煤气初冷系统余热利用技术

炼焦工业既是重要的能源生产部门，又是耗能大户。中国焦化生产工序能耗为180～200kg标煤/t。在大型焦化厂的焦化工序能耗中，备煤约占5%～10%，炼焦占70%～80%，化产回收占15%～20%。就焦炉产物带出的热量而言，赤热焦炭的显热居第一位，荒煤气的显热居第二位 ，两者合计占焦炉总输出热量的65%～75%。荒煤气带出显热的回收，对焦化厂节能降耗提高经济具有非常重要的作用。本文对煤气初冷系统的余热利用状况作一介绍，并利用夹点原理对这一换热网络进行分析，对进一步利用煤气冷系统的余热资源提出了建议。

工艺简介

    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。荒煤气带出的有效能占焦炉总输出有效能的18%，大部分在此过程中转移到循环氨水和初冷器的冷却水中，因此，对煤气初冷系统的余热回收主要是回收利用循环氨水和初冷器循环水的热量，同时要注意回收高温位的热能。

余热利用技术

上升管汽化冷却器

    在上升管外安装汽化冷却器，利用650～700℃的高温荒煤气显热副产蒸汽。每吨焦可发生0.5MPa饱和蒸汽0.1-0.12t,相当于每千克入炉煤回收余热270kJ。采用上升管汽化冷却装置不仅可降低能耗，而且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，减少喷洒氨水消耗量，降低上升管外壁温度，改善炉顶操作条件。1970年代初，我国首次采用这项技术，首钢、太钢分别在71孔、65孔焦炉上各建一套汽化冷却器。至1980年代初，武钢、鞍钢、北京焦化厂等企业也采用这种能量回收方法，荒煤气温度最低可降至350℃。

上升管热管回收余热

    随着热管技术的发展，采用热管技术回收高温荒煤气显热的技术也被提出。采用热管技术可回收荒煤气500℃以上的显热。热管安装腔作势在荒煤气上升管内，整个装置包括热管换热器，热风引入设备、氨水喷淋器、气液分离罐以及循环水罐和水泵等。荒煤气仍由上升管下部引入，通过热管换热器换热降温至500℃，然后用喷洒氨水冷却至80～85℃。根据余热回收装置的工作温度范围，选用金属钾为工质，采取不锈钢丝网吸液芯附于热管内壁。热管的蒸发段安装在上升管内，冷凝段安装在废热锅炉内，其位置略高于蒸发段。

热管余热回收装置与上升管汽化冷却器比较，有以下优点：

    ①热管传热效率高，并可使上升管内外壁温差相对较小；

    ②热管可采用分体式，不受焦炉结构影响，尤其适于节能改造。

初冷器余热回收利用

    原煤气初冷器大多为一段冷却，出口水温只有55℃左右。本钢焦化厂将其改为二段冷却，一段（高温段）余热出口水温度60～65℃，可供采暖；二段（低温段）用低温循环水冷却，煤气出口温度为25～35℃，达到进入冷凝鼓风机的要求。本钢焦化厂在煤气处理量7.6万m3/h情况下，供热量达100～124GJ/h，较原系统增加2倍，余热水温度为60℃，用于冬季采有，室温可达16±2℃。

循环氨水余热回收

    循环氨水喷洒荒煤气后，氨水温度升至80～83℃，蕴含着大量的余热资源。北京焦化厂最早提出和使用氨水余热供采暖用。供暖面积由最初的2万m2扩大到的8万m2。鞍钢、本钢、莱钢、济钢、石家庄焦化厂将循环氨水的余热作为浴池的余热采暖。并有部分焦化厂将循环氨水的余热作为浴池的热源，取得了显著的节能效益，投资回收期为0.5-1年。

    在日本，氨水的余热也被用于发电，该技术主要是借助低沸点有机热媒进行的，其过程是将集气管返回的高温氨水送到低沸点有机热媒蒸发器，蒸发器中蒸发出的有机热媒用以驱动发电装置的透平，而后将其冷凝成液体，再返回蒸发器继续使用。离开蒸发器的氨水则降至60～65℃，然后再送去喷洒高温煤气。

    循环氨水也可代替蒸汽用于保温和清扫。煤气初冷器、捕焦油器、鼓风机等的冷凝液排出管、水封槽等经常被焦油和萘堵塞。尤其在气温低时，需经常用蒸汽清扫和保温。据新日铁广田厂统计，处理6万m3/h煤煤气的鼓风冷凝工段，每月耗汽达475t。为此，广田厂用77℃左右的循环氨水代替蒸汽。具体做法是：切断原有蒸汽清扫管的汽源，同循环氨水泵的压出管道上接出一支管，并飞翔量利用原有的蒸汽管线，将热氨水送入煤气初冷器气室底部、捕焦油器底部及水封槽入口管、鼓风机排液管等处。视具体情况，可以长期通氨水，也可以临时送氨水。清洗效果优于蒸汽，每月可节约蒸汽362t，占原有用量的85%。

    循环氨水还被用于预热锅炉给水。广田厂成功地解决了二项关键技术，从而实现了循环氨水预热锅炉给水。①选择恰当结构的换热器，使其既有高的传热系数，又不易被氨水污染。最后选择了螺旋板换热器。②能及时发现泄漏。利用纯水与氨水导电率不同的特点，连续栓测纯水导电率的变化情况，从而可以及时发现换热器有无泄漏。该换热器投入使用后，脱气器入口水温由50～60℃提高到85～90℃，蒸汽用量同4.43t/h下降到1.71t/h，回收能量约84MJ/t焦。

换热网络夹点分析

    本文以某公司的两座JN43-80Ⅲ型65孔炉焦炉为例进行分析。每座焦炉的荒煤气先进入集气管，分别用循环氨水喷洒冷却使煤气温度由650～700℃降到集气管出口85～90℃，然后并入一根吸气管，到达气液分离器。此时荒煤气中大部分焦油冷凝下来，并与循环氨水一同去机械化澄清槽进行分离。分离焦油以后的氨水再用泵送回集气管与上升管之间桥管处喷啉。荒煤气经过输送管道散热冷却，以83℃左右的温度进入横管初冷器。初冷器内有三段冷却横管对煤气进行冷却；下段（I段）用15.8℃冷冻水进一步将煤气冷却到21.5℃左右出初冷器，然后煤气进入净化系统。

    这种老的工艺流程设计时只考虑化学工艺的要求，而能量的回收与利用只作为畏助设施考虑。由于缺乏一套完整的理论方法来指导，因此，能量的回收利用难以达到最优化的效果，所以节能挖潜的余地很大。1980年代以来，由于过程系统工程学的发展，人们才认识到：要把一个化工厂设计得能耗最小、运行费用最低，就必须把工艺过程、能量回收系统及公用工程系统整合起来，当成一个有机结合的整体来看看待，这样才能达到整体的最优化，这就是所谓“过程整合”技术。过程整合的各种方法中最为流行实用的方法是“夹点分析法”，以下根据这一理论对焦炉煤气初冷系统进行分析。

换热网络的数据准备

    要达到能量利用