焦化冷却水低品质余热的回收利用

刘　亮，张顺贤（山钢股份济南分公司，山东济南250101）



焦化冷却水低品质余热的回收利用

刘亮，张顺贤
（山钢股份济南分公司，山东济南250101）

摘要：通过对初冷器余热回收利用装置的升级改造，开发新型蒸汽、热水两用型制冷、采暖双工况吸收式热泵机组，引进横流式冷却塔技术，改造原中温水回水工艺管道等措施，实现了辅以蒸汽为热源回收中温工艺冷却水低品质余热来加热采暖水的目的，扩大了采暖供热面积，降低了系统蒸汽、新水消耗和药剂投加量，单个采暖季可产生直接效益2 126万元。

关键词：焦化冷却水；回收利用；低品位余热；工艺冷却水

1　前　言

随着热泵技术日趋成熟，为有效缓解日愈严重的能源危机和环境压力，余热回收和有效利用技术得到飞跃式发展，工序内部余热的合理回收利用及热量耦合技术已成为各焦化企业节能降耗关键措施之一。考虑到回收成本，目前高、中品位余热源利用率较高，低品位余热源尤其60℃以下余热源受余热回收技术等因素的影响，回收利用率较低。2013年山钢股份济南分公司化工厂在初冷器余热回收基础上开发了以蒸汽型热泵机组回收焦化工艺冷却水余热用于加热采暖水的技术，通过回收利用工艺冷却水回水余热来加热采暖水。

2　工艺简介及存在问题

2.1中温工艺冷却水系统

山钢股份济南分公司拥有4座JN60-6型顶装焦炉和3座JN43-804型捣鼓焦炉，年焦炭产量390 万t，根据焦炉、焦炉煤气净化回收及煤焦油深加工生产工艺需要，配套3套工艺冷却水系统，每套系统又分为中温工艺冷却水和低温工艺冷却水（包括制冷机冷却水冷却系统）两个独立的冷却子系统。中温工艺冷却水主要用户为焦炉煤气初冷器中温段、焦炉煤气终冷器一段、洗苯贫油一段换热器、剩余氨水蒸氨工段全凝器和废水换热器、焦油加工工段酚油、蒽油冷却器等；3套中温冷却水总循环量13 150 m3/h，其回水采用开式冷却塔降温技术，降温冷却流程为：中温水泵将中温水池中28～32℃冷却水外供中温水用户，与被冷却介质换热升温至40～50℃后再通过凉水塔进行冷却降温，冷却降温后返回中温水池循环使用，根据中温水池液位，不定期补充新水。工艺流程见图1。

图1　焦化中温工艺冷却水工艺流程

2.2初冷器余热利用工艺

焦炉来78～85℃荒煤气首先在三段式横管初冷器上段与冷却水换热，换热后冷却水温达70～75℃。冬季，在北方地区该热水大多用于供暖，水温降至65℃左右后回系统循环冷却煤气使用；夏季，初冷器上段70～75℃的循环热水直接引入余热制冷机作为驱动热源，加热溴化锂产生冷剂蒸汽，机组制取16～18℃低温水，用热后63～68℃左右余热水返回初冷器上段循环冷却煤气，生产的16～18℃低温水送至初冷器下段冷却煤气［1］，吸收煤气释放的热量后，低温水温度升高至23～25℃再返回机组冷却后循环使用。工艺流程见图2。

图2　初冷器余热利用工艺流程

2.3工艺系统存在问题分析

1）中温冷却水回水余热未得到有效利用。以年产焦炭120万t为例，中温工艺冷却水循环量在9 000 m3/h左右，系统总回水温度40～50℃，系统回水余热经凉水架将热量散失到大气中，既造成了能源的浪费，又增加了水耗。

2）风吹损失和蒸发损失较大。系统回水在通过凉水塔冷却降温过程中，系统蒸发损失和风吹损失较大。以9 000 m3/h循环量为例，风吹损失约31.5 m3/h，蒸发损失约62.82 m3/h。

3）外物进入严重。开式冷却降温工艺中，冷却塔受阳光照射、风吹雨淋、灰尘杂物进入等因素影响，系统难免存在沉积物附着、设备腐蚀和微生物滋生等问题，影响系统稳定运行。

4）随外供取暖面积的增加，原焦炉煤气除冷器上段换热制取的热水量难以满足市场需求，每年需要消耗大量高品位能源（低压蒸汽）加热采暖热水。

5）初冷器余热利用设施仅在夏季使用，设备利用率偏低。

3　工艺优化改进措施

3.1实现两系统间的热量优化和耦合

在原初冷器上段余热利用基础上，结合周边采暖需求情况，对原中温工艺冷却水冷却工艺、初冷器上段余热工艺利用重新进行了热量衡算和匹配，平衡双效热泵机组效率及投入产出比，确定合理的热水温度、流量等参数，实现了原互不相关的两个系统的热量优化和耦合，最大限度回收余热。

3.2研发双工况吸收式双效热泵机组

将超低温驱动制冷与新兴热泵两种新兴技术同体，与能源管理有限公司合作研发了集利用初冷器73℃热水制冷的超低温驱动制冷机和回收40～45℃中温回水余热的热泵于一体的蒸汽、热水两用型双效热泵机组：夏季，用初冷器上段采暖水驱动余热制冷机生产低温水；冬季，在原来供暖的基础上，将余热制冷机作为热泵使用，回收中温工艺冷却水回水余热用于加热采暖水，扩大供暖面积，实现了初冷器余热回收利用设施的全年运行。

3.3引进横流式冷却塔技术

双效热泵机组的冷却水系统采用了先进的横流式节水型冷却塔技术，漂水率仅有0.001%，降低水耗，提高资源利用率。

3.4改造原中温水回水工艺管道

在中温水回水管道上增设三通阀和部分工艺管道。冬季，通过三通阀切换，40～50℃中温水回水进蒸汽型热泵机组，换热降温后进入中温水池或再通过冷却塔继续降温冷却至28～32℃。

3.5增设蒸汽管路及回收管道

在原除冷器余热利用机房，增设DN200蒸汽管路及蒸汽冷凝水回收管道。改造后，在冬季，通过切换中温水回水管道三通阀和蒸汽管道法门，将蒸汽和中温水回水引入蒸汽型热泵机组，将余热制冷机用作一类热泵，回收40～50℃中温水回水余热加热采暖水，并根据机组出水温度，以蒸汽为辅助能源，进一步提高采暖水温度，扩大供暖面积。工作过程为：在蒸汽型热泵机组内蒸汽加热溴化锂溶液至沸腾，产生温度、压力较高的冷剂蒸汽，与采暖循环水换热后变为冷剂水，采暖水被加热，冷剂水借助于中温段余热水的热量在低压状态下蒸发，蒸发后的冷剂蒸汽被溴化锂溶液吸收，再进行循环，吸收过程中的热量也被采暖循环水吸收，加热至80℃以上的采暖水回外供采暖水管道。换热降温后的中温水返回中温水池或进入冷却塔降温后循环使用。其工艺流程如图3所示。

图3　工艺冷却水低品质余热回收利用工艺流程

4　效益分析

4.1直接效益

1）降低蒸汽消耗。以进入蒸汽型热泵机组中温水回水流量9 000 m3/h为例，中温水温度平均由45℃降至41℃，回收中温水余热15.1×107kJ/h，相当于节约蒸汽消耗57.6 t/h。若蒸汽价格120元/t、采暖季120 d计，则每个采暖季降成本约1 991万元。

2）降低新水消耗。改造后，中温循环水实现了闭路循环，降低了凉水架的蒸发损失和飘水损失。以9 000 m3/h循环量为例，降低蒸发损失和飘水损失约94.32 m3/h，新水单价5元/m3计，每采暖季降成本135.8万元。

则每个采暖季产生的直接收益约2 126万元。

4.2间接经济效益

改造后，中温循环水实现了闭路循环，蒸发损失、飘水损失等造成的浓缩蒸发程度大为减少，此外泥沙、氧气等物质进入机会明显降低，由于浊度、电导率等指标超标强行排污次数降低，减少了系统药剂损失，降低了药剂投加费用和排污水收费。

5　结语

项目改造于2013年10月竣工投运，设备安全运行，增加供热能力，降低了凉水塔冷却过程的蒸发和飘水损失，实现全年蒸汽、热水两用型制冷、采暖双工况连续运行模式，同时降低系统蒸汽消耗、新水消耗和药剂投加量，减排废水、CO2和SO2，每个采暖季产生的直接效益约2 126.8万元。该技术是焦化行业低碳绿色转型发展的新技术，已获国家发明专利授权（专利号为ZL201210454910.8）。

参考文献：

［1］杨勇，张丕祥，张琼芳.除冷器循环水余热的回收利用［J］.冶金动力，2014（2）：15-16.

Practice of Recycling and Utilization of Low Quality Waste Heat of Cooling Water in Coking Process

LIU Liang, ZHANG Shunxian
（Jinan Company of Shandong Iron and Steel Co., Ltd., Jinan 250101, China）

Abstrraacctt:: TImprovement of the recovery and utilization of waste heat in the primary cooler was taken. The new type of steam, hot water dual-use refrigeration and the heating double working conditions of absorption type heat pump unit were developed. The cross flow cooling tower technology, transformation of the original water and water back pipe and other measures were introduced. The purpose of the water temperature process cooling water with low quality of heat and water for heating were realized. So the heating area was expanded, the steam, the new water consumption and dosage of the medicine can be reduced. The single heating season can produce direct benefits 21 260 000 Yuan.

Key worrddss:: recycling; low grade waste heat; process cooling water

作者简介：刘亮，男，1978年生，2004年毕业于重庆大学化学工程与工艺专业。现为山钢股份济南分公司化工厂化工研究所工程师，从事焦炉煤气净化与回收技术管理工作。

收稿日期：2015-02-13

中图分类号：X784

文献标识码：B

文章编号：1004-4620（2015）06-0053-03