焦炉烟气余热回收技术及应用

郑 雯

煤炭资源是我国重要的矿业资源，十分珍贵且不可再生，在焦化厂的实际生产过程中，煤炭在焦炉中燃烧的同时会向大气中不断持续排放300℃以上的焦炉烟气，不但造成了大量的热量资源浪费，而且在焦炉烟气中混杂着的大量污染物会对环境造成污染，影响“绿水青山就是金山银山”环保理念在实际生产中的贯彻落实。在如今低碳环保理念的不断贯彻落实下，国家和政府提出了更为严苛的要求，对我国焦化行业实际生产造成了严重的影响，所以如何做好节能减排成为检验焦化企业实际生产发展是否具备环保理念的重要指标之一。当下科技水平迅猛发展，焦化行业中不断涌现出更多的新兴技术，例如近年来的热管技术在焦化实际生产中应用，进一步推动了焦化行业的烟气余热回收进程。如何正确将烟气中的余热进行回收，对于有效节省煤炭资源、降低热污染、保护生态环境都有着重要意义。

焦炉烟气余热资源是焦化厂实际生产过程中所排放出的烟气中的高温热源，由于是实际生产过程之外的热量排放，所以属于余热资源。随着我国推行的环保政策和节能减排理念的落实，对于焦炉烟气余热回收和烟气排放污染处理也受到更高的重视。焦炉烟气是焦炉燃烧过程中产生的气体，烟气余热资源的有效回收可以解决资源浪费现象，例如在一个焦化厂每年生产3 亿吨焦炭，在生产焦炭的过程中焦炉废气温度会一直在250℃上下徘徊，热量流失严重，因此对其烟气的余热回收具有重大意义，在实际进行的焦炭生产过程中，虽然一般来看大部分的焦化厂在设计初期都会考虑到废气余热的回收和利用，但为了更好的保障实际生产效率，在实际生产的过程中往往总烟道排出的焦炉烟气的温度会长期超过350℃，进而导致能源的大量浪费，并且伴随着未被处理的废气大量排放，对当地的实际生态环境也会带来一定程度的破坏。所以对焦炉烟气余热资源进行回收利用，并对烟气中的有害气体进行处理，除有效做到节能减排、降低资源损耗外，还会获得额外收益。在烟气余热回收装置的实际运行过程中，技术人员通过在烟气余热回收装置安装前，构建烟气温度与时间之间的关系式，并参考关系式中非稳态的分布特性，制定以此为基础的针对性策略，进而开发出具有长期稳定性的热源和调配余热回收装置，并从生产实际中参考到实际余热回收要求对相关设备的参数做到及时调整，该方案对于有效助推焦化厂实际生产具有重要作用。

2.1 焦化厂余热回收技术应用背景

焦化厂的实际工作是将煤炭进行加工，炼制成焦炭等更为广泛使用的资源，焦炭是冶炼钢铁时不可缺少的必需品。焦炉烟气是指焦炉中煤气燃烧后产生的废气等，由于废烟气会带走大量的热能资源，所以焦炉在实际生产过程中的热效率一般都在60%左右，因此做好焦化厂的烟气余热回收对于帮助企业提高收益有非常重要的意义。而从大气污染的角度进行分析，烟气中主要污染物成分为硫、氮的氧化物等，2012年6月国家相关部门颁布的GB16171-2012《炼焦化学工业污染物排放标准》中明确规定了焦化行业的大气污染物排放标准，其中关于SO2和NOx排放限值方面有着更为严苛的要求，伴随着近年来国人的整体环保意识不断提高，国家也出台了相应大量环保政策，对于SO2和NOx等大气污染物在焦化厂实际生产过程中的排放提出了更高要求。

焦炉烟气余热回收技术广泛应用于现阶段我国的焦化厂生产过程中，对有效保障焦化厂实际收益起重要作用，是焦化厂有效节约生产资源，提高收益的有效措施，例如在以下实际生产过程中：现有某焦化厂年产100 万吨焦炭，未进行烟气余热回收改造之前，其烟囱实际排出废烟气的温度在300℃上下，烟气余热浪费所产生的资源损耗量已经占到了实际焦炉总能耗的25%以上，且在烟气进行排放的实际过程中缺乏合格的尾气处理装置，导致在进行烟气排放的过程中其中的二氧化硫和氮氧化物含量严重超标，难以符合国家的相关规定要求，所以为有效保障其烟气排放符合国家的要求，并在一定程度上降低焦化厂的实际能源损耗，一套能够有效进行烟气余热回收和节能减排的装置对于解决现状起重要作用。

2.2 烟气余热回收一体化技术概述

现阶段较为广泛使用的焦炉烟气余热回收的技术为将焦炉烟气先通过脱硝装置进行烟气脱硝，再将烟气通过气汽换热器进行余热回收，然后经过增压风机将烟气进行增压处理，增压后的烟气进入湿法脱硫装置进行脱硫，最后将处理好的烟气向大气进行排放。这类技术可以有效解决目前焦化厂在实际生产过程中所造成的余热浪费和环境污染现象，在烟气进行换热过程中可以对烟气中的余热做到有效的回收，这部分回收的热量可以反过来促进焦化厂生产或者应用于冶铁炼钢过程，可以有效降低生产资源的整体消耗。

2.3 烟气余热回收系统的技术特点

在余热回收和尾气处理系统的支撑下，热烟气的冷却与水气液态的转化均在热管外部进行，相较于传统模式的烟气余热回收更为强化了传热效率和换热效率，并且真正做到了热烟气系统与汽水系统之间的独立，有效保障了系统在实际使用过程中的安全性。除此之外，整个余热回收系统在技术上还具有以下几类特点：

（1）通过对焦化厂烟气特征参数进行研究，发现有效利用焦炉烟气余热的方法有以下几种：一是利用烟气的热量用来产生热饱和蒸汽，将烟道内的烟气经过气汽换热器进行有效降温后，用其温度制成饱和蒸汽，虽然这类方式的余热利用率较低，但由于其设备的安装，维修和处理的要求较低，适用于总生产量较低的中小型焦化厂。二是通过煤炭原料与焦炉烟道进行直接接触而产生热量的交换，从而对炼焦煤的湿度进行合适的调整，此类方法有着远超其他方式的余热利用率，但是对于除尘器的整体要求和后期维护要求较高，适用于总产量较高的大型焦化厂。三是煤气发电，由于在实际进行的焦炉生产过程中焦炉的烟道废气存在着温度高低不定，波动幅度较大的情况，所以将剩余的煤气提供烟气，进而提高蒸汽参数进行发电，该技术在一定程度上可以有效对实际生产过程中的低压饱和蒸汽的利用问题进行解决，但相较于其他两种方式，其经济适用性还有待提高。而对实际焦化厂进行的热饱和蒸汽法进行烟气余热回收的基本流程进行分析可知，其整体烟气余热回收系统主要有软化水设备、水箱、软水泵、除氧器、中温热管蒸汽发生器、锅炉给水泵、低温热管蒸汽发生器、省煤器、控制仪表、锅炉引风机及部分管道等组成。而在实际进行的工业生产过程中，所需要使用的软化水会借由软水泵输送到除氧器中进行操作，除氧水的一部分会经过水泵输送到省煤器中进行预热，而后进到汽包。经过处理的水会经由下降管流入中温的热管蒸汽发生器，吸收热量后会转变为饱和水，然后再经过上升管进入汽包，进行水汽分离，最终产生0.4MPa 的饱和蒸汽进入蒸汽母管。该方法的使用需要先在地下的烟道顶部进行开孔处理，进而将高温的烟气从地下引出，经过余热锅炉进行热量回收之后将低温的烟气再通过引风机送回到烟囱内部，进而向大气进行排放。以上几种方法是业内现阶段较为广泛使用的几种烟气余热回收方式，每种方式都具有着不同的特点和较为适用的环境，有效推动了我国焦化厂焦炉烟气余热回收进程。

（2）SO2和NOx的减排技术可从燃烧前的准备、燃烧中的温度控制和燃烧后尾气处理三个方面入手，烟气脱硫脱硝技术从整体上来看属于燃烧后的减排技术。目前科技水平有限，缺乏能有效进行烟气脱硫脱硝的技术，所以企业通常会分别建立脱硫与脱硝装置。焦炉烟气余热回收技术目前大多采用热管式锅炉，利用焦炉加热燃烧后的烟道废气进行换热，回收烟气中40%以上的余热，并用于焦炉生产过程中的加热工段等。不但可以降低焦炉工艺的能源消耗，而且还可以明显减少硫化物、氮氧化物的排放量。而在脱硝工艺中主要使用到的催化剂是TiO2和V2O5,在实际进行的脱硝反应过程中属于传统的选择性催化还原法，在实际生产中进行脱硝反应时，由于温度影响，会将一部分的SO2转化成SO3，并且在适合的温度范围内，被转化成的SO3与上述反应过程中的NH3会发生反应生成较为粘稠的固化物，该固化物会在催化剂上附着，严重影响反应进程。所以为有效保障实际生产中的尾气处理效率，必须要在脱硝之前对焦化烟气进行严格的除硫处理，防止生产中的实际脱硝效率受到影响。在脱硫处理中，由于烟气中的水蒸气含量较大，如若是采用常规的湿法进行脱硫处理，就会导致在脱硫处理的过程中产生大量的酸性液体，处理难度于无形中增大。为了保障尾气处理效率，业界目前所采用的多为半干法脱硫，由于其反应会令烟气的温度保持到50℃上下，所以从实际进行分析，用Ca（OH）2进行的干脱硫技术最为环保，能同时做到了脱硫和余热回收，并且经过对脱硫脱硝以及余热回收整体流程的不断探索，发现用Ca（OH）2进行脱硫，其脱硫效率可以达到九成以上，并且其脱硫后的产物还可以用来进行医疗石膏的制作，此类脱硫方法在实际焦炉烟气余热回收中应用不但可以有效解决对于SO2和NOx等大气污染物有效处理，还在一定程度上拓展了我国焦化厂的实际收益，对于有效促进我国焦化厂实际发展具有较为重要的意义。

（3）热管技术的应用有效提高了焦化厂的烟气余热回收效率，热管是烟气余热回收装置中最为核心的构件，其导热性能与电学中的超导体类似，传热效率极高，导热能力极强。根据笔者对现阶段实际进行的热管余热回收装置进行分析，不难了解到其主要由热管原件通过一定的空间结构而组成，余热回收系统的基本结构包括热管蒸发器和热管省煤器，在实际进行的生产过程中，烟气首先通过蒸发器，而后经过省煤器。热管能令气-水转化系统与热源系统进行分离，使得热流烟气避免了直接与气—水转化系统进行接触，对于有效保护气—水转化系统具有重要意义，并且该技术可以有效应用在实际的钢铁厂冶钢冶铁工作过程中，有效帮助钢铁厂进行节能减排，提高能源利用率。

（4）焦炉烟气在通过了烟气余热回收装置后可以直接向大气中进行排放，但在实际生产的过程中，由于避免由于烟气余热回收设备可能出现的问题，所以必须要令原有的烟囱一直处于备用状态，这样就可以有效解决由于烟气余热回收装置出现问题后的烟气排放问题，烟道废气可以直接从原烟囱进行排放，为烟气余热回收装置的维修提供了便利。生产中必须保障实际通过余热回收装置的烟气必须要比烟气的露点温度高，以此来有效避免由于温度较低导致的结露现象对烟囱内部结构造成破坏，所以必须在实际生产过程中确保原烟囱的热备用状态。

通过探索焦炉烟气余热回收装置的合理性，我们了解到积极采用高性能热管技术对焦炉烟气余热进行回收，可以有效的将烟气余热中的能量进行回收利用，该系统将高性能热管技术运用的淋漓尽致，并且将余热回收装置的系统完善到了一个非常高的层次，达到了对于烟气余热资源的最大化回收利用。综合实际情况来看，有效使用焦炉烟气余热回收可以帮助煤炭焦化企业增产增收，提高企业在实际发展中的核心竞争力，同时由于现阶段煤炭资源使用情况日趋紧张，对焦炉烟气余热进行回收和利用可以从实际上有效减少能源浪费现象，同时还可以将烟气余热回收过程中加热水所产生蒸汽反供给化工生产加工工序使用，有效做到了能源节约，并且在余热回收体系的不断应用过程中，不但能够有效降低生产运行成本，还能够在很大程度上为企业带来可观的经济效益，所以焦炉烟气余热回收势在必行。目前的焦炉烟气余热回收的实际应用方向主要有以下两方面：一是用于钢铁厂炼钢炼铁工序，由于炼钢炼铁过程中需要大量的热量，保障实际产量需要大量的热量提供，而焦炉烟气直接排放温度极高，其中有大量的余热可以回收，故在实际进行的钢铁厂炼钢炼铁过程中余热回收具有重要意义，将焦炉烟气余热回收技术正确应用于炼钢炼铁工序实际中，不但会有效帮助炼钢企业减少实际生产过程中所必须的能源损耗，还会有效帮助企业间接提高经济收益，有效帮助炼钢企业实际发展。二是应用于焦化厂实际生产，焦化企业的工作是进行煤炭焦化生产，与钢铁厂炼钢炼铁相似，在实际生产的过程中需要较为充裕的供热，故回收烟气余热对于有效帮助焦化厂减少实际消耗起重要作用。例如在进行实际的焦化烟气余热回收过程中：设某一焦化厂实际生产过程中烟气温度保持在300℃上下，通过烟气余热回收系统有效将温度降低到200℃，在此过程中如果不考虑到能量传递过程中的损耗，则每年这部分所回收的能源所造成的实际收益就十分可观，有效推动我国焦化厂焦炉烟气余热回收进程，对于推进我国社会主义现代化可持续发展起重要意义。

焦化行业是依据不可再生的煤炭为生产资源，未来的发展空间势必会受到资源的限制，并且由于这类不可再生资源在消耗的过程中会对我国的生态环境产生破坏，所以有效实行节能减排十分必要，但从企业生产实际来看，这类节能减排政策的实施会在一定程度上影响企业生产，故更为先进的节能减排和废弃烟气回收技术在实际生产中起重要作用。通过对余热回收一体化流程进行实际应用，使得某焦化厂焦炉烟道气主要污染物SO2浓度降低到30mg/m3，脱硫率到达90%；
NOX浓度降低到150mg/m3，脱氮率到达85%，帮助相关企业的焦化厂在进行烟气处理后真正达到了GB16171-2012 中的具体要求和规定，同时将排烟温度降低到175℃以下，产生蒸汽13t/h，在有效保障了回收余热的利用率的同时还对国家所要求的相关大气废气污染物进行了有效的解决。而我国相关企业工作者不断探索和研究焦化厂烟气余热回收技术，不但可以有效降低焦化企业的实际生产成本的同时拓展收益，还可以有效帮助提高企业核心竞争力，还是有效贯彻“绿水青山就是金山银山”理念的举措之一，在一定程度上降低煤炭使用过程中对于环境所产生的影响，有效落实节能减排和社会主义现代化建设对于焦化厂的实际要求，对于促进我国焦化行业可持续发展和推动我国社会主义现代化建设具有重要意义。