焦化行業(yè)余熱發(fā)電項(xiàng)目效益分析

雷 穎，李 熙

（1.山西大學(xué)工程管理系，山西 太原 030013；2.國(guó)網(wǎng)山西省綜合能源服務(wù)有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

煉焦產(chǎn)業(yè)是高能耗、高排放和高污染的行業(yè)。高能耗、高排放造成了資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染，阻礙了煉焦產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。如何最大限度地降低資源能源消耗，減少“廢水、廢氣、廢渣”的排放，是焦化行業(yè)面臨的主要問(wèn)題。與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的能源利用率相對(duì)較低。日本與美國(guó)的能源利用率分別為57%與51%[1]，其他工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的能源利用率也都在40%以上，而我國(guó)僅為30%左右。因此，如何提高能源綜合利用程度，如何創(chuàng)新節(jié)能減排核心技術(shù)，是我國(guó)面臨的一項(xiàng)重要課題。干熄焦余熱發(fā)電技術(shù)在焦化行業(yè)的應(yīng)用具有明顯的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

1 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀及評(píng)述

1.1 項(xiàng)目研究背景

目前，我國(guó)是世界上最大的焦炭生產(chǎn)國(guó)，2018 年焦炭產(chǎn)量達(dá)到4.38 億t，占世界焦炭總產(chǎn)量的68%[2]。一般情況下，從煉焦?fàn)t中出來(lái)的高溫焦炭有兩種處理方法，一種是濕熄焦，另一種是干熄焦。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)指導(dǎo)目錄（2015 年本）》 與《2017 年工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》中均將“干熄焦”列入了鼓勵(lì)類項(xiàng)目。干熄焦技術(shù)采用先進(jìn)、成熟、可靠的工藝，既能減少有害物質(zhì)的排放，保護(hù)環(huán)境，又能充分利用紅焦炭的顯熱，節(jié)約能源，提高焦炭質(zhì)量[3]。在各種節(jié)能減排技術(shù)的利用中，如何實(shí)現(xiàn)眾多的資源和能源的綜合利用，如何科學(xué)合理地配用公共工程，創(chuàng)造最大的綜合效益，是目前焦化行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

1.2 干熄焦技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1.2.1 國(guó)外干熄焦技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

干熄焦技術(shù)在國(guó)外應(yīng)用較為廣泛，自20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，干熄焦設(shè)備主要呈現(xiàn)出高效化與大型化的發(fā)展趨勢(shì)。大型干熄焦裝置具有占地面積小、投資和運(yùn)行費(fèi)用低、生產(chǎn)操作與維修簡(jiǎn)便、自動(dòng)控制水平高、勞動(dòng)生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)[4]。比如，德國(guó)凱澤斯圖爾焦化廠的250 t/h 干熄焦裝置[5]，日本相繼建成的單套處理能力分別為110 t/h、150 t/h、180 t/h、200 t/h 的大型干熄焦裝置[6]。干熄焦裝置的大型化促使工藝技術(shù)和裝備的不斷改進(jìn)，主要的改進(jìn)措施表現(xiàn)在裝入裝置改進(jìn)、實(shí)現(xiàn)連續(xù)排焦、旋轉(zhuǎn)接焦方式、采用節(jié)能措施、鍋爐設(shè)備改進(jìn)、提高設(shè)備可靠性等方面[7]。

1.2.2 國(guó)內(nèi)干熄焦研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)干熄焦工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了研究。王永林[8]分析了干熄焦技術(shù)節(jié)能減排效益及國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀，指出干熄焦技術(shù)是焦化企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一。洪洲等人[9]指出，干熄焦技術(shù)是焦化企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一，在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)應(yīng)大力推廣。周梁[10]認(rèn)為干熄焦作為焦化行業(yè)中代替濕法熄焦的一種工藝技術(shù)，在節(jié)能、環(huán)保、提高焦炭質(zhì)量等方面均有明顯優(yōu)勢(shì)。李雪[11]對(duì)焦化廠中干熄焦技術(shù)應(yīng)用的節(jié)能減排及經(jīng)濟(jì)效益效果進(jìn)行了分析。

此外，近期有許多專家針對(duì)干熄焦余熱發(fā)電的工藝技術(shù)開(kāi)展了研究。黃恩洪與嚴(yán)風(fēng)濤[12]對(duì)濟(jì)鋼應(yīng)用干熄焦余熱發(fā)電、燒結(jié)帶冷機(jī)余熱發(fā)電，開(kāi)發(fā)煉鋼余熱發(fā)電技術(shù)的方式進(jìn)行了研究。陳冠軍[13]研究了高爐煤氣余壓回收透平發(fā)電機(jī)組發(fā)電、干熄焦發(fā)電和高爐煤氣發(fā)電等途徑用于解決鋼鐵用電的重要作用。李云峰與董建山[14]針對(duì)利用發(fā)電技術(shù)的單壓高壓鍋爐配帶回?zé)嵯到y(tǒng)的凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組與雙壓高壓鍋爐配不帶回?zé)嵯到y(tǒng)的凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。楊玖林[15]以鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的干熄焦工序?yàn)檠芯繉?duì)象，根據(jù)多孔介質(zhì)傳熱和場(chǎng)協(xié)同理論，對(duì)干熄焦余熱高效回收進(jìn)行了理論研究。鄧波[16]通過(guò)對(duì)不同地域項(xiàng)目數(shù)據(jù)的比較分析，對(duì)干熄焦設(shè)備、安全、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)管理等方面的問(wèn)題進(jìn)行了歸納。2019 年李啟輝[17]針對(duì)某焦化廠干熄焦裝置產(chǎn)生的余熱進(jìn)行了工藝計(jì)算，認(rèn)為采用干熄焦余熱發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排效益明顯。

1.3 本項(xiàng)目重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容

雖然上述專家學(xué)者針對(duì)干熄焦工藝及其經(jīng)濟(jì)效益做了有益的探索，但是國(guó)內(nèi)針對(duì)干熄焦余熱發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性研究還較少。本文以某焦化有限公司余熱發(fā)電項(xiàng)目為例，重點(diǎn)分析干熄焦余熱發(fā)電技術(shù)綜合利用的可行性，并對(duì)其建成后系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析研究，從而實(shí)現(xiàn)資源和能源利用的最大化。

2 項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容

2.1 建設(shè)背景

在《山西省焦化產(chǎn)業(yè)打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)推動(dòng)轉(zhuǎn)型升級(jí)實(shí)施方案》 中，鼓勵(lì)爐齡較長(zhǎng)、爐況較差、規(guī)模較小的炭化室高度4.3 m 焦?fàn)t提前淘汰，在置換焦化產(chǎn)能和建設(shè)現(xiàn)代化大焦?fàn)t的背景下，山西某焦炭有限公司新建2×56 孔6.25 m 搗固焦?fàn)t，并配套建設(shè)干熄焦余熱發(fā)電及焦?fàn)t煤氣制備液化天然氣LNG（liquefied natural gas） 等項(xiàng)目。

該焦炭有限公司主要生產(chǎn)焦炭及后續(xù)產(chǎn)品，現(xiàn)有1 座1×72 孔4.3 m 搗固型焦?fàn)t，焦化產(chǎn)能為60 萬(wàn)t/a。除此之外，公司原有剩余產(chǎn)能40 萬(wàn)t，經(jīng)山西省經(jīng)信委發(fā)函確認(rèn)，同意新建136 萬(wàn)t 焦化工程。為此該公司的焦化產(chǎn)能達(dá)到196 萬(wàn)t/a。經(jīng)考察調(diào)研，該公司決定上馬2×56 孔6.25 m 搗固型焦?fàn)t，擬新建余熱發(fā)電及焦?fàn)t煤氣合成甲醇等廠區(qū)，涉及眾多的資源和能源（如表1 所示）。為了對(duì)廠區(qū)資源和能源最大化利用，必須先對(duì)這些資源進(jìn)行有效的分類與分析，根據(jù)其不同的特點(diǎn)制定相應(yīng)策略，以實(shí)現(xiàn)能耗的綜合利用。

表1 廠區(qū)現(xiàn)有資源能源分析

2.2 建設(shè)條件

a） 充分利用預(yù)留建設(shè)用地，根據(jù)企業(yè)現(xiàn)狀及裝置特點(diǎn)，做到布局合理緊湊，盡量節(jié)省用地，節(jié)約投資。

b） 充分利用現(xiàn)有公共配套設(shè)施，比如自廠區(qū)管網(wǎng)引入水、電、風(fēng)、氣等動(dòng)力介質(zhì)，最大限度地利用已有設(shè)施。

c） 針對(duì)各污染源的特點(diǎn)，采取相應(yīng)的控制措施，按照國(guó)家相關(guān)環(huán)保要求，最大限度地減少對(duì)環(huán)境的污染。

2.3 建設(shè)范圍

主要建設(shè)范圍包括：干熄爐、一次除塵器、余熱鍋爐、二次除塵器；循環(huán)風(fēng)機(jī)、副省煤器、冷焦運(yùn)輸系統(tǒng)、焦粉收集系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、電站系統(tǒng)、循環(huán)水及除鹽水系統(tǒng)、制氮站、干熄焦主控樓以及配套設(shè)施；區(qū)域內(nèi)照明系統(tǒng)；供配電設(shè)施；儀表及自動(dòng)化設(shè)施；消防設(shè)施；道路；綜合管網(wǎng)。

干熄焦10 kV 系統(tǒng)的供電電纜由業(yè)主負(fù)責(zé)接至干熄焦主控樓內(nèi)；由業(yè)主方將電話信號(hào)接至干熄焦主控室的電話分線盒。其他能源、動(dòng)力介質(zhì)接廠區(qū)現(xiàn)有管網(wǎng)，以設(shè)計(jì)紅線外1 m 為界。

3 干熄焦余熱發(fā)電

3.1 干熄焦余熱發(fā)電工藝流程

干熄焦技術(shù)是將冷的惰性氣體通入爐內(nèi)，與爐中赤熱紅焦進(jìn)行熱交換。熱交換完成的惰性氣體將熱量傳遞給鍋爐，鍋爐再產(chǎn)生蒸汽，而蒸汽或并入廠內(nèi)蒸汽管網(wǎng)或送去發(fā)電，惰性氣體可循環(huán)利用。

3.2 廠區(qū)綜合能源利用方案

根據(jù)廠區(qū)的現(xiàn)有資源能源情況，設(shè)計(jì)廠區(qū)能源利用方案。焦炭年產(chǎn)量136 萬(wàn)t，確定建設(shè)一套170 t/h 的干熄焦裝置。該干熄焦裝置是利用惰性氣體，在密閉系統(tǒng)中將紅焦熄滅，不僅可以避免環(huán)境污染，還可回收紅焦的顯熱，充分利用這部分能量進(jìn)行發(fā)電，降低企業(yè)成本；同時(shí)，干熄焦余熱發(fā)電可供廠區(qū)或LNG 項(xiàng)目使用，實(shí)現(xiàn)廠區(qū)能源的綜合利用。廠區(qū)綜合能源利用情況如圖1 所示。

經(jīng)測(cè)算，用于除氧器及除鹽水加熱需低壓蒸汽8.25 t/h，如表2 所示。若按年運(yùn)行8 280 h 計(jì)算，則年需要低壓蒸汽量為6.831 萬(wàn)t，可最大限度地利用廠區(qū)原有低壓蒸汽。對(duì)于中壓過(guò)熱蒸汽設(shè)計(jì)采用抽氣式汽輪機(jī)，根據(jù)業(yè)主需求設(shè)計(jì)抽氣量，在滿足工藝需求的同時(shí)，提高能源效率。

圖1 廠區(qū)綜合能源利用示意圖

表2 低壓蒸汽消耗量

干熄焦余熱發(fā)電項(xiàng)目主要產(chǎn)品有電、焦粉。干熄焦項(xiàng)目投產(chǎn)后年產(chǎn)焦粉27 200 t，發(fā)電量為15 152 萬(wàn)kW·h；干熄焦余熱發(fā)電工程年自用電量為3 013 萬(wàn)kW·h，扣除自用電后，可向廠區(qū)供電12 139 萬(wàn)kW·h。該項(xiàng)目所消耗的能源和耗能折合的標(biāo)準(zhǔn)煤為25 097 t，產(chǎn)出的能源折合的標(biāo)準(zhǔn)煤為68 947.2 t，回收能源為43 850.2 t 標(biāo)準(zhǔn)煤，單位回收能源為32.24 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤。

4 結(jié)論及建議

a） 本項(xiàng)目符合國(guó)家及山西省節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)政策要求，具有很好的社會(huì)效益。國(guó)務(wù)院2017 年出臺(tái)了《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》，強(qiáng)調(diào)要提升用能單位的能效水平。山西省積極貫徹落實(shí)也相繼發(fā)布了相關(guān)文件。本項(xiàng)目建設(shè)的干熄焦生產(chǎn)裝置，可以有效地減少對(duì)環(huán)境的污染，是提升能效水平的一項(xiàng)重要舉措，具有很好的社會(huì)效益。

b） 余熱資源得到合理利用，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。本項(xiàng)目投運(yùn)后一方面可提升焦炭質(zhì)量，提高高爐生產(chǎn)能力，降低鋼鐵生產(chǎn)總的成本費(fèi)用；另一方面能從紅焦炭中回收熱能產(chǎn)生蒸汽并發(fā)電，可提高企業(yè)的用電穩(wěn)定性，從根本上減少企業(yè)的用電成本支出，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

c） 項(xiàng)目示范意義較大，具有可復(fù)制性。本項(xiàng)目技術(shù)成熟可靠，節(jié)能效益顯著，投資回收期較短，在節(jié)能減排、降本增效的大環(huán)境下，具有很強(qiáng)的示范作用和推廣價(jià)值，為以后在焦化項(xiàng)目中推廣余熱利用工程積累了經(jīng)驗(yàn)，奠定了成功的案例基礎(chǔ)。

本文以干熄焦余熱發(fā)電項(xiàng)目為例，對(duì)焦化行業(yè)綜合能源利用問(wèn)題進(jìn)行了初步探討。通過(guò)分析原廠區(qū)現(xiàn)有能源資源情況、能源需求情況等匹配建設(shè)干熄焦、LNG 項(xiàng)目，將各個(gè)項(xiàng)目、廠區(qū)的能源統(tǒng)一化管理，實(shí)現(xiàn)能源利用的高效化，經(jīng)濟(jì)收益的最大化。