焦炉上升管余热回收汽水系统水力工况分析

　　摘要：本文主要对焦炉上升管余热回收利用系统的工艺组成与上升管、汽包、除氧器、除氧泵、循环泵的构造及运行后的蒸汽回收、荒煤气温度、上升管筒体温度变化、经济效益、社会效益以及运行过程中问题的改进进行阐述。

　　关键词：焦炉荒煤气;上升管换热器;余热利用

　　引言

　　焦炉荒煤气主要通过喷洒循环氨水(约70℃)将显热带走，而此会造成能量的巨大浪费。焦炉上升管余热回收系统主要利用上升管换热器，将荒煤气余热与热力系统除氧后的低温水换热，得到大量的汽水混合物，经汽包分离器将汽水分离，产生低压饱和或过热蒸汽，既可以提高焦化厂的能源利用率，也可带来可观的经济效益。因为焦炉上升管余热回收系统炉顶上升管换热器很多，水力平衡较为复杂，若采用汽水简单回路，容易造成水力失调等严重现象。

　　近日，国内某工程6.78m捣固焦炉上升管余热回收项目顺利竣工投产，其采用了“一拖二”汽、水系统复杂回路布置，即“一级进水+二级出汽”方式。本文结合该工程焦炉上升管余热回收工程的现场运行数据，对其汽水系统进行水力工况分析，研究其系统回路水力平衡性。

　　1荒煤气余热利用技术简介

　　荒煤气余热利用技术是对于占焦炉支出热的36%的中温余热进行利用的技术。利用上升管换热器回收荒煤气中的余热加热水，从换热装置出来的汽水混合物通过汽包进行汽水分离，产生蒸汽产品。作为钢铁企业中的一个重要生产工序，焦炉生产过程中能源消耗占钢铁总能耗的7%～8%，焦化过程中每吨焦有50千克标煤可以进行回收利用。上升管荒煤气余热在焦炉生产中热量支出排第二位，该余热资源进行回收后，可产生低压饱和蒸汽11.45万吨/a，同时，可节约氨水用电量96×104kWh/a。

　　目前，国内已经有多家焦化厂采用了上升管荒煤气余热利用技术，河北某大型钢铁企业焦化厂2x45孔6米焦炉采用上升管荒煤气余热利用技术生产压力0.8MPa，温度175℃的饱和蒸汽供厂区自用;江西某钢铁焦化厂2x63孔6米焦炉采用上升管荒煤气余热利用技术后，产生0.5~0.7MPa饱和蒸汽进行蒸汽并网;河南某焦化2x55孔6米焦炉采用上升管荒煤气余热利用技术生产过热蒸汽，每年可可产蒸汽约8.8万吨。除此之外，还有多家焦化厂正在进行改造，上升管荒煤气余热利用技术已经成为一种相对成熟的技术，应用到实际生产中也达到了很好的效果。

　　2上升管分组及汽、水系统布置

　　2.1上升管分组

　　焦炉荒煤气温度很高，通常介于450～850℃，焦炉装煤推焦时荒煤气温度是变量。装煤初始时刻荒煤气温度较高，可达1000℃左右，推焦阶段荒煤气温度下降至450℃左右，由此可以看出焦炉的推焦串序对焦炉炉顶上升管产汽有一定影响。焦炉串序通常表示为m-n串序，其中m代表焦炉所有炭化室划分的组数(签号)，即相邻2次推焦间隔的炉孔数;n代表2趟签号对应炭化室相隔的炉孔数，生产上常用的串序有9-2串序、5-2串序、2-1串序等。该工程6.78m捣固焦炉采用5-2串序，即按照1#、6#、11#等依次推焦和上一炭化室的平煤。

　　为保证每次推焦产生的荒煤气温度变化对上升管产汽的影响较为均衡，采用5个上升管为1组的汽化系统分组方法，保证每组上升管在1个时间序列有1孔炭化室处于推焦状态。该工程采用2×62孔捣固焦炉，将每座焦炉分为5×10+6×2组，共计12组，这样的上升管分组可以尽最大可能保证进水、产汽的均衡性。图2为上升管汽、水系统分组及布置情况。

　　2.2汽包部分由汽包本体、放散消音器、定期排污扩容器、汽水取样器、循环泵和给水泵等设备组成额定蒸发量为18t/h，在30%～110%负荷范围内运行时，可根据实际焦炉运行进行调节并保证能达到额定设计参数。为利于汽包的热效率，汽包及上升管和下降管均采用保温设计。对于汽包本体，汽水混合物通过横向布置的管座进入汽包，在汽包内部，汽水混合物受到挡板阻隔折流以利于水位的稳定并使汽水更好地进行分离，饱和蒸汽由汽包上部的管座引出汽包，为了最大程度上获得干燥的饱和蒸汽，在出口管子前的蒸汽空间装有一只汽水分离器，以分离蒸汽中剩余的水分，循环水通过汽包底部的下降管管座流出。

　　2.3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，恒壁温焦炉上升管荒煤气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。

　　2.4汽水系统

　　接自除盐水站的除盐水，通过除氧水泵将除盐水送入热力除氧器进行除氧，然后通过汽包给水泵将水送入汽包。水在汽包与上升管余热回收利用装置之间通过强制循环泵进行强制循环换热，之后进入汽包，在汽包内进行汽水分离，蒸汽从汽包输出，输送到厂区蒸汽管网，水继续循环进入上升管余热回收利用装置进行再次热交换。汽水系统设置两台汽包，一备一用;四台强制循环泵，两用两备。此外，每套汽水系统需设置三台取样冷却器，分别用于汽包水取样、除氧水取样和饱和蒸汽取样。

　　结语

　　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恒壁温焦炉上升管荒煤气余热回收技术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。

　　参考文献：

　　[1]张欣欣，张安强，冯研卉等.焦炉能耗分析与余热利用技术[J].钢铁，2012，47(8):1-4，12.

　　[2]孙宝东，线葵娟，李明珠.炼焦余热资源回收利用技术研究[J].冶金能源，2015，34(5):24-27.

　　[3]曹先常，程乐意，刘咏梅.焦炉荒煤气显热回收现状分析及试验研究[J].冶金能源，2017，36(1):11-13.

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