焦炉上升管荒煤气余热利用技术

摘要：
在焦炭的生产过程中，煤被焦炉中的隔离空气加热和蒸馏，产生焦炭并产生大量废气，这部分废气即荒煤气。

650℃～800℃荒煤气蕴含大量的余热资源。

本文介绍了焦炉荒煤气余热利用技术，以及两种上升管换热装置。

将荒煤气的显热利用起来用于生产饱和蒸汽、过热蒸汽等，既实现了节能减排，又进一步提高了能源利用率，不仅为环境保护做出了贡献而且创造了可观的经济效益，符合国家的节能政策。

关键词：
焦炉荒煤气；上升管换热器；余热利用引言
随着我国能源供求矛盾的日趋突出和能源结构不合理问题的严重困扰，
除广开能源供应渠道、大力开发利用新能源等措施外，
节能新技术、新工艺和节能设备的开发和应用，对于提高我国能源利用效率、
促进“十三五”节能减排目标的实现，也具有十分重要的现实意义[1]。

炼焦化学工业是我国国民经济的重要组成部分，焦炭的生产过程为：配合煤在焦炉里隔绝空气的条件下加热干馏，
经过干燥、热解、熔融、粘结、固化、收缩等过程制成焦炭，过程中产生大量荒煤气。

焦炉荒煤气的温度650℃～800℃，这一部分热量属于中温余热，占焦炉支出热的36％[2]。

从80年代初期国内就开始尝试回收焦化荒煤气带出的这部分显热，但至今未形成成熟、可靠、高效的回收利用技术，焦炉荒煤气余热资源没有得到有效回收利用的现象，造成大量能源浪费[3]。

1荒煤气余热利用技术简介
荒煤气余热利用技术是对于占焦炉支出热的36%的中温余热进行利用的技术（见表1）。

利用上升管换热器回收荒煤气中的余热加热水，从换热装置出来的汽水混合物通过汽包进行汽水分离，
产生蒸汽产品。

作为钢铁企业中的一个重要生产工序，焦炉生产过程中能源消耗占钢铁总能耗的7%～8%，焦化过程中每吨焦有50千克标煤可以进行回收利用。

上升管荒煤气余热在焦炉生产中热量支出排第二位，该余热资源进行回收后，可产生低压饱和蒸汽11.45万吨/a ，同时，可节约氨水用电量96×104kWh/a 。

目前，国内已经有多家焦化厂采用了上升管荒煤气余热利用技术，
河北某大型钢铁企业焦化厂2x45孔6米焦炉采用上升管荒煤气余热利用技术生产压力0.8MPa ，温度175℃的饱和蒸汽供厂区自用；江西某钢铁焦化厂2x63孔6米焦炉采用上升管荒煤气余热利用技术后，产生0.5~0.7MPa 饱和蒸汽进行蒸汽并网；河南某焦化2x55孔6米焦炉采用上升管荒煤气余热利用技术生产过热蒸汽，每年可可产蒸汽约8.8万吨。

除此之外，还有多家焦化厂正在进行改造，上升管荒煤气余热利用技术已经成为一种相对成熟的技术，
应用到实际生产中也达到了很好的效果。

2工艺系统简介
2.1工艺流程
荒煤气自焦炉碳化室经上升管荒煤气余热回收装置进行换热，烟气温度降至450℃以上。

除盐水通过除氧给水泵送入热力除氧器进行除氧，除氧后的水通过汽包给水泵送入汽包。

在汽包内进行汽水分离，蒸汽从汽包输出，输送到厂区蒸汽管网，分离后的水在汽水系统中通过强制循环泵进入上升管余热回收装置进行再次热交换。

工艺流程见图1：
表1
炼焦过程中热平衡分布情况
图1
工艺流程图
2.2烟气系统
煤在高温干馏的过程中，经历了从湿煤—干煤—塑性状态煤—半焦—焦炭的变化，此间以气态形式析出的热解产物称为荒煤气。

荒煤气自炭化室经上升管换热器进行余热回收后，温度降至450以上，再经桥管氨水喷淋降温至82-85℃，汇集到集气管后经初步冷却器降温至22-35℃[4]，最后去化工车间处理。

2.3汽水系统
接自除盐水站的除盐水，通过除氧水泵将除盐水送入热力除氧器进行除氧，然后通过汽包给水泵将水送入汽包。

水在汽包与上升管余热回收利用装置之间通过强制循环泵进行强制循环换热，
之后进入汽包，在汽包内进行汽水分离，蒸汽从汽包输出，输送到厂区蒸汽管网，水继续循环进入上升管余热回收利用装置进行再次热交换。

汽水系统设置两台汽包，
一备一用；四台强制循环泵，两用两备。

此外，每套汽水系统需设置三台取样冷却器，分别用于汽包水取样、除氧水取样和饱和蒸汽取样。

焦炉上升管荒煤气余热利用技术
樊响1,2刘
江1,2杨
飞1,2
（1北京市钢铁冶金节能减排工程技术研究中心
北京100029
2北京中冶设备研究设计总院有限公司北京
100029）
DOI:10.16317/ki.12-1377/x.2019.03.019
2.4除氧系统和磷酸盐加药系统
为了保证系统正常运行不受氧腐蚀，提高设备使用寿命，汽包补水进入热力式除氧器进行除氧处理，氧含量≤0.05mg/L。

汽包水采用磷酸盐处理，磷酸盐溶液通过计量泵直接加入到汽包。

配置一套磷酸盐加药装置，加药量由人工控制。

系统设置三台取样冷却器，分别用于炉水取样、除氧水取样和饱和蒸汽取样。

2.5冷却水系统和排污疏放水系统
系统中强制循环水泵、除盐水泵和补水泵的冷却水均接自厂区内部供水母管，回水送入原冷却塔进行冷却，实现循环再利用，回水返回原母管回水管道。

每套余热回收系统设置1台2m3定期排污扩容器和1台0.8m3的连续排污扩容期，汽包本体和除氧器的排污经管道进入排污扩容器，冷凝水由积水坑内潜污泵排入厂区污水管道，统一处理后重复利用。

紧急放水接至缓冲水箱循环利用。

3主要设备参数简介
以2x55孔6米焦炉为例，上升管荒煤气余热利用系统设备参数见表2。

在荒煤气余热利用系统中，设置两台汽包，一备一用，其特点在于，当设备进行检修时，或者正在使用的汽包出现了问题，汽包需要年检的情况下，启用备用汽包。

其优点为：避免了上升管换热器的干烧，延长了上升管换热器的使用寿命；防止炉顶温度过高，影响工人的操作；生产蒸汽不会间断，不影响其他生产的进行。

上升管换热装置存在夹套式和盘管式两种形式。

表2设备参数表
3.1夹套式上升管基本参数和特点
工作压力（汽水管路）1.0MPa（G）
设计压力（汽水管路）1.6MPa（G）
工作温度（汽水管路）175℃
设计温度（汽水管路）240℃
进口荒煤气温度：650℃～870℃
出口荒煤气温度：大于450℃
材质：15CrMo
数量：112台（其中2台库备）
夹套式上升管管壁由多层材料构成，由内到外依次为：①纳米导热层。

②耐高温耐腐合金。

③导热体。

④几何态换热体。

⑤纳米保温层。

⑥外保护层。

为了防止漏水，上升管内侧的水夹套采用的材质为特殊合金，这种合金在2600℃以上高温时熔化成型。

为了增加其抗应变性，在高温熔化成型后需与外层无缝钢管加工融合，充分利用了特殊材料的耐磨和耐高温性，又利用了钢管的强度，二者有机结合形成防漏保护层。

上升管换热器的主体部分为无缝完整结构体，这种结构体是通过特殊设计和加工制造而成，呈异性几何态规律排列，无缝钢管形式的金属导热体保证无水渗漏。

换热器壁导热和绝热的纳米材料与特殊合金二者的高温熔合，具有防腐、耐高温、不挂结的特性，纳米导热材料的选择和应用最大程度避免大面积结焦。

几何态换热体是独立受压结构，位于内层和外层之间，独立于整个结构，利用蓄热导热材料保证换热效果稳定可靠。

纳米保温层材料的选择和应用不仅保证了热交换效率而且降低了环境温度。

3.2盘管式上升管基本参数和特点
工作压力（汽水管路）1.0MPa（G）
设计压力（汽水管路）1.6MPa（G）
工作温度（汽水管路）175℃
设计温度（汽水管路）240℃
进口荒煤气温度：650℃～870℃
出口荒煤气温度：大于450℃
材质：15CrMo
数量：112台（其中2台库备）
盘管式上升管换热器管壁由多层材料组成，从内到外依次为：①纳米导热层。

②耐高温耐腐合金。

③导热体。

④独立换热盘管。

⑤大空间流态型导热层。

⑥纳米保温层。

⑦外保护层。

盘管式上升管换热器内壁采用耐高温进口纳米导热材料，耐热温度为1800℃，经过500℃的高温后内表面形成均匀光滑而又坚固的釉面，无死角，不易造成结焦，即使结焦，也不易附着，而且易于清除[5]。

通过进水流量和出口荒煤气温度的自动调节控制，一定程度上控制了上升管的除盐水进出口温度差，出口荒煤气温度的合理控制（不低于450℃）减缓焦油的凝析形成，及其他成分的附积[5]。

新型导热材料的应用，确保了换热过程中温度的稳定。

3.3两种上升管换热器的对比
表3夹套式和盘管式上升管对比
表
电商扶贫”，将光伏扶贫作为扶贫的重要方法。

2017年8月，宝鸡市政府发布《宝鸡市产业发展规划》，瞄准国际国内新能源产业发展趋势，将光伏产业作为重点扶持产业，集中力量发展太阳能光伏应用系统，打造太阳能光伏产业链，将宝鸡建设成陕西省太阳能光伏应用系统制造基地及建设宝鸡光伏应用系统技术中心，并重点在光伏离/并网发电逆变器、控制器、光伏储能电池、光伏装备制造等关键领域的核心技术上取得突破，并占领相关领市场。

5宝鸡市光伏项目的市场前景分析
新型能源产业是宝鸡市能源利用结构的薄弱环节[11]，就太阳能产业来说，截止2018年，宝鸡市分布式光伏发电项目总发电总容量为735.95KW，市场远未饱和[12]。

由于光伏项目的回收成本及利润率低于其它农业项目，且并网程序复杂，影响了农户建设的积极性。

宝鸡市本地企业承建项目不足10%，后续服务体系还未建立，制约着宝鸡市光伏产业的发展。

李超[13]等人认为应当大力发展太阳能光伏项目在农业中的应用，如针对宝鸡市68%的耕地都是旱地的情况而修建的2000余个集雨窖多在偏远山区，许多集雨窖因没有供电配套设施而没有发挥应有作用，可以考虑用太阳能光伏发电解决灌溉用电。

其实，随着宝鸡市建设关天副中心特大城市步伐的加快，蔬菜基地建设持续快速发展，安装太阳能杀虫灯、光伏太阳能薄膜生态大棚，既实现能源自给，又能达到保护农村生态环境，减少食品安全事故的目的。

此外，针对养殖基地提供能源供给，在养殖场屋顶建设光伏电站，为牲畜、养殖场所提供热量和电力，以确保顺利过冬。

在光伏扶贫方面，应根据地区特征，将光伏与温室大棚、林业、畜牧业、渔业等结合起来，体现“光伏+”的经济性和可持续性，为农民增加收入。

目前，宝鸡市千阳县围绕脱贫攻坚目标而大力发展光伏项目，现已成为全省政府注资建设规模最大的光伏扶贫县[14]。

随着建设光伏发电系统的成本的持续下降，建设单位还可以积极地优化工艺和设计，有针对性地拓展工商业供电市场，为客户提供安全、持续、可靠的光伏供电方案。

结语
首先，本文从影响光伏发电的两个主要自然因素，即从太阳辐照量和温度方面分析了在陕西省宝鸡市发展太阳能光伏产业的利弊。

虽然宝鸡市的太阳能资源不丰富，但由于平均气温较低、日常时间较长的原因，在宝鸡市开展太阳能项目比其它的处于相同太阳辐照水平的低纬度及同纬度城市要有利得多。

其次，通过对宝鸡本地的太阳能市场分析，可考虑将光伏与农、林、牧、渔等结合起来，开展光伏扶贫项目和针对工商业供电的分布式项目。

再次，更为重要是依靠宝鸡市政府大力发展太阳能产业的契机和本地区的现有基础，发展光伏产业核心技术，打造光伏应用系统技术中心、形成光伏产业关键设备及零部件的制造基地，利用宝鸡市紧靠西北、华北及西南等太阳能资源极为丰富的地区的优势，将宝鸡市的光伏技术及产品推向这一广阔市场。

参考文献
[1]袁小康，谷晓平，王济.中国太阳能资源评估研究进展[J].贵州气象，2011，35（5）：1-4.
[2]杨贵恒，张海呈，张颖超，等．太阳能光伏发电系统及其应用[M]．北京:科学出版社，2005.
[3]陶苏林，戚易明，申双和，等.中国1981~2014年太阳总辐射的时空变化[J].干旱区资源与环境，2016，30（11）：143-147.
[4]王峥，任毅.我国太阳能资源的利用现状与产业发展[J].资源与产业，2010,12（2）：89-92.
[5]刘爽.太阳能资源利用与太阳能建筑发展[J].科技与社会，2007（6）：39-40.
[6]吴林荣，江志红，鲁渊平，等.陕西太阳总辐射的计算及分布特征[J].气象科学，2009，29（2）：187-191.
[7]王春娟，杨婷婷.陕西宝鸡市近50年农业气候资源特征分析[J].西北农林科技大学学报：自然科学版,2012，40（11）：53-58. [8]2017年宝鸡市国民经济和社会发展统计公报[R].宝鸡：宝鸡市统计局，国家统计局宝鸡调查队，2018.
[9]2017年广州市气候公报[R].广州：广州市气象台，2018.
[10]中央气象台全国天气预报[EB/OL]./, 2018-11-20.
[11]张苏林.新型能源产业是宝鸡经济崛起的强大引擎[J].西部财会，2012（8）：77-79.
[12]马云飞，刘会茹，仝尚伟，等.浅谈宝鸡市农村可再生能源利用的现状与对策[J].资源节约与环保，2018（1）：54-54.
[13]李超，李官民.光伏产业在宝鸡市现代农业中的应用[J].现代农业科技，2015（19）：222-223.
[14]王李琳.从宝鸡看光伏发电扶贫工作的现状、问题和对策[J].新西部，2018（14），29-30.
作者简介
唐平（1986-），男，博士，研究方向为材料科学、新能源及储能技术。

结语
上升管荒煤气余热利用技术能够有效的回收焦炉荒煤气的显热，降低烟气温度，生产蒸汽产品，不仅有效的提高了焦化厂的能源利用率，创造了经济效益，而且降低了炉顶温度，改善了作业环境，达到了节能减排的效果。

两种类型的上升管换热器，可满足不同工况焦化厂的需求。

该技术的节能效果显著，在焦炉荒煤气余热利用领域具有广阔的前景。

参考文献
[1]宋肖的.工业余热回收热管换热器的实验研究[J].2013.
[2]王文青.上升管余热利用技术在新钢焦化厂的应用[J].冶金动力，2017，12（214）.
[3]姚礼鹏.炼焦荒煤气上升管余热回收研究[J].2016.
[4]尹维权.焦炉上升管荒煤气余热回收利用技术分析[J].酒钢科技，2017，（3）.
[5]江曙光.焦炉显热回收概述及荒煤气余热利用实例分析[J].河北冶金，2017，（7）.
作者简介
樊响（1982-），男，北京，硕士，北京中冶设备研究设计总院有限公司，主要研究方向：余热发电及钢铁企业能源资源综合利用。

（上接第19页）。