熱回收煉焦高溫煙氣系統的優化設計和節能改造

彭曉霞 山西森特潔凈煤技術研究設計院有限公司 太原 030006

熱回收煉焦高溫煙氣系統的優化設計和節能改造

彭曉霞*山西森特潔凈煤技術研究設計院有限公司 太原 030006

介紹國內熱回收煉焦技術高溫煙氣系統的生產現狀，分析存在的問題，提出優化設計和改造措施。

熱回收煉焦高溫煙氣系統改造節能

熱回收煉焦技術是一項獲得國家專利的新型煉焦技術［1］，是國際主要煉焦新技術之一［2］。該煉焦技術是在總結國內熱回收焦爐的技術和借鑒國外熱回收焦爐經驗的基礎上開發的一種清潔型、熱回收、搗固煉焦技術。該技術可用無煙煤煉焦，同時具有焦炭強度高、節水、節電、能耗低、投資少、清潔環保的特點，越來越受到國內外焦化行業的關注。

熱回收煉焦工藝為微負壓煉焦，煉焦爐為拱型結構，煉焦產生的副產品全部燃燒為高溫煙氣［3］，高溫煙氣通過余熱鍋爐進行換熱產生蒸汽，蒸汽直接使用或用于發電。余熱鍋爐進口的高溫煙氣溫度與產生的蒸汽量有很大的關系，因此減少煉焦煙氣的熱量損失對熱回收煉焦技術降低能耗和提高效益起著非常重要的作用。焦爐在煉焦過程中產生的高溫煙氣通過高溫煙氣系統輸送到余熱鍋爐，經換熱產生蒸汽，隨后通過汽輪機進行發電。在實際生產中，高溫煙氣系統散熱多，使進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，往往會造成高溫煙氣系統局部燒損，影響煉焦的正常生產。因此，合理可靠的煉焦高溫煙氣系統，對延長其使用壽命，降低煉焦能耗，提高企業經濟效益起著關鍵作用，也是保證熱回收煉焦正常生產的關鍵環節。

1 原高溫煙氣系統存在的問題

熱回收煉焦的高溫煙氣系統包括上升管、集氣支管、集氣總管及集氣外管四部分，而高溫煙氣系統的各個部分都分別由鋼殼體及內襯的耐火隔熱材料組成。高溫煙氣系統內襯的耐火隔熱材料，直接接觸高溫煙氣，不但要耐高溫還要有良好的隔熱效果和較小的加熱永久線變化。高溫煙氣由于在焦爐內部已經燃燒完全，不含粉塵等物質，具有小的加熱永久線變化的內襯材料能提高高溫煙氣系統在高溫狀態下使用的可靠性。

傳統的熱回收煉焦的高溫煙氣系統，由于內襯隔熱材料的類型、結構和厚度不合理，耐火度低、保溫效果差，高溫集氣系統的散熱較大，容易造成集氣系統局部燒損。為了提高煙氣余熱的回收利用率，必須減少集氣系統的散熱、提高鍋爐進口煙氣的溫度。焦爐正常生產時上升管進口煙氣溫度一般在1200℃左右，改造前在現場對多個焦化廠的余熱鍋爐煙氣進口溫度進行了測量，煙氣溫度一般在950℃左右，整個集氣系統中的煙氣溫度降低較大，造成了余熱鍋爐產汽量減少，余熱發電廠發電量低。通過現場對熱回收煉焦生產工藝和設備裝置的考察分析，發現大多數熱回收煉焦的高溫煙氣系統如橋管、集氣管外表面溫度偏高，且都有不同程度的損壞。橋管外表面溫度達到120℃左右，集氣管外表面溫度達到100℃左右。高溫煙氣系統的上升管、集氣支管、集氣總管、集氣外管采用無石棉硅鈣板和漂珠磚作內襯時，由于漂珠磚長期使用溫度低、導熱系數大，長時間在高溫環境中使用，導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，無石棉硅鈣板容易被壓裂，導致集氣管內鋼殼體受損，煙氣泄漏。改造前耐火材料的理化指標見表1。

2 高溫煙氣系統內襯優化設計和改造

內襯需采用耐高溫、導熱系數低、強度高、較小的加熱永久線變化的耐火隔熱材料合理砌筑。

2.1 內襯的使用條件

熱回收焦爐在煉焦過程中完全燃燒后的煙氣經上升火道進入上升管、集氣支管、集氣總管以及集氣外管，最后進入余熱鍋爐。正常生產時煙氣在進入橋管時溫度為1200℃左右，且工作溫度一直處于高溫狀態。為了減少熱損失，節約能源，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

2.2 內襯隔熱材料的選擇

根據高溫煙氣系統的工作環境，考慮到隔墊材料的使用條件，使用耐火隔熱材料的導熱系數、高溫條件下的膨脹率、耐高溫強度以及熱震穩定性等指標，在直接接觸高溫煙氣的部位需選擇耐高溫且導熱系數較小的輕質莫來石磚;在莫來石磚和鋼殼體的部位選擇耐高溫且導熱系數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別。上升管、橋管使用的耐火材料由比重為1500kg/m3的莫來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的莫來石和陶瓷纖維板組成。

2.3 內襯莫來石磚的結構

莫來石磚采用楔型結構，設有磚溝磚舌、錯縫砌筑，即保證了砌體的強度，又防止了高溫煙氣的竄漏。

2.4 熱工計算

改造后隔熱耐火材料的理化指標見表2。

2.4.1 上升管熱工計算

煉焦高溫煙氣系統的內襯厚度采用試差法計算。經多次計算比較，選擇上升管內襯由170mm厚的莫來石CX－1.5以及80mm厚的陶瓷纖維板組成。

(1)上升管結構導熱圖，見圖1。

(2)上升管熱損失計算公式［4］:

表2 改造后耐火材料理化指標

圖1 上升管結構導熱圖

(3)改造后上升管溫度計算:

計算輸入參數:

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

②鋼殼體側耐火材料及參數:陶瓷纖維板

δ2=80mm;λ2=0.13 5W/(m·℃)。

③殼體及參數:鋼殼體

δ3=10mm;λ3=48W/(m·℃)。

④1/α空:0.045 m2℃/W。

計算輸出結果:

①熱損失Q:1263.58W/m2。

②t2:830.91℃。③t3:82.1℃。④t3:81.9℃。

計算結果顯示，上升管鋼殼體表面為81.9℃，根據改造后現場實際檢測上升管外表面溫度為80～85℃，達到了設計指標。

2.4.2 集氣管熱工計算

集氣管內襯由170mm厚的莫來石磚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)集氣管結構導熱圖，見圖2。

圖2 集氣管結構導熱圖

(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算:

計算輸入參數:

2.4.3 高溫煙氣進入余熱鍋爐的溫度計算

計算依據:以2×15孔焦爐為例，每一孔炭化室裝干煤量為45.066t，大氣溫度25℃，焦炭出焦時的平均溫度950℃，上升管表面溫度82℃，集氣管表面溫度70℃，結焦時間63h，煙氣量189020Nm3。

(1)集氣系統散熱

集氣系統散熱計算見表3。

(2)高溫煙氣進入集氣系統的熱量

上升管煙氣進口溫度為1200℃，煙氣主要組成見表4。

煙氣各組分熱焓見表5。

經計算每個結焦周期63h，2×15孔集氣系統進口處煙氣的熱量為103.77×108kJ。

(3)煙氣系統出口煙氣的熱量

表3 集氣系統散熱計算

表4 煙氣主要組成(%)

經計算每個結焦周期63h，集氣系統熱損失為9.21×108kJ，集氣系統出口處煙氣熱量為94.57 ×108kJ。

(4)集氣系統煙氣出口溫度

經反復試算，集氣系統煙氣出口熱量為94.57 ×108kJ時，煙氣溫度為1100℃。

3 高溫煙氣系統節能效果

高溫煙氣系統新的設計和改造，在越南、以及我國山西、江蘇、貴州等地熱回收煉焦中采用，達到了設計指標，取得了顯著效果。

3.1 高溫煙氣溫度比較

改造前后高溫煙氣溫度比較見表6。

表6 改造前后高溫煙氣溫度的比較(℃)

3.2 節能效益

煉焦高溫煙氣進入余熱鍋爐的溫度由原來的950℃左右提高到1100℃左右，按1000kt/a焦炭規模計算，節能效果見表7。

表7 改造后節能效果

3.3 推廣價值

我國目前采用熱回收煉焦技術的焦炭生產規模為23000kt左右，如果采用上述的集氣系統的改造方案，每年將節約煉焦煤5492080kt，按每噸煉焦煤1500元計算，每年可增加收入82381.2萬元。具有良好的社會效益、環境效益和顯著的經濟效益。

4 結語

通過高溫煙氣系統內襯隔熱材料的技術改造，高溫煙氣系統內襯隔熱材料導熱系數低、熱震穩定性高、內襯結構的設計合理。

上升管外表面溫度由原來的120℃降低到82℃左右，集氣管外表面溫度由原來的100℃降低到70℃左右，進入余熱鍋爐的高溫煙氣溫度由原來的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。

經實踐證明，提高煙氣的溫度不會造成集氣系統的燒損，提高了集氣系統的使用壽命，保證了熱回收煉焦的正常生產。

1 沈為清，王金良，王榮等．清潔型熱回收搗固式煉焦爐［P］．中國專利:ZL 2005 2 0024701．5．

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

3 張建平．清潔型熱回收搗固煉焦技術的開發與應用［J］．煤化工，2006，34(6):36－40．

4 葛霖．筑爐手冊［M］，北京:冶金工業出版社，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年畢業于太原理工大學化工機械與設備專業。主要從事焦化工藝和設備的設計及管理工作。聯系電話:13834522420，E－mail:chinapen@163.com。

(修改回稿2012－05－07)