焦炉上升管余热回收与干熄焦系统耦合利用的新工艺 【技术领域】
本发明属于焦化生产热能综合利用领域，具体涉及一种利用干熄焦系统的干熄焦循环气回收上升管余热加热余热锅炉产生中、高压蒸汽的节能、增产的新工艺。
背景技术
国家发改委在《“十一五”十大重点节能工程实施意见》中指出余热余压利用工程，是“十一五”期间十大重点节能工程之一。炼焦生产有着大量的余热余能资源，焦炉余热量大、能值高，在回收利用方面有较大的价值，是焦化工业节能潜力的一个重要方面。
从测定焦炉热平衡的结果得知，推出红焦温度约1050℃，携带的显热占总供热量的40％左右，居第一位；600℃～700℃的荒煤气带出的显热约占30％，居第二位。从能值或者可用性角度评价，焦炭显热的能值系数为0.56，荒煤气显热能值系数为0.48，在工业余热中是相当高的。荒煤气以650～700℃温度离开焦炉，经上升管至桥管，在集气管内用氨水喷洒降至80～85℃，然后经初冷器将煤气冷却至21～35℃。氨水经冷却和除焦油后循环使用。高温煤气第一步冷却是靠在集气管内喷洒大量循环氨水实现的，煤气的温度虽然降低了，但以单位质量干煤气为基准的焓值变化不大或稍有增加。也就是说，现实生产中真正的煤气携带热量需在下一步初冷器冷却中靠冷却水带走。一边是能量的浪费，另一边是浪费的热量需靠大量消耗水来冷却，这在热力学上是不完善的。因此，从高温煤气初步冷却过程中取出部分热能加以利用，从能量的角度看是合理的。
目前，干熄焦系统技术已比较成熟，可回收红焦83％的显热，节能环保。最近几年来，在国家冶金技术发展政策的引导下，干熄焦作为重点节能推广项目已经得到冶金企业积极响应，继武钢(140t/h)干熄焦项目之后，马钢(125t/h)、本钢(121t/h)、包钢(125t/h)等十几家企业已建或正在建设100t/h以上规模干熄焦装置，为干熄焦系统与上升管余热利用相结合提供了条件。
本发明能够很好的解决上升管余热利用的问题并且与干熄焦系统相协调。由于焦炉煤气在500℃以上时焦油凝集现象较轻，所以可以回收上升管中500℃以上荒煤气的显热。
【发明内容】
本发明目的在于提供一种上升管余热回收的新型工艺，将低品位的废热转化为高品位的能量。
为了达到上述目的，本发明的解决方案是：一种焦炉上升管余热回收与干熄焦系统耦合利用的新工艺，抽出部分进入干熄焦系统的干熄炉的干熄焦循环气资源，在上升管换热装置中与约650～700℃的荒煤气间接换热，使荒煤气的温度降低到550～600℃，干熄焦循环气吸热升温，将这部分干熄焦循环气再引入干熄炉中，继续回收红焦的显热，和干熄炉中其余干熄焦循环气一起由环形烟道引出，经一次除尘器后引至余热锅炉，生产中压蒸汽或高压蒸汽，再经过二次除尘器和热管换热器后冷却至120～200℃，重新抽出部分干熄焦循环气送至焦炉上升管换热装置。
进一步：所述干熄焦系统部分包括干熄炉、循环气体鼓风机、一次除尘器、除氧器、锅炉给水泵、余热锅炉、二次除尘器、热管换热器等装置；所述干熄焦系统部分与现有的干熄焦系统相同，只是在上升管与干熄焦系统间增设一台循环风机，用于输送干熄焦循环气，将两个系统耦合起来，其目的在于回收上升管中荒煤气高温段废热，通过在干熄炉中继续吸收红焦热量升温，以提高能量品位，增加余热锅炉的中、高压蒸汽的产量。就目前干熄焦技术的发展，中压蒸汽压力在4MPa左右，高压蒸汽9MPa左右，最高已达到12MPa。
所述上升管换热装置，采用夹套式换热器方式，内管中走荒煤气，外管中走干熄焦循环气。干熄焦循环气与荒煤气进行并流换热，荒煤气和干熄焦循环气均自下而上流动。上升管外安装新型夹套换热器，此设计不存在承压问题，制作成本低，在套筒内气体通道为螺旋旋转结构，增加气体热交换系数，大大地提高了传热效率。回收500℃以上的高温显热可以避免焦油在管壁上冷凝产生返油现象。
采用干熄焦循环气作为上升管余热利用的循环介质，其优势在于干熄焦循环气为惰性气体，该气体的主要组成为氮气、一氧化碳、二氧化碳等，其氧含量较低。这类气体在用于上升管间接热量交换过程中具备有安全可靠的特性，可以避免因为泄漏进入煤气系统的氧含量增加。此外，干熄焦循环气为系统内部循环气，无需从系统外部引入新的循环介质，操作起来简单方便。
所述回收上升管余热的干熄焦循环气由热管换热器后抽出，此时干熄焦循环气温度为整个系统经过以上流程后自然形成的温度最低点，上升管换热装置前设有循环风机。
所述回收上升管余热的干熄焦循环气与干熄炉中的其余干熄焦循环气在干熄炉中下部混合，在干熄炉内继续换热。混合的具体位置根据各厂的具体运行情况而定，原则上力求减少混合热损失。
以往的上升管余热利用产生的为0.5MPa左右的低压蒸汽，没有并入热力管网，只用于采暖和洗澡，大量气体放散，这种做法无多大的实际意义。本发明回收荒煤气高温段显热用于生产中、高压蒸汽，进而用于发电等行业，采用干熄焦循环气作为上升管余热利用的循环介质，巧妙地将上升管余热利用与干熄焦系统结合起来，回收的荒煤气热量在干熄炉中得到进一步的提高，用于加热余热锅炉，产生中压或高压蒸汽，在焦化生产中实现节能、环保、增产。
干熄焦技术作为一种节能、环保和提高焦炭质量的新工艺，长期以来受到国内外的高度重视，其基本原理是利用冷的惰性气体在干熄炉中与赤热红焦换热从而冷却红焦，吸收了红焦热量的惰性气体将热量传给干熄焦锅炉产生蒸汽，被冷却的惰性气体再由循环风机鼓入干熄炉冷却红焦。干熄焦锅炉产生的蒸汽供用户使用或用于发电。该技术的优势主要体现在以下几个方面：第一，节约能源，可回收红焦83％的显热，用这些热量可产生蒸汽，驱动汽轮发电机进行发电；第二，提高焦炭质量，由于干熄焦过程中焦炭受到缓慢冷却，内部热应力减小，网状裂纹少，气孔率低，故有利于提高焦炭质量、降低高炉焦比；第三，彻底解决了湿法熄焦时熄焦塔产生的大量烟尘、水汽及有害气体对大气的污染；第四，节约水资源，湿法熄焦时，每吨红焦需要4～5m3循环水，其中蒸发10％～15％，以年产110万t焦炭计，需耗水40～70万m3，而我国是水资源严重不足的国家，今后随着水资源的进一步匮乏，工业水价格会大幅上升，这一点干熄焦无疑具有极大的优势。
一般回收荒煤气500～600℃的热量只能生产低压蒸汽，用处不大，本发明将回收了上升管余热的干熄焦循环气送入干熄炉中下部，在干熄炉中继续吸收红焦的热量达800～900℃，用以生产中、高压蒸汽，既回收了废热又提高了能量的品质，具有极大的经济效益和环保效益。
上升管余热利用可以回收荒煤气的大量显热。以年产焦炭100万吨，成焦率为0.75，荒煤气在上升管换热后温度由650℃降低到550℃为例，理论上可以回收荒煤气显热160.19×105KJ/h，将其用于生产中压蒸汽，可以产生4.18MPa，470℃的饱和蒸汽(焓值为3378.32KJ/Kg)4741.7Kg/h，节省标煤(29271KJ/Kg)547.26Kg/h。同时，上升管余热利用与干熄焦系统耦合，将荒煤气的废热用于产生中、高压蒸汽，实现了低品位能量向高品位能量的转化，使能量的能级大大提高。
上升管余热回收还可解决荒煤气高温裂解在上升管根部结成难以清除的石墨问题；减少喷洒冷却用的氨水消耗量，进而减少了废水处理量，减轻了环境污染；降低上升管外壁温度，改善炉顶操作条件。
本发明采用干熄焦循环气作为上升管余热利用的循环介质，充分利用了已有资源，又解决了汽化冷却装置中以水为介质带来的问题，具有显著的优点。
(1)安全可靠性好。每一个上升管的汽化冷却器均类似一个工业锅炉，操作不当时容易发生爆炸事故；用干熄焦循环气作冷却介质，操作压力变化不大，安全性能好。
(2)可以避免在汽化冷却装置中水套漏水的问题。汽化冷却装置若发生漏水，就可能使水汽进入碳化室内，对炉体造成极大的危害。
(3)由于采取间接冷却方案，大大减少了了直接冷却中废水的排放，降低了工厂污水处理费用。
【附图说明】
图1为本发明实施例的焦炉上升管余热回收与干熄焦系统耦合生产中压蒸汽的新工艺示意图。
图2为本发明实施例的上升管换热装置示意图。
1-焦炉 2-上升管换热装置 3-干熄炉 4-一次除尘器 5-余热锅炉 6-二次除尘器7-循环风机 8-热管换热器 9-除氧器 10-锅炉给水泵 11-螺旋换热结构
【具体实施方式】
本发明工艺由干熄焦系统和上升管余热利用两个系统耦合而成，起连接作用的是干熄焦循环气。
本发明如附图1所示，将上升管余热利用系统与干熄焦系统的干熄炉耦合起来，包括焦炉1、上升管换热装置2、干熄炉3、一次除尘器4、余热锅炉5、二次除尘器6、热管换热器8、锅炉给水泵10、除氧器9和循环风机7。具体工艺流程如下：在干熄焦系统的热管换热器8出口处将130℃左右的部分干熄焦循环气引出，此处的干熄焦气经过余热锅炉5和热管换热器8，温度降至系统最低点，循环气通过管道送至上升管余热回收装置，回收550～650℃的荒煤气的热量，然后经循环风机送至干熄炉中下部，在干熄炉内继续与红焦换热至800～900℃从环形烟道引出，进入一次除尘器4，后进入余热锅炉5换热，干熄焦循环气出锅炉后经二次除尘器6进一步分离出细颗粒焦粉后，由循环气体鼓风机送入热管换热器8冷却至约130℃左右，再循环。
年产100万吨焦炭，成焦率0.75的焦炉，550～650℃荒煤气携带热量为160.19×105KJ/h，若换热器效率为0.4，则可实际回收荒煤气热量64.076×105KJ/h，即6.4GJ/h，可增产中压蒸汽(4.18MPa，470℃)1896.687Kg/h，相当于节省标煤219.04Kg/h.上升管的干熄焦循环气回到干熄炉的位置根据具体运行时，干熄焦循环气回收荒煤气热量后的温度而定，尽量在干熄炉中循环气温度相差不大的地方返回，以减少混合热损失。所有循环气经热管换热器后，一部分从干熄炉底部回到干熄炉中循环，一部分到上升管换热装置循环，根据干熄焦系统的运行要求，在干熄炉入口处放散部分循环气，相应地添加新的循环气。
上升管换热装置具体如图2所示，该装置在套筒内气体通道为螺旋旋转结构，即螺旋换热结构11，在夹套中形成一个封闭的螺旋上升的气道，螺旋轴向间距与气体通量有关，气体通量大时螺旋间距大，气体通量小时螺旋间距小，根据气体通道轴向截面积而定。夹套内采用螺旋结构，增大了循环气和荒煤气的热交换系数，大大地提高了传热效率，加工制造方便。循环气在外管侧自下而上与内管侧自下而上流动的荒煤气并流换热，循环气体量及换热后气体的温度根据换热装置的设计换热面积和传热系数而定。上升管换热器中循环气体入口温度130℃左右，根据干熄焦系统的有关运行数据，除氧器出口温度是100℃左右，热管换热器后水的温度是40℃左右。因此，上升管荒煤气550～650℃所回收的热量还可直接用于锅炉给水的预热，以节省除氧器消耗的热量，具体实施方式可以在热管换热器后再添加一台热管换热器，回收荒煤气热量的循环气直接加热给水，升温的给水经除氧器再进入锅炉的省煤气。或者直接作为除氧气的热源，以减少除氧器的外供蒸汽量。
本发明可主要用于上升管余热利用，是一种节能、减排、增产的新型工艺。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。