早在上世纪70年代，首钢、太钢采用夹套上升管，夹套内冷却水吸收荒煤气所携带的热量而汽化，产生蒸汽，实现热能的回收利用，简称为“焦炉上升管汽化冷却装置”，曾一度被多家焦化企业采用。北京焦化在上升管体卷边结构、焊接方法方面进行了多项改进，仍不能完全解决上升管的简体焊缝拉裂、漏水、漏汽等问题，运行几年后终因系统安全稳定性、运行成本等方面原因纷纷停用。
焦炉上升管汽化冷却装置在我国的应用经历了发展、停滞、再研发、再停滞的过程。在总结水套上升管教训的基础上，济钢把冷却水换成了导热油，导热油与高温荒煤气间接换热，被加热的高温导热油用于煤焦油蒸馏、干燥入炉煤、蒸氨等，但导热油的合适的使用温度一般在350℃以下，在700℃温度区间高温下容易变质，而且上升管导热油夹套制造和防止荒煤气在余热回收装置积碳、积焦油的技术难题尚须攻克。
近年来, 随着国内各企业的节能意识逐步加强和科技水平的提高, 为了降低焦化工序能耗, 如何回收利用焦炉上升管荒煤气余热再次成为行业关注的焦点。特别是分布式余热回收技术——介质浴式的应用, 为用户焦炉上升管荒煤气余热回收提供一种安全可靠的解决方案。
分布式余热回收技术—介质浴式技术特点
相对于常规直接汽化冷却式焦炉上升管余热回收技术,该技术基于上升管荒煤气高温显热资源特点, 采用导热油作为换热媒介, 独创上升管余热回收装置分布式余热回收技术, 维持上升管内壁温度在500℃以上, 成功解决上升管荒煤气余热回收面临的“挂焦油、泄漏、干烧”三大难题, 确保工艺生产安全, 实现余热资源高效回收利用;该系统主要设备有上升管换热器、导热油蒸发器、导热油过热器、储油槽、膨胀罐、除氧器、除氧泵、给水泵、强制导热油循环泵以及钢支架、导热油管、进出水管以及电仪设备等设施。
1.1 主要系统流程
系统包括荒煤气系统、汽水系统、热媒系统、氮封系统、排污系统、放空系统和控制系统, 系统设备包括主体设备、附属设备等。
荒煤气系统：来自炭化室的荒煤气(~800℃) →上升管取热装置 (更换原上升管) →集气管→荒煤气管网。
汽水系统：常温化水→化水箱→除氧器及水箱→导热油蒸发器→导热油过热器→用户主管网。
热媒系统：导热油由循环油泵输出→上升管取热装置→导热油过热器→导热油蒸发器→油汽分离器→循环油泵, 完成一个循环。
1.2 主体设备
1.2.1 上升管取热装置
上升管取热装置由内、中、外三部分组成:内层采用耐高温、耐磨损、抗腐蚀合金钢材料, 其内壁有特殊涂层, 能够耐受长时间干烧, 同时避免了高温硫腐蚀;中间层为导热油吸热层,设有合金钢材质导热油传热管, 导热油充分吸收从内层来的荒煤气热量, 通过强制循环最终将热量带出;外层为隔热和保护层, 通过合理的保温设计, 改善了原有上升管存在的表面温度过高的问题, 同时对中间层的换热核心部分进行结构保护。
上升管取热装置采用特殊耐高温、无应力自由膨胀式取热结构, 没有任何热应力产生, 不存在热胀冷缩导致的局部应力;导热油传热管为无缝钢管整弯拼接而成, 制造过程中对接焊缝100%拍片探伤, 确保了设备的安全可靠。
1.2.2 导热油蒸发器
导热油蒸发器为一用一备, 可随时切换, 便于单台设备的年检;导热油蒸发器主要由U型管束、壳体和管箱等组成, 导热油走管程, 壳程为水-饱和蒸汽, 利用高温导热油来加热给水, 使其汽化产生饱和蒸汽。
导热油蒸发器作为产生蒸汽的核心部件, 其制造工艺考虑了以下几个问题:U形换热管与管板在180~240MPa下胀接, 胀接完后试压, 无泄漏后, 再采用管口自动焊机;管板、折流板等均为精加工件, 避免了换热管的机械磨损导致使用中出现局部腐蚀;设备结构充分避免了设备氧腐蚀、碱脆、碱腐蚀和垢下腐蚀等。
1.2.3 导热油过热器
导热油过热器主要由U型管束、壳体和管箱等组成, 导热油走管程, 壳程为饱和-过热蒸汽, 利用高温导热油加热蒸汽为过热蒸汽。
1.3 技术优势
采用导热油作为传热介质, 所选导热油最高操作温度高达345℃, 导热油经上升管取热装置吸热升温后, 送至导热油过热器、导热油蒸发器与汽水系统换热, 降温后的导热油通过强制循环泵再回到上升管取热装置再次吸热, 实现密闭循环。相对于常规直接汽化冷却式焦炉上升管余热回收技术, 分布式余热回收技术在长期运行安全性、蒸汽品质方面具有如下优势:
(1) 导热油最高操作温度高达345℃, 导热油过热器、导热油蒸发器等设备按 压力4.0MPa及以上设计制造, 因此可产3.82MPa、300℃以下品质蒸汽, 蒸汽品质高, 用途更广泛;常规汽化冷却式焦炉上升管余热回收技术, 由于受上升管取热装置承压限制, 一般只产0.8MPa以下饱和蒸汽。
(2) 无论产何种压力的蒸汽, 上升管取热装置内、外筒均为常压条件工作, 内筒仅承受荒煤气压力, 外筒工作压力为大气压, 上升管取热装置中导热油传热管的工作压力只需克服导热油循环阻力, 正常工作压力小于0.5MPa, 压力较低, 进一步降低了泄漏风险;常规汽化冷却式焦炉上升管余热回收技术, 上升管取热装置承压取决于汽包蒸汽压力。
(3) 除可间接产高品质蒸汽外, 高温导热油可远距离输送, 直接用于煤调湿或蒸氨等焦化工序, 实现热量直接高效利用。
(4) 不同于汽化冷却, 导热油在循环过程中始终稳定为液态, 不发生汽化, 不结垢, 不存在局部汽堵, 不会因受热不均发生管道爆裂;常规汽化冷却式焦炉上升管余热回收技术, 取热装置内污垢沉淀较多, 且单个取热装置无法实现在线排污, 影响设备长期运行的安全性。
(5) 汽水排污集中在导热油过热器和导热油蒸发器内, 对给水水质要求低, 可采用软化水作为系统补给水水源;常规汽化冷却式焦炉上升管余热回收技术, 为减少取热装置内结垢, 对给水水质要求高, 必须采用除盐水。
(6) 导热油的导热系数低, 约为水导热系数的15%~20%, 且其可操作温度高, 上升管取热装置干烧后, 无需降温或更换, 可立刻再次投入使用, 不会发生爆管。
(7) 采用分布式余热回收技术:可实时监控导热油的进油总管温度和回油总管温度, 通过油温调节阀自动控制上升管余热回收装置入口导热油温度, 可有效控制上升管内壁温度和荒煤气出口温度, 使其壁面温度维持在500℃以上, 有效防止荒煤气中焦油蒸汽结焦;而常规直接汽化冷却式焦炉上升管余热回收技术, 其换热介质温度为汽包压力饱和水温度, 随汽包压力波动而波动, 特别在启停炉过程中, 受影响较大。
(8) 采用焦炉上升管取热装置多支路换热控制技术, 在导热油系统设置有油压控制阀, 通过调节油压控制阀开度, 达到均衡控制各上升管取热装置间热媒流量及合理取热。
1.4 主要技术指标
采用导热油作为媒介取热, 特殊结构设计及独特的阻热保温技术, 结构安全可靠, 产品指标如下:
平均蒸汽量约110kg/t;
蒸汽压力≤3.82MPa;
蒸汽温度≤300℃。
2、技术经济分析
以100万t/a焦化为例, 回收上升管荒煤气余热, 可产3.82MPa、约300℃参数以下过热蒸汽或饱和蒸汽约11万t/a, 按照120元/t的蒸汽价格计算, 每年营业收入1320万元, 年运行成本约150万元, 年税前直接利润总额约1170万元。
焦炉上升管荒煤气显热回收对荒煤气的后续冷却及处理带来额外增效, 减少循环氨水循环量30%~35%, 减少煤气回收车间煤气初冷器热负荷30%~35%,减少煤气回收车间煤气初冷器冷却用循环水30%~35%,同时减少循环水系统电耗和补充水消耗, 具有良好的经济及社会效益。
总结
近几年国内焦炉上升管荒煤气余热回收利用进入实际应用, 进入快速发展期, 采用导热油作为媒介取热的分布式余热回收技术—介质浴式可降低焦化工序能耗约11kgce/t, 并在长期运行安全性、蒸汽品质和产汽品质指标等方面具有明显优势, 为焦化厂焦炉上升管余热回收提供了一种更高效、安全可靠的解决方案。
