一种焦炉上升管荒煤气余热回收方法及试验研究

惠建明，杨仕杰，郁鸿凌，耿秋红，毛旸

(中钢设备股份有限公司、北京100080；无锡亿恩科技股份有限公司、江苏省江阴市214413；上海理工大学能源与动力工程学院、上海200093)

摘 要：采用热重分析仪研究了荒煤气中焦油结焦过程，在分析其结焦机理的基础上，设计了采用氮气作为工质及采用螺旋夹套式结构的上升管余热回收方案，并展开传热分析与模拟计算，并进行了焦炉上升管荒煤气余热回收系统与装置的设计和试验，试验结果证明了该方案的可行性，也为以后上升管荒煤气大规模余热回收利用打下基础。

关 键 词：焦炉荒煤气；焦油；结焦；余热回收；试验

焦炉上升管荒煤气带出热占到焦炉输出热量的35％左右[1]，具有相当高的回收利用价值，目前国内外研究了各种焦炉上升管余热回收工艺，也进行了一定的工业尝试，但对于大规模推广应用仍存在诸多问题，特别是荒煤气中焦油冷凝结焦的问题，严重阻碍了余热回收的顺利进行[2]。针对这个难题，笔者从分析焦油的结焦特性入手，探讨荒煤气在热量释放过程中焦油蒸汽结焦的形成过程，并对此设计了一套荒煤气余热回收装置在昆钢焦化厂4．3m焦炉投入试验运行。

1 焦油结焦特性研究

1．1 实验样品

焦油样品采集自昆钢4．3米焦炉上升管。

1．2 实验设备与方法

实验采用美国TA仪器公司生产的TGAQ500热重分析仪，由程序设定升温速率为10℃／min，实验温度从30℃开始，按设定的升温速率加热到960℃。所获数据由热天平自动记录，生成热重曲线(TG)和微商热重曲线(DTG)。取样品量为14．83mg，采用高纯氮气气氛保护焦结反应。

1．3 热重分析结果

图1为热重仪生成的样品焦油在0—1000℃热重曲线(TG)与微商热重曲线(DTG)。样品煤焦油焦结反应可分为3个阶段，第一阶段是从室温至130℃，样品煤焦油中吸附水和挥发分的析出，在110℃DTG有个明显的峰值，但由于失重速率慢，这部分并非主要反应区。第二阶段为130℃至500℃，此过程为缩聚反应，主要逸出气体为CH4，C2H4，反应中伴随着有大量的大分子焦油生成，是焦油焦结反应的主要阶段，在300℃左右失重速率达到最大值，在后期400℃到500℃的区间内，大分子焦油继续脱氢聚合，样品焦油石墨化。第三阶段为500℃至1000℃，此时焦结反应已基本结束，DTG曲线无明显峰值，此过程样品发生轻微的高温裂解，生成产物主要是H2和CO[3]。最终焦结反应后样品残重1．73mg，主要成分为石墨。

结果表明，对于高温析出的重质焦油，400℃至500℃为其主要的焦结反应温度。

2 余热回收方案选择

设计了2套荒煤气余热回收装置，第一种方案为光管式荒煤气余热回收装置，第二种方案为螺旋夹套式荒煤气余热回收装置。

2．1 光管式荒煤气余热回收方案

本方案如图2所示，在上升管靠近内管壁处纵向布置一系列光管受热面，管内工质采用氮气。荒煤气从上升管下部进入，温度大约在700℃左右，通过纵向冲刷管束与管内氮气进行换热。为了确保较好的换热效果，氮气与荒煤气逆向流动换热。换热后的高温氮气由下部离开再做利用，荒煤气的温度下降至500℃左右离开上升管，仍然经氨水喷淋冷却后进入集气管。

本方案优点：采用直管受热面直接布置在荒煤气流道中，换热系数较高，布置较为方便。

本方案缺点：该布置方式改变了荒煤气原有的流动方式，直管璧与上升管内管壁处易发生焦结反应影响换热效果。

2．2 螺旋夹套式荒煤气余热回收装置

本方案如图3所示，拆除上升管内原耐火砖层，在上升管内部套一同心夹套，夹套厚度与原耐火材料厚度相同，夹套内流体通道为螺旋式结构。换热工质氮气在螺旋通道内自上而下流动与上升管内荒煤气逆流换热。高温氮气从下方排出，换热后荒煤气温度仍经氨水喷淋后进入集气管。

本方案优点：不改变荒煤气原有流道结构，焦油的可冷凝附着面较少，避免增加换热面导致的焦结反应加剧；氮气在夹套内螺旋上升，可以使氮气的流程加长，流动时间延长，与换热面接触增多，有利于得到较高温度的氮气；氮气螺旋上升，其流动方向不断改变，在横截面上引起二次环流有利于强化传热。

本方案缺点：改造工艺较为复杂，氮气流速较高，管内压损较大。

综合考虑后确定采用螺旋夹套式荒煤气余热回收装置。

3 热平衡计算

上升管中荒煤气流量与温度随着炼焦周期呈现规律性的变化，图4为在昆钢4．3m焦炉测得在18小时的结焦周期下，荒煤气流量和温度随结焦时间变化趋势图。总体可以分为3个阶段：前期(大约1／3结焦周期)，荒煤气流量由最高值逐渐下降，温度快速上升；中期流量在500Nm3／h波动，温度持续上升；后期(大约1／3结焦周期)流量快速下降至几乎没有荒煤气析出，此时荒煤气温度也从峰值约850℃快速下降。

荒煤气的平均温度采用分区段加权平均法[4]，由下式求得：

式中：

xi——结焦每一小时测得的荒煤气平均温度，℃

yi——结焦每一小时的荒煤气流率

计算得到荒煤气在整个结焦周期内的平均温度为766℃，单个上升管平均流量为492．7Nm3／h，先前的研究工作表明，荒煤气中焦油的析出温度大约在500℃左右，在450℃的温度下将会大量析出，并且400至500℃为其主要焦结反应温度区间，因此取荒煤气出口温度为550℃，分别取螺旋角3°和4°进行热平衡计算，计算结果在表1中罗列。

4 试验装置设计及结果

上升管余热回收装置系统热力系统：从焦炉底部炭化室出来的700℃左右的高温荒煤气由上升管底部进入，通过辐射换热将热量传递至上升管内管壁；低温氮气由厂区高压氮气气源引入，经过截止阀控制流量并且降压，进入上升管螺旋冷却夹套中，由上至下螺旋流动，从上升管内管壁吸收荒煤气辐射热量后，高温氮气底部汇集后排出供后续利用。

由于焦炉生产具有连续不间断的特性，整座焦炉都有严格的推焦周期安排，试验不能影响到焦炉的正常生产运作，故装置采用模块化设计，对上升管直管段进行了重新制作，加入了螺旋夹套层，并重新敷设了保温层，在焦炉推焦间隙，快速方便地完成试验装置的安装并布置好各项测点。

试验测得部分数据如下：

根据现场采集的数据可以得到，试验装置的运行状况与理论计算结果基本吻合。

图5为一个完整推焦周期中，3°螺旋角荒煤气余热回收装置中各项温度指标，其中氮气流量控制在180Nm3／h左右。

从数据上可以看出，氮气出口温度总体维持在320℃左右，与荒煤气温度波动规律有着明显的关联，结焦中前期，氮气出口温度随着荒煤气温度上升而上升，并在中后期达到最高温度，后期由于荒煤气流量的急剧减少，氮气出口温度也相应的下降。试验说明，该装置能够提供温度和流量都较为稳定的高温氮气供后续使用。

在试验设备连续运行一个月后，曾对上升管内壁进行检查，内壁较为光滑，未发现焦油冷凝后结焦的现象。

5 结论

(1)本次研究和试验结果表明，在荒煤气温度不低于500℃的情况下回收其余热，若保持上升管内表面光滑，是能够避免焦油析出粘附在壁面并发生结焦反应的。

(2)采用氮气作为工质来回收荒煤气余热，具有较高的工艺灵活性和安全性：产生的高温氮气，不仅可以使用余热锅炉来产生蒸汽供生产工艺使用，也可以用作干熄焦或者煤调湿的部分热源；若设备在运行中发生泄漏导致氮气进入上升管，将会会进入集气管排出，不会影响下部炭化室的正常工作。

(3)在回收荒煤气余热过程中，在结焦后期或延迟推焦时，荒煤气生成量减少，温度较低，为了避免管壁温度过低导致焦油蒸汽受冷析出发生结焦反应，需适当降低换热工质氮气流量，控制换热后荒煤气温度不低于450℃左右。

参 考 文 献：

[1]   周庆中，王文改．荒煤气显热的回收[J]．煤气与热力，1998，18(1)：18—20．

[2]   小川原文夫(日)等．焦炉荒煤气显热回收装置的发展[J]．国外炼焦化学，1985：(第5期)15—16．

[3]   王连勇，蔡九菊，李明杰等．煤焦油热裂解机理研究[J]．东北大学学报，2010，31(4)：550—554．

[4]   严文福．荒煤气温度的测定与计算．炼焦化学[J]，1984，340—343．