上升管荒煤氣余熱回收利用技術(shù)在PW型焦?fàn)t上的運(yùn)用

余志彥

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司焦化部，山東 日照276800）

1 前言

山鋼日照鋼鐵精品基地7.3 m焦?fàn)t引進(jìn)意大利PW型焦?fàn)t技術(shù)，在國(guó)內(nèi)首次使用，在焦?fàn)t爐體、焦?fàn)t機(jī)械、工藝裝備、自動(dòng)化和環(huán)保水平等方面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。該類(lèi)型焦?fàn)t在日照精品基地共建設(shè)了4座，均已順利投產(chǎn)運(yùn)行，其中3#、4#焦?fàn)t采用了上升管荒煤氣余熱回收利用技術(shù)。

焦?fàn)t荒煤氣的余熱回收利用歷來(lái)都是焦?fàn)t能源回收利用的主要關(guān)注點(diǎn)，荒煤氣余熱利用技術(shù)是對(duì)于占焦?fàn)t支出熱的36%中的溫余熱進(jìn)行利用的技術(shù)。目前焦化行業(yè)傳統(tǒng)的方法是噴灑大量70～75℃循環(huán)氨水（日照精品基地1#、2#焦?fàn)t），其在吸收荒煤氣熱量后蒸發(fā)，使荒煤氣溫度得以降低，但如此會(huì)造成荒煤氣的熱量白白浪費(fèi)；而焦?fàn)t上升管余熱回收利用系統(tǒng)既通過(guò)與循環(huán)除氧水的熱交換達(dá)到了降低荒煤氣溫度的目的，又使除氧水換熱后轉(zhuǎn)換為蒸汽，使能源得到了充分的利用。對(duì)3#、4#焦?fàn)t采用了上升管荒煤氣余熱回收利用系統(tǒng)工藝流程、運(yùn)行效果及投產(chǎn)后產(chǎn)生的細(xì)節(jié)問(wèn)題的解決作了介紹。

2 工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)介

煉焦過(guò)程中熱平衡分布情況如表1所示。

表1 煉焦過(guò)程中熱平衡分布

2.1 上升管荒煤氣余熱利用工藝流程

由除鹽水站出口管道輸出壓力為0.4 MPa的除鹽水到余熱回收除鹽水箱的整個(gè)工藝流程，通過(guò)除鹽水進(jìn)水電磁閥控制除鹽水箱的液位，通過(guò)除氧水泵恒壓供水，通過(guò)PID控制進(jìn)水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)除氧器液位。進(jìn)行除氧加熱產(chǎn)生102～104℃的除氧水，經(jīng)汽包給水泵輸送至汽包，通過(guò)PID調(diào)節(jié)汽包進(jìn)水調(diào)節(jié)閥保持設(shè)定水位（250 mm），汽包通過(guò)強(qiáng)制循環(huán)泵向7.3 m焦?fàn)t上升管換熱裝置供水。焦?fàn)t煉焦生產(chǎn)過(guò)程中，炭化室煤餅產(chǎn)生溫度為650～950℃的焦?fàn)t荒煤氣，焦?fàn)t荒煤氣通過(guò)裝置內(nèi)壁傳熱給換熱器。換熱后，上升管換熱器出口的荒煤氣溫度為500～600℃，通過(guò)換熱器吸收熱量換熱產(chǎn)生的汽水混合物，通過(guò)汽水連接管道引至汽包，從汽包出來(lái)的飽和蒸汽并入低壓蒸汽管網(wǎng)，上升管荒煤氣余熱利用工藝流程如圖1所示。

圖1 上升管荒煤氣余熱利用工藝流程

2.2 工藝設(shè)備組成

山鋼日照基地共建設(shè)1組2座2×58孔7.3 m焦?fàn)t，年產(chǎn)170萬(wàn)t。設(shè)備組成有荒煤氣顯熱回收利用裝置、汽水循環(huán)系統(tǒng)、蒸汽利用系統(tǒng)、檢測(cè)控制系統(tǒng)、輔助加藥除氧連排定排系統(tǒng)等，設(shè)計(jì)每年產(chǎn)生0.6～0.8 MPa飽和蒸汽22.1萬(wàn)t左右，設(shè)計(jì)指標(biāo)130 kg蒸汽/t焦。

工程配套的能源接點(diǎn)均就近接入。供電接點(diǎn)由焦化廠上一級(jí)變電站分別引來(lái)兩路獨(dú)立的380 V供電電源，且每路電源皆能承擔(dān)各區(qū)域100%的負(fù)荷；除鹽水來(lái)自除鹽水站，利用干熄焦附近的已有接點(diǎn)，在除鹽水站出口管道上附近接入；循環(huán)水接點(diǎn)是在干熄焦綜合管廊上利用已有接點(diǎn)就近接入；外送蒸汽是在干熄焦綜合管廊上利用已有接點(diǎn)，就近接入。

上升管換熱器為焦?fàn)t頂部沿焦?fàn)t機(jī)側(cè)縱向布置，熱力系統(tǒng)與上升管換熱器之間的連接管道（上升管和下降管）布置于焦?fàn)t機(jī)側(cè)管廊的預(yù)留位置。4#焦?fàn)t機(jī)側(cè)對(duì)面的空地上增建框架平臺(tái)，3層結(jié)構(gòu)，強(qiáng)制循環(huán)水泵間和電氣配電室位于熱力泵房1層，除氧器布置于汽包框架平臺(tái)2層，汽包布置在框架平臺(tái)的第3層。配電室間采用空調(diào)冷卻電氣設(shè)備，采用必要的封閉設(shè)施。電氣控制系統(tǒng)工程師站安裝在焦?fàn)t控制室內(nèi)。

2.3 上升管顯熱回收利用裝置設(shè)計(jì)特點(diǎn)

上升管顯熱回收利用裝置分上升管換熱器及自動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)兩部分。焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱回收裝置分為內(nèi)壁、汽化裝置、外壁3部分，將焦?fàn)t原上升管更換為開(kāi)發(fā)的上升管荒煤氣顯熱回收裝置后，焦?fàn)t荒煤氣通過(guò)裝置內(nèi)壁換熱，產(chǎn)生的蒸汽集中至汽包。上升管換熱器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 上升管換熱器結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目使用的上升管為無(wú)縫管結(jié)構(gòu)形式，可以避免因焊縫應(yīng)力不均造成的漏水。其次，上升管內(nèi)壁附著高于2 600℃的高溫熔融材質(zhì)，能適用于500～1 500℃的復(fù)雜荒煤氣環(huán)境，可避免高溫氧化上升管內(nèi)壁造成上升管變形漏水。另外，在上升管筒中部設(shè)置特殊結(jié)構(gòu)膨脹節(jié)，可以消除上升管內(nèi)、外筒周期性熱應(yīng)力的影響破壞。采用該裝置可以從根本上杜絕上升管余熱回收裝置漏水而損壞爐墻的風(fēng)險(xiǎn)。具有如下設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1）上升管換熱器共計(jì)116個(gè)，分別布置在焦?fàn)t機(jī)側(cè)上升管位置，荒煤氣流向?yàn)橄逻M(jìn)上出，除氧水為下進(jìn)上出，二者進(jìn)行順流換熱。順流是為了控制壁溫，保證內(nèi)部不低于焦油露點(diǎn)溫度。

2）上升管換熱器采用并聯(lián)方式排列。

3）每臺(tái)上升管換熱器進(jìn)水處設(shè)置自動(dòng)控制閥門(mén)，自控閥門(mén)根據(jù)測(cè)量的立管內(nèi)煤氣溫度進(jìn)行PID調(diào)節(jié)（溫度信號(hào)由業(yè)主方提供接入點(diǎn)）；出水口設(shè)置手動(dòng)閥門(mén)，可以根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行換熱器切斷。

4）上升管換熱器保證其環(huán)保性、安全性、節(jié)能性，材料采用耐高溫性能的材料，具備耐熱防漏水、防結(jié)石墨及防掛焦油3重功能。

5）自動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)，是上升管余熱回收的重要組成部分，監(jiān)控上升管的工作狀態(tài)，通過(guò)上升管的表面溫度的測(cè)量來(lái)判斷上升管是否缺水，保障上升管安全、平穩(wěn)地運(yùn)行，延長(zhǎng)上升管的使用壽命。

6）系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)上升管換熱器的安全性具有可靠的保證性。①為防止由于布水不均勻?qū)е律仙芨蔁闆r的發(fā)生，系統(tǒng)管道采用梯級(jí)布置。考慮到焦?fàn)t運(yùn)行的情況，采取4個(gè)上升管換熱器為一供水分管，3個(gè)分管并為1個(gè)支管，總管采用變徑的方法，有效保證每個(gè)上升管換熱器的進(jìn)水量相對(duì)均勻，并在每個(gè)支管與總管連接處安裝閥門(mén)，保證特殊情況下可以停止單根或1組上升管的運(yùn)行，不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。②通過(guò)強(qiáng)制循環(huán)泵、大流量低揚(yáng)程、分段的管網(wǎng)布局，充分保證每個(gè)上升管換熱器的進(jìn)水相對(duì)均勻。③考慮焦?fàn)t停電可能造成的換熱裝置斷水干燒，采用兩路電源自動(dòng)切換供電。該新型上升管換熱器具有耐高溫性能，上升管連續(xù)干燒時(shí)間為1個(gè)月以上，但考慮到上升管器干燒時(shí)間過(guò)長(zhǎng)再進(jìn)水，溫差比較大，影響上升管使用壽命，故干燒時(shí)間盡可能短。

3 生產(chǎn)實(shí)際效果及改進(jìn)措施

3.1 荒煤氣顯熱回收率

山鋼日照精品基地3#焦?fàn)t在2019年1月30日加煤投產(chǎn)，4#焦?fàn)t在2019年5月30日加煤投產(chǎn)，焦?fàn)t上升管荒煤氣余熱回收利用裝置一并投入使用，余熱回收利用效率十分明顯。除鹽水溫25℃；汽包給水溫度102～104℃；產(chǎn)生蒸汽溫度165℃；蒸汽發(fā)生量436 kg/h。水在165℃時(shí)蒸汽焓為2 763 kJ/kg，25℃時(shí)水的焓為173 kJ/kg。由25℃至165℃的蒸汽時(shí)焓變化，即吸熱量為2 590 kJ/kg。每孔炭化室1個(gè)結(jié)焦周期（28 h）回收顯熱約為3.16×107kJ。

3.2 節(jié)能減排情況

工序能耗：噸焦降低工序能耗＞10 kg標(biāo)煤。后序工序能耗：可以減少循環(huán)氨水循環(huán)量15%～20%；可以減少蒸氨工段冷卻系統(tǒng)電耗及用水量。減碳收益：1組2座7.3 m焦?fàn)t年產(chǎn)170萬(wàn)t焦炭產(chǎn)量，可產(chǎn)0.6～0.8 MPa飽和蒸汽22.1萬(wàn)t，折合標(biāo)煤2.03萬(wàn)t以上，可減排CO2約5.66萬(wàn)t以上，占1座焦?fàn)t年總排量的10%左右。

3.3 上升管冒煙問(wèn)題分析及改進(jìn)措施

3#焦?fàn)t投產(chǎn)不久，出焦時(shí)，上升管出現(xiàn)冒“黑煙”現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了環(huán)保問(wèn)題。通過(guò)對(duì)外考察，對(duì)內(nèi)分析原因，先后采取了加裝孔板調(diào)節(jié)水量，減少?gòu)濐^減少阻力，增加保溫減少散熱，清理立管，煤車(chē)導(dǎo)煙，撬開(kāi)加煤口熱量帶走焦油，立管內(nèi)壁加裝金鋼玉等一系列措施。最終，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，在立管上加裝金剛玉，有效地遏制了上升管冒煙現(xiàn)象。將該措施立即應(yīng)用到新建4#焦?fàn)t上，3#焦?fàn)t也隨之根據(jù)生產(chǎn)安排，利用檢修時(shí)間逐步對(duì)立管進(jìn)行更換。

上升管冒煙的原因，或許是由于立管熱交換效率過(guò)大，導(dǎo)致荒煤氣溫度下降過(guò)于明顯，超過(guò)最底溫度限值。對(duì)上升管橋管處溫度檢測(cè)得知，荒煤氣溫度不足430℃，而因?yàn)榻範(fàn)t荒煤氣里含有焦油，焦油在低于450℃時(shí)易于冷凝成黏稠狀液體浮著在立管內(nèi)表面上。當(dāng)上升管水封蓋打開(kāi)時(shí)，焦油液體隨氣流飄出上升管，遇空氣進(jìn)一步冷凝成黑色固體漂浮物，形成“黑煙”。加裝金剛玉后，降低了立管熱交換效率，上升管上部出口荒煤氣溫度保持在470℃以上，從而有效遏制了上升管冒煙現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

山鋼日照精品基地3#、4#焦?fàn)t采用了上升管荒煤氣回收利用技術(shù)，利用荒煤氣顯熱回收產(chǎn)生蒸汽，兩座焦?fàn)t每年可產(chǎn)0.6～0.8 MPa飽和蒸汽22.1萬(wàn)t左右，有利于企業(yè)節(jié)能降耗減排，減輕環(huán)境污染。在運(yùn)用之初，出現(xiàn)上升管冒“黑煙”現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)一系列措施和設(shè)備改造試驗(yàn)后，選擇在立管上加裝金剛玉的方式，有效地解決了冒煙現(xiàn)象，真正地實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。上升管荒煤氣回收利用技術(shù)的成功運(yùn)用，不僅具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，而且具有較顯著的環(huán)境效益和社會(huì)效益。