王浩^1，2  金保昇¹  唐剛³  安忠義²  張浩³ 桂峰²  余波²  呂冬強²

(1.東南大學，2.中冶華天工程技術有限公司，3.安徽工業大學建筑工程學院)

摘 要：通過分析焦爐荒煤氣特性、煤焦油結焦特性，開發上升管換熱器技術、不粘涂層技術，為焦爐荒煤氣余熱回收技術推廣提供參考，并對今后荒煤氣換熱器技術發展方向和荒煤氣余熱回收工藝提出相關建議。目前，該研發成果已成功地應用于6m焦爐節能示范工程，顯熱回收利用系統等表現出良好的操作和使用性能，各項運行參數合理，系統運行穩定，解決了蒸發器內壁結焦、積碳和腐蝕等行業普遍存在的技術難題。

關鍵詞：上升管；蒸發器；防結焦；不粘涂層；荒煤氣；顯熱；回收

我國是世界上主要的焦炭生產國，2016年焦炭產量合計44911萬t,約占世界焦炭總產量的70%^[1-2]。生產的焦炭一方面用于國內冶金行業，一方面用于出口，為我國和世界的經濟發展提供了有力支撐。同時，煉焦工業既是重要的能源生產部門，又是耗能大戶。煉焦占總能耗的70% -80%,其中荒煤氣帶走的余熱約占煉焦能耗的32%~36%。因此，加強焦爐上升管荒煤氣顯熱回收成為我國節能降耗戰略的重要環節^[3]。

目前對焦爐上升管荒煤氣顯熱回收技術的研發尚處于起步階段，國內眾多焦化企業已不同程度開展荒煤氣顯熱回收利用工作，但是尚未達到合理有效回收利用的目標。傳統工藝通過采用70~80T循環氨水噴淋高溫荒煤氣直接急冷，荒煤氣中的高溫熱量被汽化的氨與水蒸氣吸收后, 變成80~85℃低溫熱源，這些低溫熱源隨著荒煤氣進入初冷器，最終被循環水帶走，造成能源的大量浪費^[4]。同時由于循環水取熱，初冷器面積較大，循環水耗量大^[5]。所得到的效果是荒煤氣被冷卻，其中所夾帶的粉塵被除去，絕大部分焦油蒸汽冷凝、茶凝結（并溶于焦油）而被脫除，為煤氣輸送、深度凈化和化學產品回收創造了較好的條件^[4]。

上述過程對荒煤氣的冷卻和初步凈化而言是高效的，但在熱力學上卻是不完善的：①該部分顯熱未回收。荒煤氣在橋管和集氣管內急劇降溫，增濕過程是高度不可逆過程，其物理損失達90%以上；②冷卻氨水循環量大。未采用顯熱回收時，通過循環氨水將荒煤氣從650 ~ 850℃冷卻至80~85℃，單集氣管焦爐每噸干煤需5m³ 循環氨水，雙集氣管焦爐需6m³循環氨水。與干熄焦技術的規模化利用相比，荒煤氣顯熱回收技術還處于探索和起步階段，蒸發器腐蝕、結焦等問題導致荒煤氣顯熱回收技術推廣緩慢。

基于此，文章以某焦化廠2x50孔6m焦爐上升管荒煤氣顯熱回收利用示范工程為例，主要從焦爐上升管蒸發器結構設計、防結焦不粘涂層開發、荒煤氣顯熱回收系統開發、示范工程應用、經濟及社會效益等方面，闡述、分析焦爐上升管荒煤氣顯熱回收利用技術的研究與應用情況，為解決焦爐上升管內壁結焦問題，提高蒸發器換熱效率，有效回收焦爐荒煤氣顯熱，降低焦化企業能耗，提供工程基礎和理論依據。

1核心技術研發

1.1上升管蒸發器

自主開發的焦爐荒煤氣上升管蒸發器（見圖1 是焦爐上升管荒煤氣顯熱回收系統的核心裝備，包括由內向外依次設置的防結焦涂層、蒸發器內管、汽-水通道、隔熱保溫層和保護套管切。其中，蒸發器內管的內側為荒煤氣通道, 內管的外側為有螺旋式孔槽的汽-水通道，汽-水通道外設保溫層和保護套管；汽水出口和汽水入口與上升管蒸發器汽-水通道圓周面相切。該結構流場分布均勻、換熱效率高，可消除內管局部應力分布不均，在有效回收荒煤氣顯熱的同時，減緩或解決石墨化以及焦油粘結問題。

1.2防結焦不粘涂層

荒煤氣除了含有凈煤氣外，還含有硫化氫、 煤焦油等成分，見表1。

煤焦油成分復雜，按照沸點高低，其成分為瀝青、蔥油、洗油、蔡油、酚油和輕油等。采用上升管蒸發器回收荒煤氣顯熱時，當荒煤氣溫度低于450℃時，煤焦油開始在溫度較低的上升管蒸發器表面凝結附壁^[9-10]，冷凝的煤焦油沿上升管蒸發器壁面向下流動，到蒸發器底部。一部分煤焦油受到炭化室的高溫輻射，煤焦油再次分解，剩余固體碳著在上升管蒸發器表面造成積碳^[11-12]；另一部分煤焦油凝結在上升管蒸發器表面并未產生二次分解^[13],此兩種現象都是焦爐上升管蒸發器運行過程中面臨的重要難題，因此，開發防結焦不粘涂層是解決上升管蒸發器表面煤焦油凝結的技術關鍵。

筆者以焦爐上升管內壁結焦炭層為研究對象，采用掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線光電子能譜儀（XPS）研究各結焦炭層的微觀形貌、元素組成及鍵合狀態，分析結焦炭層織構形成及演化規律，揭示了荒煤氣上升管結焦炭層織構形成及演化機制，開發了防結焦不粘涂層，為解決焦爐荒煤氣上升管內壁結焦問題，降低焦爐上升管內壁結焦清理工作量及焦化企業能耗提供了應用基礎和理論依據，焦爐上升管內壁對比效果如圖2所示。

1.3荒煤氣顯熱回收系統

焦爐在煉焦過程中，炭化室逸出大量的荒煤氣，經過焦爐上升管、橋管、集氣管冷卻集合后送入化產裝置進行凈化處理。在一個結焦周期內，單孔炭化室產出的荒煤氣約10000m³,荒煤氣經過焦爐上升管時溫度高達650 ~ 800℃ ,含有大量的顯熱。為了降低焦爐荒煤氣溫度便于后續焦化工藝處理，傳統工藝采用噴循環氨水急速冷卻高溫荒煤氣，使荒煤氣急劇降溫至80 ~ 85℃。該工藝流程不僅浪費了大量荒煤氣顯熱, 而且消耗大量的氨水，又浪費了大量的水資源和電力，增加了污水排放量網。

針對上述現有焦爐上升管荒煤氣顯熱尚未被合理回收利用現狀，提出了一種能夠綜合回收焦爐荒煤氣顯熱的工藝系統（圖3 ,主要包括: 荒煤氣系統、焦爐上升管荒煤氣蒸發器熱力循環系統等。

2示范工程應用

2.1工藝流程

針對某焦化公司兩座50孔6m頂裝焦爐, 年產焦炭90萬t,通過采用焦爐上升管荒煤氣顯熱回收利用技術，有效回收焦爐荒煤氣顯熱，工藝流程主要包括荒煤氣流動系統、汽水流動系統。

荒煤氣流動系統（圖4 焦爐在煉焦過程中，炭化室逸出大量荒煤氣，750℃的高溫荒煤氣進入焦爐上升管蒸發器，經換熱后，溫度降低到約500℃經過三通管進入橋管，在橋管中經噴淋冷卻降溫后，通過集氣管冷卻集合后進入化產系統進行凈化處理。

汽水流動系統(圖5) 除鹽水經除鹽水箱、除氧給水泵后被送入除氧器除氧，然后送入汽包經過強制循環泵進入上升管蒸發器，除氧水與荒煤氣在上升管蒸發器中完成間接熱交換過程，而后生成飽和蒸汽，再次通過上升管過熱器與荒煤氣熱交換生成過熱蒸汽，并入用戶蒸汽管網^[15]。

2.2工藝參數

2.3工藝特點

研究開發了一套靈活的荒煤氣顯熱回收工藝系統，可根據焦化廠用汽需求生產飽和蒸汽或過熱蒸汽，有效提高荒煤氣顯熱回收利用技術的實用價值，同時解決了焦爐荒煤氣蒸發器結焦和腐蝕問題，顯著降低清爐工作量。

(1)采用雙汽包并聯方式設置，提高系統安全性、可靠性，避免上升管蒸發器出現干燒現象；設置大流量強制循環系統，蒸發器進出口管路采用合理的梯級配置，保證每個蒸發器進出水量的均勻性，提高系統的換熱效率；

(2) 高效自清潔不粘涂層技術能夠有效避免荒煤氣中焦油在蒸發器壁面的結焦腐蝕，顯著降低清爐工作量，延長了清爐周期，提高焦爐生產效率；

(3) 高效合理的上升管蒸發器結構。通過設置蒸發器“斜切”進出口結構，減小流動損失；通過在汽水夾套內設置導流裝置，均化汽水流場分布，避免流動盲區、過熱區，提高蒸發器的總傳熱效率；

(4) “互聯網+”全自動在線監控預警系統。可依據炭化室結焦周期荒煤氣溫度、流量變化曲線補償控制確保換熱效率，實時在線監控、事前預警上升管蒸發器工作狀態，有效避免發生蒸發器泄漏、爆管等事故，確保系統安全運行。

3運行情況及效益分析

該6m焦爐上升管荒煤氣顯熱回收利用示范工程，自投產使用至今，生產狀況穩定，運行情況良好，顯熱回收系統運行穩定，產汽量達到合同約定要求，焦爐上升管蒸發器無結焦腐蝕、漏水等現象。

(1)經濟效益

由于該技術具有荒煤氣顯熱高效、可靠回收與能量梯級利用等優勢，工程自投產至今，平均每年創利650萬元，投資回收期約2年，經濟效益顯著。

(2)社會效益和環境效益

通過將荒煤氣顯熱回收發電、化產或供暖等，折合噸焦節約12.7kgce, CO₂減排33.5kg。 目前，我國焦化行業在產能過剩、粗放發展及環境壓力加大的形勢下，調整工藝結構、淘汰落后、創新發展已成為焦化行業迫在眉睫之事。隨著國家和地方加快節能減排工作的推進，企業自身為了提高資源綜合利用率、推進能源結構的戰略調整、促進產業升級、提高企業競爭力，開展焦爐荒煤氣顯熱回收技術，有利于提高其焦炭產品競爭力，實現企業長遠發展和經濟效益提升。在國家節能減排創新發展的大背景下，該技術所具有的社會效益、經濟效益和市場空間不言而喻，推廣應用前景廣闊。

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