摘 要 论述焦炉余热回收的意义,分析烟道气余热回收用于洗浴水加热的可行性,阐述了设计思路、制作工艺、应用情况及改进措施,实践表明应用效果及经济效益均较好。
关键词 焦化厂 废气余热 可行性 应用
0 前言
在焦化工业生产中,每天要进行高温气体和液体的换热,产生大量的高温烟气、热废气,无论是焦炉烟道气、荒煤气、循环氨水和其他热废水、各馏分蒸汽和工艺尾气,均有大量的余热可以回收利用。其中红焦和荒煤气为最大输出热能,约占37%;其次燃烧产物废气带走的热量为17%左右。在当前大力提倡循环经济的社会背景下,探索焦化厂节能途径,特别是进行焦炉生产中过程热和废热的回收利用,将会对降低焦化厂的能源消耗起到深远影响。
1 概况
安钢焦化厂成立于1958年,是生产焦炭和回收化产品的化工企业。现有6座4.3 m焦炉、2座6 m焦炉,2套能力分别为140 t/h、75 t/h的干熄焦系统,拥有1个原料供应系统、2套煤气净化系统、4套筛贮焦系统和1套酚氰废水处理系统的生产规模,产焦能力从最初的56万t/a扩大到现在的280万t/ a,煤气的生产能力为140 000 m3/h,煤焦油年生产能力为107 000 t,硫酸铵年生产能力37 500 t,轻苯年生产能力28 000 t。
2 焦炉余热应用分析
焦炉生产中存在大量显热,包括上升管、熄焦水、红焦、燃烧后烟道废气等,炉门、炉盖已采用新型保温性能好的材质,干熄焦已投产回收红焦显热。经研究确定在三炼焦车间进行试验研究,回收上升管、熄焦水或烟道废气余热用于澡堂水加热。
上升管余热:上升管壁温度高达300℃,含有大量显热,可将上升管壁做成夹套式,中间通入水产生蒸汽或热水,但因水易结垢及改造复杂、成本高,此方案被否定。
熄焦水余热:熄焦水温度约60～80℃,但因熄焦池距离澡堂太远,改造设备费用高而被否定。
烟道废气余热:从小烟道出来的废气温度高达350～400℃,达到烟囱根部时约200～250℃。因废气温度高,适当降低废气温度,一般不影响焦炉加热燃烧所需吸力。从工艺分析完全可满足洗浴用水温要求。而烟囱距离澡堂较近,工艺技术及改造费用均优于前2个方法。因此初步确定采用烟道气余热用于洗浴水加热。
3 烟道气余热用于洗浴的可行性分析
3.1 换热量可行性分析
（1）澡堂水升温需要的热能。一般生活水水温在14～20℃,洗澡水温度要求38～42℃,水的比热容取4.174 kJ/（kg·℃）。按照洗澡最大用水量80 m3/h计算,澡堂水由18℃加热至42℃所需热量:
式中,m为质量流量,kg/s;c为比热容,kJ/（kg·℃）;△t为温差,℃。
计算知澡堂水升温所需热量为2 225.9kW。
（2）烟道废气换热后的温差。三炼焦车间焦炉是以高炉煤气为燃料的4.3 m焦炉,高炉煤气消耗量约65 000～66 000 m3/h,空气过剩系数α取1.25,燃烧高炉煤气时废气量约为入炉煤气量的1.80倍,则产生废气量为118 800 m3/h。
经查,高炉煤气燃烧后烟道气的主要成分为N2和CO2,N2体积分数70%,CO2体积分数24%。烟道气温度 230℃时N2的比热容约为 1.047 kJ/（kg ·℃）,CO2的比热容约为0.837 kJ/（kg·℃）。
若将烟道气用于洗澡水加热,符合上述澡堂水升温要求后烟道气降温的温差为△t,则有:
式中,Q1为澡堂水升温所需热量;Q2为烟道气降温释放的热量;m2为N2的质量流量,kg/s;m3为CO2质量流量,kg/s;C2为N2比热容,kJ/（kg·℃）;C3为N2比热容,kJ/（kg·℃）;△t为烟道气温降,℃。
计算得出烟道气温度降低△t=51℃。
（3）计算换热器面积。换热面积计算公式:
式中,S为传热面积,m2;k为传热系数,W/（m2·K）,列管式换热器传热系数一般为12～60 W/（m2·K）,这里传热系数取值50 W/（m2·K）。
对数平均温差公式:
式中,△tm为对数平均温差,℃;T1为总烟道温度,℃;T2为换热后烟道气温度,℃;t1为水的初始温度,℃;t2为水加热后温度,℃。
计算知所需换热面积为174 m2。
3.2 换热器选型
通过对已知的间壁式换热器、混合式换热器、蓄热式换热器传热特性对比,考虑到烟道气含有毒性气体,而使用间壁式换热器属于间接换热,存在毒性的烟道气不会与水直接接触,因此换热设备选择间壁式换热器。
间壁式换热器分为夹套式换热器、套管式换热器、蛇管式换热器、板式换热器、板翘式换热器、列管式换热器和热管,列管式换热器具有造价低廉、耐温高、导热好、占地面积小等优点,因此选用列管式换热器。
3.3 设计方案
（1）换热器内流程。因换热方式为“气—水”换热形式,采用壳程走烟道气,管程走水的工艺流程。为降低综合成本,利用安钢自产的碳钢管制作换热器。将管束固定在上下两端汇流板上,进出口管开口均在上端,从水箱流下的水进入换热器,通过管束流入底部汇流板后折流上行流出换热器。换热器结构如图1所示。
图1 换热器结构
（2）换热器外流程。从水箱处开口架设与换热器相连的进出口管道。施工将换热器放入烟道时,因焦炉总烟道处深约4 m,可直接将换热器放于烟囱底部。澡堂水箱位于烟道平面以上4 m的位置,进烟囱冷水管因压差自流入烟道换热器内,进入列管换热器管程,而烟道气充盈于管外相当于走换热器壳程。在此冷水与烟道气换热,冷水被加热至约70℃。与烟道气换热后的热水压力升高后自流到高位水箱,从而形成换热的闭路循环。改造工艺流程如图2所示。
图2 烟气应用流程
4 应用中发现的问题及原因分析
烟道气与洗浴用水换热节能改造项目完成后,在炼焦车间投入使用,使用初期效果较好,可满足澡堂洗浴水温、水量需求,但运行一段时间后,出现水温低、水量小等现象,主要表现在以下几个方面:
（1）循环速度慢,洗浴水温低。使用一段时间后,发现在洗浴用水量大时,因水在烟道内循环速度慢导致水温不能满足洗浴要求。
（2）未安装安全泄气阀及回路无压差,出现气阻现象。因烟道气温度高达200～230℃以上,换热后部分水温因被持续循环加热并部分汽化,同时水中还含有少量的溶解空气,他们共同在水中形成空气带,使输水变得困难,造成循环水流量减小,形成汽阻现象。在热水流向水箱后,因水箱是封闭式容器,在澡堂无人用水时,不凝性气体形成的汽化量会不断累积。在换热前后水的温度差形成的压力差小于汽化汽的压力时,因进出口管道处于同一水平面,气阻就表现为水箱气体同时推动循环进出水管,冷水不能进、热水不能出,造成水滞留在管内不能循环,水箱内水不能被加热,而管道和烟道换热器内的水无法流通,高温时汽化,同时还存在安全隐患。
（3）管道和水箱壁结垢。开始运行时换热效果较好,可满足澡堂洗浴用水温控要求。但因安阳地区水质硬度较高易结垢,同时水与高温气体换热后水也易结垢,所以影响循环水换热量。
5 改进措施
针对烟道气与澡堂洗浴水换热项目改造完成后出现的问题,分析原因后制定了相应的改进措施。改造后的工艺流程如图3所示。
图3 改造后的烟气工艺流程
（1）针对循环速度慢、洗浴水温低的问题,在冷水管端增设一台水泵,在需要洗澡水快速加热时,加快水循环速度,短期内可使水温达到洗浴要求。
（2）为杜绝气阻现象,在进出水管道高处安装自动排气阀,降低从水箱引向烟囱的冷水管道高度,使它与热水管形成高度差即压差,避免了气阻现象的发生。
（3）为避免管道和水箱壁结垢影响换热效果及流量,定期在水箱中添加阻垢剂后启动循环水路清洗管路设备,清垢后排空清洗液,以免存留的污水与洗浴水混合,危害人体健康。
6 效果分析
锅炉供澡堂蒸汽为270℃的饱和中压汽,270℃蒸汽的汽化热为1 591.4 kJ/kg,水的比热容为4.174 kJ/（kg·℃）,蒸汽管路散热损失一般为5%～10%,取值5%计算,5.5 kg压力的蒸汽从270℃变成100℃水的冷凝潜热加上100℃的冷凝水变为42℃水释放热量之和等于水温从18℃升到42℃所需热量。由式（1）知澡堂水由18℃加热至42℃所需热量为Q1= m1c1△t1=2 225.9 kW,设需要蒸汽 ykg/s,蒸汽释放热量:1 591.4×y+4.174×y×（100-42）=2 225.9。
求出需要蒸汽 y=1.214 kg/s,即1 h需要蒸汽4.451 8 t。
如果每小时（用水80 m3/h）节约蒸汽4.451 8 t,每天洗澡用水约240 m3,按照吨蒸汽价格120元计算,每年节约蒸汽费用58.49万元,减去改造及维护费用约6万元,则每年节约蒸汽费用52.49万元。
烟道气余热回收用于澡堂洗浴水加热后,减少了蒸汽消耗量,在安钢目前蒸汽使用量紧张的情况下,可保证生产蒸汽使用量,间接起到了稳定生产的作用,实践表明应用效果良好,经济效益显著。
