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焦炉烟气及上升管的余热利用

信息来源:西安绿槐科技 |

本文介绍了热管技术、煤调湿、负压蒸氨等烟道废气余热利用技术,并通过对余热回收效果进行对比分析,指出独立焦化企业采用焦炉煤气加热,宜采用热管技术生产蒸汽(或负压蒸氨);钢铁联合企业采用高炉煤气加热,建议采用煤调湿技术。过程气分析系统选择西安绿槐科技。

1、前言

焦炉烟道废气温度为180℃—300℃,其带出热约占焦炉总输出热量的17%,目前大多数焦化厂将焦炉烟道废气通过烟囱放散至大气中,造成极大的能源浪费。在当前提倡循环经济、可持续发展的背景下,对焦炉烟道废气余热进行回收利用,具有巨大的经济效益和节能减排意义。目前焦炉烟道废气余热利用技术主要有热管技术、煤调湿、负压蒸氨、取暖和生产热水洗浴等。

2、烟道废气余热利用途径

2.1、热管技术

近几年,用热管余热锅炉回收焦炉烟道废气余热生产蒸汽技术,因其投资省,见效快而快速发展。烟道废热余热回收生产蒸汽的工艺原理:热流体的热量由热管传给放热端水套管内的水,并使其汽化,所产汽—水混合物经蒸汽上升管达到汽包,经集中分离后再经蒸汽主控阀输出。由于热管不断将热量输入水套管内的水,并通过外部汽—水管道的上升及下降完成基本的汽—水循环,达到将热流体降温,并转化为蒸汽的目的。

焦炉烟道废气余热生产蒸汽的工艺流程:在焦炉主烟道翻板阀前开孔,将焦炉主烟道废气引出,经调节型蝶阀入余热回收系统,换热降温后约170 ℃的烟气通过风机抽送,再经开关型蝶阀排入主烟道翻板阀后的地下主烟道,最后经焦炉烟囱排入大气。锅炉水被加热后汽化,经汽包并计量后并入蒸汽管网,供各生产车间使用。余热回收系统由软化水处理装置、除氧器、水箱、除氧给水泵、锅炉给水泵、热管蒸汽发生器、软水预热器汽包、上升管、下降管等组成。其核心技术是热管技术回收烟气中的显热,将软化水加热成水蒸气,其工艺流程图如图1所示。

图1 热管锅炉回收烟道废气余热工艺流程

焦炉烟道废气余热回收生产蒸汽系统是一项节能减排工程,产生的饱和蒸汽可并入焦化厂蒸汽管网,供低压蒸汽用户使用。

2.2、煤调湿

煤调湿是将炼焦煤在装炉前除去一部分水分,保持装炉煤水分稳定在6%左右,然后装炉炼焦。日本、俄罗斯等国家普遍使用,在我国煤调湿已成为焦化行业重点开发并积极推广的技术。利用焦炉烟道废气煤调湿工艺不但可以节省能源,减少废气、废水、废热的排放,而且可以提高装炉煤堆密度及炼焦初期升温速度、缩短结焦时间,从而实现节能降耗的目的。

目前,煤调湿装置的热源主要有导热油、蒸汽和焦炉烟道废气等。相比较而言,以导热油和蒸汽为热源的煤调湿工艺存在设备繁琐、运行费用高等问题;以焦炉烟道废气为热源的煤调湿工艺可以利用废气余热干燥入炉煤,热效率高,节能效果好。目前以焦炉烟道废气为热源的煤调湿工艺主要有流化床式、风动选择式和沸腾流化床式等。

2.2.1、流化床煤调湿

1996年10月日本在北海制铁公司室兰厂投产了采用焦炉烟道废气对煤料干燥的流化床煤调湿装置,其工艺流程为:将粉碎后的煤料由煤仓送往流化床干燥机,从分布板进入的焦炉烟道废气直接与煤料接触,对煤料进行干燥,调湿后的粗煤粒从干燥机排入螺旋输送机,剩余的煤粉随焦炉烟道废气进入袋式除尘器,回收的煤粉通过螺旋输送机送入皮带机上,为抑制扬尘,采用加湿机对干煤粉适当加湿,使煤粉和粗煤粒一起经皮带机送到焦炉煤塔,工艺流程图见图2。

图2 流化床煤调湿工艺流程

流化床煤调湿的工艺特点:该装置位于备煤车间粉碎机后,在流化床干燥机内,利用布风喷嘴喷出高速斜向气流使煤料流化而移向出口;只干燥和脱粉,不分级。

2.2.2、风动选择煤调湿

2007年济钢投产了一套风动选择煤调湿装置。该装置位于粉碎机前,具有风选功能,首先将<3 mm合格粒度的煤料风选出来,减轻粉碎机负荷;布袋除尘器滤出的煤粉,压成型煤,入炉炼焦。其工艺流程:配合煤A 经布料器首先进入风选调湿器,焦炉烟道废气用鼓风机在风选调湿器的下部鼓入,在风选调湿器的上方流动的煤层建立沸腾层,轻质颗粒、细颗粒被干燥分离成细颗粒煤流B直接进入焦炉煤塔。而重质颗粒、大颗粒被分离成粗颗粒煤流 C,送入破碎机粉碎,在此粉碎的煤料D,经过转运站,在风选调湿器入口前重新与配合煤初次煤流A合流后成煤料E,进入风选调湿器进行再次调湿。其工艺流程图如图3所示。

图3 风动选择煤调湿工艺流程

风动选择煤调湿工艺特点:该装置位于备煤车间粉碎机前,具备风选功能,<3mm的煤料直接送往煤塔,其中的大颗粒、重质颗粒进入粉碎机进行粉碎,粉碎后的煤再进行风选,形成闭路循环,装炉煤中不存在大颗粒、重质颗粒,水分降至6%~7%,不仅实现了入炉煤的风动选择粉碎,而且实现了对入炉煤水分的调湿;布袋除尘器滤出的煤粉,压成型煤入炉炼焦。

2.2.3、振动流化床煤调湿

振动流化床煤调湿装置可以用于入炉煤的煤调湿,也可以用于配合煤分级调湿。

其工艺流程:煤料通过播洒装置连续抛洒到振动流化床分级干燥机上,在振动力和高速气流作用下,所有煤料处于剧烈运动中。>3mm的大颗粒煤料送往粉碎机;中颗粒煤料从布风板中心区随气流快速上升,沿两侧壁下滑回落或从低速处回落,如此循环几次后,即可到达出料端;小颗粒随气流一起上升,随气流带出,由除尘器收集,工艺流程图如图4所示。

图4 振动流化床煤调湿工艺流程

振动流化床煤调湿工艺特点:该煤调湿装置位于粉碎机前,煤料在振动流化床分级干燥机的床面上,在振动力和高速气流作用下,所有颗粒都处于剧烈运动中;不同颗粒有不同的运动状态;细颗粒承受气流床干燥,中颗粒承受内循环流化床干燥,大颗粒承受振动流化床干燥;分级效率高;对不同粒级煤粒干燥具有选择性;>3mm的调湿煤从干燥机排出后,送粉碎机粉碎。

2.2.4、煤调湿技术需注意的问题

1)因调湿后煤料水分降低,运输过程中产生的粉尘增加,因此必须加强皮带、通廊等装置严密性以及设置除尘设施。

2)炭化室和上升管结石墨现象加重,必须设置除石墨设施,有效清除石墨,以免影响焦炉操作。

3)调湿后煤粉混入煤气净化系统,焦油质量下降。必须在初冷器前增设空喷塔对荒煤气进行洗涤,同时采用超级离心机对焦油进行脱渣脱水,以确保焦油质量。

2.3、负压蒸氨

负压蒸馏工艺技术为利用液体混合物中各组分挥发度不同以及液体沸点随着压力的降低而降低的原理,将液体混合物预热到一定温度后,送入负压蒸馏塔内进行负压蒸馏,同时塔底加热,从而将液体混合物各组份分离,该技术可以降低操作温度、达到节能降耗的效果。

以焦炉烟道废气为热源的负压蒸氨工艺流程:剩余氨水经换热器换热后送入蒸氨塔进行蒸馏,蒸氨塔顶氨汽经分缩器、冷却器冷却后,冷却氨水进入回流槽,槽顶不凝汽在真空装置吸力作用下,经冷却器冷却后进入吸煤气管道中;槽底氨水用回流泵抽出,一部分送蒸氨塔顶回流,一部分作为产品氨水外送。蒸氨塔底蒸氨废水进入烟气热管换热器循环加热后返回蒸氨塔内;另一部分蒸氨废水与原料剩余氨水换热降温后送废水处理装置。其工艺流程图如图5所示。

图5 烟道废气负压蒸氨工艺流程图

传统的蒸氨方法是直接利用蒸汽来加热的,冷凝后与塔底废水一起排出,蒸氨工序不但没有形成废水减排,而且增加了蒸氨废水,并消耗大量的蒸汽热能,造成了能量的浪费,也污染了环境。

负压蒸氨技术的工艺原理与焦炉烟道废气热管技术生产蒸汽相同,都是是利用焦炉烟道废气的余热,所不同的是负压蒸氨技术直接使用热管换热器加热蒸氨废水,而不生产蒸汽。在负压条件下蒸氨,蒸氨塔塔顶压力由原来的10kPa降至-40kPa左右,蒸馏温度由105℃降至80℃左右。

3、余热回收效益对比分析

由于焦炉加热用煤气种类的不同,焦炉烟道废气余热利用的温度差别很大,以年产120万t焦炭的焦炉烟道废气利用热管技术生产蒸汽(或负压蒸氨)和煤调湿技术进行对比,对比结果见表1。

当焦炉烟道废气余热生产蒸汽(或负压蒸氨)时,独立焦化企业焦炉大多用焦炉煤气加热,烟道废气的进口温度较高,可以使用的废气温差高,因此蒸汽产量高。而钢铁联合企业焦化厂大多用高炉煤气加热,烟道废气进口温度较低,蒸汽产量少。由表1可知,采用焦炉煤气加热的烟道废气蒸汽产量比高炉煤气加热的蒸汽产量多。

当焦炉烟道废气用于煤调湿时,焦炉煤气加热因焦炉煤气中含氢量高,因此烟道废气中水分含量高,将其作为煤调湿热源时,不利于煤水分的蒸发,通常只能将入炉煤水分降低约2.5%。而采用高炉煤气加热时,高炉煤气中含氢少,因此烟道废气中水分含量少,烟道废气可以满足煤调湿热量的需要,现通常将入炉煤水分由10%降低至6%。由表1可知,高炉煤气加热的烟道废气用于煤调湿比焦炉煤气加热时可减少的炼焦耗热量更多。

当采用焦炉煤气加热时,尽管煤调湿技术可以使用的烟道废气温差更大,但由于烟道废气中水分含量高,并不利于煤的调湿。且煤调湿技术工艺流程长,设备复杂,相对热损失高。因此,由表1可知,烟道废气采用热管技术生产蒸汽的经济效益比煤调湿技术的经济效益好。

当采用高炉煤气加热时,煤调湿技术可以使用的废气温差明显比热管技术的高,并且煤调湿技术有降低焦化废水产生量、提高焦炭质量和产量等其他经济效益。因此,由表1可知,煤调湿技术的经济效益明显比热管技术生产蒸汽的经济效益好。

综上所述,对于独立焦化企业,由于采用焦炉煤气加热,因此不建议采用煤调湿技术,而宜采用烟道废气余热热管技术生产蒸汽(或负压蒸氨)。对于钢铁联合企业,由于采用高炉煤气加热,因此建议采用烟道废气余热煤调湿技术。