彭曉霞 山西森特潔凈煤技術(shù)研究設(shè)計(jì)院有限公司 太原 030006

熱回收煉焦高溫?zé)煔庀到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和節(jié)能改造

彭曉霞*山西森特潔凈煤技術(shù)研究設(shè)計(jì)院有限公司 太原 030006

介紹國(guó)內(nèi)熱回收煉焦技術(shù)高溫?zé)煔庀到y(tǒng)的生產(chǎn)現(xiàn)狀，分析存在的問(wèn)題，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造措施。

熱回收煉焦高溫?zé)煔庀到y(tǒng)改造節(jié)能

熱回收煉焦技術(shù)是一項(xiàng)獲得國(guó)家專利的新型煉焦技術(shù)［1］，是國(guó)際主要煉焦新技術(shù)之一［2］。該煉焦技術(shù)是在總結(jié)國(guó)內(nèi)熱回收焦?fàn)t的技術(shù)和借鑒國(guó)外熱回收焦?fàn)t經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一種清潔型、熱回收、搗固煉焦技術(shù)。該技術(shù)可用無(wú)煙煤煉焦，同時(shí)具有焦炭強(qiáng)度高、節(jié)水、節(jié)電、能耗低、投資少、清潔環(huán)保的特點(diǎn)，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外焦化行業(yè)的關(guān)注。

熱回收煉焦工藝為微負(fù)壓煉焦，煉焦?fàn)t為拱型結(jié)構(gòu)，煉焦產(chǎn)生的副產(chǎn)品全部燃燒為高溫?zé)煔猓?］，高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)余熱鍋爐進(jìn)行換熱產(chǎn)生蒸汽，蒸汽直接使用或用于發(fā)電。余熱鍋爐進(jìn)口的高溫?zé)煔鉁囟扰c產(chǎn)生的蒸汽量有很大的關(guān)系，因此減少煉焦煙氣的熱量損失對(duì)熱回收煉焦技術(shù)降低能耗和提高效益起著非常重要的作用。焦?fàn)t在煉焦過(guò)程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)高溫?zé)煔庀到y(tǒng)輸送到余熱鍋爐，經(jīng)換熱產(chǎn)生蒸汽，隨后通過(guò)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。在實(shí)際生產(chǎn)中，高溫?zé)煔庀到y(tǒng)散熱多，使進(jìn)入余熱鍋爐的溫度變低，煉焦的能耗增加。而提高煉焦煙氣的溫度，往往會(huì)造成高溫?zé)煔庀到y(tǒng)局部燒損，影響煉焦的正常生產(chǎn)。因此，合理可靠的煉焦高溫?zé)煔庀到y(tǒng)，對(duì)延長(zhǎng)其使用壽命，降低煉焦能耗，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益起著關(guān)鍵作用，也是保證熱回收煉焦正常生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 原高溫?zé)煔庀到y(tǒng)存在的問(wèn)題

熱回收煉焦的高溫?zé)煔庀到y(tǒng)包括上升管、集氣支管、集氣總管及集氣外管四部分，而高溫?zé)煔庀到y(tǒng)的各個(gè)部分都分別由鋼殼體及內(nèi)襯的耐火隔熱材料組成。高溫?zé)煔庀到y(tǒng)內(nèi)襯的耐火隔熱材料，直接接觸高溫?zé)煔猓坏透邷剡€要有良好的隔熱效果和較小的加熱永久線變化。高溫?zé)煔庥捎谠诮範(fàn)t內(nèi)部已經(jīng)燃燒完全，不含粉塵等物質(zhì)，具有小的加熱永久線變化的內(nèi)襯材料能提高高溫?zé)煔庀到y(tǒng)在高溫狀態(tài)下使用的可靠性。

傳統(tǒng)的熱回收煉焦的高溫?zé)煔庀到y(tǒng)，由于內(nèi)襯隔熱材料的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)和厚度不合理，耐火度低、保溫效果差，高溫集氣系統(tǒng)的散熱較大，容易造成集氣系統(tǒng)局部燒損。為了提高煙氣余熱的回收利用率，必須減少集氣系統(tǒng)的散熱、提高鍋爐進(jìn)口煙氣的溫度。焦?fàn)t正常生產(chǎn)時(shí)上升管進(jìn)口煙氣溫度一般在1200℃左右，改造前在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)多個(gè)焦化廠的余熱鍋爐煙氣進(jìn)口溫度進(jìn)行了測(cè)量，煙氣溫度一般在950℃左右，整個(gè)集氣系統(tǒng)中的煙氣溫度降低較大，造成了余熱鍋爐產(chǎn)汽量減少，余熱發(fā)電廠發(fā)電量低。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)熱回收煉焦生產(chǎn)工藝和設(shè)備裝置的考察分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)熱回收煉焦的高溫?zé)煔庀到y(tǒng)如橋管、集氣管外表面溫度偏高，且都有不同程度的損壞。橋管外表面溫度達(dá)到120℃左右，集氣管外表面溫度達(dá)到100℃左右。高溫?zé)煔庀到y(tǒng)的上升管、集氣支管、集氣總管、集氣外管采用無(wú)石棉硅鈣板和漂珠磚作內(nèi)襯時(shí)，由于漂珠磚長(zhǎng)期使用溫度低、導(dǎo)熱系數(shù)大，長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境中使用，導(dǎo)致其保溫效果不理想，造成局部燒損而坍塌，在漂珠磚受熱膨脹時(shí)，無(wú)石棉硅鈣板容易被壓裂，導(dǎo)致集氣管內(nèi)鋼殼體受損，煙氣泄漏。改造前耐火材料的理化指標(biāo)見(jiàn)表1。

2 高溫?zé)煔庀到y(tǒng)內(nèi)襯優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造

內(nèi)襯需采用耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)低、強(qiáng)度高、較小的加熱永久線變化的耐火隔熱材料合理砌筑。

2.1 內(nèi)襯的使用條件

熱回收焦?fàn)t在煉焦過(guò)程中完全燃燒后的煙氣經(jīng)上升火道進(jìn)入上升管、集氣支管、集氣總管以及集氣外管，最后進(jìn)入余熱鍋爐。正常生產(chǎn)時(shí)煙氣在進(jìn)入橋管時(shí)溫度為1200℃左右，且工作溫度一直處于高溫狀態(tài)。為了減少熱損失，節(jié)約能源，集氣管鋼殼體的外表面溫度一般不能高于90℃。

表1 改造前耐火材料理化指標(biāo)

2.2 內(nèi)襯隔熱材料的選擇

根據(jù)高溫?zé)煔庀到y(tǒng)的工作環(huán)境，考慮到隔墊材料的使用條件，使用耐火隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)、高溫條件下的膨脹率、耐高溫強(qiáng)度以及熱震穩(wěn)定性等指標(biāo)，在直接接觸高溫?zé)煔獾牟课恍柽x擇耐高溫且導(dǎo)熱系數(shù)較小的輕質(zhì)莫來(lái)石磚;在莫來(lái)石磚和鋼殼體的部位選擇耐高溫且導(dǎo)熱系數(shù)小的陶瓷纖維板作背襯。由于上升管、橋管的耐高溫要求比集氣管的耐高溫要求高，所以在選擇兩者使用的耐火材料上有所區(qū)別。上升管、橋管使用的耐火材料由比重為1500kg/m3的莫來(lái)石和陶瓷纖維板組成;集氣支管、集氣總管以及集氣外管使用的耐火材料由比重1000kg/m3的莫來(lái)石和陶瓷纖維板組成。

2.3 內(nèi)襯莫來(lái)石磚的結(jié)構(gòu)

莫來(lái)石磚采用楔型結(jié)構(gòu)，設(shè)有磚溝磚舌、錯(cuò)縫砌筑，即保證了砌體的強(qiáng)度，又防止了高溫?zé)煔獾母Z漏。

2.4 熱工計(jì)算

改造后隔熱耐火材料的理化指標(biāo)見(jiàn)表2。

2.4.1 上升管熱工計(jì)算

煉焦高溫?zé)煔庀到y(tǒng)的內(nèi)襯厚度采用試差法計(jì)算。經(jīng)多次計(jì)算比較，選擇上升管內(nèi)襯由170mm厚的莫來(lái)石CX－1.5以及80mm厚的陶瓷纖維板組成。

(1)上升管結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱圖，見(jiàn)圖1。

(2)上升管熱損失計(jì)算公式［4］:

表2 改造后耐火材料理化指標(biāo)

圖1 上升管結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱圖

(3)改造后上升管溫度計(jì)算:

計(jì)算輸入?yún)?shù):

①煙氣側(cè)耐火材料及參數(shù):莫來(lái)石磚CX－1.5;δ1=170mm;λ1=0.582 W/(m·℃)。

②鋼殼體側(cè)耐火材料及參數(shù):陶瓷纖維板

δ2=80mm;λ2=0.13 5W/(m·℃)。

③殼體及參數(shù):鋼殼體

δ3=10mm;λ3=48W/(m·℃)。

④1/α空:0.045 m2℃/W。

計(jì)算輸出結(jié)果:

①熱損失Q:1263.58W/m2。

②t2:830.91℃。③t3:82.1℃。④t3:81.9℃。

計(jì)算結(jié)果顯示，上升管鋼殼體表面為81.9℃，根據(jù)改造后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)上升管外表面溫度為80～85℃，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2.4.2 集氣管熱工計(jì)算

集氣管內(nèi)襯由170mm厚的莫來(lái)石磚CX－1.0以及100mm厚的陶瓷纖維板組成。直徑取Φ1800/ Φ2360，忽略集氣管外壁熱阻。

(1)集氣管結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱圖，見(jiàn)圖2。

圖2 集氣管結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱圖

(2)集氣管多層圓筒壁傳熱速率公式［4］:

(3)改造后集氣管溫度計(jì)算:

計(jì)算輸入?yún)?shù):

2.4.3 高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐的溫度計(jì)算

計(jì)算依據(jù):以2×15孔焦?fàn)t為例，每一孔炭化室裝干煤量為45.066t，大氣溫度25℃，焦炭出焦時(shí)的平均溫度950℃，上升管表面溫度82℃，集氣管表面溫度70℃，結(jié)焦時(shí)間63h，煙氣量189020Nm3。

(1)集氣系統(tǒng)散熱

集氣系統(tǒng)散熱計(jì)算見(jiàn)表3。

(2)高溫?zé)煔膺M(jìn)入集氣系統(tǒng)的熱量

上升管煙氣進(jìn)口溫度為1200℃，煙氣主要組成見(jiàn)表4。

煙氣各組分熱焓見(jiàn)表5。

經(jīng)計(jì)算每個(gè)結(jié)焦周期63h，2×15孔集氣系統(tǒng)進(jìn)口處煙氣的熱量為103.77×108kJ。

(3)煙氣系統(tǒng)出口煙氣的熱量

表3 集氣系統(tǒng)散熱計(jì)算

表4 煙氣主要組成(%)

經(jīng)計(jì)算每個(gè)結(jié)焦周期63h，集氣系統(tǒng)熱損失為9.21×108kJ，集氣系統(tǒng)出口處煙氣熱量為94.57 ×108kJ。

(4)集氣系統(tǒng)煙氣出口溫度

經(jīng)反復(fù)試算，集氣系統(tǒng)煙氣出口熱量為94.57 ×108kJ時(shí)，煙氣溫度為1100℃。

3 高溫?zé)煔庀到y(tǒng)節(jié)能效果

高溫?zé)煔庀到y(tǒng)新的設(shè)計(jì)和改造，在越南、以及我國(guó)山西、江蘇、貴州等地?zé)峄厥諢捊怪胁捎?，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，取得了顯著效果。

3.1 高溫?zé)煔鉁囟缺容^

改造前后高溫?zé)煔鉁囟缺容^見(jiàn)表6。

表6 改造前后高溫?zé)煔鉁囟鹊谋容^(℃)

3.2 節(jié)能效益

煉焦高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐的溫度由原來(lái)的950℃左右提高到1100℃左右，按1000kt/a焦炭規(guī)模計(jì)算，節(jié)能效果見(jiàn)表7。

表7 改造后節(jié)能效果

3.3 推廣價(jià)值

我國(guó)目前采用熱回收煉焦技術(shù)的焦炭生產(chǎn)規(guī)模為23000kt左右，如果采用上述的集氣系統(tǒng)的改造方案，每年將節(jié)約煉焦煤5492080kt，按每噸煉焦煤1500元計(jì)算，每年可增加收入82381.2萬(wàn)元。具有良好的社會(huì)效益、環(huán)境效益和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)高溫?zé)煔庀到y(tǒng)內(nèi)襯隔熱材料的技術(shù)改造，高溫?zé)煔庀到y(tǒng)內(nèi)襯隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)低、熱震穩(wěn)定性高、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理。

上升管外表面溫度由原來(lái)的120℃降低到82℃左右，集氣管外表面溫度由原來(lái)的100℃降低到70℃左右，進(jìn)入余熱鍋爐的高溫?zé)煔鉁囟扔稍瓉?lái)的950℃提高到1120℃左右。提高了熱回收煉焦余熱的利用率，降低了煉焦的能耗。

經(jīng)實(shí)踐證明，提高煙氣的溫度不會(huì)造成集氣系統(tǒng)的燒損，提高了集氣系統(tǒng)的使用壽命，保證了熱回收煉焦的正常生產(chǎn)。

1 沈?yàn)榍?，王金良，王榮等．清潔型熱回收搗固式煉焦?fàn)t［P］．中國(guó)專利:ZL 2005 2 0024701．5．

2 潘立慧，魏松波，張建平等．煉焦新技術(shù)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2008:176－202．

3 張建平．清潔型熱回收搗固煉焦技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］．煤化工，2006，34(6):36－40．

4 葛霖．筑爐手冊(cè)［M］，北京:冶金工業(yè)出版社，1996: 135－155．

This article mainly analyses and summarizes the production conditions and existing problems of the high-temperature gas flue system in heatrecovery coking units in China，and proposes design optimization and revamping measures．

Design Optimization and Energy-saving Revamping of High-Temperature Flue Gas System
in Heat-Recovery Coking Units

Peng Xiaoxia
(Shanxi Sente Clean Coal Technology Research＆Design Institute Co.，Ltd.，Taiyuan 030006)

heat-recovery cokinghigh-temperature flue gas system revampingenergy-saving

*彭曉霞:工程師。2000年畢業(yè)于太原理工大學(xué)化工機(jī)械與設(shè)備專業(yè)。主要從事焦化工藝和設(shè)備的設(shè)計(jì)及管理工作。聯(lián)系電話:13834522420，E－mail:chinapen@163.com。

(修改回稿2012－05－07)