李火銀，王振亞，周俊杰

(鄭州大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

目前，我國的焦炭生產(chǎn)主要分布在兩類企業(yè)，一類是獨立焦化企業(yè)，其生產(chǎn)能力占焦炭總生產(chǎn)能力的60%以上；另一類是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)(或者鋼鐵企業(yè)的內(nèi)部焦化廠)，其生產(chǎn)能力占比不足40%[1]?，F(xiàn)代焦炭生產(chǎn)過程分為洗煤、配煤、煉焦和產(chǎn)品處理等工序中，作為最后一道工序的產(chǎn)品處理工序，是將爐內(nèi)煉好的紅熱焦炭推出并送進熄焦塔熄火降溫，然后進行破碎、篩分、分級、獲得不同粒度的焦炭產(chǎn)品。紅熱焦炭的熄火降溫可以采取兩種方法：濕法熄焦和干法熄焦。濕法熄焦(簡稱：濕熄焦)就是直接利用水澆灑在高溫紅焦上來熄火降溫的一種方法，而干法熄焦(簡稱：干熄焦)是利用循環(huán)惰性氣體為熱載體，由循環(huán)風(fēng)機將冷的惰性氣體輸入紅焦冷卻室冷卻高溫焦炭的方法。鑒于國內(nèi)獨立焦化企業(yè)對干熄焦余熱發(fā)電項目不甚了解，尤其對于節(jié)能量、焦炭燒損率、蒸汽量、發(fā)電量等參數(shù)的計算認(rèn)識模糊、差別很大。本論文根據(jù)干熄焦余熱發(fā)電項目的實際數(shù)據(jù)，從顯熱利用及熱平衡原理出發(fā)，對以上幾個主要參數(shù)進行了系統(tǒng)計算。

1 濕法熄焦和干法熄焦工藝對比

濕法熄焦屬于傳統(tǒng)的熄焦方法，其原理是對赤熱的紅焦直接噴水熄滅降溫，特點是投資小、技術(shù)簡單、操作容易。干法熄焦是20世紀(jì)末從海外引進的先進技術(shù)，其原理是利用惰性氣體在密閉系統(tǒng)中將紅焦熄滅降溫，而且配備了良好的熱回收和除塵設(shè)施，自動化水平較高。因此，干法熄焦與濕法熄焦相比，投資高、技術(shù)復(fù)雜、操作困難。

在節(jié)約熱能方面，干熄焦優(yōu)于濕熄焦。從焦?fàn)t推出的紅焦溫度約1 000 ℃，紅焦所含顯熱相當(dāng)于煉焦生產(chǎn)消耗總熱量的35%～45%。如果采用濕法熄焦工藝，澆灑在紅焦上的噴淋水，瞬間將顯熱能量轉(zhuǎn)換成水蒸氣散發(fā)到大氣中而白白浪費掉。然而，采用干法熄焦工藝時，惰性循環(huán)氣體不僅能夠熄滅降溫紅焦，還可以回收紅焦所含的大部分顯熱。因此，干法熄焦工藝比濕法熄焦工藝有顯著的節(jié)能效益[2]。

2 干熄焦余熱發(fā)電節(jié)能量計算

自20世紀(jì)80年代以來，干熄焦技術(shù)在我國鋼鐵聯(lián)合企業(yè)得到了迅速發(fā)展。隨著2008年和2014年兩次修訂的《焦化行業(yè)準(zhǔn)入條件》對鋼鐵企業(yè)焦?fàn)t配套干熄焦裝置提出的強制性要求，國內(nèi)大中型鋼鐵企業(yè)基本上已經(jīng)普及了干熄焦技術(shù)。但對于獨立焦化企業(yè)來說，由于焦化廢水處理困難、建設(shè)干熄焦配套設(shè)備投資回收期過長等問題，干熄焦技術(shù)在此類企業(yè)的普及率仍然很低[3]。

對于干熄焦能力125 t/h，每年干熄紅焦100萬t的獨立焦化企業(yè)，干熄焦余熱發(fā)電項目的節(jié)能量計算應(yīng)該同時考慮能源收入和能源支出。

2.1 干熄焦余熱發(fā)電項目介紹

目前國內(nèi)獨立焦化企業(yè)上干熄焦項目已比較普遍，但對項目節(jié)能量、節(jié)能收益認(rèn)識還比較模糊，差別很大。由于干熄焦項目連續(xù)生產(chǎn)的特點，對節(jié)能量實際測量存在一定難度，筆者在調(diào)查了若干家干熄焦余熱發(fā)電項目的基礎(chǔ)上，根據(jù)干熄焦原理從顯熱利用和熱平衡原理對節(jié)能量和節(jié)能收益進行了理論計算。節(jié)能效益的計算以濕法熄焦為基準(zhǔn)線，即干法熄焦工藝相比濕法熄焦工藝多回收的那部分能源被認(rèn)為是節(jié)能效益。

干熄焦工藝代替原來的濕熄焦工藝用來冷卻紅焦，是一個典型的余熱回收利用項目，干熄焦回收的余熱用來發(fā)電。

該工藝和原來的濕法熄焦工藝相比，需要添置額外的設(shè)備才能夠回收余熱進行發(fā)電。主要設(shè)備包括：紅焦運輸和提升設(shè)備、惰性氣體循環(huán)和余熱回收設(shè)備、蒸汽發(fā)生設(shè)備和發(fā)電設(shè)備等。顯然，與濕熄焦工藝相比，干熄焦余熱發(fā)電項目額外增加了一套余熱回收裝置和發(fā)電裝置，干熄焦裝置余熱鍋爐及熱電站工藝流程圖見圖1。

圖1 干熄焦裝置余熱鍋爐及熱電站工藝流程圖

2.2 項目收益的能源

干熄焦工藝能夠直接回收的能源主要是從紅焦回收的顯熱，這部分顯熱通過余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽最終發(fā)電。另外，在干熄焦過程中，由于采用了除塵排氣處理工藝，與濕熄焦工藝相比，還可以回收少部分廢氣攜帶的焦炭粉塵，從而減少對大氣的污染。

2.2.1項目發(fā)電量計算

干熄焦余熱發(fā)電過程經(jīng)歷了三種能源的轉(zhuǎn)換，即顯熱—蒸汽—電力。由圖1可知，在干熄焦過程中，利用惰性氣體(氮氣)的循環(huán)流動，可將1 000 ℃左右的熾熱紅焦降溫到200 ℃。在此過程中回收的顯熱，直接導(dǎo)入余熱鍋爐進行換熱生產(chǎn)蒸汽，蒸汽再進入汽輪發(fā)電機組發(fā)電。

2.2.1.1顯熱測算

現(xiàn)場測定：裝入熄焦?fàn)t紅焦的溫度為1 000 ℃，此時比熱容為1.481 kJ/(kg·℃)；從熄焦?fàn)t排出的焦炭溫度為200 ℃，比熱容為0.933 kJ/(kg·℃)。用熱力學(xué)方法計算得出，在沒有導(dǎo)入空氣的情況下，理論上每噸紅焦在干熄爐內(nèi)將被回收顯熱1.294×106kJ。實際上，在干熄焦過程中有少量空氣隨循環(huán)氣體進入干熄爐，并由此引起焦炭燒損。假設(shè)焦炭的燒損率為1%，每公斤焦炭燃燒產(chǎn)生的熱量按33850 kJ計算，則每噸焦炭在干熄爐內(nèi)燒損熱量為3.385×105kJ。

資料表明，干熄爐系統(tǒng)傳熱效率為定值83%，則干熄爐內(nèi)每噸紅焦被循環(huán)氣體帶入鍋爐的總熱量為：Q總=(Q1+Q2)×83%=1.39×106kJ；每年干熄紅焦100萬t產(chǎn)生顯熱1.39 ×1012kJ[4-5]。

2.2.1.2蒸汽測算

利用現(xiàn)場測算的顯熱數(shù)據(jù)和鍋爐給水焓值，根據(jù)余熱鍋爐熱效率(目前大約為90%)計算公式，可以推算出每噸紅焦被循環(huán)氣體帶入鍋爐的總熱量產(chǎn)生的蒸汽量。

測算條件：540 ℃、9.8 MPa過熱蒸汽焓值H1=3 475.4 kJ/kg，104 ℃鍋爐給水焓值H2=434 kJ/kg；假設(shè)產(chǎn)生1 kg過熱蒸汽需要提供給鍋爐的熱量為X(kJ)，則：3 475.4/(X+434)=90% ，計算得出X=3 427.556 kJ；即產(chǎn)生1 kg蒸汽需要提供給鍋爐3 427.556 kJ的熱量。

如上所述，干熄爐內(nèi)每噸紅焦被循環(huán)氣體帶入鍋爐的總熱量為1.39×106kJ。那么，每噸紅焦產(chǎn)生的蒸汽量為0.41 (t)。也就是說，在目前的工況條件下，每干熄1 t紅焦產(chǎn)生 0.41 t蒸汽。每年干熄紅焦100萬t產(chǎn)生蒸汽41萬t。

2.2.1.3發(fā)電量測算

測算條件：純凝狀態(tài)1 t蒸汽(540 ℃，9.8 MPa)能夠發(fā)電280 kW·h。全年發(fā)電量為1 148×105kW·h(按280天計)，折標(biāo)系數(shù)按照0.32 tce/103kW·h計算，折合標(biāo)準(zhǔn)煤36 736 tce(見表1)。

表1 項目年干熄焦炭和回收能源量一覽表

2.2.2焦炭粉塵回收量計算

無論是干法熄焦還是濕法熄焦，從紅焦推出焦?fàn)t到冷焦入庫的整個熄焦過程中，都會產(chǎn)生少量含有焦炭粉塵的廢氣排放到大氣中。產(chǎn)生廢氣的環(huán)節(jié)包括紅焦運輸、熄焦過程和晾焦處理三個環(huán)節(jié)，氣相污染物除了粉塵以外還包含SO2、H2S、CO等有害氣體。

資料表明，紅焦運輸環(huán)節(jié)產(chǎn)生的粉塵量取決于運輸時間和運輸距離。在此過程中，干法熄焦和濕法熄焦的廢氣排放途徑和排放量基本一樣，運輸1 t紅焦排放粉塵量5～10 g。在熄焦過程中，濕法熄焦用水噴淋熾熱焦炭產(chǎn)生大量夾帶粉塵的水蒸氣，直接排放到大氣中白白浪費，熄滅1 t紅焦排放粉塵量15～50 g；而在干法熄焦過程中，由于采用了除塵排氣處理工藝，熄滅1 t紅焦排放粉塵量只有10 g。在最后的晾焦處理環(huán)節(jié)，濕法熄焦后的焦炭被送至晾焦臺進一步冷卻、淋水，還會產(chǎn)生部分廢氣，晾焦處理1 t紅焦排放粉塵量為2～11 g；而干法熄焦后的焦炭則直接被送焦庫保存，不再產(chǎn)生廢氣[2]。

兩種熄焦工藝對比分析表明，濕法熄焦比干法熄焦排放廢氣較多，從而浪費的焦炭粉塵量也較多。實際現(xiàn)場數(shù)據(jù)證明，干法熄焦工藝相比濕法熄焦工藝，干熄1 t紅焦能夠多回收焦炭粉塵約30 g。每年干熄紅焦100萬t回收焦炭粉塵30 t，焦炭粉塵折標(biāo)系數(shù)固定值為0.8 tce/t，折算成標(biāo)準(zhǔn)煤量為24 t(見表1)[2]。

2.3 項目支出的能源

項目支出的能源也包括兩部分，主要部分是干熄焦過程中配套設(shè)備消耗的能源和耗能工質(zhì)，次要部分是焦炭燒損量。

2.3.1項目本身消耗的能源量計算

在干熄焦余熱發(fā)電項目的整個過程中，為了有效地回收顯熱發(fā)電，項目本身的配套設(shè)備也消耗了一定量的能源，主要包括：電力、生產(chǎn)新水、低壓蒸汽。按照每年工作時間8 000 h計算，項目本身消耗的各種能源及耗能工質(zhì)如下：①電力。實際消費量按照發(fā)電量的20%計算，則全年消費量=36 736 tce×20%=7 347.2 tce 。②生產(chǎn)新水。實物量100 m3/h，折標(biāo)系數(shù)0.11×10-3tce/m3，則全年消費量=100 m3/h×8 000 h×0.11×10-3tce/m3=88 tce。③低壓蒸汽。實物量8 t/h，折標(biāo)系數(shù)0.12 tce /t，則全年消費量 = 8 t/h×8 000 h×0.12 tce /t=7 680 tce。能源消費合計：15 115.2 tce(詳見表2)。

表2 項目年支出能源量和焦炭燒損一覽表

2.3.2干熄爐內(nèi)焦炭燒損量計算

與濕法熄焦相比，干法熄焦是紅焦在干熄爐內(nèi)與循環(huán)氣體熱交換后降溫。在此過程中，少部分紅焦與進入爐內(nèi)的少量空氣反應(yīng)而損失掉。在干熄焦過程中，焦炭燒損率控制在1%以內(nèi)。每年干熄焦炭100萬t時，焦炭燒損量為1萬t，即干熄焦工藝比濕熄焦工藝每年至少損失1萬t焦炭。按照焦炭的折標(biāo)系數(shù)0.97 tce/t計算，該項目每年的焦炭燒損量折合標(biāo)準(zhǔn)煤數(shù)量為9 700 t。

2.4 干熄焦余熱發(fā)電項目節(jié)能量計算

按照《合同能源管理技術(shù)通則(GB/T 24915-2010)》關(guān)于節(jié)能量和節(jié)能收益的計算方法，干熄焦余熱發(fā)電項目節(jié)能量的計算應(yīng)該以濕熄焦工藝為基準(zhǔn)線，計算邊界從回收顯熱開始到發(fā)電結(jié)束的整個過程，實際節(jié)能量為項目回收能源與項目支出能源之差，參考表1和表2后得出項目節(jié)能量為11 944.8 tce。

上述計算表明，本項目在正常運行情況下，每年可以實現(xiàn)節(jié)能量11 944.8 t標(biāo)準(zhǔn)煤。按照年處理焦炭100萬t計算，相當(dāng)于干熄1 t焦炭的節(jié)能收益為11.94 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，即11.94 kgce/t焦炭。項目節(jié)能量及節(jié)能收益如下：回收能源(發(fā)電+焦粉)36 760，支出能源 (消耗+燒損)24 815.2 tce，節(jié)能量為11 944.8 tce，節(jié)能收益11.94 kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

3 項目節(jié)能收益分析與討論

①對于干熄焦能力為125 t/h干熄焦余熱發(fā)電項目，如果每年干熄紅焦100萬t，則可以實現(xiàn)節(jié)能量為11 944.8 tce，相當(dāng)于干熄1 t焦炭節(jié)能收益為11.94 kg標(biāo)準(zhǔn)煤?？紤]到項目投資費用和以后的維護費用，節(jié)能收益不太明顯。相似的計算結(jié)果也出現(xiàn)在其他獨立焦化企業(yè)[4]。鄭立國等[1]分析計算干熄焦節(jié)能效益后認(rèn)為，在不考慮焦炭燒損的情況下，建設(shè)一套100 t/h干熄焦余熱發(fā)電裝置，投資償還期為13年。

②目前，在國內(nèi)干熄焦行業(yè)，為了彰顯其節(jié)能效果，曾提出“噸焦產(chǎn)生半噸蒸汽”的說法。但是，本項目干熄1 t紅焦產(chǎn)生的蒸汽量只有0.41 t，當(dāng)干熄1 t紅焦產(chǎn)生0.5 t蒸汽時，還需要增加焦炭燒損率0.91%，累計達1.91%，無形中增大了焦炭的損失量。因此，在干熄焦節(jié)能效益測算時，應(yīng)該從自身實際出發(fā)，且不可盲從。

③對于鋼鐵聯(lián)合企業(yè)來說，干熄焦工藝除了節(jié)能效益外還有其他延伸收益。首先，煉焦工程產(chǎn)生的焦化廢水可以被送到燒結(jié)、煉鋼等工序再利用消化掉，不存在廢水外排；而獨立焦化企業(yè)沒有消化焦化廢水的工序，煉焦工程產(chǎn)生的焦化廢水只能夠深度處理后外排，增加投資和運營成本。另外，與濕熄焦炭相比，干熄焦炭的入爐焦比降低約2%，能夠為鋼鐵聯(lián)合企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益；而對于獨立焦化企業(yè)，這部分效益受市場影響無法體現(xiàn)。最后，鋼鐵聯(lián)合企業(yè)原本就有燒結(jié)余熱發(fā)電、高爐煤氣發(fā)電等余熱發(fā)電技術(shù)和電站，有自己穩(wěn)定的發(fā)電機組和維修隊伍，干熄焦余熱發(fā)電僅僅是增加了部分發(fā)電能力；而對于獨立焦化企業(yè)，需要建設(shè)一套全新的余熱發(fā)電設(shè)備，并且還必須配備掌握發(fā)電技術(shù)和維修技術(shù)的隊伍，也增加了企業(yè)負(fù)擔(dān)。

比較分析可以看出，干熄焦工藝在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)很容易被接受，投資償還期因延伸效益會大大縮短。但是，對于獨立焦化企業(yè)來說，由于種種不利條件的限制，使得該工藝遲遲難以推行。這也是國家工業(yè)和信息化部在修訂《焦化行業(yè)準(zhǔn)入條件》時，沒有對獨立焦化企業(yè)提出配套干熄焦裝置強制性要求的原因。

④在環(huán)境保護方面，干熄焦工藝減少了酚、氰、CO及焦塵等有害氣體的排放，但是，由于增加了焦炭燒損，不利于SO2減排[5]。另外，煉焦產(chǎn)生的酚氰廢水，在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)簡單處理后可用于沖渣，做到不外排；但對獨立焦化企業(yè)而言，采用濕法熄焦工藝時，酚氰廢水簡單處理后熄焦使用，可以不外排，而現(xiàn)在采用了干熄焦工藝，酚氰廢水無處循環(huán)使用，需要深度處理后才能夠到達外排標(biāo)準(zhǔn)，增加了額外成本。如果不經(jīng)過深度處理外排，就會污染當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境[6]。

4 結(jié)論

①煉焦過程伴隨有大量的顯熱生成和移動，如果在熄焦過程中能夠科學(xué)地回收這部分顯熱，就會取得顯著的節(jié)能效益和環(huán)保效益。基于這一目的，煉焦企業(yè)都在嘗試干熄焦工藝逐步替代濕熄焦工藝的可能性。②每年干熄紅焦100萬t的干熄焦余熱發(fā)電項目，每年回收能源36 760 tce，支出能源24 815.2 tce，年節(jié)能量11 944.8 tce。相當(dāng)于干熄1 t焦炭取得的節(jié)能收益為11.94 kg標(biāo)準(zhǔn)煤。③對于鋼鐵聯(lián)合企業(yè)來說，干熄焦余熱發(fā)電項目除了收獲節(jié)能效益外，還可以收獲其他延伸收益，因而干濕熄焦工藝容易被接收。而對于獨立焦化企業(yè)而言，采用干熄焦工藝后，不僅增加了污水處理投資等費用，也享受不到干熄焦的延伸收益，節(jié)能收益遠不如鋼鐵聯(lián)合企業(yè)明顯。因此，兩類企業(yè)對干熄焦余熱發(fā)電項目要區(qū)別看待。