6 m焦炉上升管余热利用技术的应用与实践

张纪民 李洪钧 张汉卿 张化强 张海英 张 俊 高庆华

（安阳钢铁股份有限公司）

6 m焦炉上升管余热利用技术的应用与实践

张纪民 李洪钧 张汉卿 张化强 张海英 张 俊 高庆华

（安阳钢铁股份有限公司）

主要介绍了6 m焦炉上升管余热利用技术的应用目的、工艺原理、工艺流程以及在应用实践中存在的问题，并通过采取有针对性的改造措施，合理高效地利用余热以达到节能增效的目的。

上升管 余热利用 改造 节能增效

0 前言

安钢焦化分公司四炼焦车间6 m焦炉承担着为公司2＃、3＃大高炉提供优质焦炭供应的任务。近年来随着节能技术的不断发展，合理利用焦炉荒煤气的显热，降低荒煤气的温度，既可以节能增效，同时又可以减轻后续化产系统的冷却负荷，有利于提高化产品的产量和收率。经过公司前期研究和方案论证，6 m焦炉决定进行上升管改造，实施上升管余热利用技术，该项目于2017年4月21日更换完所有新型上升管，系统正式投产运行，目前该系统整体运行平稳，节能增效效果明显！

1 应用目的及工艺原理

焦炉生产过程中炼焦煤在焦炉碳化室内被隔绝空气加热干馏生成焦炭，在该过程中同时产生大量荒煤气。这些荒煤气通过上升管、桥管而后进入集气管，再通过鼓风机送入后续化产处理工序［1］。荒煤气温度大约在700℃～850℃，这么高的温度必须经过冷却处理。目前处理工艺是直接用70℃～75℃的氨水大量喷洒来冷却荒煤气，将煤气温度冷却到80℃～85℃左右［2］。荒煤气导出系统如图1所示。

这种冷却工艺造成高温荒煤气带出的650℃～750℃的显热大部分被氨水汽化吸热所带走而无法有效利用，同时也增加了后续系统处理的热负荷［3］。

图1 荒煤气导出系统示意图

为此，在6 m焦炉进行了试验，根据配合煤成分分布比例，通过上升管温度随结焦时间变化呈现的温度分布区间规律，确定荒煤气换热温差，从而来确定上升管余热利用的参数设置。荒煤气是煤在焦炉炭化室温高温干馏的过程中，从焦炉上升管逸出的高温热解产物。荒煤气的组成十分复杂，按大类划分，可分为三部分：水汽、干煤气和杂质。依据炼焦煤的不同荒煤气组成也不相同。其中，影响荒煤气组成的主要因素有：炼焦煤的含水量、煤的挥发分含量、炼焦操作条件等。对焦炉上升管温度进行周期测量，寻找上升管温度与结焦时间之间的函数关系。因上升管温度范围约在600℃～750℃，在换热的理论计算中，实现全部热量余热回收可实现能源回收的最大化。但是上升管内壁温度低于一定值容易附着焦油，造成内壁空间缩小、传热系数降低。在荒煤气的余热回收过程中，当荒煤气被冷却到一定的温度时，荒煤气中的焦油就会在换热界面析出，而且荒煤气冷却温度越低，冷凝在传热界面的焦油量就会越多。我们对上升管进行换热量试验，按照不同换热量进行温度测量、换热系数计算和内壁附着物测定。对换热量及降温点进行试验界定，保证上升管换热后内壁不能有附着物。抽取6 m焦炉的10根上升管，观察测量上升管温度变化与焦油形成的对应关系。经试验研究表明：在荒煤气余热回收过程中荒煤气中的焦油蒸汽受到冷却或遇到冷的换热界面（上升管内壁）冷凝析出，荒煤气冷却温度越低，焦油析出量就越大。当上升管内壁温度为260℃～270℃时，焦油沉积物较多；当内壁温度升到450℃～470℃时，焦油沉积物少且酥松。因此确定荒煤气换热温度不小于450℃，减少焦油冷凝析出量。同时根据配合煤组分调整和结焦时间变化，定期监测荒煤气流量和温度，根据实际情况来规定荒煤气冷却的下限温度，从而对换热介质的流量进行调控，使换热装置尽量在不结焦油沉积物的情况下，尽可能多的回收荒煤气显热，达到余热回收效率最高，实现动态控制焦油附着状况。通过试验确定上升管余热系统的控制参数后，为有效利用荒煤气的显热，我们对上升管进行了更换，使用达到系统参数设置的具有汽化导热装置和固态导热介质的新型上升管，在新型上升管夹套层内以除氧水作为换热介质来回收荒煤气显热，可以将荒煤气温度降低200℃～300℃，有效降低后续煤气处理系统的热负荷；除氧水与高温荒煤气换热后生成汽水混合物，在夹套上部排出通过管道送至汽包，并通过后续处理达标后送往蒸汽主管网供后续用户使用。

2 工艺流程

上升管余热利用系统核心设备新型上升管和汽包全部在焦炉炉顶，其他辅助设施在地面泵房内。其工艺流程如图2所示。

图2 上升管余热利用工艺流程

公司管网供应的除盐水进入除盐水箱，除盐水经过除氧补水泵压入除氧器进行除氧，经过除氧后的除氧水再经汽包补水泵送到1＃、2＃汽包。系统使用的除盐水指标见表1。

表1 除盐水水质控制指标

汽包内的炉水通过强制循环泵分别进入7＃、8＃焦炉上升管换热器进行换热，通过换热装置利用焦炉荒煤气显热加热炉水，上升管换热器出来的汽水混合物通过管道返回汽包进行汽水分离。上部产生的饱和蒸汽一路供给除氧器用于对除盐水除氧，另一路进入上升管过热器进行再次加热生成过热蒸汽，达标后的过热蒸汽通过分气缸后并入蒸汽主管网供后续用户使用。汽包下部的炉水通过强制循环泵再供到上升管中进行循环使用。

3 存在问题及改进措施

上升管余热利用系统自投产运行以来，总体运行平稳，蒸汽产出连续稳定。但在实际生产过程中仍然存在一些问题，为此对其进行了分析和改造。

3.1 所有给水泵增加备用水源

系统所属的所有给水泵都是使用地表水作为冷却水源，没有备用水源，这将给生产造成很大被动，万一地表水停水将造成系统被迫全部停产，影响生产稳定运行和造成设备烧损损坏。为此我们对给水泵的冷却水源进行了改造，增加了一路循环水作为备用水源，在原供水主管上增加了一个供水回路，并单独设立控制阀门可实现单独使用任意水源，这样就可以避免因停水而造成系统的全面停产。

3.2 蒸汽管线改造

系统投产后从过热蒸汽主管至分汽缸的管线上没有设膨胀节，而且两个汽包的连接管线是直管硬连接，这种结构在蒸汽温度和压力出现较大波动时容易应力过大造成管线开裂或拉断。为此我们对这两处进行了改造分别增设了膨胀节和U形管，这样可以减少波动对管线的冲击，有利于提高管线的使用寿命。

3.3 设计工艺改进

上升管余热利用回收生产蒸汽一般为饱和蒸汽，参数为压力0.5 MPa、温度175℃。而我分公司使用的生产用蒸汽为过热蒸汽，参数要求压力0.9 MPa、温度200℃～240℃，显然饱和蒸汽温度低于生产要求，必须要进行改进。为此设计时我们改变了换热流程，采用了分段取热工艺。通过换热热平衡计算，我们将6 m焦炉的110根上升管中用100根生产饱和蒸汽，这100根上升管生产的饱和蒸汽再进入其余10根上升管过热器中换热生产过热蒸汽，以此来满足蒸汽指标要求。通过改进设计工艺，产生的蒸汽压力和温度都能满足生产需要，生产的蒸汽指标见表2。

表2 蒸汽各项指标

3.4 蒸汽回收系统增加应急备用设备

上升管余热利用系统在其他单位应用时每两座焦炉为一个焦炉荒煤气余热回收系统，在设计时，考虑的汽包容积是单位时间生产蒸汽量的1.2～1.3倍。正常生产时完全可以满足蒸汽回收分离要求，因为没有备用汽包，在生产出现特殊情况需要检修汽包或高压容器年检时，只能余热系统整体停止生产，造成余热无法回收，浪费较严重。因此，在工艺设计时我们提出蒸汽回收系统要增加应急备用设备，即实行一炉一包、两包并联互备的工艺运行模式，每座焦炉对应一个可以容纳两个焦炉蒸汽量的汽包，平时并联运行，检修及特殊状况下可以单个汽包对接两座焦炉蒸汽量，实现不停产在线鉴定维修，保证余热蒸汽回收连续稳定。

3.5 工艺设备布置改进

该系统上升管设计时为单一集中供水，单一集中收集汽水混合物的并联联动控制工艺，相对于串联的余热回收模式，回收物料理化状态较稳定。每五个上升管为一组管路，但每组管路没有安装控制阀门，在出现数次蒸汽管道漏汽的情况下，只能整炉停产维修，维修期间蒸汽放散，造成能源回收的浪费。考虑到分组控制有利于区域工艺调控和缩小检修影响面，因此我们在设计时增加了每个小组的进出口控制阀门，可实现区域进出水汽的量化调节，实现区域换热量和温度的调控。

4 运行效果

经过对上升管余热利用系统在设计和生产实践过程中存在问题的改造，系统运行整体稳定顺行，效果明显。在系统168 h性能测试中，吨焦产饱和蒸汽80 kg，达到设计目标值。按6 m焦炉的设计生产能力每年可生产蒸汽约8.8万t，可为公司节能增效1 056万元。不仅具有可观的经济效益，而且上升管余热利用技术的应用降低了上升管的表面温度，改善了操作环境，有效减少了对环境的热污染，也具有很好的社会效益。

［1］ 潘立慧.炼焦技术问答［M］.北京：冶金工业出版社，2007：175.

［2］ 余振东.焦炉生产技术［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，2003：120－146.

［3］ 严文福.焦炉热工测试与调节［M］.北京：冶金工业出版社，1994：118－195.

THE APPLICATION AND PRACTICE OF SURPLUS HEAT UTILIZATION TECHNOLOGY IN 6m COKE OVEN

Zhang Jimin Li Hongjun Zhang Hanqing Zhang Huaqiang Zhang Haiying Zhang Jun Gao Qinghua
（Anyang Lron and Steel Stock Co.， Ltd）

The article mainly introduces the purpose， technical principle， process flow and problem in application prac⁃tice.Through the targeted transformation measures，use the surplus heat utilization realizing the purpose of energy efficiency.

riser surplus heat utilization transformation energy efficiency

：2017—7—16