文 趙洪榮 萊鋼集團(tuán)焦化廠
空氣介質(zhì)回收荒煤氣余熱的研究與探討
文/趙洪榮 萊鋼集團(tuán)焦化廠
鋼鐵企業(yè)屬于高耗能行業(yè),其中鐵前系統(tǒng)耗能約占企業(yè)總耗能量的70%左右。在鐵前的燒結(jié)、球團(tuán)、焦化、煉鐵4個(gè)工序中,煉鐵和燒結(jié)工序已有若干節(jié)能技術(shù),但我國(guó)煉焦生產(chǎn)仍存在耗能大、利用率低的問(wèn)題,為此節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于焦化工序(焦化廠)則更具有節(jié)能發(fā)展空間。一般情況下就焦?fàn)t產(chǎn)物帶出的熱量而言,焦炭顯熱約占40%;荒煤氣顯熱約占30%;廢氣帶走的熱量約占20%;三項(xiàng)總和占90%左右,余熱可利用空間非常大。目前焦炭的顯熱可以被干熄焦回收利用,而后兩者在目前焦?fàn)t實(shí)際生產(chǎn)中沒(méi)有得到充分利用,且增加了后續(xù)的化產(chǎn)回收的額外負(fù)擔(dān)。為了對(duì)荒煤氣余熱進(jìn)行利用,從上世紀(jì)70年代開(kāi)始,許多專家學(xué)者對(duì)其熱利用問(wèn)題進(jìn)行了初步探究。首先我國(guó)在首鋼、太鋼的71孔、65孔單集氣管焦?fàn)t上,利用夾套式換熱器裝置產(chǎn)生蒸汽,用于生產(chǎn)工序所需消耗的蒸汽;其次日本新日鐵公司于1982年開(kāi)發(fā)了利用導(dǎo)熱油- 聯(lián)苯醚夾套技術(shù)回收焦?fàn)t荒煤氣顯熱用于煤調(diào)濕;2008年南京圣諾熱管有限公司開(kāi)發(fā)出了利用分離式熱管回收上升管荒煤氣熱量的技術(shù)。目前江蘇中顯集團(tuán)采用上升管夾套生產(chǎn)中壓蒸汽,外壁貼太陽(yáng)能電池板發(fā)電。
利用套管、導(dǎo)熱油夾套管、熱管、鍋爐和半導(dǎo)體溫差發(fā)電等技術(shù),回收荒煤氣帶出的余熱,雖然取得一定效果,但因其結(jié)構(gòu)布局、改造及其換熱介質(zhì)成本較高,經(jīng)濟(jì)效益不大明顯。目前空氣作為介質(zhì)進(jìn)行上升管余熱利用鮮有報(bào)道,應(yīng)用于焦化企業(yè)本體熱能再利用很有意義。
無(wú)論是套管還是熱管采用水作為介質(zhì),在換熱過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生相變,一旦壓力控制不當(dāng)便會(huì)發(fā)生爆炸,而且浪費(fèi)水資源。同時(shí)在換熱過(guò)程中如果進(jìn)水處理不當(dāng)便會(huì)產(chǎn)生水垢堵塞管道,利用導(dǎo)熱油載體則受到上限溫度及使用成本的限制。上升管冷卻裝置中如若采用空氣作為冷卻介質(zhì),可以有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):
(1)免除管道堵塞、漏水,防止對(duì)炭化室爐墻的損壞;
(2)降低荒煤氣溫度,減少氨水噴灑量;
(3)空氣在受熱前后壓力變化不大,不發(fā)生相變,提高了操作安全系數(shù);
(4)改造方便、易行、投資少、見(jiàn)效快;
(5)荒煤氣在500℃以上焦油附著物很少,采用空氣介質(zhì)換熱后,能夠?qū)⑸仙芑拿簹鉁囟染S持在500℃左右免除管壁結(jié)焦而影響荒煤氣輸出。
擬采用換熱裝置及其余熱利用示意圖如下圖1、圖2。
如圖1所示,擬采用螺旋套管式換熱器形式,以上升管作為中心管,外套同心夾套。內(nèi)設(shè)置成螺旋上升結(jié)構(gòu)可以加長(zhǎng)介質(zhì)流程,延長(zhǎng)介質(zhì)流動(dòng)時(shí)間,從而促使介質(zhì)與熱壁的接觸面增大,增加傳熱量。
如圖2所示,使用可調(diào)功率的小型鼓風(fēng)機(jī),將空氣介質(zhì)按照一定的流速?gòu)纳仙苌喜柯菪龏A套進(jìn)口鼓入,通過(guò)自上而下?lián)Q熱后從下部出口流出,送入到焦?fàn)t所需供熱部位。此種流向逆流換熱,可較為充分吸收荒煤氣熱量。
為探究采用空氣介質(zhì)后上升管熱量回收效果,本文以萊鋼3#、4# 分別對(duì)42、52孔年產(chǎn)焦炭62萬(wàn)t焦?fàn)t為例,根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)狀況,其相關(guān)參數(shù)如表1所示。
表1 3#、4#焦?fàn)t工藝參數(shù)
由于單孔炭化室荒煤氣的流量在整個(gè)結(jié)焦過(guò)程中是動(dòng)態(tài)變化的,參照表2相關(guān)數(shù)據(jù),針對(duì)一個(gè)上升管進(jìn)行總荒煤氣產(chǎn)生熱量計(jì)算。
表2 不同結(jié)焦時(shí)間段荒煤氣溫度及流量分配表
根據(jù)當(dāng)前交換機(jī)統(tǒng)計(jì)3#、4#焦?fàn)t煤氣量表3所示。
表3 3#、4#焦?fàn)t煤氣量
根據(jù)表2、表3計(jì)算出煤氣產(chǎn)率、不同結(jié)焦時(shí)間段所對(duì)應(yīng)的荒煤氣量及其總的熱量。以換熱后煤氣溫度降至550℃為準(zhǔn),所回收一個(gè)上升管熱量計(jì)算如下:
式中:Vmq──每孔炭化室產(chǎn)生的荒煤氣量m3;
M──每孔裝煤量t;
Φ──成焦率 %;
ρ──荒煤氣密度kg/m3(1)結(jié)焦時(shí)間到7h時(shí)上升管荒煤氣溫度換熱后達(dá)到550℃所產(chǎn)生的熱量Qmq1
(2)結(jié)焦時(shí)間到達(dá)7h到達(dá)13h時(shí)上升管荒煤氣溫度,換熱后達(dá)到550℃所產(chǎn)生的熱量Qmq2
(3)結(jié)焦時(shí)間到達(dá)13h到17.5h時(shí)上升管荒煤氣溫度,換熱后達(dá)到550℃所產(chǎn)生的熱量Qmq3
故:溫降為550℃時(shí)平均荒煤氣釋放的熱量為:
式中:Qmq1、Qmq1、Qmq3──不同結(jié)焦時(shí)間段荒煤氣溫度降到550℃時(shí)所產(chǎn)生的熱量kJ;
C1、C1、C1──不同時(shí)間段荒煤氣比熱 kJ/kg·℃;
m1、m2、m3──不同時(shí)間段荒煤氣量m3;
w1、w2、w3──不同時(shí)間段荒煤氣累積流量百分比 %;
τ──結(jié)焦時(shí)間h。
根據(jù)目前3#、4#焦?fàn)t所需加熱煤氣量如表3所示,及其需對(duì)20℃的焦?fàn)t煤氣預(yù)熱到50℃計(jì)算煤氣預(yù)熱器所需熱量如下。
根據(jù)上述計(jì)算分析,考慮的整個(gè)系統(tǒng)熱損失如若熱損失按15%計(jì)算,則空氣通過(guò)一個(gè)上升管換熱后所產(chǎn)生的熱量為:
而煤氣預(yù)熱器所需熱量為Qjlmq=7.008×105kJ/h
通過(guò)計(jì)算分析可以看出,就萊鋼目前生產(chǎn)狀況下,3#、4#焦?fàn)t如若采用此裝置回收荒煤氣余熱,僅焦?fàn)t煤氣預(yù)熱利用一項(xiàng),5個(gè)不同結(jié)焦時(shí)期的上升管并聯(lián),將回收的熱量并入同一管道,利用保溫管道送入煤氣預(yù)熱器,即可達(dá)到對(duì)焦?fàn)t煤氣預(yù)期的預(yù)熱目的,且熱回收效益非??捎^。尤其在冬季,多增加幾個(gè)空氣介質(zhì)作為導(dǎo)熱原的套管式上升管,就可以解決焦?fàn)t本體及周邊的采暖問(wèn)題及焦?fàn)t地下室保溫等,這樣就完全可以替代兩座焦?fàn)t全年100萬(wàn)元的蒸汽消耗。若整個(gè)焦化廠全部采用此種方式,則年降低外來(lái)蒸汽費(fèi)用近400萬(wàn)元。
通過(guò)對(duì)上升管余熱利用的現(xiàn)狀分析,利用空氣介質(zhì)回收余熱及其對(duì)上升管余熱與焦?fàn)t煤氣預(yù)熱熱量計(jì)算分析,得出以下結(jié)論。
(1)上升管采用空氣作為介質(zhì),具有資源廣泛易得,安全無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn),具有很好的推廣價(jià)值。
(2)萊鋼3#、4#焦?fàn)t的1個(gè)上升管利用空氣介質(zhì)所能得到熱量為1.709×105kJ/h,5個(gè)改造后的上升管就可以滿足兩座爐子焦?fàn)t煤氣的預(yù)熱問(wèn)題。
(3)通過(guò)計(jì)算分析,利用荒煤氣余熱完全可行,并且可以替代焦?fàn)t本體及周邊先前采用蒸汽預(yù)熱及采暖問(wèn)題,可以給企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益。
(4)既簡(jiǎn)單易行、改造方便、投資少、見(jiàn)效快,可以產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。