趙舉浪

(湖南漣鋼工程技術(shù)有限公司，湖南 婁底 417009)

煉鋼廠在焦化生產(chǎn)過程中，利用循環(huán)氨水噴灑冷卻集氣管中的煤氣，多余部分氨水稱為剩余氨水，是焦化廢水主要來源[1]。剩余氨水在送到廢水處理站前先要由蒸氨工序進行除油、脫氨、脫氰，蒸氨工序回收氨資源，同時對排放廢水進行預(yù)處理[2-3]。

現(xiàn)階段的蒸氨工藝包括水蒸汽直接蒸氨、導(dǎo)熱油加熱間接蒸氨、管式爐加熱間接蒸氨、水蒸汽加熱間接蒸氨、熱泵法蒸氨和負壓蒸氨等。目前所有蒸氨工藝都需要較大能耗，達到13.2～20.8 kgce/t氨水，能耗和花費大，通常是焦化生產(chǎn)工藝中蒸汽汽的最大用戶[4-6]。

基于我國“碳達峰、碳中和”行動路線，必須降低煉焦單位產(chǎn)品能耗，采用一些重型設(shè)備的工藝改造，通過利用鋼廠低溫余熱進行蒸氨蒸汽替換，可以實現(xiàn)煉焦工序降耗和降成本的目的[7]。

1 焦化蒸氨技術(shù)

1.1 水蒸汽直接蒸氨工藝

本工藝在焦化行業(yè)使用最普遍、是國內(nèi)占比最高，具有工藝成熟、簡單、投資省和安全可靠性高等優(yōu)點，其工藝流程如圖所示。廢水主要含有揮發(fā)性氨和固定銨鹽，固定銨通過在塔的適當部位加入氫氧化鈉溶液進行分解。水蒸汽直接蒸氨工藝的蒸汽消耗大，每處理一噸剩余氨水大約需要0.55 GJ的熱量，約為200 kg蒸汽，折算18.8 kgce/t氨水，通常是焦化生產(chǎn)工藝過程中水蒸汽的最大用戶。同時蒸氨蒸汽會轉(zhuǎn)化為廢水，使需要處理的廢水量增加20%左右。部分企業(yè)采用余熱回收的蒸汽進行蒸氨，會出現(xiàn)蒸汽壓力不穩(wěn)定或達不到要求，導(dǎo)致蒸氨塔的蒸氨溫度無法滿足工藝要求，使得蒸氨工序消耗蒸汽超過200 kg/氨水。

圖1 水蒸汽直接蒸氨工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of direct ammonia evaporation with steam

1.2 導(dǎo)熱油加熱間接蒸氨工藝

工藝使用導(dǎo)熱油為介質(zhì)，導(dǎo)熱油爐加熱后的高溫導(dǎo)熱油給蒸氨塔底的廢氨水再沸器提供熱量蒸氨。系統(tǒng)需要在原有水蒸汽直接蒸氨系統(tǒng)上增加導(dǎo)熱油系統(tǒng)，包括導(dǎo)熱油的加熱爐、導(dǎo)儲槽、高溫油泵和再沸器。工藝不增加外排廢水量，導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)為單獨循環(huán)閉路系統(tǒng)，與氨水系統(tǒng)隔離，供熱穩(wěn)定，基本可以保障清潔生產(chǎn)。此工藝相對較為復(fù)雜，建設(shè)投資大；導(dǎo)熱油長期在超過200 ℃溫度下運行，會存在變質(zhì)問題，通常一年需要更換一次新的導(dǎo)熱油，運行成本較高；少量裂解氣排入大氣也會對環(huán)境造成污染；導(dǎo)熱油系統(tǒng)維護成本很高；需要燃燒煤氣，比蒸汽蒸氨工藝需要消耗更多熱量。

圖2 導(dǎo)熱油加熱間接蒸氨工藝流程圖Fig.2 Heat transfer oil heating indirect ammonia evaporation process flowchart

1.3 管式爐加熱間接蒸氨工藝

圖3 管式爐加熱間接蒸氨工藝流程圖Fig.3 Process flow diagram of indirect ammonia evaporation by tube furnace heating

此工藝是通過氨水泵從塔底抽出部分氨水直接送入管式爐加熱，加熱后的氨水回到蒸氨塔閃蒸產(chǎn)生蒸汽，蒸汽與塔上部流下的氨水混合，通過傳熱傳質(zhì)實現(xiàn)氨汽蒸發(fā)。這種系統(tǒng)在原有水蒸汽直接蒸氨系統(tǒng)外增加煤氣管式爐和剩余氨水循環(huán)泵。實踐證明管式爐加熱間接蒸氨工藝穩(wěn)定運行，蒸氨指標達到要求，不增加廢水外排量。但存在對爐管材質(zhì)要求高的缺點；管式爐是明火設(shè)備，對設(shè)備布置要求較高且存在安全隱患；同時需要燃燒煤氣，比直接蒸汽蒸氨需要消耗更多熱量。

1.4 水蒸汽汽加熱間接蒸氨工藝

采用水蒸汽汽通過再沸器間接加熱蒸氨塔底廢氨水的工藝，是間接蒸氨工藝中相對簡單、安全的工藝，同時相比其它工藝，該工藝生產(chǎn)管理方便、建設(shè)投資較小。該工藝要求熱源蒸汽汽源充足且蒸汽壓力穩(wěn)定。工藝不增加廢水外排量，但每處理一噸剩余氨水大約需要比直接蒸汽蒸氨多消耗約60 kg蒸汽。

圖4 水蒸汽加熱間接蒸氨工藝流程圖Fig.4 Process flow diagram of indirect ammonia evaporation by steam heating

1.5 熱泵法蒸氨工藝

圖5 熱泵法蒸氨工藝流程圖Fig.5 Heat pump ammonia evaporation process flowchart

熱泵法蒸氨工藝是直接蒸汽加熱的一種改進工藝，蒸氨用蒸汽先經(jīng)在蒸氨廢水中間槽的上部增設(shè)的噴射式熱泵后再進入蒸氨塔，將蒸氨廢水中的熱量進行有效利用。蒸氨廢水從蒸氨塔的底部流到廢水中間槽，再泵送到廢水處理站，中間通過廢水換熱器回收熱量。熱泵法蒸氨工藝噸氨水消耗比水蒸汽直接蒸氨工藝降低約15%，但是仍然有廢水量增加和能耗較大的缺點。

1.6 負壓蒸氨工藝

負壓蒸氨工藝是與上述的幾種間接蒸氨技術(shù)組合形成的新蒸氨集成技術(shù)，將蒸氨塔的操作壓力從常壓條件改為負壓操作條件，熱源多為高溫導(dǎo)熱油。蒸氨塔內(nèi)壓力低，氨氣在水中的溶解度小，氨-水相揮發(fā)度增加，更易分離，因此節(jié)約能量消耗，負壓蒸氨能耗已降至0.25 GJ/t氨水。

表1 幾種傳統(tǒng)蒸氨工藝特點和能耗比較Table 1 Comparison of characteristics and energy consumption of several traditional ammonia distillation processes

現(xiàn)階段雖然開發(fā)了如上表介紹的許多新工藝來降低蒸氨能耗，但是因為節(jié)能效果不顯著且焦化年產(chǎn)量大，其整體能耗和成本仍較高[8]。

2 余熱焦化蒸氨工藝

在碳中和愿景下，耦合余熱資源和傳統(tǒng)蒸氨系統(tǒng)的余熱焦化蒸氨工藝，節(jié)能降碳效果顯著。

2.1 余熱資源來源

焦炭生產(chǎn)單位特別是冶金企業(yè)，有大量低溫余熱如焦爐和燒結(jié)低溫段煙氣余熱尚未利用。

焦爐煙氣溫度比較低，通常在220～250 ℃之間，少部分達到280 ℃，因其產(chǎn)生蒸汽的壓力低且產(chǎn)量和利用效率低，所以焦爐低溫煙氣余熱極少得到利用。

現(xiàn)階段絕大部分燒結(jié)環(huán)冷機煙氣在250～500 ℃的中高溫段余熱都被用于余熱發(fā)電，而250 ℃以下的煙氣余熱基本沒有利用。與焦爐煙氣類似，這種低溫煙氣產(chǎn)生蒸汽的能力低且沒有合適的用熱場景，其余熱基本未利用。

2.2 新工藝流程

結(jié)合負壓蒸氨工藝和水蒸汽汽間接加熱蒸氨工藝，通過熱水間接蒸氨的新工藝，熱水替代蒸汽、導(dǎo)熱油等通過再沸器提供蒸氨所需要的熱源。該工藝熱源為余熱熱水，溫度可控并實現(xiàn)蒸氨系統(tǒng)運行穩(wěn)定，確保廢氨水含氨量指標完全達標，系統(tǒng)不增加外排蒸氨廢水處理量，蒸氨熱量消耗為0.25 GJ/t氨水，但其能耗供給來源為回收的余熱，除工藝額外增加循環(huán)水泵電耗約0.5 kWh/t氨水，可認為新工藝蒸氨能耗基本為0。

3 余熱蒸氨技術(shù)案例

3.1 具體方案

某鋼廠有5.5 m頂裝焦爐，100萬t/a焦炭生產(chǎn)能力，采用水洗氨工藝，氨水產(chǎn)生量為60～80 t/h。原采用蒸汽直接蒸氨工藝，年消耗蒸汽約12萬噸。進行熱水負壓蒸氨技術(shù)改造，利用焦爐煙道廢棄余熱產(chǎn)生熱水替代蒸汽，系統(tǒng)增加焦爐煙氣換熱器、熱水再沸器，負壓蒸氨系統(tǒng)。焦爐產(chǎn)生煙道廢氣，在2座煙囪附近各布置1臺煙氣引風機和1臺煙氣換熱器，產(chǎn)生高溫熱水送至負壓蒸氨塔的再沸器給蒸氨塔的氨水加熱，然后從再沸器返回換熱器[9]。

3.2 系統(tǒng)組成和布置

圖6 余熱焦化蒸氨工藝流程圖Fig.6 Process flow diagram of waste heat coking and ammonia distillation

余熱熱水蒸氨系統(tǒng)改造主要設(shè)備包括焦爐煙氣熱水換熱器、再沸器、廢液循環(huán)泵、管路系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。熱水換熱器采用熱管換熱器，避免低溫腐蝕滲漏。再沸器采用列管式換熱器，逆流式換熱，管程為廢液，殼程為加熱熱水，再沸器一用一備，當一臺出問題的時候，設(shè)備進出口閥門關(guān)閉，切換到另一臺繼續(xù)使用，不影響系統(tǒng)運行。為了確保使用過程中發(fā)生的腐蝕裕度保持在可控范圍內(nèi)，廢液循環(huán)泵的過流件采用耐腐蝕不銹鋼，電機采用低壓高效電機。管路系統(tǒng)廢液部分包括管道及管件及閥門系統(tǒng)采用不銹鋼材質(zhì)，加熱熱水系統(tǒng)延用原系統(tǒng)材質(zhì)?？刂葡到y(tǒng)通過采集再沸器進出口廢液及熱水溫度，根據(jù)溫度調(diào)節(jié)加熱熱水流量，確保蒸氨效果可靠，系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

改造系統(tǒng)布置綜合考慮，盡量不影響原有系統(tǒng)，考慮安裝、檢修、維護便捷，不影響公共環(huán)境。新增兩臺再沸器布置在蒸氨塔附近管廊底部，廢液循環(huán)泵布置在蒸氨塔底空地位置，中間架設(shè)管道進行連接，加熱熱水管道順著管廊走，沒有管廊可以架空部分新建部分管架支撐，并在需要檢修位置架設(shè)平臺及爬梯，方便維修。

表2 新蒸氨工藝系統(tǒng)運行參數(shù)Table 2 Operating parameters of the new ammonia distillation process system

3.3 經(jīng)濟效益分析

改造工程總費用為2 150萬元，其中標準設(shè)備240萬元，非標設(shè)備1 070萬元，電氣儀表設(shè)備255萬元，控制系統(tǒng)44萬元，管道閥門系統(tǒng)256萬元，土建及金屬結(jié)構(gòu)216萬元，設(shè)計及其它69萬元。改造過程通過檢修時間連接接口，不影響工藝生產(chǎn)。

新工藝設(shè)備從2022年9月開始運行使用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，節(jié)能、減少廢水量的效果顯著，各項經(jīng)濟性統(tǒng)計計算如下表所示。

表3 新工藝經(jīng)濟性分析計算表Table 3 Economic analysis and calculation table for new processes

對比水蒸汽直接蒸氨工藝，焦爐煙道氣余熱負壓蒸氨工藝技術(shù)，年生產(chǎn)運行成本降低1 863萬元/年，節(jié)約標煤1.73萬噸/年，減排二氧化碳4.53萬噸/年，具有良好的經(jīng)濟效益、環(huán)保效益和社會效益[10]。

4 結(jié) 論

現(xiàn)階段國內(nèi)焦化生產(chǎn)仍然以水蒸汽直接蒸氨工藝為主，運行能耗大，而其他改進型蒸氨工藝雖然有一定的節(jié)能效果但不顯著，且造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本升高、性價比低等問題因此推廣受限。

基于焦化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和特點開發(fā)新型余熱蒸氨工藝，是對蒸氨工藝設(shè)備的提升，結(jié)合了負壓蒸氨、水蒸汽間接蒸氨、余熱回收等技術(shù)，對比直接蒸氨工藝增加了部分設(shè)備和投資成本，同時也增加了部分電耗，但是其蒸汽用能量、增量廢水處理用能等數(shù)據(jù)基本為零，新工藝運行節(jié)能效果顯著，推廣應(yīng)用對鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)碳中和具有重要意義。

在某鋼廠的100萬t/a焦炭生產(chǎn)工藝中使用了新余熱蒸氨工藝，實際運行的節(jié)能減排和經(jīng)濟性好：年減少蒸汽生產(chǎn)用量13.6萬t/a，增加電力使用量272萬kWh/a，蒸氨環(huán)節(jié)年減少運行費用1 863萬元/a。鋼鐵廠焦炭生產(chǎn)采用新余熱蒸氨工藝具有非常好的經(jīng)濟性和節(jié)能減排效果，對鋼鐵行業(yè)內(nèi)實現(xiàn)碳中和的意義重大，值得在行業(yè)內(nèi)大力推廣應(yīng)用。