PLC總控制系統(tǒng)，焦?fàn)t上升管熱換器進(jìn)水閥門為自動(dòng)調(diào)節(jié)閥并與 PLC 總控制系統(tǒng)連接，強(qiáng)制循環(huán)泵采用變頻電機(jī)。上升管換熱器的進(jìn)水調(diào)節(jié)閥門根據(jù)換熱器出口荒煤氣的溫度檢測(cè)和設(shè)定，自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)水流量的大小，這樣最大限度地利用了上升管的荒煤氣的余熱，保證在存在大量荒煤氣的時(shí)候，出口溫度不小于 450℃，控制了焦油的凝析吸附和石墨的生長(zhǎng)。

4.3 實(shí)現(xiàn)“分段取熱、多級(jí)換熱”

每座焦?fàn)t進(jìn)水管網(wǎng)，設(shè)計(jì)為每5個(gè)上升管為一分段，55孔焦?fàn)t分11個(gè)控制段，梯級(jí)分配、分組控制的原理是每段有分閥、每個(gè)上升管又有單個(gè)控制閥，有利于區(qū)域工藝調(diào)控和縮小檢修影響面，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域進(jìn)出水汽的量位調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域換熱量和溫度的調(diào)控。經(jīng)過(guò)計(jì)算確定了采用分段和分介質(zhì)進(jìn)行換熱，將全部110個(gè)上升管中的100個(gè)上升管換熱器（Ⅰ型）用來(lái)利用除氧水換熱生產(chǎn)飽和蒸汽，再利用剩余的10個(gè)上升管換熱器（Ⅱ型）將飽和蒸汽進(jìn)行過(guò)熱，提高其過(guò)熱度，達(dá)到200～260℃以上，在不增加其他換熱資源的基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)有上升管荒煤氣的熱量，合理進(jìn)行分配換熱，生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽，從而滿足生產(chǎn)用蒸汽需求。

5 效益分析

該項(xiàng)目自2017年1月在安鋼焦化廠投用至今已安全穩(wěn)定運(yùn)行3年，上升管換熱器運(yùn)行正常，內(nèi)部幾乎無(wú)結(jié)焦現(xiàn)象，外部沒(méi)有腐蝕情況發(fā)生。

節(jié)能方面：7#、8#焦?fàn)t上升管每年穩(wěn)定產(chǎn)出0.9MPa，220℃以上過(guò)熱蒸汽超過(guò)8.8萬(wàn)t。

發(fā)電效益：焦化廠生產(chǎn)可以減少10t/h的動(dòng)力蒸汽供應(yīng)量，每年可以增加發(fā)電量2220.3萬(wàn)kWh，發(fā)電效益1243.37萬(wàn)元。

環(huán)保方面：年減排CO2約2.298萬(wàn)t，減排SO2約0.0682萬(wàn)t，減排NO2約0.0341萬(wàn)t。

6 結(jié)語(yǔ)

焦?fàn)t荒煤氣顯熱回收利用技術(shù)對(duì)焦化行業(yè)節(jié)能降耗、綠色發(fā)展意義重大。焦?fàn)t上升管生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽在安鋼的應(yīng)用屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，安鋼焦化廠6m焦?fàn)t屬于第一個(gè)生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽的焦?fàn)t，具有里程碑式的示范意義及推廣價(jià)值。該技術(shù)提高了上升管換熱器的換熱效果及使用壽命，顯著降低碳、硫、氮氧化物的排放，對(duì)改善大氣環(huán)境具有積極的正面作用。