焦炉荒煤气上升管余热利用方案比较
2022-09-14 12:38:00
焦炉荒煤气上升管余热利用方案比较焦炉是焦化企业生产的关键设备和能量聚集点。焦炉的支出热主要由三部分组成：一是焦炉炭化室出焦时所推出的红焦带出的高温余热，约占37%；二是焦炉上升管排出的高温荒煤气带出的中温余热，约占33%；三是焦炉烟道排出的废气带出的低温余热，约占17%。
焦炉荒煤气是焦煤在结焦过程中挥发份逸出而形成，通常温度为600—800℃左右，其显热占焦炉热支出的约33%左右。为降低焦炉荒煤气温度便于后续焦化工艺处理，传统工艺采用喷氨水急冷的工艺冷却高温荒煤气，使荒煤气急剧降温至80-85℃。该工艺流程不仅浪费了大量的荒煤气显热，而且消耗大量的氨水、又浪费了大量的水资源和电力，增加污水排放。
其中，红焦带出的高温余热目前已通过干熄焦技术予以回收并发电；烟道气排出的低温余热也已采用煤调湿、煤干燥、热管技术予以回收；但对于焦炉顶部上升管排出的800℃荒煤气，其带出的热量在焦炉输出显热中位居第二，该项中温余热是焦炉余热余能回收利用的最后一道亟待攻破的技术难关。
目前关于荒煤气显热利用已经研究了近30年，有水套式、热管式、风媒式、荒煤气引出式、介质浴式等等方法。
水套式。这种方式试验最早，是在原上升管外面包覆一层水套，形式有若干种，利用荒煤气的部分热量产生热水或蒸汽。以6m焦炉为例，每根上升管产0.5MPa蒸汽约79kg/h，荒煤气从692℃降低到606℃，100根上升管可产蒸汽约7.9t/h，强制循环泵功率约30KW，设备总投资约1000～2000多万元。水套式的优点是设备体积较小，不结焦，对焦炉原有工艺没有太大影响，但是焦炉的上升管变成一个压力容器，存在运行时起停不易的限制和泄漏隐患。
风媒式。这种方式是在原上升管外面制造一个风冷却套，其形式也有若干种，将荒煤气的一部分热量吸收产生热风，再将热风引到地面的余热燃烧器定制中产生蒸汽，热风放热后再通过风机循环回上升管中。还是以6m焦炉为例，荒煤气从692℃降低到637℃，100根上升管可产蒸汽约4.5t/h，循环风机电耗约179KW，设备总投资约600～1000万元。风媒的优点是也是对焦炉原有工艺没有太大影响，不结焦，控制方便、安全，但是蒸汽产量比水套式的少约40%。
热管式。热管式有插入式和径向式两种。插入式是将热管插入上升管中，将热量通过热管传递给水使其蒸发；径向式是将上升管做成一个径向热管，吸收荒煤气热量后再传递给水产生蒸汽，径向热管式的蒸汽产量与水套式基本相同。在上升管中插入热管，一方面影响焦炉原有生产条件，另外一方面热管容易结焦。径向热管不影响焦炉原有的生产，也存在结焦和焦炉顶部有压力容器带来的安全问题。
荒煤气引出式。将荒煤气通过管道引到焦炉外，再用余热燃烧器定制进行热交换产生蒸汽，换热后的荒煤气再重新经过降温、除焦油再进入后面的净化工序。同样以6m焦炉为例，荒煤气引出后，从692℃降低到250℃，100根上升管可产蒸汽约9.8t，引风机电耗约230KW，设备总投资约800～2000万元。将荒煤气引出，可以有足够的空间回收荒煤气的大部分的显热，但是结焦和运行问题目前会使系统无法长期有效的运转。
分布式余热回收技术——介质浴式
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。
2主体设备
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。
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。
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。
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。
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℃。
5、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。
内容来源：烟气余热利用
焦炉荒煤气是焦煤在结焦过程中挥发份逸出而形成，通常温度为600—800℃左右，其显热占焦炉热支出的约33%左右。为降低焦炉荒煤气温度便于后续焦化工艺处理，传统工艺采用喷氨水急冷的工艺冷却高温荒煤气，使荒煤气急剧降温至80-85℃。该工艺流程不仅浪费了大量的荒煤气显热，而且消耗大量的氨水、又浪费了大量的水资源和电力，增加污水排放。
其中，红焦带出的高温余热目前已通过干熄焦技术予以回收并发电；烟道气排出的低温余热也已采用煤调湿、煤干燥、热管技术予以回收；但对于焦炉顶部上升管排出的800℃荒煤气，其带出的热量在焦炉输出显热中位居第二，该项中温余热是焦炉余热余能回收利用的最后一道亟待攻破的技术难关。
目前关于荒煤气显热利用已经研究了近30年，有水套式、热管式、风媒式、荒煤气引出式、介质浴式等等方法。
水套式。这种方式试验最早，是在原上升管外面包覆一层水套，形式有若干种，利用荒煤气的部分热量产生热水或蒸汽。以6m焦炉为例，每根上升管产0.5MPa蒸汽约79kg/h，荒煤气从692℃降低到606℃，100根上升管可产蒸汽约7.9t/h，强制循环泵功率约30KW，设备总投资约1000～2000多万元。水套式的优点是设备体积较小，不结焦，对焦炉原有工艺没有太大影响，但是焦炉的上升管变成一个压力容器，存在运行时起停不易的限制和泄漏隐患。
风媒式。这种方式是在原上升管外面制造一个风冷却套，其形式也有若干种，将荒煤气的一部分热量吸收产生热风，再将热风引到地面的余热燃烧器定制中产生蒸汽，热风放热后再通过风机循环回上升管中。还是以6m焦炉为例，荒煤气从692℃降低到637℃，100根上升管可产蒸汽约4.5t/h，循环风机电耗约179KW，设备总投资约600～1000万元。风媒的优点是也是对焦炉原有工艺没有太大影响，不结焦，控制方便、安全，但是蒸汽产量比水套式的少约40%。
热管式。热管式有插入式和径向式两种。插入式是将热管插入上升管中，将热量通过热管传递给水使其蒸发；径向式是将上升管做成一个径向热管，吸收荒煤气热量后再传递给水产生蒸汽，径向热管式的蒸汽产量与水套式基本相同。在上升管中插入热管，一方面影响焦炉原有生产条件，另外一方面热管容易结焦。径向热管不影响焦炉原有的生产，也存在结焦和焦炉顶部有压力容器带来的安全问题。
荒煤气引出式。将荒煤气通过管道引到焦炉外，再用余热燃烧器定制进行热交换产生蒸汽，换热后的荒煤气再重新经过降温、除焦油再进入后面的净化工序。同样以6m焦炉为例，荒煤气引出后，从692℃降低到250℃，100根上升管可产蒸汽约9.8t，引风机电耗约230KW，设备总投资约800～2000万元。将荒煤气引出，可以有足够的空间回收荒煤气的大部分的显热，但是结焦和运行问题目前会使系统无法长期有效的运转。
分布式余热回收技术——介质浴式
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。
2主体设备
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。
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。
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。
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。
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℃。
5、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。
内容来源：烟气余热利用
