焦炉烟道气余热的多阶、梯级利用及其网化度分析

汤志刚;贺志敏;李红伟;郭栋;赵志军;温燕明;王登富;姜爱国;康春清

【摘 要】有效回收焦炉烟道气余热,是目前焦化行业节能减排的重要措施之一.分析了目前烟道气余热利用的现状与不足,提出了焦炉烟道气余热多阶、梯级利用的新方案,并采用网化度,定量比较了烟道气直排、产生蒸汽、煤调湿及多阶、梯级利用等不同技术路线对过程余热的利用情况,经计算其网化度分别为2.82％、3.30％、3.40％、3.56％,结果表明,多阶、梯级利用方案具有明显的节能效果. 【期刊名称】《煤化工》 【年(卷),期】2015(043)006 【总页数】4页(P1-4)

【关键词】焦炉烟道气;余热;回收;多阶、梯级利用;网化度

【作 者】汤志刚;贺志敏;李红伟;郭栋;赵志军;温燕明;王登富;姜爱国;康春清 【作者单位】清华大学化学工程系 化学工程联合国家重点实验室,北京100084;清华大学化学工程系 化学工程联合国家重点实验室,北京100084;清华大学化学工程系 化学工程联合国家重点实验室,北京100084;清华大学化学工程系 化学工程联合国家重点实验室,北京100084;清华大学化学工程系 化学工程联合国家重点实验室,北京100084;中国炼焦协会专家委员会,北京100010;济南冶金化工设备有限公司,山东济南250300;济南冶金化工设备有限公司,山东济南250300;济南冶金化工设备有限公司,山东济南250300 【正文语种】中 文

【中图分类】TQ522.54

几年前，中国工程院前院长徐匡迪就指出：“目前钢铁企业尚有30%的余热、余能未被回收利用。其中，焦化过程每吨焦约有余热50 kg标煤[1]（以下用ce表示标煤）”。这意味着，在2013年的炼焦生产过程中，有44 323万t[2]（焦炭产量）×50 kg/t焦=2 216万tce的余热未被回收利用。因此，炼焦生产过程的余热回收利用、节能减排的潜力巨大。

目前，焦炉烟道气余热利用方法较多，且效果各异，但缺乏基于同一标准下的比较方法，给用户带来了对不同技术的领悟和认识的困惑。鉴于此，如能提出一个简单有效的量化评价比较参数，将会有力推动焦炉烟道气余热利用工作的进程。 1.1 焦炉烟道气的余热利用潜力

焦炉是能量转换装置中高效率的热工设备，净效率高达87%～89%。这是因为炼焦过程不仅是一个较完善的能量转换过程，产生优质的二次能源，而且焦炉本体设备经过一个多世纪的不断改进，在煤气燃烧、烟气热量利用、绝热等方面均较完善。但这并不能说明它已达到最完善的程度，没有节能的余地了。为实现资源节约、环境友好，高效回收利用炼焦过程中产生的余热资源是焦化厂节能的主要方向和潜力所在，也是提高焦化能效的重要途径之一。

焦炉生产过程的物质流和能量流（1 t焦炭为基础）示意图[3]见图1。

从图1分析可知[2]：在焦炉的输出端，950℃～1 050℃的红焦承载着较多部分的能量，其作为物质流从炭化室被推出。出炉红焦显热约占焦炉总输出热量的37%（图1中表示为输出热37%），当大型焦炉炼焦耗热量为108 kgce/t焦时，则生产每吨焦炭时，红焦带出40.0 kgce的热量。

650 ℃～700℃荒煤气和气态化学产品携带热能和化学能，以能量流的形式，从上升管排出。生产每吨焦炭荒煤气带出热约占焦炉总输出热量的36%，相当于带出38.9 kgce的热量。

250 ℃～300℃焦炉烟道废气携带热能，以能量流的形式从烟囱逸出。生产每吨焦炭，烟道废气带出热约占焦炉总输出热量的17%（图1中表示为输出热17%），相当于带出18.4 kgce的热量。

还有一部分热量作为能量流的一部分，从焦炉炉体表面散发至空气中。炉体表面热损失约占焦炉总输出热量的10%，相当于生产每吨焦炭损失10.8 kgce的热量。 从图1可以看出，焦炉烟道气带出的热量约占焦炉总输出热的17%，以130万t焦炭/a的常见焦化厂计算，焦炉烟道气带出热量近3 000 kgce/h，利用潜力相当可观。

1.2 焦炉烟道气余热的主要用途[4-5]

（1）用于发生蒸汽：以年产100万t焦炉为例，焦炉设有两座烟囱。单座烟囱烟道气总量约80 000m3/h，烟气温度240℃～280℃，可产生0.4 MPa～0.6 MPa饱和蒸汽3.5 t/h～6.0 t/h，吨焦可产生蒸汽0.025 t～0.043 t，产生蒸汽后出口烟气温度为160℃～165℃[6-7]；另据报道[8-9]，某焦化厂采用热管锅炉，考察回收焦炉烟道气余热的应用效果，吨焦可生产0.6MPa～0.8MPa饱和蒸汽0.072 t～0.078 t。

（2）用于煤调湿：煤调湿（又称CMC）过程可采用热媒，对入炉煤进行间接调湿，如导热油、蒸汽的间接加热调湿工艺，也有直接采用烟道气对入炉煤进行调湿的方式[10]，后者进行对流传热，热效率更高一些。

以云南能源昆焦公司煤调湿为例[10]，采用烟道气直接调湿的移动流化床工艺，主要技术参数如下：湿煤最大处理能力160 t/h～180 t/h（相当于120万t/a焦炉装置），平均168.4 t/h，处理前水分11.0%～14.5%，年平均水分13.33%，处理后11.53%，调湿用烟道气流量65 000m3/h～70 000 m3/h，温度250℃～260℃。调湿后排放废气温度55℃～65℃，为了控制调湿器内温度，需要将排放废气部分送回调湿器，循环量32 000 m3/h～40 000 m3/h。由于水分降低，年

减少焦炉的煤气加热用量1 212×104m3。

以云南能源师宗公司为例[10]，采用烟道气直接调湿的滚筒干燥机工艺，主要技术参数如下：湿煤最大处理能力300 t/h，平时260 t/h（相当于200万t/a焦炉装置），处理前水分13.0%～22.0%，年平均水分14.5%，调湿后10.0%左右。调湿用烟道气流量72 000 m3/h～76 500 m3/h，温度270℃～280℃，煤调湿主装置出口废气温度65℃～80℃。由于入炉煤水分含量高，可以不考虑废气循环。由于水分降低，年减少焦炉的煤气加热用量4 187×104m3。 （3）用于加热除盐水和洗浴用水等[11]。 1.3 现有烟道气余热回收存在的问题

上述回收烟道气虽在一定程度上降低了焦炉的能耗，但笔者认为上述方式均存在不同程度上的不足：

（1）采用直接烟道气回收蒸汽，但蒸汽在后续阶段仍然用于加热工艺介质，按照从烟道气转换成蒸汽、蒸汽用于加热工艺介质的效率均为90%计，经两次转换，烟道气的余热利用效率也就是81%左右，可见这种间接式的烟气余热利用方式的利用效率并不高。

（2）对于直接利用烟道气余热的情况，也存在烟道气余热利用不完全的情况。如上面提到的两个烟道气余热调湿的情况，一个的烟气利用效率为35%～40%，另外一个的利用效率约25%～30%，利用效率较低。

由此可见，对于烟道气的余热利用，要充分考虑烟道气的利用效率,这样才能够使焦炉烟道气的综合利用效果得以保障，使烟道气的热利用效果最大化。

提高烟道气的综合利用效果，首先应当考虑烟道气的利用效率，即首先应当考虑尽可能采用烟道气工艺直用的方式。以焦化流程中热量的主要用户蒸氨来说，如果用烟道气转换成蒸汽，再用于蒸氨，增加转换环节，烟道气的利用效率会下降；其次，利用烟道气的余热还要考虑匹配的问题。如上所述的烟道气直接用于煤调湿的情况，

一方面是焦炉的烟道气量较大（吨焦需焦炉煤气1 300 m3～1500 m3，混掺高炉煤气则更高），温度较高（通常在230℃～300℃），而另一方面是煤调湿干燥水分有限（约2%～4%），吨焦所需烟道气量小（400m3～800m3），所需气体温度低（120℃～160℃），因此，直接利用焦炉烟道气进行煤调湿，很多装置需要将调湿后的气体循环回用，以降低调湿入口气体的温度。直接利用温度较高的烟道气进行调湿，实际是失去了一部分烟道气的特性。

综上所述，烟道气余能的综合利用应以多阶利用为原则，体现按照不同的用户匹配使用；应以工艺直用为途径，提高烟道气余能的转化效率；应以梯级利用为措施，提高烟道气余能的综合利用率。在此基础上，清华大学化工系、中国炼焦协会专家委员会、济南冶金化工设备有限公司联合提出了一种焦炉烟道气余热的多阶、梯级应用新方案。焦炉烟道气多阶、梯级热应用方案示意图见图2（以某150万t/a焦化装置为例）。

焦炉烟道气通过加热焦炉蓄热室，初步利用其余热后，温度由800℃降至230℃，排出焦炉。然后分别将230℃焦炉烟道气作为热源，用于蒸氨、焦粉干燥和煤调湿过程。

为了进一步比较图2中烟道气余热多阶、梯级的使用效果，清华大学化工系、中国炼焦协会专家委员会、济南冶金化工设备有限公司联合提出利用网化度来进行评价。

3.1 网化数及其应用

网化生产或网化集成过程的结果是实现系统或流程的节能与减排，其措施是实现过程废弃资源或能源的二次利用，其表现形式是流程中流股的一次或多次相交。为了快速、定性评价流程网化生产的状况，定义一个易于计算的参数：

网化数=特定子流程、生产线中二次利用资源或能源的次数=特定流程图中流股的相交次数（1）

所谓特定子流程是指网化利用均针对某种一次资源或能源的替代性行为，如化产废料生产型煤是利用化产废料替代部分原煤，从流程上看是化产废料流股与原料流股发生了一次相交，即其网化数为1；焦粉湿磨配煤的目的仍然是替代部分焦煤，即焦粉流股与焦煤流股发生了一次相交，其网化数亦为1。烟道气分解酚钠盐目的是为了替代焦化辅料硫酸，即烟道气流股与硫酸流股发生了相交，其网化数为1。干熄焦发电的作用是替代部分焦化系统外部电力供给，其实质相当于红焦流股与一次输入电能流股发生了相交，即网化数为1。烟道气煤调湿的最显著作用是降低了焦炉加热量，可以理解为利用烟道气的热量替代了焦炉供热量，相当于烟道气流股，对于焦炉一次能源，即供热流股发生了相交，其网化数亦为1。

子系统中，如果有多种网化利用的情况或流程图中有多个流股的相交点，则子系统的网化数就等于这些相交点的个数之和。

对于由若干个子流程构成的整体流程，其网化数等于各子系统网化数之和。流程的网化数越高，其过程中间资源和能源的二次利用率越高。传统的焦化流程其网化数在2～5，近年来采用先进网化理念设计、引入大量网化技术的新型焦化流程，其网化数可达到10～20。 3.2 网化度及其应用

网化数可反映过程过剩能质二次使用的数量，但不能从效果上评价一次能源和资源的替代或节省状况。因此，为了衡量网化过程的效果，特定义网化度为： 折标量是为了方便统一比较，将网化利用的二次资源或二次能源量折算成标准煤的数值；1 t焦炭的折标量为0.971 4 tce。

网化度可以评价某个子流程网化过程的节能或节省资源的效果，也可以将多个网化过程的网化度累加，评价整体流程的网化效果。

例如对于年产焦炭100万t的装置，剩余氨水萃取，粗酚年产量约320 t，如果全部用烟道气替换硫酸分解酚钠盐，可替代硫酸200 t，约折焦煤106 t，则烟道气

分解酚钠盐的网化度约为0.01%。

根据上述网化度的定义，对烟道气直接排放、烟道气产生蒸汽方式、烟道气用于煤调湿方式和烟道气多阶、梯级热利用情况进行计算，结果列于表1。

由网化度的定义可知，网化度可反映流程或系统内部资源和能源的使用情况。网化度越大，流程二次资源和能源综合利用越充分，过程价值越高。由表1计算结果可以看出，采用烟道气直接排放、烟道气产生蒸汽、烟道气煤调湿及多阶、梯级热利用流程的网化度分别为2.82%、3.30%、3.40%和3.56%，采用多阶、梯级利用的烟道气流程比烟道气直接排放、烟道气产生蒸汽和烟道气煤调湿的网化度分别高26.2%、9.2%和4.7%。说明采用多阶、梯级热利用的方式，烟道气能源的二次利用程度将得到显著的提高。

4.1 现有焦炉烟道气的余热利用方式效果不佳，烟道气的利用效率较低，亟待改进。 4.2 焦炉烟道气多阶、梯级热利用模式，以多用户综合、匹配利用为目标，充分、高效回收了焦炉烟道气的余热余能。

4.3 采用网化度参数，对不同烟道气的热利用模式进行了定量评价。烟道气各种处理流程的网化度计算结果表明，采用多阶、梯级利用的烟道气流程比烟道气直接排放、烟道气产生蒸汽和烟道气煤调湿的网化度分别高26.2%、9.2%和4.7%，烟道气能源的热利用效果将得到显著的提高。

【相关文献】

[1]赵春丽.环保新形势及炼焦行业应对策略[G]//第十三届中国炼焦技术及焦炭市场国际大会论文集.合肥：中国炼焦行业协会，2015.

[2]刘庆达，丁震，李昌胤.焦炉烟道气余热回收工艺分析[J].燃料与化工，2014，45（5）：23-26. [3]王寅生，马明凯.焦炉烟道气余热利用技术[G]//第九届中国钢铁年会论文集.北京：中国金属学会，2013.

[4]孟秀芳.山焦公司焦炉烟道气余热利用方案探讨[J].煤化工，2014，42（3）：59-61. [5]孟秀芳.焦炉烟道气余热利用技术研究[D].天津：天津大学，2013.

[6]崔耀鹏.焦炉烟道废气余热回收技术的应用[J].天津冶金，2014（6）：61-63. [7]于菲.浅谈余热回收技术在工业领域的应用[J].资源节约与环保，2012（2）：72-75.

[8]何玉涛，陈延山.余热锅炉在焦炉烟道气余热回收中的应用[G]//2013年干熄焦技术交流研讨会论文集.北京：中国炼焦协会，2013.

[9]刘松清，吴小平.焦炉烟道气余热回收利用技术的研发与实践应用[J].宜春学院学报，2013，35（1）：43-46.

[10]陈朝辉.焦炉烟道气余热为热源的煤调湿技术应用[J].煤化工，2014，42（3）：11-13. [11]张海英.焦炉废气余热利用的探索及应用实践[J].工业安全与环保，2012，38（1）：88-90.