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焦化厂余热回收利用技术

国际节能环保网  来源:煤化工999资讯  日期:2017-09-28
  几年前,中国工程院前院长徐匡迪就指出:“目前钢铁企业尚有30%的余热、余能未被回收利用。其中,焦化过程约有50kg/t焦。”这意味着,在2012年的炼焦生产过程中,有44323万t×50kg/t焦=2216万tce的余热未被回收利用。因此,炼焦生产过程的余热回收利用、节能减排的潜力巨大。
 
  1、充分回收利用焦炉输出热
 
  焦炉是能量转换装置中高效率的热工设备,净效率高达87%-89%。这是因为炼焦过程不仅是一个较完善的能量转换过程,产生优质的二次能源,而且焦炉本体设备经过一百余年的不断改进,在煤气燃烧、烟气热量利用、绝热等方面均较完善。但这并不能说明它已达到最完善的程度,没有节能的余地了。
 
  高效回收利用在炼焦过程中产生的余热资源是资源节约、环境友好的绿色焦化厂节能的主要方向和潜力所在,也是提高效率的主要途径之一。
 
  焦炉生产过程的物质流和能量流如图1所示
 
  分析焦炉生产过程的物质流和能量流可以看出,在焦炉的输出端:
 
  950-1050℃的红焦炭(820, 1.00, 0.12%)承载着较多部分的能量,其作为物质流从炭化室被推出。出炉红焦显热约占焦炉总输出热量的37%,当大型焦炉炼焦耗热量为108kgce/t焦时,则生产每吨焦炭红焦带出40.0kgce热量。
 
  650-700℃荒煤气和气态化学产品带着热能和化学能以能量流的形式从上升管排出。则生产每吨焦炭荒煤气带出热约占焦炉总输出热量的36%,相当于带出38.9kgce热量。
 
  250-300℃焦炉烟道废气带着热能和动能以能量流的形式从烟囱逸出。则生产每吨焦炭烟道废气带出热约占焦炉总输出热量的17%,相当于带出18.4kgce热量。
 
  一部分热量作为能量流的一部分,从焦炉炉体表面散发损失至环境空气中。炉体表面热损失约占焦炉总输出热量的10%,相当于生产每吨焦炭损失10.8kgce热量。
 
  2、深入推广干熄焦技术,充分回收利用红焦余热
 
  干熄焦是相对于用水熄灭炽热红焦的湿熄焦而言的。其基本原理是利用冷惰性气体在干熄炉中与红焦直接换热,从而冷却焦炭。
 
  采用干熄焦技术可回收约80%的红焦显热,平均每熄1t红焦可回收3.9MPa、450℃蒸汽0.5-0.6t,可直接送入蒸汽管网,也可发电。采用中温中压锅炉,全凝发电95-105kWh/t;采用高温高压锅炉,全凝发电110-120kWh/t。
 
  采用干熄焦技术可以改善焦炭质量、降低高炉焦比,或在配煤中多用10%-15%的弱粘结性煤;吨焦炭节水大于0.44m3;可净降低炼焦能耗30-40kgce/t焦,效率高达70%。
 
  至2012年末,我国已投产和在建的干熄焦装置近200套,干熄焦炭能力近2亿t,占我国2012年炼铁消费焦炭量的近57%。我国钢铁企业已有88%以上的焦炉配置了干熄焦装置;独立焦化厂依据节能减排的理念,也开始采用干熄焦技术。按干熄焦套数和干熄能力计算,我国已位居世界第一。
 
  近几年,我国干熄焦技术发展的特点是:
 
  1)干熄焦技术在钢铁企业焦化厂发展迅速。
 
  按照国家产业政策要求,钢铁企业新建焦炉必须配套建设干熄焦装置。要求“十二五”期间钢铁企业焦炉100%都要采用干熄焦技术。至2012年底,我国钢铁企业焦化厂已经有88%以上的焦炉配套了干熄焦装置。
 
  2)大型钢铁企业从以往的湿熄焦备用改为干熄焦备用。
 
  以前为节省基建投资,我国干熄焦装置几乎都是采用湿熄焦备用,因为一套湿熄焦装置的投资仅为干熄焦装置的1/4-1/5。即当干熄焦装置正常检修或事故停产时,启动备用的湿熄焦装置,临时向高炉供应湿熄焦炭,以维持焦炉的正常生产,但对大型高炉的正常操作会带来一些不利影响。为此,需要采取一些特殊措施,如有的焦化厂临时在入炉煤配比中增加10%强粘结性的肥煤或焦煤,以提高焦炭质量,缓解对高炉的不利影响。
 
  近年来,随着我国大型钢铁联合企业大型、特大型高炉的快速发展,高炉的稳定操作对整个钢铁联合企业的生产与效益越发重要。如某大型钢铁公司因干熄焦检修,大型高炉调整不顺,两个多月生产不正常,损失近十亿元人民币。因此,一些大型钢铁联合企业如沙钢、武钢、马钢、太钢等开始要求焦化厂全部采用干熄焦装置,即备用也采用干熄焦装置,以保证大型、特大型高炉连续不断地获得质量稳定的干熄焦炭。从投入和产出的对比来看,全干熄方式比干熄为主湿熄备用方式投资高,但这些增加的投资可在两年多一点的时间内收回,因此,全干熄方式得到了认可和采用。
 
  3)独立焦化厂开始形成建设干熄焦装置热潮。
 
  国家的产业政策并未强制要求独立焦化厂必须配套建设干熄焦装置,主要是因为:采用干熄焦提高焦炭质量,其对炼铁高炉的延伸效益,较难体现;经生化处理的焦化废水不能作湿熄焦补充水,无出路,只能外排,较难实现“零”排放。
 
  但是,最近一些独立焦化厂从节能和环保角度出发也在配套建设干熄焦装置,如河北中润、安徽临焕、山西焦化、长治潞宝、山东博兴诚力、河北九江、徐州天裕等。尤其一些发展循环经济、延长产业链的独立焦化厂,需要更多的蒸汽和电力,主动采用干熄焦技术。
 
  4)合同能源管理政策推动了干熄焦技术的采用推广。
 
  国家提倡的合同能源管理政策,为一些想建设干熄焦装置、但在资金方面又有困难的焦化厂提供了建设机会,如山东博兴诚力、江苏徐州天裕、兰州渝中等焦化厂纷纷采用合同能源管理模式吸引资金,建设干熄焦装置。
 
  3、研发荒煤气余热的回收利用
 
  从炭化室经上升管逸出650-700℃的荒煤气带出热占焦炉总输出热量的36%。以往为冷却高温荒煤气必须喷洒大量70-75℃的循环氨水,高温荒煤气因循环氨水的大量蒸发而被冷却至82-85℃,再经初冷器冷却至22-35℃,荒煤气带出热被白白浪费。因此,研发荒煤气余热回收利用技术意义重大。国内外许多企业都在研发这方面的技术,相关情况介绍如下。
 
  3.1用导热油回收荒煤气余热
 
  国内某钢铁企业焦化厂曾用5个上升管做导热油夹套管回收荒煤气热量的试验。即将上升管做成夹套管,导热油通过夹套管与荒煤气间接换热,被加热的高温导热油可以去蒸氨、去煤焦油蒸馏、去干燥入炉煤等。实验取得阶段性成功,但因种种原因未继续进行生产应用。
 
  3.2用热管回收荒煤气余热
 
  2007年,国内某钢铁企业焦化厂在即将停产的4.3m焦炉上进行试验,用热管回收荒煤气的带出热,将荒煤气从750℃冷却至500℃,结果每个上升管可回收1.6MPa蒸汽66kg/h。整个焦炉回收的热量每年约产1.6MPa的蒸汽3.5万余吨,预计18个月内即可回收设备投资。试验取得阶段性成功,但未继续进行生产应用。
 
  3.3用锅炉回收荒煤气带出热的试验
 
  2010年,国内某钢铁企业焦化厂在一座4.3m焦炉靠近炉端台处选取5个上升管作荒煤气余热回收试验。在上升管水封盖增设三通导出管,将750℃荒煤气导出,并通过管道送入设置在焦炉附近的余热锅炉进行换热。考虑节省试验费用,余热锅炉选用中压锅炉,生产3.82MPa、450℃过热蒸汽。在荒煤气进入余热锅炉前设置陶瓷多管除尘器,以有利于高温段析出焦油。换热后的荒煤气从余热锅炉排出,通过管道由风机排至集气管端部,经氨水喷洒进入集气管,工业试验流程见图2。目前试验仍在进行中。
 
  3.4用半导体差压发电技术回收荒煤气余热
 
  2010年,国内某焦化厂在JN43-80型42孔焦炉的一个上升管上进行了用半导体温差发电技术回收上升管余热的试验。取消传统上升管内衬砖,在上升管外壁安装半导体温差发电模块。当高温荒煤气通过上升管时,热量通过上升管筒体传递到半导体温差发电模块的热面,形成温度为320℃左右的热场;散热器通过冷却水的冷却使半导体温差发电模块的冷面温度稳定在70℃左右;这样在半导体温差发电模块的冷热面间形成约250℃的温差,在塞贝尔效应的作用下,半导体发电模块的两端产生直流电压,输出电能,使热能直接转变成电能,实现能量的全固态转换。
 
  试验历时72个小时,涵盖3个完整的结焦周期,获取了温度、电压、电流、流量等2700多个数据。试验结果是:单根上升管回收的热能可发电500W,同时每小时可提供98℃的热水400kg。随后直接在另一焦化厂60孔新建焦炉上进行全炉试验。
 
  2011年初投产后,因出现冷却器漏水等问题而失败。
 
  3.5荒煤气余热微流态回收技术
 
  国内某焦化企业首先在一个上升管进行用水套管回收上升管荒煤气余热的试验。研发出低热应力的换热结构、高导热耐腐蚀的上升管内衬材料及高效导热介质材料。试验数据表明,单个上升管可回收0.6kPa、161℃的蒸汽158kg/h,后续将采用两级低压蒸汽螺杆膨胀机发电,实现回收热量的最大化。
 
  中试获得成功后,在某企业一座焦炉55个上升管中进行工业化试验,其荒煤气余热回收效率达到32%,吨焦可降低炼焦工序能耗10kgce。2012年2月所产蒸汽并网运行。以该企业蒸汽结算价计算,每年可创直接经济效益560万元。后续工序还能减少氨水循环量、冷却用循环水、循环水系统电耗及补充水消耗。每组焦炉每年可减少二氧化碳排放2.8万t,节能减排效果显著。
 
  但是在运行八个月后,因种种原因出现变形问题。为此,现在5个上升管上继续进行改进试验,至2013年4月底已稳定运行两个月,前景看好。
 
  3.6用荒煤气带出热对COG进行高温热裂解或重整
 
  20世纪90年代,德国人提出将高温荒煤气从炭化室逸出后不冷却,直接进入热裂解炉,将COG中煤焦油、粗苯、氨、萘等有机物热裂解成以CO和H2为主要成分的合成气体,然后去合成氨或合成甲醇或生产二甲醚,也可以直接还原制海绵铁。
 
  日本人直接把焦炉上升管和集气管改造成COG重整装置,利用COG自身显热和夹带的水分,直接鼓入纯氧,发生高温裂解和转化反应,重整生成合成气。优点是节能;可大幅度提高H2、CO成分和调整H2与CO的比例;不产生焦油等副产品,可大幅降低生产用水量和污水排放。不足是不回收COG里的焦油、粗苯等副产品,等于失去许多难以替代的化学物质;焦炉每个炭化室至少有一个上升管,而且管内荒煤气量波动、压力很低,把它们逐一或分组改造成在高温下工作的重整炉,无论从技术上还是从经济上实施起来都有一定难度。
 
  日本煤炭能源中心在三井矿山焦化厂的焦炉间进行了一孔炭化室无催化转化技术试验。即安装一个COG重整装置,在1200-1250℃的高温下,分别对焦炉上升管直接排出的650-750℃高温COG和经煤气净化车间净化后的COG进行重整、生成合成气的对比试验。对两种COG无催化高温转化合成甲醇进行了经济性对比。试验结果表明:对焦化厂而言,将高温荒煤气全部进行高温热裂解、合成甲醇比回收煤焦油后净化的COG高温热裂解、合成甲醇能获得更高的效益。2009年,日本拟继续进行三孔炭化室试验,然后进行商业化评估并推进中型试验。
 
  3.7回收初冷器前或第一段的荒煤气余热和循环水余热
 
  1)以荒煤气余热为热源的高效负压蒸氨工艺。
 
  为充分利用吸煤气管道或者初冷器顶74-82℃的荒煤气余热,国内某企业提出用循环热介质吸收荒煤气余热后,温度控制在60-78℃。为保证此热介质的热量能在蒸氨工艺中有效利用,将蒸氨塔操作压力用真空泵或者喷射器抽吸至15-35kPa,操作温度控制在55-70℃。将蒸氨塔塔底蒸氨废水与吸收了荒煤气余热的热介质在再沸器中换热后作为蒸氨热源。
 
  2)初冷器第一段荒煤气带出热用于脱硫液的加热再生。
 
  近年,国内某企业在设计焦炉煤气真空碳酸钾法脱硫时,将再生塔底部分脱硫贫液抽出,送至初冷器上段与荒煤气间接换热。换热后脱硫贫液通过再生塔底部闪蒸装置产生蒸汽,作为脱硫液再生热源,节能效果显著。对于一个年产200万t焦炭的焦化厂,采用此技术年节约低压蒸汽26万t,相当于回收利用了25%的荒煤气带出热。此技术已在多项焦化工程中应用。
 
  3)初冷器循环水制冷,冷却焦炉煤气。
 
  国内某企业开发出一种热水制冷机,可利用初冷器第一段65℃高温冷却水制取16℃的低温水,就近用于初冷器第三段的低温冷却。以年产120万t焦炭的焦化厂为例,如果取初冷器第一段高温冷却水温度,则可取出750t/h热水,可以实现320万kcal/h的制冷量。虽然热水制冷的成本大约是常规蒸汽制冷的一倍,但其投资回收期基本上在2.5年以内。
 
  4)初冷器循环水制冷中央空调。
 
  国内某企业为充分利用初冷器一段循环热水的废热,正在建设用热水制冷中央空调实现厂区内生产、生活室内温度调节。厂内不间断热水源:初冷一段80℃循环水5000t/h,压力5kg/cm2;72.5℃循环氨水8000t/h,压力5kg/cm2。
 
  采用热水型吸收式制冷机组,与同功率的低压蒸汽型制冷机组相比,由于设备换热面积大而投资大,但其多出的投资部分只需运转3年的节能费用就能相抵。
 
  4、焦炉烟道气余热的回收利用
 
  4.1研发和推广以焦炉烟道气为热源的煤调湿技术
 
  “煤调湿”是“装炉煤水分控制工艺”的简称,是将炼焦煤料在装炉前去除一部分水分,保持装炉煤水分稳定在6%-8%,然后装炉炼焦。用焦炉烟道气作为煤调湿的热源可以达到节能减排的效果。
 
  我国独立焦化厂的焦炉大多用焦炉煤气加热,而钢铁企业焦化厂大多用高炉煤气加热。因COG中含氢高达55%-60%,所以COG燃烧废气中水分含量高,将其作为煤调湿热源时,不利于煤水分的蒸发。而钢铁企业焦化厂用高炉煤气加热,其废气含水分低,有利于水分蒸发,可以去除更多的水分。
 
  4.1.1气流床煤调湿
 
  2007年某钢铁企业投产一套气流床煤调湿装置。该装置位于备煤粉碎机前,具有风选功能,首先将小于3mm合格粒度的煤料风选出来,减轻粉碎机负荷、节能;布袋除尘器滤出的煤粉,压成型煤,入炉炼焦,增加入炉煤堆积比重。
 
  2009年某企业投产一套气流床煤调湿装置,为2座4.3m年产焦炭70万t的捣固焦炉配套。利用2座4.3m年产焦炭60万t的顶装焦炉产生的2×47000-50000m3/h焦炉烟道废气为热源。最大处理能力180t/h?湿煤,平时160-170t/h?湿煤。
 
  调湿后配煤水分降低2.2%;全年利用焦炉烟道废气余热量折6833tce;减少回炉煤气用量1474万m3,节能4937tce;CO2减排8750t;减少焦化废水处理量2万t;焦炉生产能力提高5%。
 
  4.1.2采用流化床干燥机的煤调湿装置
 
  国内某企业2×50孔6m焦炉配套建设以焦炉烟道废气为热源、采用流化床干燥器的煤调湿装置,处理能力167t/h干煤或186t/h湿煤,总投资1.4亿元人民币。该装置已于2011年投产。
 
  4.1.3炼焦配合煤梯级筛分煤调湿技术
 
  1)主要组成及工艺流程。
 
  ①焦炉烟道气废热回收装置:将200-250℃焦炉烟道废气抽出,在废热锅炉内与低温水进行间接热交换,得到约150℃高温热水送至带有内置加热模块的流化床调湿装置,作为煤料调湿的热源。换热后约85℃的低温水再回到焦炉烟道气废热回收装置循环利用。换热后约105℃的低温烟气通过现有烟囱放散。
 
  ②炼焦配合煤分级装置:采用常温空气作为流化介质的低速流化床技术对炼焦配合煤进行分级。其中>4mm粒级煤料送至粉碎机室,粉碎后煤料送选粉装置进行选粉;≤4mm粒级煤料送至流化床调湿装置进行调湿处理。
 
  ③带有内置加热模块的流化床调湿装置:在常温空气作为流化介质的流化床内设置多个加热模块与分级装置筛分出来的≤4mm粒级煤料进行间接热交换,煤料经适度干燥去除4-6个百分点的水分后排出设备,加热模块的热源是焦炉烟道气废热回收装置产生的高温热水。
 
  ④选粉装置:采用常温空气作为流化介质的流化床对>4mm粒级经粉碎处理后的煤料进行选粉,将200μm以下的煤料选出送至粉煤成型装置;其他的煤料与流化床调湿装置调湿处理后的煤料经混合后送煤塔供焦炉炼焦生产。
 
  ⑤粉煤成型装置:各流化床产生煤粉与选出的≤200μm煤料一起,采用无粘结剂或有粘结剂成型技术进行压块,确保细粉煤在装炉过程中不外溢;有效防止在炭化室顶部、上升管等快速炭化结石墨;增加入炉煤堆比重。
 
  2)工艺流程特点。
 
  u烟道气与循环水间接换热,不管焦炉采用COG还是BFG加热均不影响对焦炉烟道废气余热的回收;
 
  u热源为高温热水,输送管径小,布置灵活方便;投资少;加强保温可减少热损失,提高热利用效率;
 
  u设置分级装置,大粒煤不调湿直接去粉碎,节能;
 
  u雨季来煤水分高时,可通过废热回收系统设置的蒸汽喷射装置提高热水温度,以保证调湿煤水分基本恒定;
 
  u调湿机内置热源采用高温热水,安全可靠;
 
  u调节热水的流量、温度和各风室的风量等可使系统达到最佳流化状态。回收余热和煤干燥功能区分开,调湿范围大,适用性广;
 
  u采用煤粉成型技术,减少粉尘外溢,降低结石墨,并增加入炉煤堆比重;
 
  u通过设置干煤返混系统,提高系统对来煤水分的适应性。
 
  2013年初,采用此工艺的煤调湿装置已在施工,预计年底投产。
 
  4.2回收焦炉烟道气余热生产蒸汽
 
  用热管锅炉回收焦炉烟道气余热生产蒸汽的工艺技术,设备简单成熟、占地少、投资省、效果显著。目前全国已投产此技术装置30多套,在建约20套,发展迅速,势头良好。
 
  1)工艺流程。
 
  在焦炉主烟道翻板阀前开孔,将主烟道热烟气引出,经调节型蝶阀入余热回收系统,换热降温后约150℃的烟气通过风机抽送,再经开关型蝶阀排入主烟道翻板阀后的地下主烟道,最后经焦炉烟囱排入大气。
 
  其核心技术是采用热管技术回收烟气中的显热,将软化水加热成水蒸气,用于生产或生活。
 
  改造后的焦炉烟道气系统压力通过烟气管道上的调节阀或风机变频实现,不影响焦炉的正常生产操作。
 
  2)应用效果。
 
  u吨焦可生产0.8MPa饱和蒸汽0.090-0.100t;
 
  u生产的蒸汽量相当于焦化厂蒸汽需求量的1/4以上,既可用于炼焦正常生产,也可用于制冷;
 
  u吨焦工序能耗至少可降低8kgce。
 
  在余热锅炉的过热器和蒸发器里,烟气温度与饱和水温度都在160℃以上,不存在露点腐蚀问题,所以国内某企业将过热器和蒸发器设计成翅片管结构,维持较高的换热效率。而预热器烟气温度在140-160℃、水入口温度为20℃或在同一换热面进行换热,易发生露点腐蚀,所以预热器设计成热管结构。最终采用翅片管和热管相结合的翅片管-热管式余热锅炉。即在露点温度以上用翅片管换热,在容易发生露点腐蚀温度的部位用热管,合理的换热设计和壁温设计,可提高换热系数,同时解决低温露点腐蚀问题。
 
  4.3以焦炉烟道气为热源的负压蒸氨
 
  最近,利用焦炉烟道气余热负压蒸氨处理焦化废水集成技术和成套装置被开发。第一套生产示范装置已于2012年底投产。
 
  1)工艺流程。
 
  剩余氨水经气浮除油机、陶瓷管过滤器两级除油过滤后,通过贫富液换热器,与热蒸氨废水换热,在管道混合器与碱液混合,然后从蒸氨塔中部加入。蒸氨塔底部热废水进入烟气热管换热器循环加热后返回蒸氨塔釜;另外部分废水在塔底用釜底泵抽出,进入预热器加热进料的剩余氨水,废水冷却后送至废水生化系统。蒸氨塔顶氨气进入分缩器冷却,调节回流和氨气浓度,氨气最终在全凝器中冷凝为氨水流入回流罐,最后送入氨水大罐,脱硫使用。蒸氨热源采用焦炉烟道气余热。
 
  2)工艺特点。
 
  蒸氨塔控制在负压状态下操作,实现节能、环保的目标。
 
  蒸氨塔采用斜孔塔板,具有塔板效率高、压降小、抗堵塞等优点。
 
  焦炉烟道气余热回收采用热管换热器进行。
 
  剩余氨水的预处理采用气浮除油机和陶瓷管过滤两级除油及杂质等处理后进入负压蒸氨系统,避免蒸氨塔等关键设备发生焦油堵塞等问题。
 
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