焦炉荒煤气上升管余热回收技术的应用研究

巢文智

（山西焦化集团有限责任公司，山西 临汾 031400）

0 引言

随着炼焦热能回收技术不断发展，上升管荒煤气的余热回收技术也得到广泛应用，在低碳环保和绿色节能减排的驱动下，焦化企业为山西低碳绿色环保生产，提升对能源的循环利用，加强对荒煤气余热回收技术的研究与应用[1-2]。炼焦煤在焦炉中被隔绝空气加热干馏产生焦炭，同时大量挥发出来750～850 ℃的荒煤气。目前焦化行业对荒煤气带出的显热常规处理方法为喷洒大量70～75 ℃的循环氨水来冷却高温荒煤气，但如此会造成高温荒煤气带出显热无法利用而白白浪费[3]。而上升管余热回收则利用除盐水与高温荒煤气进行间接换热，一方面降低荒煤气温度，另一方面可以产生蒸汽供厂内使用。

1 工艺组成

本项目主要由盘管式上升管荒煤气换热器、汽包、除氧给水泵、汽包给水泵、强制循环泵及配套的供配电、检测控制系统等组成，除氧水利用干熄焦车间除氧器提供，通过除氧给水泵将除氧水送到余热回收除氧水箱，再通过汽包给水泵将除氧水箱内的除氧水送入汽包内，汽包内除氧水由强制循环泵送入上升管荒煤气换热器内，产生汽水混合物，产生的汽水混合物再返回汽包，汽包内的饱和蒸汽再由气液分离器分离出饱和蒸汽后并入厂内低压蒸汽管网[4]，系统工艺流程如图1 所示。

图1 上升管余热回收系统工艺流程图

本项目配套4×60 孔炭化室高度7.5 m 顶装焦炉，共建设两套，分别对应2×60 孔焦炉，每套设置2 个汽包，单个汽包可以满足2 座焦炉生产，项目产生0.9～2.0 MPa 饱和蒸汽并入焦化厂低压蒸汽管网，供化产车间生产使用。

2 部分结构特点

1）上升管荒煤气换热器采用的HYWHR 型双盘单介质盘管式荒煤气换热器，从内壁到换热水之间经过三层共10～15 mm 的传热壁厚，明显优于其他水夹套类型换热器的28～30 mm 换热壁厚，传热效率高；采用盘管走水强制循环进行换热，这样水在盘管内处于强制高雷诺数的紊流状态，换热效率明显优于夹套方式的稳流状态。

2）装置采用双汽包设计，单个汽包即可满足2 座焦炉正常生产要求。汽包属于压力容器，投用后3 年需要进行内部检查。届时需要断水，若只有1 个汽包，则余热回收装置需要全停进行干烧，时间大概为2 天。虽然盘管式余热回收装置具有长时间干烧无损坏记录，但不建议大面积干烧。

3）每组2×60 孔焦炉上升管分为4 段，即每30 个上升管为一段，每座焦炉第一段上升管进入1#汽包、第二段上升管进入2#汽包，解决焦炉2-1 串序出焦导致的两个汽包产气不均衡的问题。

4）每个上升管可以单独控制循环量同时上升管内筒壁面经过光洁表面处理，可以控制荒煤气出口温度在火落点之前≥480 ℃，以防止出现焦油冷凝造成开上升管盖时出现冒黑烟、黄烟污染环境的情况。

5）整个上升管荒煤气换热器只有换热盘管内部有压力，其他部位都是常压非封闭结构，所以按照国家的压力容器管理规范，不属于压力容器，不需要进行年检。

3 项目运行效果

目前2#、3#、4#焦炉配套的上升管余热回收项目已经投入使用，其中3#焦炉配套上升管余热回收已经投入使用约半年时间，各焦炉上升管总体运行良好，上升管内部没有出现明显的结焦油等情况、换热盘管没有出现漏水现象，系统各项参数及蒸汽产量逐步稳定。

3.1 蒸汽产量

本项目设计为生产0.9～2.0 MPa 的饱和蒸汽，0.9 MPa 饱和蒸汽产量约36 t/h，目前由于化产使用的低压蒸汽管网管道安全阀设置的压力较低，系统外供0.9 MPa 压力的饱和蒸汽时，外部管网安全阀容易起跳，故目前实际的外供蒸汽为0.85 MPa 饱和蒸汽。由于目前几座焦炉均未达到满产，且生产过程中周转时间调整较多，根据目前非满负荷的生产状况进行核算。截止12 月16 日，3#、4#焦炉共产焦炭388 726 t，蒸汽产量共计33 228 t，折算蒸汽产率约85.5 kg/t。

3.2 上升管出口荒煤气温度

为确保上升管换热器内筒不出现焦油冷凝或生长石墨现象，从而防止出现上升管开盖冒黑烟、黄烟污染环境，上升管出口荒煤气温度在火落点之前必须≥480 ℃[5]，通过每根上升管进出口阀门对单根上升管的循环量进行调节，既保证每根上升管换热器的换热效果达到最佳，又保证上升管出口荒煤气温度在火落点之前不低于480 ℃，以4#焦炉为例，各段上升管换热器出口荒煤气温度如表1 所示。

表1 4#焦炉各段上升管荒煤气换热器出口荒煤气温度

由表1 监测数据分析可以看出，4#焦炉各段上升管出口荒煤气平均温度均在500 ℃左右，且均大于480 ℃。

3.3 上升管表面温度

焦炉产生的高温荒煤气进入上升管换热器后经过与盘管内的除盐水换热后，温度降低，上升管表面温度也得到降低，以3#焦炉1～10#上升管为例，经现场测试，上升管换热器外罩温度下降明显如表2 所示，上升管周边的作业环境得到了明显改善。

表2 3#焦炉部分上升管外表温度情况（室外温度12 ℃）

4 经济效益估算

本项目主要利用除盐水与荒煤气进行换热，荒煤气从焦炉炭化室上升管入口的约800 ℃降低到约550 ℃以下，同时产生大量的饱和蒸汽外供厂内使用。

4.1 外供蒸汽价值

以焦炭产量350 万t/a，生产0.85 MPa 饱和蒸汽，蒸汽产率按目前测算的85.5 kg/t，蒸汽价格按照柳钢内部结算价格110 元/t 进行计算，蒸汽年产量：350 万t×0.085 5 t/t=29.9 万t。

年收益：29.9 万t×110 元/t=3 289 万元。

4.2 生产成本

1）除盐水消耗：33 万t×7.8 元/t=257.4 万元。

2）冷却用生产水：10 t/h×24 h/d×365 d×1.2 元/t=10.5 万元。

3）电耗：878 kW×24 h/d×365 d×0.6 元/（kW·h）=461.5 万元。

以上三项相加，每年的生产成本为729.4 万元。

4.3 直接效益

根据以上两项计算，产生的蒸汽价值扣除生产成本后，每年直接效益为：3 289 万元-729.4 万元=2 559.6 万元。

5 结论

1）焦化节能减排是目前行业的重点工作，通过对上升管的改造有效地回收了荒煤气的废热，是一项一举多得的节能环保技术。

2）采用上升管余热回收技术，不仅可以产生蒸汽供化产使用，降低了吨焦能耗，而且降低了焦炉炉顶区域的环境温度，经济效益和社会效益都很明显；采用“盘管式”上升管荒煤气换热器可以解决“夹套式”上升管荒煤气换热器将来可能面临的压力容器检验难题。

3）汽包作为压力容器，采用双汽包结构可以避免压力容器到期检验需要全系统停产的问题；采用双汽包结构时，双汽包间应增加一根液位平衡管道，便于对双汽包液位进行调节。