焦炉余热余能回收利用

张建，樊永在

(内蒙古包钢钢联股份有限公司焦化厂，包头014010)

摘 要：焦化产业作为高能耗、高污染的产业，具有巨大的节能减排潜力。本文根据国内外大中型焦炉热工评定分析的结论，表明了焦炉余热余能的基本情况，并阐述了现阶段焦炉余热余能回收利用的现状，以推动焦化行业节能减排的重要性和紧迫性。

关 键 词：焦炉余热；干熄焦；煤调湿；热管锅炉；回收利用

“十一五”期间，为了满足持续发展的钢铁工业对焦炭和焦炉煤气的需求，我国焦化行业也得到了史无前例的高速发展[1]，而中国政府向世界承诺到2020年前单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40％—45％的目标[2]，为实现该目标国家对焦化企业的管控也日益严格。面对焦化行业高耗能、高污染的现状，如何做好炼焦生产过程余热余能的开发和利用是当今焦化行业节能减排的重要途径。

1 焦炉余热佘能分析[3-4]

根据国内外大中型焦炉热工评定分析研究表明，从焦炉炭化室推出的950~1050℃红焦带出的显热(高温余热)占焦炉支出热约37．52％。目前大多数焦化企业(尤其是独立的焦化企业)都采用传统的湿法熄焦技术，即用水直接喷洒红热焦炭的方式进行熄焦，这种熄焦方式不但使红焦携带的显热无法回收，也造成能源严重浪费，而且在熄焦过程中产生大量的废水、废气，大气污染非常严重。

650～700℃的荒煤气带出热(中温余热)占焦炉支出热约33．76％。其中，水分带出的热量占焦炉煤气支出热约51．84％。目前普遍的做法是：先在桥管和集气管喷洒循环氨水与荒煤气直接接触，靠循环氨水大量气化，使荒煤气急剧降温至80～85℃；降温后的荒煤气在初冷器中再用冷却水间接冷却至25℃，氨水经冷却和除焦油后循环使用。在该工艺过程中，荒煤气中所含有的大量热能在与氨水热交换过程中被冷却氨水带走，冷却后的氨水通过蒸发脱氨而后排放，在消耗大量氨水增加生产成本的同时，荒煤气余热资源无法回收而损失掉。因此，荒煤气带出显热的回收，对焦化厂节能降耗提高经济效益具有非常重要的作用。

260℃焦炉烟道废气带出热(低温余热)占焦炉支出热约18．15％(含不完全燃烧的损失热量)，由烟囱排入大气。

炉体表面热损失占焦炉支出热约9．87％，其大小与结焦时间、炼焦炉结构、加热制度、季节以及气候条件等有关。

2 焦炉余热余能回收利用技术

2．1 红焦显热回收技术[5-6]

目前，回收红焦显热最为成熟的技术就是干法熄焦技术。所谓干熄焦，是相对湿熄焦而言的，是指采用惰性气体将红焦降温冷却的一种熄焦方法。通常CDQ是焦炭干法熄焦的简称，Coke Dry Quenching。

在干熄焦过程中，1000℃的红焦从干熄炉顶部装入，130℃的低温隋性循环气体由循环风机鼓入干熄炉冷却段红焦层内，吸收红焦显热，冷却后的焦炭(低于200℃)从干熄炉底部排出，从干熄炉环形烟道出来的高温惰性气体流经干熄焦锅炉进行热交换，锅炉产生蒸汽，冷却后的惰性气体由循环风机重新鼓入干熄炉，惰性气体在封闭的系统内循环使用。其中，生产的蒸汽可以直接并蒸汽管网，也可以推动汽轮发电机进行发电。具体工艺见图1。

因为每炼1kg焦耗热约750～800kcal，而湿熄焦浪费的热量可达355kcal。干熄焦避免了上述的缺点，它吸收红焦的80％左右的热量使之产生蒸汽。每干熄1吨焦炭可产生420~450kg，450℃，4．6MPa的中压蒸汽(蒸汽压力根据各厂实际而定)，实际上还要高一些。同时，干熄焦也可以改善焦炭质量，改善生产操作环境，并减少对环境的污染。

2．2 荒煤气余热利用技术

离开焦炉炭化室的650～700℃荒煤气所带出的显热占焦炉输出热约33．76%，与红焦带出的显热相当，余热回收利用的潜力巨大[7][8]。

“十一五”期间，国内外许多焦化企业积极研发焦炉荒煤气余热回收及利用技术。具体情况及相关的开发研究见以下介绍：

(1)国内某钢铁企业焦化厂将5个上升管做成夹套管，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，具体流程见图2。

(2)焦炉上升管采用热管回收荒煤气带出的显热。宝钢梅山钢铁公司炼焦厂已完成了设计，并在其4．3m焦炉上进行了试验。荒煤气温度被降低至500℃左右去桥管、集气管，而每个上升管可回收1．6MPa蒸汽66kg／h。

(3)用锅炉回收荒煤气带出的显热。将上升管出来700℃左右的荒煤气直接经过锅炉冷却至300～500℃，锅炉水吸收热量生产蒸汽，具体工艺见图3。目前，该技术正在设计和试验阶段。

(4)用半导体温差发电技术回收上升管余热。无锡焦化厂在其4．3m焦炉上进行了试验，每根上升管的发电功率可达500W，具体工艺见图4。

(5)荒煤气余热微流态回收技术。武汉平煤武钢焦化有限公司采用高效微流态传热材料作换热介质进行了上升管余热回收试验。冷水通过由高效微流态传热材料制作的上升管特殊结构水套管生产蒸汽，蒸汽经汽包缓冲后供工业使用。

(6)高温荒煤气直接热裂解或重整。

上世纪90年代，德国人提出生产两种产品——焦炭和还原性气体的焦化厂。即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(650℃～700℃)和夹带的水份，直接鼓入纯氧，发生高温裂解和转化反应，

重整生成合成气有其优点也有其不足。优点是：节能；可大幅度提高H2、CO成份和调整H2与CO的比例；不产生焦油等副产品，可大大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，等于失去许多宝贵的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(简称JCOAL)在焦炉旁安装一个COG重整装置，在1200～1250℃高温下对COG进行重整，生成合成气。目前已在日本三井矿山焦化厂的焦炉间台进行一孔炭化室无催化转化技术实验。正在建设三孔炭化室试验装置。

(7)利用初冷器回收82～85℃的荒煤气的余热[9]。

在北方的冬季可用初冷器一段水进行采暖。在夏季也可用初冷器一段热循环水制冷，所得的低温水直接用于初冷器三段制冷。还有的在初冷器一段直接用80～85℃的荒煤气加热真空碳酸钾法脱硫废液，用热废液闪蒸的蒸汽再生脱硫液。生产实践表明：一个200万吨／年的焦炉厂有效利用初冷器一段进行余热回收利用，可节约蒸汽为26万吨／年相当于回收25％荒煤气带出的余热。

迄今为止，荒煤气的余热回收利用中，只有80～85℃的荒煤气余热被普遍利用，而650～700℃荒煤气的余热利用仍在开发和试验阶段，并没有广泛的工业应用。因此，在今后的节能技术发展中，应该：支持荒煤气余热回收和利用技术的研发调试、改进完善、总结比较，选择最优方法；推动最优方法尽快工业化，总结经验，建立示范装置，加以推广普及。

2．3 烟道废气余热回收利用技术

2．3．1 流化床煤调湿技术[10]

“煤调湿”(CMC)是“装炉煤水分控制工艺”(coal moisture control process)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％左右，然后装炉炼焦的一种煤预处理工艺。

煤调湿与煤预热和煤干燥不同，煤预热是将入炉煤在装炉前用热载体(气体或固体)快速加热到热分解开始前温度(150～250℃)，此时煤水分为零，然后装炉炼焦；煤干燥没有严格水分控制措施。而煤调湿有严格水分控制措施，能够确保装炉煤水分稳定。

目前，世界上已拥有的煤调湿技术大致分为三类：1)最早的第一代煤调湿技术是采用导热油干燥煤。此法流程复杂，设备庞大，操作环节多，投资较高，现已很少建设。我国重钢曾装备过这样的煤调湿装置，但因种种原因只断断续续地运行了1年多就停产至今。2)第二代煤调湿技术使用蒸汽干燥煤料。利用低压蒸汽作为热源，在蒸汽多管回转式干燥机中，蒸汽对煤料间接加热干燥。该工艺也是目前世界上采用最多的煤调湿工艺，我国宝钢、太钢及攀钢的煤调湿均采用这种工艺，有成熟可靠的操作经验，其设备紧凑、占地面积小、运转平稳、操作运行费用低。但蒸汽多管回转式干燥机结构复杂，加工设计难度大，一次性投资大。3)流化床煤调湿技术，也被称为第三代煤调湿技术。以温度为180～230℃的焦炉烟道废气为干燥热源，通过流化床干燥机将装炉煤进行直接加热干燥。

以焦炉烟气为热源，采用对流传热比传导、辐射传热系数高几十至几百倍，使低品位焦化烟气余热得到匹配利用，提高焦炭质量，减少焦化废水产生量。其技术成熟可靠，工艺流程简单，操作方便，运行安全，节能效果好，非常适合中国焦化厂的新厂建设和老厂改造，具有较好的市场前景，将成为中国焦化工业重点开发和推广的技术之一。

经过多年的生产实践证明，煤调湿技术具有降低炼焦耗热量、节约能源，提高焦炉生产能力，改善焦炭质量，扩大炼焦煤资源，减少氨水的处理量等等多重的经济和社会效益。但也需注意以下几个问题：

1)粗焦油含渣量增加2～3倍，必须设置三相超级离心机来保证焦油质量；2)炭化室炉墙和上升管积结石墨增加，必须设置除石墨设施，保正常生产；3)煤料调湿后导致送煤系统粉尘量增加1．5倍，应加强运煤系统的严密性和除尘设施。

2．3．2 热管余热锅炉技术

“热管”就是一种高效传热元件，是1963年美国Los Alamos国家实验室的GM．Grover发明的，其导热能力超过任何已知金属。最初“热管”主要应用在宇航、军工领域，1980年后开始应用于为工业领域。

热管余热锅炉技术具有极高的传热性能、优良的等温性和热流密度可调性。换热两流体均走管外，可以翅片化以强化传热。其单管作业性强，由热管组成的换热设备单根热管损坏对设备的换热影响不大，即使部分热管损坏也不会影响的正常运行。热管与换热器单支点焊接，避免由热胀冷缩造成的应力破损。因此，热管特别适用于高、中、低温和高粉尘废气余热回收，以及具有一定腐蚀性废气的余热回收，尤其适用低温差换热，多用在回收150℃以上的废气余热。

焦炉烟道废气余热回收利用在国内已是成熟技术。具体方案是：在焦炉烟气出口的主烟道上开一个烟道口，同时在主烟道设置一台翻板式闸板阀，在新开的烟道口用管道将管道口和余热锅炉的进气口连接，并在进余热锅炉前再设置一台翻板式闸板阀，最后在出余热锅炉的管道上再设置一台闸板阀。运行时，将锅炉进口前的闸板阀打开，主烟道上的闸板阀关闭，通过引风机的作用，将烟气引至锅炉，同时将除盐水引入锅炉水侧，通过换热，产生蒸汽供生产和生活使用。具体工艺见图5。

对于在改造的取风管，通过电气控制取风管上的电动蝶阀的开启和关闭，可使余热锅炉项目处于工作模式或检修模式。当余热锅炉项目处于工作模式时，即打开锅炉进口处和出口处闸板阀，关闭主烟道闸板阀使焦化炉中的高温废气被送入余热锅炉；当余热锅炉项目处于检修模式时，即关闭锅炉进口处和出口处闸板阀，打开主烟道闸板阀，则焦化炉高温废气经烟囱排入大气。

随着近几年来低温余热回收技术的突飞猛进，钢铁、焦化行业的余热回收项目造价大幅度降低，同时余热回收效率大幅度提高。国内焦炉烟道废气回收利用的生产实践表明，焦炉烟道废气(230—280℃)经旁路烟道、余热锅炉、引风机、烟囱排空，可产生0．8MPa、170℃蒸汽并网，其蒸气产量为90～110kg／吨焦。

2．4 炉体表面热损的改善

炉体表面的热损虽热占的比例较小，但也是最难回收利用和控制的。在现代焦炉技术的发展中，可以通过加强蓄热室封墙的隔热与严密性，采用隔热结构的装煤孔盖、炉门等措施，以减少炉体表面的散热损失。

3 结术语

近几年来，随着国内焦化行业的高速发展和产能过剩，则面临着调整结构、转变发展方式的重大历史任务。大力发展干熄焦技术回收红焦显热，以节约能源、提高焦炭质量，同时生产操作改善环境；加大荒煤气余热利用技术的研发调试、改进完善和总结，尽快实现荒煤气余热利用的工业化推广普及；加快以焦炉烟道废气为热源的煤调湿技术和热管余热锅炉技术，实现焦炉烟道废气的科学高效利用。以“技术创新为动力，建设资源节约、环境友好的绿色焦化厂”为理念，推动焦化产业节能减排的进步，实现焦化行业由大到强、到精的转变，这也是国家战略转型的需要，是经济可持续发展的需要，是低碳社会发展的需要。

参 考 文 献：

[1]   于振东，郑文华．“十一五”高速发展与“十二五”节能减排[C]．第五届(2011年)干熄焦技术年会论文集．鞍山：中冶焦耐工程技术有限公司，2011．

[2]   张红育．焦化厂焦炉余热利用生产实践[J]．科技与企业，2012，12(下)：106．

[3]   张欣欣，张安强，冯妍卉等．焦炉能耗分析与余热利用技术[J]．钢铁，2012，47(8)：2．

[4]   严文福，郑明东．焦炉加热调节与节能[M]．合肥：合肥工业大学出版社．2005：107—145．

[5]   潘立慧，魏松波．干熄焦技术[M]．北京：冶金工业出版社．2005：6—13．

[6]   潘立慧，魏松波．炼焦新技术[M]．北京：冶金工业出版社．2006：213—216．

[7]   孙业新．焦炉荒煤气余热回收技术概述[J]．莱钢科技，2011，(1)：5，

[8]   张宇晨，孙业新．焦炉上升管荒煤气显热回收技术探讨[J]．冶金能源，2011，30(3)：46．

[9]   胡新亮．焦炉煤气初冷系统余热利用[J]．节能与环保，2007(1)：40．

[10]   于振东，郑文华．现代焦化生产技术手册[M]．北京：冶金工业出版社．2010：56—62．