焦化行业余热发电项目效益分析

雷 颖，李 熙

（1.山西大学工程管理系，山西 太原 030013；2.国网山西省综合能源服务有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

炼焦产业是高能耗、高排放和高污染的行业。高能耗、高排放造成了资源的浪费和环境的污染，阻碍了炼焦产业的快速发展。如何最大限度地降低资源能源消耗，减少“废水、废气、废渣”的排放，是焦化行业面临的主要问题。与工业发达国家相比，我国的能源利用率相对较低。日本与美国的能源利用率分别为57%与51%[1]，其他工业发达国家的能源利用率也都在40%以上，而我国仅为30%左右。因此，如何提高能源综合利用程度，如何创新节能减排核心技术，是我国面临的一项重要课题。干熄焦余热发电技术在焦化行业的应用具有明显的节能效果和经济效益，对发展循环经济、提高企业竞争力具有重要意义。

1 国内外应用现状及评述

1.1 项目研究背景

目前，我国是世界上最大的焦炭生产国，2018 年焦炭产量达到4.38 亿t，占世界焦炭总产量的68%[2]。一般情况下，从炼焦炉中出来的高温焦炭有两种处理方法，一种是湿熄焦，另一种是干熄焦。国家发展和改革委员会发布的《产业结构指导目录（2015 年本）》 与《2017 年工业结构调整指导目录》中均将“干熄焦”列入了鼓励类项目。干熄焦技术采用先进、成熟、可靠的工艺，既能减少有害物质的排放，保护环境，又能充分利用红焦炭的显热，节约能源，提高焦炭质量[3]。在各种节能减排技术的利用中，如何实现众多的资源和能源的综合利用，如何科学合理地配用公共工程，创造最大的综合效益，是目前焦化行业转型升级、可持续发展的关键。

1.2 干熄焦技术国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 国外干熄焦技术研究现状及发展趋势

干熄焦技术在国外应用较为广泛，自20 世纪80 年代以来，干熄焦设备主要呈现出高效化与大型化的发展趋势。大型干熄焦装置具有占地面积小、投资和运行费用低、生产操作与维修简便、自动控制水平高、劳动生产率高等优点[4]。比如，德国凯泽斯图尔焦化厂的250 t/h 干熄焦装置[5]，日本相继建成的单套处理能力分别为110 t/h、150 t/h、180 t/h、200 t/h 的大型干熄焦装置[6]。干熄焦装置的大型化促使工艺技术和装备的不断改进，主要的改进措施表现在装入装置改进、实现连续排焦、旋转接焦方式、采用节能措施、锅炉设备改进、提高设备可靠性等方面[7]。

1.2.2 国内干熄焦研究现状及发展趋势

国内许多学者针对干熄焦工艺的应用现状进行了研究。王永林[8]分析了干熄焦技术节能减排效益及国内应用现状，指出干熄焦技术是焦化企业实现节能减排的重要措施之一。洪洲等人[9]指出，干熄焦技术是焦化企业实现节能减排的重要措施之一，在钢铁联合企业应大力推广。周梁[10]认为干熄焦作为焦化行业中代替湿法熄焦的一种工艺技术，在节能、环保、提高焦炭质量等方面均有明显优势。李雪[11]对焦化厂中干熄焦技术应用的节能减排及经济效益效果进行了分析。

此外，近期有许多专家针对干熄焦余热发电的工艺技术开展了研究。黄恩洪与严风涛[12]对济钢应用干熄焦余热发电、烧结带冷机余热发电，开发炼钢余热发电技术的方式进行了研究。陈冠军[13]研究了高炉煤气余压回收透平发电机组发电、干熄焦发电和高炉煤气发电等途径用于解决钢铁用电的重要作用。李云峰与董建山[14]针对利用发电技术的单压高压锅炉配带回热系统的凝汽式汽轮发电机组与双压高压锅炉配不带回热系统的凝汽式汽轮发电机组进行了技术经济比较。杨玖林[15]以钢铁生产过程中的干熄焦工序为研究对象，根据多孔介质传热和场协同理论，对干熄焦余热高效回收进行了理论研究。邓波[16]通过对不同地域项目数据的比较分析，对干熄焦设备、安全、经济性、技术管理等方面的问题进行了归纳。2019 年李启辉[17]针对某焦化厂干熄焦装置产生的余热进行了工艺计算，认为采用干熄焦余热发电经济效益和节能减排效益明显。

1.3 本项目重点研究内容

虽然上述专家学者针对干熄焦工艺及其经济效益做了有益的探索，但是国内针对干熄焦余热发电技术的经济性研究还较少。本文以某焦化有限公司余热发电项目为例，重点分析干熄焦余热发电技术综合利用的可行性，并对其建成后系统的经济性进行分析研究，从而实现资源和能源利用的最大化。

2 项目建设内容

2.1 建设背景

在《山西省焦化产业打好污染防治攻坚战推动转型升级实施方案》 中，鼓励炉龄较长、炉况较差、规模较小的炭化室高度4.3 m 焦炉提前淘汰，在置换焦化产能和建设现代化大焦炉的背景下，山西某焦炭有限公司新建2×56 孔6.25 m 捣固焦炉，并配套建设干熄焦余热发电及焦炉煤气制备液化天然气LNG（liquefied natural gas） 等项目。

该焦炭有限公司主要生产焦炭及后续产品，现有1 座1×72 孔4.3 m 捣固型焦炉，焦化产能为60 万t/a。除此之外，公司原有剩余产能40 万t，经山西省经信委发函确认，同意新建136 万t 焦化工程。为此该公司的焦化产能达到196 万t/a。经考察调研，该公司决定上马2×56 孔6.25 m 捣固型焦炉，拟新建余热发电及焦炉煤气合成甲醇等厂区，涉及众多的资源和能源（如表1 所示）。为了对厂区资源和能源最大化利用，必须先对这些资源进行有效的分类与分析，根据其不同的特点制定相应策略，以实现能耗的综合利用。

表1 厂区现有资源能源分析

2.2 建设条件

a） 充分利用预留建设用地，根据企业现状及装置特点，做到布局合理紧凑，尽量节省用地，节约投资。

b） 充分利用现有公共配套设施，比如自厂区管网引入水、电、风、气等动力介质，最大限度地利用已有设施。

c） 针对各污染源的特点，采取相应的控制措施，按照国家相关环保要求，最大限度地减少对环境的污染。

2.3 建设范围

主要建设范围包括：干熄炉、一次除尘器、余热锅炉、二次除尘器；循环风机、副省煤器、冷焦运输系统、焦粉收集系统、除尘系统、电站系统、循环水及除盐水系统、制氮站、干熄焦主控楼以及配套设施；区域内照明系统；供配电设施；仪表及自动化设施；消防设施；道路；综合管网。

干熄焦10 kV 系统的供电电缆由业主负责接至干熄焦主控楼内；由业主方将电话信号接至干熄焦主控室的电话分线盒。其他能源、动力介质接厂区现有管网，以设计红线外1 m 为界。

3 干熄焦余热发电

3.1 干熄焦余热发电工艺流程

干熄焦技术是将冷的惰性气体通入炉内，与炉中赤热红焦进行热交换。热交换完成的惰性气体将热量传递给锅炉，锅炉再产生蒸汽，而蒸汽或并入厂内蒸汽管网或送去发电，惰性气体可循环利用。

3.2 厂区综合能源利用方案

根据厂区的现有资源能源情况，设计厂区能源利用方案。焦炭年产量136 万t，确定建设一套170 t/h 的干熄焦装置。该干熄焦装置是利用惰性气体，在密闭系统中将红焦熄灭，不仅可以避免环境污染，还可回收红焦的显热，充分利用这部分能量进行发电，降低企业成本；同时，干熄焦余热发电可供厂区或LNG 项目使用，实现厂区能源的综合利用。厂区综合能源利用情况如图1 所示。

经测算，用于除氧器及除盐水加热需低压蒸汽8.25 t/h，如表2 所示。若按年运行8 280 h 计算，则年需要低压蒸汽量为6.831 万t，可最大限度地利用厂区原有低压蒸汽。对于中压过热蒸汽设计采用抽气式汽轮机，根据业主需求设计抽气量，在满足工艺需求的同时，提高能源效率。

图1 厂区综合能源利用示意图

表2 低压蒸汽消耗量

干熄焦余热发电项目主要产品有电、焦粉。干熄焦项目投产后年产焦粉27 200 t，发电量为15 152 万kW·h；干熄焦余热发电工程年自用电量为3 013 万kW·h，扣除自用电后，可向厂区供电12 139 万kW·h。该项目所消耗的能源和耗能折合的标准煤为25 097 t，产出的能源折合的标准煤为68 947.2 t，回收能源为43 850.2 t 标准煤，单位回收能源为32.24 kg 标准煤。

4 结论及建议

a） 本项目符合国家及山西省节能减排、环境保护政策要求，具有很好的社会效益。国务院2017 年出台了《“十三五”节能减排综合工作方案》，强调要提升用能单位的能效水平。山西省积极贯彻落实也相继发布了相关文件。本项目建设的干熄焦生产装置，可以有效地减少对环境的污染，是提升能效水平的一项重要举措，具有很好的社会效益。

b） 余热资源得到合理利用，具有较好的经济效益。本项目投运后一方面可提升焦炭质量，提高高炉生产能力，降低钢铁生产总的成本费用；另一方面能从红焦炭中回收热能产生蒸汽并发电，可提高企业的用电稳定性，从根本上减少企业的用电成本支出，获得较好的经济效益。

c） 项目示范意义较大，具有可复制性。本项目技术成熟可靠，节能效益显著，投资回收期较短，在节能减排、降本增效的大环境下，具有很强的示范作用和推广价值，为以后在焦化项目中推广余热利用工程积累了经验，奠定了成功的案例基础。

本文以干熄焦余热发电项目为例，对焦化行业综合能源利用问题进行了初步探讨。通过分析原厂区现有能源资源情况、能源需求情况等匹配建设干熄焦、LNG 项目，将各个项目、厂区的能源统一化管理，实现能源利用的高效化，经济收益的最大化。