焦炉用上升管换热器余热回收阐释

焦炉用上升管换热器余热回收阐释

1 概述

焦化厂炼焦生产实际上是典型的能源再加工和热能的回收再利用过程，焦炭和炼焦煤气是其主要的能源产品。焦炭生产过程中，配合煤在焦炉中被隔绝空气加热干馏，生成焦炭的同时产生大量的荒煤气。从炼焦生产过程热平衡分布看，从焦炉炭化室推出的950℃～1050℃红焦带出的显热（高温余热）占焦炉支出热的37%，650℃～850℃焦炉上升管荒煤气带出热（中温余热）占焦炉支出热的36%，180℃～230℃焦炉烟道废气带出热（低温余热）占焦炉支出热的16%，炉体表面热损失（低温余热）占焦炉支出热的11%。其中占焦炉支出热最多的两项中，焦炭带出的显热，目前已有成熟的干熄焦装置回收并发电，而对焦炉上升管荒煤气带出的显热，虽然国内有多人进行了研究，但至今未形成成熟、可靠、高效的回收利用技术。

本文研究开发了一种新型焦炉荒煤气上升管换热器，采用新型耐高温材料与独特的换热结构，既充分回收了荒煤气的热量，又控制了上升管内壁的结焦。

2 中试研究内容

本文研究开发的上升管换热器在江苏沙钢集团焦化厂6m焦炉进行中试试验研究。在推焦前2小时拆除焦炉上原有上升管，更换成上升管换热器，中试采用一根上升管换热器，主要考察上升管换热器的换热效果（即蒸汽产量）、内壁结焦情况、漏水情况及干烧情况。

3 中试设备及工艺流程

3.1 中试设备

中试设备包括上升管换热器和集成式中试组合装置。

3.1.1 上升管换热器。上升管换热器为多层组合装置，内壁为导热层，中间为换热器，最外层为隔热保护层。

3.1.2 集成式中试组合装置。其中包括缓冲水箱、汽包补水泵、汽包、强制循环泵、进水电磁阀、缓冲水箱液位计、汽包液位计、汽包安全阀、蒸汽流量计、荒煤气进出口热电偶、控制电柜以及配套管路。

第一，汽包筒体为圆柱形，两端为椭圆形封头，循环水通过汽包底部的下降管管座流出，汽水混合物通过侧面回水管座进入汽包。在汽包内部，汽水混合物受到挡板阻隔折流以利于水位的稳定并使汽水更好地进行分离。饱和蒸汽由汽包上部的管座引出汽包，为了最大程度上获得干燥的饱和蒸汽，在出口管前的蒸汽空间装有汽水分离器，以分离蒸汽中剩余的水分。

第二，强制循环泵为2台，1用1备。强制循环泵采用耐高温泵，阀体、密封等采用带高温材料，最高使用温度为240℃，确保运行安全、可靠、稳定。

3.2 中试工艺流程

中试工艺流程如下：中试用除盐水由焦化厂干熄焦除盐水槽接入中试组合装置的缓冲水箱，由进水阀控制进水；缓冲水箱的水通过汽包补水泵加压后进入中试用汽包，经过汽包内补水装置，再由汽包底部的下降管输出汽包，通过热水强制循环泵将水送入上升管换热器装置的进水口，进入上升管换热器进行换热，产生的热水和汽水混合物通过换热器出口，进入汽包进行汽水分离，蒸汽通过汽包的蒸汽出口经过流量计送出，未汽化的水再次进入系统循环换热，如此循环产生符合需要压力的饱和蒸汽。

上升管换热器荒煤气进出口处设有热电偶，用于测量荒煤气进出口温度。荒煤气出口温度可根据上升管换热器的进水量进行调节控制。

4 中试数据及分析

中试分为两个部分，首先进行通水试验，研究上升管换热器的产汽量及其内壁结焦情况，然后进行断水干烧试验，研究上升管换热器在干烧状态下的性能。

中试时间共计35天，其中通水试验时间为31天，期间共生产40炉焦炭；干烧试验时间为4天。

4.1 上升管荒煤气进出口温度

根据实际测量得知，上升管荒煤气进口温度在700℃～990℃，平均温度850℃左右；出口温度平均在600℃左右。以9月23日试验数据为例，荒煤气进出口温度分布如图1所示：

由图1可以看出，上升管内荒煤气的温度随时间而发生上下波动，这与焦炭生成过程相对应。在焦炭生成初期（加煤后2～3小时内），煤粉快速吸热分解，逐步产生荒煤气，荒煤气由少到多，温度随即升高；随着反应的进行，煤的热解

反应趋于稳定，产生的荒煤气基本平稳，荒煤气的温度也趋于稳定；在焦炭生成末期（加煤15小时后），荒煤气进出口温度急剧下滑，这是因为在焦炭生成末期，焦炭已基本成熟，煤的热解反应也基本完成，荒煤气流量急剧减小，上升管内温度随着荒煤气的减少而降低。

换热后，上升管内出口温度在500℃左右，以9月16日试验数据为例，荒煤气进出口温度分布如图2所示：

由图2可以看出，换热后上升管内荒煤气进出口温度变化规律与换热前基本相同。

将两张数据表进行分析，可以看出，换热前，荒煤气进口温度波动不大；换热后，荒煤气出口温度比换热前出口温度平均低100℃，这部分热量被回收利用产生了蒸汽。

4.2 蒸汽压力及产量

中试装置中，汽包蒸汽出口处设有阀门，上升管换热器所产生的饱和蒸汽压力可根据用户的要求进行调节设定，本次中试所设定的蒸汽压力为0.6MPa。

本次中试通水试验共计31天，上升管换热器所对应的炭化室共生产40炉焦炭，以平均22吨焦炭/炉计算，共生产880吨焦炭。

汽包蒸汽出口处设有蒸汽流量计，统计共产生蒸汽101.560吨，平均蒸汽流量为101.560吨/880吨焦炭=0.115t/吨焦=115kg/吨焦，即上升管换热器产汽量为115kg/吨焦。

110孔6m焦炉每年可生产焦炭110万吨，若采用此上升管换热器，则每年可产0.6MPa饱和蒸汽12.65万吨，折合标煤共计1.14万吨，减少CO2排放约3万吨。

4.3 上升管表面温度对比

焦炉上原上升管采用的是碳钢管内衬耐火砖的结构，荒煤气的温度经耐火砖传递到上升管表面，用红外线温度测量仪测得其表面温度高达230℃。

中试用上升管换热器装有保温隔热层，可有效防止热量辐射扩散，用红外线温度测量仪测得其表面温度为80℃，远低于原上升管表面温度，不仅减少了热量损失，还有效地改善了炉顶上升管区域的操作环境。

4.4 漏水及结石墨情况

中试用上升管换热器内筒采用耐高温合金材质，内壁无焊缝，并且表面涂有耐高温、耐腐蚀纳米导热层，不会发生破裂漏水的情况。中试过程中上升管换热器无变形，无漏水情况出现。

本次中试为单个上升管试验，上升管内荒煤气温度和流量变化波动大，特别是在推焦前3小时内，荒煤气温度急剧下降，从而导致汽包温度波动较大，上升管底部由于进水温度低，有结石墨情况，厚度约为5mm。若采用多个上升管换热器，则不会出现此类情况。

4.5 干烧试验

将上升管换热器的进水阀关闭，打开出水口阀门，对上升管换热器进行干烧试验。干烧过程中，上升管换热器无变形、异响情况发生，并且无荒煤气溢出。

干烧试验为期4天，拆除后对上升管换热器进行全面检查，未发现变形、裂纹等情况，上升管换热器内壁完好无损。

5 结论及展望

由中试结果可以看出，本文设计研发的上升管换热器产汽量高，每吨焦产汽量为115kg（0.6MPa，饱和蒸汽）；结构先进合理，不易漏水，无安全隐患；表面温度低，可有效改善焦炉炉顶操作环境，同时可长时间干烧而不损坏。

本次中试还存在不少问题，如系统采用手动调节，因荒煤气波动大，需频繁进行调节操作，工作量较大；上升管换热器表面温度较高；上升管换热器内壁有少许结焦情况等。

根据本次中试所存在的问题，本文对下一步的研究提出以下展望：（1）优化系统操作，让上升管余热回收系统更加智能化；（2）改进上升管换热器的保温隔热，进一步降低其表面温度；（3）优化结构，回收更多的热量；（4）改善内壁加工质量，防止结焦。

参考文献

[1] 张宇晨，孙业新.焦炉上升管荒煤气显热回收技术探讨[J].冶金能源，2011，30（3）.