王浩^1，2  金保昇¹  唐剛³  安忠義²  張浩³ 桂峰²  余波²  呂冬強(qiáng)²

(1.東南大學(xué)，2.中冶華天工程技術(shù)有限公司，3.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院)

摘 要：通過(guò)分析焦?fàn)t荒煤氣特性、煤焦油結(jié)焦特性，開(kāi)發(fā)上升管換熱器技術(shù)、不粘涂層技術(shù)，為焦?fàn)t荒煤氣余熱回收技術(shù)推廣提供參考，并對(duì)今后荒煤氣換熱器技術(shù)發(fā)展方向和荒煤氣余熱回收工藝提出相關(guān)建議。目前，該研發(fā)成果已成功地應(yīng)用于6m焦?fàn)t節(jié)能示范工程，顯熱回收利用系統(tǒng)等表現(xiàn)出良好的操作和使用性能，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)合理，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，解決了蒸發(fā)器內(nèi)壁結(jié)焦、積碳和腐蝕等行業(yè)普遍存在的技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞：上升管；蒸發(fā)器；防結(jié)焦；不粘涂層；荒煤氣；顯熱；回收

我國(guó)是世界上主要的焦炭生產(chǎn)國(guó)，2016年焦炭產(chǎn)量合計(jì)44911萬(wàn)t,約占世界焦炭總產(chǎn)量的70%^[1-2]。生產(chǎn)的焦炭一方面用于國(guó)內(nèi)冶金行業(yè)，一方面用于出口，為我國(guó)和世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了有力支撐。同時(shí)，煉焦工業(yè)既是重要的能源生產(chǎn)部門，又是耗能大戶。煉焦占總能耗的70% -80%,其中荒煤氣帶走的余熱約占煉焦能耗的32%~36%。因此，加強(qiáng)焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱回收成為我國(guó)節(jié)能降耗戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)^[3]。

目前對(duì)焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱回收技術(shù)的研發(fā)尚處于起步階段，國(guó)內(nèi)眾多焦化企業(yè)已不同程度開(kāi)展荒煤氣顯熱回收利用工作，但是尚未達(dá)到合理有效回收利用的目標(biāo)。傳統(tǒng)工藝通過(guò)采用70~80T循環(huán)氨水噴淋高溫荒煤氣直接急冷，荒煤氣中的高溫?zé)崃勘黄陌迸c水蒸氣吸收后, 變成80~85℃低溫?zé)嵩矗@些低溫?zé)嵩措S著荒煤氣進(jìn)入初冷器，最終被循環(huán)水帶走，造成能源的大量浪費(fèi)^[4]。同時(shí)由于循環(huán)水取熱，初冷器面積較大，循環(huán)水耗量大^[5]。所得到的效果是荒煤氣被冷卻，其中所夾帶的粉塵被除去，絕大部分焦油蒸汽冷凝、茶凝結(jié)（并溶于焦油）而被脫除，為煤氣輸送、深度凈化和化學(xué)產(chǎn)品回收創(chuàng)造了較好的條件^[4]。

上述過(guò)程對(duì)荒煤氣的冷卻和初步凈化而言是高效的，但在熱力學(xué)上卻是不完善的：①該部分顯熱未回收。荒煤氣在橋管和集氣管內(nèi)急劇降溫，增濕過(guò)程是高度不可逆過(guò)程，其物理?yè)p失達(dá)90%以上；②冷卻氨水循環(huán)量大。未采用顯熱回收時(shí)，通過(guò)循環(huán)氨水將荒煤氣從650 ~ 850℃冷卻至80~85℃，單集氣管焦?fàn)t每噸干煤需5m³ 循環(huán)氨水，雙集氣管焦?fàn)t需6m³循環(huán)氨水。與干熄焦技術(shù)的規(guī)模化利用相比，荒煤氣顯熱回收技術(shù)還處于探索和起步階段，蒸發(fā)器腐蝕、結(jié)焦等問(wèn)題導(dǎo)致荒煤氣顯熱回收技術(shù)推廣緩慢。

基于此，文章以某焦化廠2x50孔6m焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱回收利用示范工程為例，主要從焦?fàn)t上升管蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防結(jié)焦不粘涂層開(kāi)發(fā)、荒煤氣顯熱回收系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、示范工程應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益等方面，闡述、分析焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱回收利用技術(shù)的研究與應(yīng)用情況，為解決焦?fàn)t上升管內(nèi)壁結(jié)焦問(wèn)題，提高蒸發(fā)器換熱效率，有效回收焦?fàn)t荒煤氣顯熱，降低焦化企業(yè)能耗，提供工程基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1核心技術(shù)研發(fā)

1.1上升管蒸發(fā)器

自主開(kāi)發(fā)的焦?fàn)t荒煤氣上升管蒸發(fā)器（見(jiàn)圖1 是焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱回收系統(tǒng)的核心裝備，包括由內(nèi)向外依次設(shè)置的防結(jié)焦涂層、蒸發(fā)器內(nèi)管、汽-水通道、隔熱保溫層和保護(hù)套管切。其中，蒸發(fā)器內(nèi)管的內(nèi)側(cè)為荒煤氣通道, 內(nèi)管的外側(cè)為有螺旋式孔槽的汽-水通道，汽-水通道外設(shè)保溫層和保護(hù)套管；汽水出口和汽水入口與上升管蒸發(fā)器汽-水通道圓周面相切。該結(jié)構(gòu)流場(chǎng)分布均勻、換熱效率高，可消除內(nèi)管局部應(yīng)力分布不均，在有效回收荒煤氣顯熱的同時(shí)，減緩或解決石墨化以及焦油粘結(jié)問(wèn)題。

1.2防結(jié)焦不粘涂層

荒煤氣除了含有凈煤氣外，還含有硫化氫、 煤焦油等成分，見(jiàn)表1。

煤焦油成分復(fù)雜，按照沸點(diǎn)高低，其成分為瀝青、蔥油、洗油、蔡油、酚油和輕油等。采用上升管蒸發(fā)器回收荒煤氣顯熱時(shí)，當(dāng)荒煤氣溫度低于450℃時(shí)，煤焦油開(kāi)始在溫度較低的上升管蒸發(fā)器表面凝結(jié)附壁^[9-10]，冷凝的煤焦油沿上升管蒸發(fā)器壁面向下流動(dòng)，到蒸發(fā)器底部。一部分煤焦油受到炭化室的高溫輻射，煤焦油再次分解，剩余固體碳著在上升管蒸發(fā)器表面造成積碳^[11-12]；另一部分煤焦油凝結(jié)在上升管蒸發(fā)器表面并未產(chǎn)生二次分解^[13],此兩種現(xiàn)象都是焦?fàn)t上升管蒸發(fā)器運(yùn)行過(guò)程中面臨的重要難題，因此，開(kāi)發(fā)防結(jié)焦不粘涂層是解決上升管蒸發(fā)器表面煤焦油凝結(jié)的技術(shù)關(guān)鍵。

筆者以焦?fàn)t上升管內(nèi)壁結(jié)焦炭層為研究對(duì)象，采用掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線光電子能譜儀（XPS）研究各結(jié)焦炭層的微觀形貌、元素組成及鍵合狀態(tài)，分析結(jié)焦炭層織構(gòu)形成及演化規(guī)律，揭示了荒煤氣上升管結(jié)焦炭層織構(gòu)形成及演化機(jī)制，開(kāi)發(fā)了防結(jié)焦不粘涂層，為解決焦?fàn)t荒煤氣上升管內(nèi)壁結(jié)焦問(wèn)題，降低焦?fàn)t上升管內(nèi)壁結(jié)焦清理工作量及焦化企業(yè)能耗提供了應(yīng)用基礎(chǔ)和理論依據(jù)，焦?fàn)t上升管內(nèi)壁對(duì)比效果如圖2所示。

1.3荒煤氣顯熱回收系統(tǒng)

焦?fàn)t在煉焦過(guò)程中，炭化室逸出大量的荒煤氣，經(jīng)過(guò)焦?fàn)t上升管、橋管、集氣管冷卻集合后送入化產(chǎn)裝置進(jìn)行凈化處理。在一個(gè)結(jié)焦周期內(nèi)，單孔炭化室產(chǎn)出的荒煤氣約10000m³,荒煤氣經(jīng)過(guò)焦?fàn)t上升管時(shí)溫度高達(dá)650 ~ 800℃ ,含有大量的顯熱。為了降低焦?fàn)t荒煤氣溫度便于后續(xù)焦化工藝處理，傳統(tǒng)工藝采用噴循環(huán)氨水急速冷卻高溫荒煤氣，使荒煤氣急劇降溫至80 ~ 85℃。該工藝流程不僅浪費(fèi)了大量荒煤氣顯熱, 而且消耗大量的氨水，又浪費(fèi)了大量的水資源和電力，增加了污水排放量網(wǎng)。

針對(duì)上述現(xiàn)有焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱尚未被合理回收利用現(xiàn)狀，提出了一種能夠綜合回收焦?fàn)t荒煤氣顯熱的工藝系統(tǒng)（圖3 ,主要包括: 荒煤氣系統(tǒng)、焦?fàn)t上升管荒煤氣蒸發(fā)器熱力循環(huán)系統(tǒng)等。

2示范工程應(yīng)用

2.1工藝流程

針對(duì)某焦化公司兩座50孔6m頂裝焦?fàn)t, 年產(chǎn)焦炭90萬(wàn)t,通過(guò)采用焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱回收利用技術(shù)，有效回收焦?fàn)t荒煤氣顯熱，工藝流程主要包括荒煤氣流動(dòng)系統(tǒng)、汽水流動(dòng)系統(tǒng)。

荒煤氣流動(dòng)系統(tǒng)（圖4 焦?fàn)t在煉焦過(guò)程中，炭化室逸出大量荒煤氣，750℃的高溫荒煤氣進(jìn)入焦?fàn)t上升管蒸發(fā)器，經(jīng)換熱后，溫度降低到約500℃經(jīng)過(guò)三通管進(jìn)入橋管，在橋管中經(jīng)噴淋冷卻降溫后，通過(guò)集氣管冷卻集合后進(jìn)入化產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行凈化處理。

汽水流動(dòng)系統(tǒng)(圖5) 除鹽水經(jīng)除鹽水箱、除氧給水泵后被送入除氧器除氧，然后送入汽包經(jīng)過(guò)強(qiáng)制循環(huán)泵進(jìn)入上升管蒸發(fā)器，除氧水與荒煤氣在上升管蒸發(fā)器中完成間接熱交換過(guò)程，而后生成飽和蒸汽，再次通過(guò)上升管過(guò)熱器與荒煤氣熱交換生成過(guò)熱蒸汽，并入用戶蒸汽管網(wǎng)^[15]。

2.2工藝參數(shù)

2.3工藝特點(diǎn)

研究開(kāi)發(fā)了一套靈活的荒煤氣顯熱回收工藝系統(tǒng)，可根據(jù)焦化廠用汽需求生產(chǎn)飽和蒸汽或過(guò)熱蒸汽，有效提高荒煤氣顯熱回收利用技術(shù)的實(shí)用價(jià)值，同時(shí)解決了焦?fàn)t荒煤氣蒸發(fā)器結(jié)焦和腐蝕問(wèn)題，顯著降低清爐工作量。

(1)采用雙汽包并聯(lián)方式設(shè)置，提高系統(tǒng)安全性、可靠性，避免上升管蒸發(fā)器出現(xiàn)干燒現(xiàn)象；設(shè)置大流量強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，蒸發(fā)器進(jìn)出口管路采用合理的梯級(jí)配置，保證每個(gè)蒸發(fā)器進(jìn)出水量的均勻性，提高系統(tǒng)的換熱效率；

(2) 高效自清潔不粘涂層技術(shù)能夠有效避免荒煤氣中焦油在蒸發(fā)器壁面的結(jié)焦腐蝕，顯著降低清爐工作量，延長(zhǎng)了清爐周期，提高焦?fàn)t生產(chǎn)效率；

(3) 高效合理的上升管蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)。通過(guò)設(shè)置蒸發(fā)器“斜切”進(jìn)出口結(jié)構(gòu)，減小流動(dòng)損失；通過(guò)在汽水夾套內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流裝置，均化汽水流場(chǎng)分布，避免流動(dòng)盲區(qū)、過(guò)熱區(qū)，提高蒸發(fā)器的總傳熱效率；

(4) “互聯(lián)網(wǎng)+”全自動(dòng)在線監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。可依據(jù)炭化室結(jié)焦周期荒煤氣溫度、流量變化曲線補(bǔ)償控制確保換熱效率，實(shí)時(shí)在線監(jiān)控、事前預(yù)警上升管蒸發(fā)器工作狀態(tài)，有效避免發(fā)生蒸發(fā)器泄漏、爆管等事故，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3運(yùn)行情況及效益分析

該6m焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱回收利用示范工程，自投產(chǎn)使用至今，生產(chǎn)狀況穩(wěn)定，運(yùn)行情況良好，顯熱回收系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)汽量達(dá)到合同約定要求，焦?fàn)t上升管蒸發(fā)器無(wú)結(jié)焦腐蝕、漏水等現(xiàn)象。

(1)經(jīng)濟(jì)效益

由于該技術(shù)具有荒煤氣顯熱高效、可靠回收與能量梯級(jí)利用等優(yōu)勢(shì)，工程自投產(chǎn)至今，平均每年創(chuàng)利650萬(wàn)元，投資回收期約2年，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(2)社會(huì)效益和環(huán)境效益

通過(guò)將荒煤氣顯熱回收發(fā)電、化產(chǎn)或供暖等，折合噸焦節(jié)約12.7kgce, CO₂減排33.5kg。 目前，我國(guó)焦化行業(yè)在產(chǎn)能過(guò)剩、粗放發(fā)展及環(huán)境壓力加大的形勢(shì)下，調(diào)整工藝結(jié)構(gòu)、淘汰落后、創(chuàng)新發(fā)展已成為焦化行業(yè)迫在眉睫之事。隨著國(guó)家和地方加快節(jié)能減排工作的推進(jìn)，企業(yè)自身為了提高資源綜合利用率、推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略調(diào)整、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，開(kāi)展焦?fàn)t荒煤氣顯熱回收技術(shù)，有利于提高其焦炭產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益提升。在國(guó)家節(jié)能減排創(chuàng)新發(fā)展的大背景下，該技術(shù)所具有的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)空間不言而喻，推廣應(yīng)用前景廣闊。

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