＊高擁軍 張磊 李華

（神華巴彥淖爾能源有限責任公司 內(nèi)蒙古 015300）

引言

荒煤氣作為焦化工業(yè)的重要產(chǎn)物，攜帶著巨大的熱量和有價值的化學成分，在工業(yè)生產(chǎn)中具有不可替代的地位[1]。然而，與其潛在價值相比，荒煤氣的有效回收與利用仍然存在著重大挑戰(zhàn)。其中，焦油蒸汽的結焦問題成為制約荒煤氣余熱回收的關鍵難題[2]。本研究旨在深入探討焦爐上升管中荒煤氣余熱回收的結焦問題，通過對荒煤氣溫度、熱量分布及焦油蒸汽結焦機理的研究，旨在提高荒煤氣余熱回收的效率和可行性。

1.焦爐上升管中荒煤氣概述

荒煤氣是指在焦爐中經(jīng)過高溫干餾后，產(chǎn)出焦炭和焦油的同時所生成的一種可燃性氣體，是煉焦工業(yè)的副產(chǎn)品[3]?；拿簹庵邪?、萘、焦油、硫化氫、氨、氰化氫等雜質(zhì)（如表1所示），這些雜質(zhì)的存在對荒煤氣的利用效率產(chǎn)生顯著影響。

表1 荒煤氣的主要雜質(zhì)組成及含量

荒煤氣的產(chǎn)率和成分還取決于焦爐的類型，包括煉焦爐的種類和設計參數(shù)。不同類型的焦爐在煉焦過程中會生成不同性質(zhì)的荒煤氣，因此其組成也會有所不同。此外，煉焦操作條件，如爐溫、爐壓、焦化速率等，也對荒煤氣的組成產(chǎn)生重要影響。這些操作參數(shù)的變化可以導致荒煤氣中各成分的濃度發(fā)生變化，進而影響其熱值和化學性質(zhì)?；拿簹馑鶐С龅母邿嶂禑崃考s占焦爐總輸出熱量的40%，具有巨大的回收利用潛力。然而，荒煤氣中的焦油問題，特別是焦油冷凝結焦，一直是制約其有效回收利用的主要挑戰(zhàn)。解決荒煤氣中的焦油問題將有助于提高其利用效率，減少資源浪費，推動環(huán)保技術的發(fā)展，從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標。

2.荒煤氣中焦油蒸汽結焦的影響因素

(1)荒煤氣中焦油蒸汽的冷凝

在焦爐生產(chǎn)中，焦油是一種不可避免的副產(chǎn)品，其組成和產(chǎn)量受到煉焦條件和焦煤揮發(fā)分的不同而有所差異[4]。焦油是一種高度復雜的化合物，其組成包括苯、萘、二苯、三苯等揮發(fā)性物質(zhì)[5]。此外，焦油還含有金屬元素和瀝青質(zhì)等成分，這使得焦油的性質(zhì)異常復雜。焦油的餾分重，質(zhì)量差，為其有效的分離和利用增加了難度。需要注意的是，焦油的組成和產(chǎn)量受到煉焦條件和使用的焦煤揮發(fā)分的不同而有所差異，這使得不同焦爐生產(chǎn)的焦油具有一定的差異性?；拿簹庥酂峄厥者^程中，焦油蒸汽的冷凝現(xiàn)象是一個關鍵的問題[6]。在荒煤氣的余熱回收過程中，當荒煤氣溫度降低到一定程度時，焦油蒸汽會在換熱界面冷凝并逐漸析出。這一現(xiàn)象是因為在較低溫度下，焦油的蒸汽逐漸失去熱能，從氣態(tài)狀態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)狀態(tài)。焦油的冷凝過程是荒煤氣余熱回收中的一個重要問題，因為它會導致?lián)Q熱界面的積垢和結焦問題，從而影響了熱能回收效率和系統(tǒng)可靠性。通過對不同溫度下焦油餾分的分析，可以推斷出荒煤氣中重質(zhì)焦油的冷凝開始溫度。根據(jù)研究結果，荒煤氣中重質(zhì)焦油的冷凝開始溫度在常壓下通常位于400～500℃之間。這意味著在常壓下，當荒煤氣溫度降至該范圍時，焦油蒸汽會開始冷凝成液體，從而引發(fā)結焦問題。圖1為荒煤氣溫度對焦油餾分析出率的影響。

圖1 荒煤氣溫度對焦油餾分析出率的影響

(2)換熱界面的溫度對荒煤氣中焦油蒸汽結焦的影響

換熱界面是指荒煤氣與冷卻介質(zhì)（如水或空氣）接觸的表面，通常是上升管的外壁或換熱器的管壁。換熱界面的溫度取決于冷卻介質(zhì)的溫度、流量和換熱系數(shù)。換熱界面的溫度對荒煤氣中焦油蒸汽結焦的影響主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

①換熱界面的溫度會影響荒煤氣中焦油蒸汽的凝結。當荒煤氣中焦油蒸汽遇到溫度低于其露點的換熱界面時，就會發(fā)生凝結，形成液態(tài)焦油。這些液態(tài)焦油會在高溫環(huán)境下發(fā)生熱解和熱縮聚而固化堆積，形成結焦物。因此，換熱界面的溫度越低，荒煤氣中焦油蒸汽凝結的越多，結焦物也就越多。

②換熱界面的溫度會影響上升管內(nèi)壁的溫度。上升管內(nèi)壁是荒煤氣與換熱界面之間的傳熱介質(zhì)，其溫度受到換熱界面和荒煤氣兩方面的影響。當換熱界面的溫度較低時，上升管內(nèi)壁的溫度也會降低；當換熱界面的溫度較高時，上升管內(nèi)壁的溫度也會升高。上升管內(nèi)壁的溫度對荒煤氣中焦油蒸汽結焦的影響主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

A.上升管內(nèi)壁的溫度會影響液態(tài)焦油在上升管內(nèi)壁上的流動和分布。當上升管內(nèi)壁的溫度較低時，液態(tài)焦油在上升管內(nèi)壁上流動較慢，容易在某些部位停留和積聚；當上升管內(nèi)壁的溫度較高時，液態(tài)焦油在上升管內(nèi)壁上流動較快，容易均勻分布和流出。當高壓蒸汽發(fā)生器熱流出口溫度由285℃升到315℃時，高溫閃蒸罐中的部分焦油產(chǎn)物會在中溫閃蒸罐餾出，因此，高溫餾分流量減少，三混餾分流量增多；當中壓蒸汽發(fā)生器熱流出口溫度由155℃升高到185℃時，僅三混餾分的流量急劇減少。

B.上升管內(nèi)壁的溫度會影響液態(tài)焦油在上升管內(nèi)壁上的再揮發(fā)和固化。當上升管內(nèi)壁的溫度較低時，液態(tài)焦油在上升管內(nèi)壁上再揮發(fā)較少，固化較多；當上升管內(nèi)壁的溫度較高時，液態(tài)焦油在上升管內(nèi)壁上再揮發(fā)較多，固化較少。焦油結焦反應速率如公式（1）所示。

反應的速度常數(shù)與溫度呈指數(shù)關系。當上升管內(nèi)壁溫度為260～270℃時，焦油沉積物較多；當內(nèi)壁溫度升到450～470℃時，焦油沉積物少且酥松。這是因為高溫可以促進荒煤氣中焦油蒸汽的再揮發(fā)和熱解，從而減少液態(tài)焦油的凝結和固化。

(3)高溫荒煤氣對流傳熱和爐內(nèi)輻射對液態(tài)焦油的顯著影響

焦爐上升管是一種用于回收焦爐荒煤氣余熱的裝置，它由一個內(nèi)壁為鋼管，外壁為水夾套的圓柱形管道組成?；拿簹鈴纳仙艿撞窟M入，與水夾套之間進行對流傳熱，同時受到爐內(nèi)輻射的影響?；拿簹庠谏仙苤辛鲃訒r，會將部分焦油和塵埃帶入，這些物質(zhì)在上升管內(nèi)壁上形成一層沉積物。當液態(tài)焦油進入上升管內(nèi)的高溫環(huán)境時，引發(fā)了液態(tài)焦油的熱解和熱縮聚反應，導致分子結構的改變和釋放的熱能，使焦油的溫度升高。同時，揮發(fā)性成分開始汽化，以氣體形式進入荒煤氣中。此外，高溫還會導致液態(tài)焦油中的有機物質(zhì)分解為石墨顆粒，這些顆?？梢栽诠艿纼?nèi)層積，影響管道的通暢度。管道內(nèi)存在溫度梯度，影響了液態(tài)焦油的流動和分解速率，而在熱解后可能形成殘留物質(zhì)，影響熱回收和管道清潔。

據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，當上升管入口處荒煤氣溫度為900℃時，液態(tài)焦油在上升管內(nèi)壁流動時會發(fā)生約30%的重量損失，其中約20%是由于揮發(fā)性物質(zhì)的蒸發(fā)，約10%是由于固體碳的生成。當上升管入口處荒煤氣溫度為1000℃時，液態(tài)焦油在上升管內(nèi)壁流動時會發(fā)生約50%的重量損失，其中約30%是由于揮發(fā)性物質(zhì)的蒸發(fā)，約20%是由于固體碳的生成。這些數(shù)據(jù)說明了高溫荒煤氣對流傳熱和爐內(nèi)輻射對液態(tài)焦油的顯著影響。

3.荒煤氣焦油防止結焦措施

焦油蒸汽的結焦問題不僅降低了設備的傳熱效率，還可能導致管道堵塞、設備損壞，甚至引發(fā)安全隱患。因此，為了提高荒煤氣的回收利用效率和確保工業(yè)生產(chǎn)的安全可行，必須采取一系列有效的措施來防止焦油的結焦。

（1）提高上升管內(nèi)壁溫度。這是防止結焦的重要措施，因為上升管內(nèi)壁溫度過低會導致荒煤氣中的焦油分子在壁面上冷凝、固化，形成結焦物，影響荒煤氣的流動和換熱效果。可以提高上升管的壁面溫度，以減少焦油的凝結和附著。通過使用高導熱系數(shù)的金屬材料來實現(xiàn)，這些材料能夠更有效地傳導熱量，將焦油保持在液態(tài)狀態(tài)，減少結焦風險。此外，選擇耐高溫的金屬材料，如特殊合金，可以確保管道在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定性。

（2）對上升管采取保溫措施。通過降低上升管的熱損失，提高上升管內(nèi)壁溫度，減少焦油的冷凝和熱解的方法。在上升管外部包裹保溫材料，如礦棉、玻璃棉、珍珠巖等，以減少熱輻射和對流的影響；在上升管內(nèi)部涂抹保溫涂料，如硅酸鈉、硅酸鋁等，以形成一層隔熱層，防止焦油的粘附和結焦；在上升管內(nèi)部安裝夾套或螺旋管，在其中通水或有機載熱體，以回收荒煤氣的余熱，同時保持上升管內(nèi)壁溫度。對上升管進行保溫處理，可以很好地提高上升管內(nèi)壁溫度，同時也有利于改善焦爐爐頂?shù)牟僮鳝h(huán)境。保溫處理可以防止上升管受到外界環(huán)境的影響，保持荒煤氣在上升管內(nèi)的高溫狀態(tài)，避免焦油分子在上升過程中遇冷而凝結。保溫處理還可以降低上升管表面的輻射損失，提高換熱效率。可以用珍珠巖等保溫材料對上升管進行保溫處理。

（3）上升管內(nèi)設焦油導流裝置。導流裝置可以是一種金屬片或網(wǎng)格，安裝在上升管內(nèi)壁的一定位置，使得冷凝的焦油順著它們向下滑落，而不是沿著上升管根部向下流動。導流裝置還可以改變荒煤氣在上升管內(nèi)的流動狀態(tài)，增加其與內(nèi)壁的接觸面積和時間，提高換熱效果。導流裝置還可以促進結焦物的脫落，防止其堵塞上升管。

（4）保證上升管內(nèi)壁光滑。選擇高耐磨性的材料，如特殊合金或涂層，有助于提高管道內(nèi)壁的耐磨性，減少磨損和粗糙度。此外，在管道內(nèi)壁的設計中考慮平滑表面，避免凹凸不平或棱角。通過流體動力學的優(yōu)化，確保焦油在管道內(nèi)的均勻流動，減少焦油附著的可能性。這樣可以減少結焦物在上升管根部的附著力，使其容易脫落。同時，光滑的壁面也可以減少荒煤氣在上升管內(nèi)的流動阻力，提高流速和換熱效果。

（5）改變換熱工質(zhì)的流量。通過調(diào)整換熱工質(zhì)的流量，可以有效地控制荒煤氣中的焦油濃度。增加換熱工質(zhì)的流量可以稀釋焦油，降低結焦的可能性。通過自動監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)，確保流量的持續(xù)調(diào)整以適應不同工況。換熱工質(zhì)可以是水、空氣、蒸汽等介質(zhì)，它們通過換熱器與荒煤氣進行換熱，從而提高工質(zhì)的溫度和能量，同時降低荒煤氣的溫度和能量。通過改變換熱工質(zhì)的流量，可以調(diào)節(jié)荒煤氣在上升管內(nèi)的冷卻程度，使其保持在一個合適的范圍內(nèi)，避免過冷而導致焦油析出。

4.結語

本研究旨在提高荒煤氣余熱回收的效率，降低焦爐系統(tǒng)的能源浪費，并減少環(huán)境負擔。這也將促進環(huán)保技術的發(fā)展，推動焦化工業(yè)向更清潔、高效、可持續(xù)的方向邁進，為可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。然而，解決焦油結焦問題是一個復雜而長期的過程。未來的研究需要進一步深入探討焦油生成機制、更精確地確定冷凝點、開發(fā)更有效的結焦防控方法等方面的問題。