摘要：本文总结了焦炉上升管余热回收技术的发展历程及各企业研发过程中遇到的突出问题。对新型的焦化上升管余热回收装置，进行了工艺介绍和设备特点分析。并结合实际施工及运行中出现的问题，进行了一定程度的改进和完善，指出合理应用这一新技术，是实现可持续发展和低碳发展的有效途径。
关键词：余热回收 焦炉 上升管 荒煤气 显热利用
前言
焦化行业要坚持绿色发展，有效降低能耗、物耗和污染物排放量，进一步发展循环经济，重点是加强节能环保关键技术、工艺、装备研发和推广应用，构建高效、清洁、低碳、循环的绿色发展体系。在干熄焦工艺发展日益成熟，赤热焦余热基本全部回收利用的情况下，荒煤气余热回收利用越来越被焦化行业所重视。高温荒煤气有着巨大节能潜力，对其余热回收利用经济效益显著。
根据国内外大中型焦炉热工评定分析研究表明，焦炉热量支出表如下：
通过理论计算和各种试验数据表明，吨焦产生的荒煤气余热回收后可产生中压蒸汽约110~120Kg。2018年我国生产焦炭4.4亿吨，如果该部分热量全部回收利用，则可回收4940万吨低压饱和蒸汽，折合标煤450万吨，年可减排二氧化碳1170万吨，二氧化硫10.8万吨，氮氧化物3.2万吨，经济效益和社会效益显著。
焦化上升管余热利用技术研发历程
通过对近年来荒煤气余热回收技术研发情况的研究分析表明：荒煤气余热利用技术主要有三种研究方向：分布式显热回收技术、集中式显热回收技术、间接利用式显热回收技术。
1、分布式显热回收技术方向，主要包括5种工艺方式。
（1）水夹套汽化冷却方式回收余热
20世纪70年代，国内首次采用上升管汽化冷却技术，夹套式结构，下部通入软水，上部产生低压饱和蒸汽（0.4~0.7Mpa）,荒煤气温度降到450~500℃。到80年代已有近30座焦炉使用。但都因管内结焦、高温腐蚀或材料受热变形，甚至个别出现爆管事故等原因宣告失败。
（2）用导热油回收荒煤气余热
1982年，日本新日铁公司开发了利用导热油—联苯醚回收回收荒煤气显热技术，但无后续报道。2006年济钢和济南冶金设备公司在济钢6米焦炉的5个上升管做导热油夹套管回收热量的试验。即将上升管做成夹套管，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。实验取得阶段性成功，但因导热油长期高温情况下会发生热变质、潜在泄漏污染较大等原因未继续进行生产应用。
（3）用热管回收荒煤气余热
2007年12月，宝钢梅山钢铁公司炼焦厂与南京圣诺热管公司在其即将停产的4.3米焦炉上，实验用热管回收荒煤气的带出热，将荒煤气从750℃冷却至500℃，结果是每个上升管可回收1.6MPa蒸汽66kg／h。整个焦炉回收的热量每年约产1.6MPa的蒸汽 3．5万余吨，预计18个月内即可回收设备投资。实验取得阶段性成功，但长期运行后因热管换热面出现析焦或循环取热介质高温段发生氢解反应导致换热效果下降，未继续进行推广使用。
（4）平煤武钢荒煤气余热微流态回收技术
武汉平煤武钢联合焦化有限责任公司承担“炼焦荒煤气显热利用关键技术创新及产业化示范工程”科研课题。他们首先在一个上升管进行用水套管回收上升管余热的试验。研发出低热应力的换热结构、高导热耐腐蚀的上升管内衬材料及高效导热介质材料。试验数据表明，单个上升管可回收0.6MPa、161℃的蒸汽1.58kg/h。2011年12月中试获得成功后，在武钢8号焦炉55个上升管进行工业化试验，其荒煤气余热回收效率达到32％，吨焦可降低炼焦工序能耗10kg 标煤。2012年2月，蒸汽并网运行。但是在运行8个月后，因种种原因出现变形问题。
（5）用半导体差压发电技术回收荒煤气余热
中冶焦耐、无锡焦化有限公司和无锡明惠通科技有限公司于 2010年1月，在无锡焦化厂JN43—80型42孔焦炉的一个上升管上，进行了用半导体温差发电技术回收上升管余热的试验。取消传统上升管内衬砖，在上升管外壁安装半导体温差发电模块。试验历时72个小时，涵盖3个完整的结焦周期，获取了温度、电压、电流、流量等2700多个数据。试验结果是：单根上升管回收的热能可发电500W，同时每小时可提供 98℃的热水400kg。接着直接在靖江焦化厂60孔新建焦炉上进行全炉试验。2011年初投产后，因半导体发电系统冷却器漏水等问题而失败。
2、集中式显热回收技术——荒煤气引出集中用余热锅炉回收
2010年，济钢和中冶焦耐在济钢5号4.3米焦炉靠近炉端台处选5个上升管作回收荒煤气余热试验。在上升管水封盖增设三通导出管，将750℃热荒煤气导出，并通过管道送入设置在炉顶上的余热锅炉进行换热，换热后的荒煤气再经氨水喷洒送回集气管。余热锅炉选用中压锅炉，生产3.82Mpa、450℃过热蒸汽。在荒煤气进入余热锅炉前设置陶瓷多管除尘器，以有利于高温段析出焦油。换热后的荒煤气从余热锅炉排出，通过管道由风机排至集气管端部，经氨水喷洒进入集气管。最终因焦油析出导致换热失效，试验停止。
3、间接回收利用技术——荒煤气进行高温热裂解或重整
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（焦炉气）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。
2001年日本三井矿山—巴布科克日公司开始研究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。2004年，日本财团法人煤炭能源中心（简称JCOAL)贯彻日本洁净煤技术新政策，正在进行一项焦炉煤气重整技术的研发。该技术主要是在焦炉旁安装1个焦炉煤气重整装置，在1200～1250℃高温下对焦炉煤气进行重整。该技术无论从技术上还是从经济上实施起来都有一定难度。
我国太原理工大学也正在进行“非催化局部强氧化的部分氧化焦炉煤气制合成气”的研究。该项目针对大量焦炉煤气放散和现有转化技术使用催化剂且工艺复杂等问题，提出了局部强氧化的部分氧化烧嘴和与之相匹配的无内构件反应器。该工艺适用于利用焦炉煤气制醇、醚和合成油工业，在山西神龙能源焦化有限公司的中试效果令人满意。
近年我国工业化应用与实践情况
通过对大量试验案例研究分析表明，在我国当前焦化生产规模和技术装备水平条件下，分布式显热回收方案相对更为可行，这种余热回收方式不改变焦化生产工艺，投资少、见效快。但仍然存在布置空间小、受热面布置困难、焦油析出结焦易致换热失效、泄漏危险及焦炉的安全生产等极大难题。如何在狭小空间实现高效换热、安全可靠的余热回收技术是关键。
随着新材料技术的发展和工业制造水平的不断提高，新材料、新技术、新工艺不断得到创新和突破。一种将上升管与换热器功能合二为一的上升管高效换热器技术的出现，有效解决诸多常见难题，同时兼顾了结构、材料、效率、成本等因素。特殊结构的上升管自2014年开始在福建三钢2×65孔4.3米焦炉上进行了中试、工业化试验，最终攻克技术难点，研发出可靠、实用、高效的荒煤气显热纳米技术回收装置，实现产生饱和蒸汽（压力0.4~0.9MPa、温度162~180度）供煤化工车间生产使用的目标。并于2014年11月3日通过验收。2015年1月15日武汉科技大学对本项目进行了标定。
武汉平煤武钢联合焦化公司1×55孔6米焦炉荒煤气余热回收项目，2016年8月底开工，10月28日上升管安装完毕并投入运行，本项目吸取了三钢项目的一些经验，对上升管显热回收工艺系统进行了优化。实现吨焦产生110Kg以上的饱和蒸汽（压力0.65Mpa左右 ，温度165℃左右）。2016年12月15武汉科技大学对本项目进行了标定。
邯钢焦化厂2×45孔6米焦炉2015年11月焦炉上升管余热回收技术投运，产生低压饱和蒸汽（压力0.4Mpa左右 ，温度145℃左右），于2016年11月通过河北省焦化行业协会专家鉴定认可。
目前，安阳钢铁焦化厂、马鞍山钢铁焦化厂、新余钢铁焦化厂等企业均已完成或开始实施焦化上升管余热回收技术，效果良好。2016年12月30日，焦炉荒煤气显热回收利用技术列入“十三五”国家重点节能低碳技术推广目录，焦化荒煤气余热回收将会受到更多企业重视和关注。技术特点及实现效果夹套式上升管余热回收换热装置采用特殊材料无缝合金、纳米高效换热涂层，使得上升管具备防结石墨、防挂焦油、防漏水的三重功能。经工业化试验运行的有益效果是：
1、既安全可靠最大限度回收荒煤气余热，又保证了换热效果和恶劣工况下的安全经济运行，以及设备在极端情况（高温、干烧）下的完好性。
2、换热装置内筒内壁采用耐腐蚀、耐高温合金材料熔化成型，整体无缝。可有效降低高温下的热应力释放，同时保证了内筒不易发生泄漏现象。
3、换热装置内筒内壁增加一层导热节能防腐涂层，该涂层由硅酸盐、稀土元素氧化物和过渡族元素氧化物、单晶硅粉、耐火粉料等构成，喷刷在内壁形成0.5mm左右的涂层，涂层表面坚硬光滑且为黑色，既能起到保护内筒作用，还能提高热传递和辐射换热效果（可适合1800℃以下的工况使用），而且由于内壁涂层表面光滑结焦结石墨现象不易粘附、易自行脱落，具有一定自洁能力。
4、换热装置内筒外壁增加一定厚度的高导热率的金属导热材料，同时具有抗氧化、耐高温、稳定（高温下不与内筒发生原电池反应），这样一方面增加了换热面积，提高换热效率，而且水不直接接触内筒壁，进一步保证了不会漏水影响生产。
5、换热装置可将出口荒煤气温度控制在400℃（相比其他类似工艺要求控制荒煤气温度不低于500℃）；结焦结石墨现象不明显；另一方面本装置经过强制循环泵将来自于汽包内未汽化的水提高流速，增强换热效果，进口水温超过100℃，在一定程度上有利于减少结焦现象和絮状物堵塞情况。仅此一项相比其他类似工艺本装置的余热回收效率提高了10%以上。
结论
近几年，随着国内企业节能减排意识的提高，建设资源节约、环境友好的绿色焦化已经成为行业共识，这也是经济可持续发展和低碳社会发展的需要。提高焦化生产过程中余热资源的回收利用率是降低能源消耗、保护环境的重要途径。荒煤气显热在整个炼焦占有很大的比例，能够将其回收利用对焦化行业乃至整个钢铁行业都具有重大意义。
参考文献
[1] 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．
[2] 孙业新．焦炉荒煤气余热回收技术概述[J]．莱钢科技，2011，(1)：5，
[3] 胡新亮．焦炉煤气初冷系统余热利用[J]．节能与环保，2007(1)：40．
[4] 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．
论文作者:左国辉,韩雷雷
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第06期
论文发表时间:2019/8/13
标签：余热论文; 焦炉论文; 煤气论文; 技术论文; 换热论文; 蒸汽论文; 焦化厂论文; 《科学与技术》2019年第06期论文;