焦爐是焦化企業生產的關鍵設備和能量聚集點。焦爐的支出熱主要由三部分組成：一是焦爐炭化室出焦時所推出的紅焦帶出的高溫余熱，約占37%；二是焦爐上升管排出的高溫荒煤氣帶出的中溫余熱，約占33%；三是焦爐煙道排出的廢氣帶出的低溫余熱，約占17%。

焦爐荒煤氣是焦煤在結焦過程中揮發份逸出而形成，通常溫度為600—800℃左右，其顯熱占焦爐熱支出的約33%左右。為降低焦爐荒煤氣溫度便于后續焦化工藝處理，傳統工藝采用噴氨水急冷的工藝冷卻高溫荒煤氣，使荒煤氣急劇降溫至80-85℃。該工藝流程不僅浪費了大量的荒煤氣顯熱，而且消耗大量的氨水、又浪費了大量的水資源和電力，增加污水排放。

其中，紅焦帶出的高溫余熱目前已通過干熄焦技術予以回收并發電；煙道氣排出的低溫余熱也已采用煤調濕、煤干燥、熱管技術予以回收；但對于焦爐頂部上升管排出的800℃荒煤氣，其帶出的熱量在焦爐輸出顯熱中位居第二，該項中溫余熱是焦爐余熱余能回收利用的最后一道亟待攻破的技術難關。

目前關于荒煤氣顯熱利用已經研究了近30年，有水套式、熱管式、風媒式、荒煤氣引出式、介質浴式等等方法。

水套式。這種方式試驗最早，是在原上升管外面包覆一層水套，形式有若干種，利用荒煤氣的部分熱量產生熱水或蒸汽。以6m焦爐為例，每根上升管產0.5MPa蒸汽約79kg/h，荒煤氣從692℃降低到606℃，100根上升管可產蒸汽約7.9t/h，強制循環泵功率約30KW，設備總投資約1000～2000多萬元。水套式的優點是設備體積較小，不結焦，對焦爐原有工藝沒有太大影響，但是焦爐的上升管變成一個壓力容器，存在運行時起停不易的限制和泄漏隱患。

風媒式。這種方式是在原上升管外面制造一個風冷卻套，其形式也有若干種，將荒煤氣的一部分熱量吸收產生熱風，再將熱風引到地面的余熱鍋爐中產生蒸汽，熱風放熱后再通過風機循環回上升管中。還是以6m焦爐為例，荒煤氣從692℃降低到637℃，100根上升管可產蒸汽約4.5t/h，循環風機電耗約179KW，設備總投資約600～1000萬元。風媒的優點是也是對焦爐原有工藝沒有太大影響，不結焦，控制方便、安全，但是蒸汽產量比水套式的少約40%。

熱管式。熱管式有插入式和徑向式兩種。插入式是將熱管插入上升管中，將熱量通過熱管傳遞給水使其蒸發；徑向式是將上升管做成一個徑向熱管，吸收荒煤氣熱量后再傳遞給水產生蒸汽，徑向熱管式的蒸汽產量與水套式基本相同。在上升管中插入熱管，一方面影響焦爐原有生產條件，另外一方面熱管容易結焦。徑向熱管不影響焦爐原有的生產，也存在結焦和焦爐頂部有壓力容器帶來的安全問題。

荒煤氣引出式。將荒煤氣通過管道引到焦爐外，再用余熱鍋爐進行熱交換產生蒸汽，換熱后的荒煤氣再重新經過降溫、除焦油再進入后面的凈化工序。同樣以6m焦爐為例，荒煤氣引出后，從692℃降低到250℃，100根上升管可產蒸汽約9.8t，引風機電耗約230KW，設備總投資約800～2000萬元。將荒煤氣引出，可以有足夠的空間回收荒煤氣的大部分的顯熱，但是結焦和運行問題目前會使系統無法長期有效的運轉。

分布式余熱回收技術——介質浴式

相對于常規直接汽化冷卻式焦爐上升管余熱回收技術,該技術基于上升管荒煤氣高溫顯熱資源特點,采用導熱油作為換熱媒介,獨創上升管余熱回收裝置分布式余熱回收技術,維持上升管內壁溫度在500℃以上,成功解決上升管荒煤氣余熱回收面臨的“掛焦油、泄漏、干燒”三大難題,確保工藝生產安全,實現余熱資源高效回收利用;該系統主要設備有上升管換熱器、導熱油蒸發器、導熱油過熱器、儲油槽、膨脹罐、除氧器、除氧泵、給水泵、強制導熱油循環泵以及鋼支架、導熱油管、進出水管以及電儀設備等設施。

1主要系統流程

系統包括荒煤氣系統、汽水系統、熱媒系統、氮封系統、排污系統、放空系統和控制系統,系統設備包括主體設備、附屬設備等。

荒煤氣系統：來自炭化室的荒煤氣(~800℃)→上升管取熱裝置(更換原上升管)→集氣管→荒煤氣管網。

汽水系統：常溫化水→化水箱→除氧器及水箱→導熱油蒸發器→導熱油過熱器→用戶主管網。

熱媒系統：導熱油由循環油泵輸出→上升管取熱裝置→導熱油過熱器→導熱油蒸發器→油汽分離器→循環油泵,完成一個循環。

2主體設備

2.1上升管取熱裝置

上升管取熱裝置由內、中、外三部分組成:內層采用耐高溫、耐磨損、抗腐蝕合金鋼材料,其內壁有特殊涂層,能夠耐受長時間干燒,同時避免了高溫硫腐蝕;中間層為導熱油吸熱層,設有合金鋼材質導熱油傳熱管,導熱油充分吸收從內層來的荒煤氣熱量,通過強制循環最終將熱量帶出;外層為隔熱和保護層,通過合理的保溫設計,改善了原有上升管存在的表面溫度過高的問題,同時對中間層的換熱核心部分進行結構保護。

上升管取熱裝置采用特殊耐高溫、無應力自由膨脹式取熱結構,沒有任何熱應力產生,不存在熱脹冷縮導致的局部應力;導熱油傳熱管為無縫鋼管整彎拼接而成,制造過程中對接焊縫100%拍片探傷,確保了設備的安全可靠。

2.2導熱油蒸發器

導熱油蒸發器為一用一備,可隨時切換,便于單臺設備的年檢;導熱油蒸發器主要由U型管束、殼體和管箱等組成,導熱油走管程,殼程為水-飽和蒸汽,利用高溫導熱油來加熱給水,使其汽化產生飽和蒸汽。

導熱油蒸發器作為產生蒸汽的核心部件,其制造工藝考慮了以下幾個問題:U形換熱管與管板在180~240MPa下脹接,脹接完后試壓,無泄漏后,再采用管口自動焊機;管板、折流板等均為精加工件,避免了換熱管的機械磨損導致使用中出現局部腐蝕;設備結構充分避免了設備氧腐蝕、堿脆、堿腐蝕和垢下腐蝕等。

2.3導熱油過熱器

導熱油過熱器主要由U型管束、殼體和管箱等組成,導熱油走管程,殼程為飽和-過熱蒸汽,利用高溫導熱油加熱蒸汽為過熱蒸汽。

3技術優勢

采用導熱油作為傳熱介質,所選導熱油最高操作溫度高達345℃,導熱油經上升管取熱裝置吸熱升溫后,送至導熱油過熱器、導熱油蒸發器與汽水系統換熱,降溫后的導熱油通過強制循環泵再回到上升管取熱裝置再次吸熱,實現密閉循環。相對于常規直接汽化冷卻式焦爐上升管余熱回收技術,分布式余熱回收技術在長期運行安全性、蒸汽品質方面具有如下優勢:

(1)導熱油最高操作溫度高達345℃,導熱油過熱器、導熱油蒸發器等設備按壓力4.0MPa及以上設計制造,因此可產3.82MPa、300℃以下品質蒸汽,蒸汽品質高,用途更廣泛;常規汽化冷卻式焦爐上升管余熱回收技術,由于受上升管取熱裝置承壓限制,一般只產0.8MPa以下飽和蒸汽。

(2)無論產何種壓力的蒸汽,上升管取熱裝置內、外筒均為常壓條件工作,內筒僅承受荒煤氣壓力,外筒工作壓力為大氣壓,上升管取熱裝置中導熱油傳熱管的工作壓力只需克服導熱油循環阻力,正常工作壓力小于0.5MPa,壓力較低,進一步降低了泄漏風險;常規汽化冷卻式焦爐上升管余熱回收技術,上升管取熱裝置承壓取決于汽包蒸汽壓力。

(3)除可間接產高品質蒸汽外,高溫導熱油可遠距離輸送,直接用于煤調濕或蒸氨等焦化工序,實現熱量直接高效利用。

(4)不同于汽化冷卻,導熱油在循環過程中始終穩定為液態,不發生汽化,不結垢,不存在局部汽堵,不會因受熱不均發生管道爆裂;常規汽化冷卻式焦爐上升管余熱回收技術,取熱裝置內污垢沉淀較多,且單個取熱裝置無法實現在線排污,影響設備長期運行的安全性。

(5)汽水排污集中在導熱油過熱器和導熱油蒸發器內,對給水水質要求低,可采用軟化水作為系統補給水水源;常規汽化冷卻式焦爐上升管余熱回收技術,為減少取熱裝置內結垢,對給水水質要求高,必須采用除鹽水。

(6)導熱油的導熱系數低,約為水導熱系數的15%~20%,且其可操作溫度高,上升管取熱裝置干燒后,無需降溫或更換,可立刻再次投入使用,不會發生爆管。

(7)采用分布式余熱回收技術:可實時監控導熱油的進油總管溫度和回油總管溫度,通過油溫調節閥自動控制上升管余熱回收裝置入口導熱油溫度,可有效控制上升管內壁溫度和荒煤氣出口溫度,使其壁面溫度維持在500℃以上,有效防止荒煤氣中焦油蒸汽結焦;而常規直接汽化冷卻式焦爐上升管余熱回收技術,其換熱介質溫度為汽包壓力飽和水溫度,隨汽包壓力波動而波動,特別在啟停爐過程中,受影響較大。

(8)采用焦爐上升管取熱裝置多支路換熱控制技術,在導熱油系統設置有油壓控制閥,通過調節油壓控制閥開度,達到均衡控制各上升管取熱裝置間熱媒流量及合理取熱。

4主要技術指標

采用導熱油作為媒介取熱,特殊結構設計及獨特的阻熱保溫技術,結構安全可靠,產品指標如下:

平均蒸汽量約110kg/t;

蒸汽壓力≤3.82MPa;

蒸汽溫度≤300℃。

5、技術經濟分析

以100萬t/a焦化為例,回收上升管荒煤氣余熱,可產3.82MPa、約300℃參數以下過熱蒸汽或飽和蒸汽約11萬t/a,按照120元/t的蒸汽價格計算,每年營業收入1320萬元,年運行成本約150萬元,年稅前直接利潤總額約1170萬元。

焦爐上升管荒煤氣顯熱回收對荒煤氣的后續冷卻及處理帶來額外增效,減少循環氨水循環量30%~35%,減少煤氣回收車間煤氣初冷器熱負荷30%~35%,減少煤氣回收車間煤氣初冷器冷卻用循環水30%~35%,同時減少循環水系統電耗和補充水消耗,具有良好的經濟及社會效益。

總結

近幾年國內焦爐上升管荒煤氣余熱回收利用進入實際應用,進入快速發展期,采用導熱油作為媒介取熱的分布式余熱回收技術—介質浴式可降低焦化工序能耗約11kgce/t,并在長期運行安全性、蒸汽品質和產汽品質指標等方面具有明顯優勢,為焦化廠焦爐上升管余熱回收提供了一種更高效、安全可靠的解決方案。