论冶金企业中焦化厂的节能技术

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论冶金企业中焦化厂的节能技术

北京科技大学梁磊吴铿朱荣

鞍钢股份梁磊张安洋王丽红

鞍钢技术中心张立国

摘要：对钢铁冶金企业中焦化厂的工艺单元和相应的节能技术进行韵析，结果表明。工艺技术的进步是推动节能工作发展最重要的因素。炼焦工艺单元应重点应用控燥、煤调湿二焦炉自动控温、干熄焦四项新技术。而副产回收工艺单元的改进贴应侧重于应码荒煤气显热回收、蒸馏甬能优化等节能技术：同时应充分利用“三废”资源。

关键词：钢铁；焦化厂；节能

从能源角度看，焦化过程是一个用一种能源(煤)生产另一种能源(焦炭)，并消耗第三种能源(煤气)的过程。焦炭与煤的热值相差无几，焦化更重要的目的是通过对原料煤脱挥发分而获得一种适合高炉物料架构的碳素材料。焦化过程中煤的挥发分同时转化成一种高附加值的燃气资源，即焦炉煤气(COG)。COG不仅可用于钢冶中各种工业窑炉的加热，而且未来还将直接在还原炼铁、高炉喷吹和提供高质氢能方面发挥突出作用。从另一个角度，如果没有焦炭的还原作用，就不可能有高炉煤气；没有焦炭的渗碳铁水，就不可能有转炉煤气，更谈不上负能炼钢。因此，作为钢铁企业重要的能源基地，焦化厂产能和用能的高低优劣关系重大。

1炼焦工艺单元

1．1单元能流解析

从19世纪现代焦炉发明至今，焦炉的结构和规模已取得长足进步。但从常规焦炉的结焦过程看依然是分层结焦，即在炭化室内煤料在炉墙的加热下，在沿炉墙的不同距离处，发生不同阶段的结焦过程。在靠近炉墙处，已形成焦炭或半焦层，但在炭化室中心可能还是湿煤层。而且焦炭或半焦层与中心煤料之间存在的胶质层使这种分层结焦过程更加明显。但是这种分层结焦的所有阶段都必须是共用同一热流，而不能分段控制，这样就会出现彼此矛盾的工艺状态。比如在中心煤料层，可能正处于煤预热阶段，这一阶段的大量热能主要用于蒸发煤中的水分。在这一温度段内，加热速度受水蒸发的影响变得缓慢，而这种缓慢不仅使耗热量增加，而且煤料在这一温度范围内停留时间过长还会降低其粘结性，进而影响弱粘煤的使用，同时降低焦炭的质量。另一方面，在半焦转变成高温焦炭的过程中，若加热速度过快，则在半焦中会产生大量的裂纹，使焦块过小，影响焦炭在大型高炉中的使用。过去认为，在分层炼焦的条件下，要使煤在胶质层之前提高加热速度，同时降低半焦的过热是不可能的事情。但经过大量煤焦人员的努力，炼焦的用能结构正接近一个理想状态。

1．2相关节能技术

通过对炼焦过程的解析可见，若在过程初期使用煤调湿技术使煤料水分在炉外快速蒸发，在过程后期使用干熄焦技术使焦炭缓慢冷却，是实现炼焦分段控制的有利手段。同时加强前期控煤和焦炉本体加热自动化将使单元用能结构实现极大的优化。日本的最新炼焦技术SCOPE21中所体现的对炼焦前后过程的分段控制也充分说明了这一点。因此针对国内焦化现状，实现焦化单元理想的用能模型如图1所示。

通过这种工艺模型，还可以使焦化工艺的热能得到最合理的配置。焦炉能耗重点回收的三大余热是红焦显热、荒煤气显热和烟道气显热。在这一模型中，煤调湿的热源可以由三大余热回收热能提供，实现用能优化。对于焦化单元的各环节分述如下：

1)稳定和丰富原料技术。

据统计，一段时期内，我国钢铁企业的主要工序能耗在不断下降，而炼铁工序能耗却呈上升趋势。这是因为高炉炼铁原燃料供应紧张，价位攀升，成分不稳定，质量下降所造成的。因此，炼铁操作中最重要的方针就是稳定精料。焦炭质量稳定对高炉操作有重要作用。要稳定焦炭质量，就必须先控制好原料煤质量。对原料来煤管理采用计算机控制技术，实现专家配煤和预测焦炭质量系统；对洗精煤充分利用好岩相分析技术，减少混煤，提高配煤准确率。通过综合应用这些技术，才能严把原料关，稳定焦炭生产。

另外，焦炉处理废塑料技术是将废塑料预处理后，和煤一起在炭化室内干馏，使塑料转化为焦炭及副产品，实现废塑料的100％资源化利用和无害化处理。废塑料的使用既可丰富炼焦原料资源，又可使企业担当起重要的社会职能。在日本此项技术的应用已渐成熟，在国内该项技术则正处于论证及试验阶段。

2)煤调湿(CMC)技术。

煤调湿(CMC)工艺是将洗煤中的水分在装炉前由10％通过加热降至6％左右。煤料水分每降低l％，炼焦耗热量降低62．0 MJ／t。通过CMC，焦炭产量可提高约10％；焦炭M₄₀提高0．5％～1％，还可减少近1／3的剩余氨水量。日本的调湿技术在世界保持领先，并且应用普遍。目前最成熟的是第二代——蒸汽管干燥器调湿技术，这种干燥器全世界已有超过300台应用于生产中。但由于该技术在调湿的同时消耗相当量的蒸汽，所以目前人们更倾向于第三代的烟道气调湿技术。目前济钢与清华大学合作，正着手进行烟气介质调湿的研究和应用。

3)焦炉自动控温技术。

目前国内焦化厂的焦炉调温大多靠人工进行。调火测温工作点多面广，控温基本也是凭经验操作，经常会出现煤气燃烧不充分，烟囱冒黑烟的现象，炼焦耗热量很难降低。计算机自动控制焦炉加热技术根据装炉煤特性确定结焦时间和火道温度，根据火道温度确定最佳供热量及其相适应的烟道吸力。焦炉使用计算机控温不仅可以降低炼焦耗热量，而且还可以稳定和改善焦炭质量。国内许多研究机构对此做了大量努力。日前唐钢集团的2座焦炉自动加热控制系统正式投入使用，进一步使国内焦炉加热技术应用提速。

4)干熄焦(CDO)技术。

干熄焦技术是目前应用最成熟的一项节能技术。其基本过程是用惰性气体作为热载体吸收红焦显热后，流经废热锅炉换热，然后气体循环使用。通过采用干熄焦技术，可以回收红焦余热，改善环境质量，提高焦炭质量(焦炭转鼓指数M₄₀提高3％～8％，M₁₀改善2％～2．5％)，并可以增铁节焦。而采用湿法熄焦，则每熄1t焦炭，则浪费0．5 t新水。以年产1．1 Mt焦炭，配置处理能力140 t／h的CDQ装置为例，一年内干熄焦回收的热能可发电53．82×10⁶kWh，生产蒸汽588×10³t／a，经济效益和社会效益显著。

2 副产品回收工艺单元

2．1 单元能流解析

焦化厂不仅有加热系统复杂的焦炉，在副产品回收过程还有种类繁多的化工单元。副产品回收的任务主要是将高温荒煤气冷却并进行气(煤气)、液(氨水与焦油)、固(渣类)三相分离。煤气进一步脱硫、氨、氰、萘、苯，成为净焦炉煤气；焦油则按馏程分离，精制成各种化工产品。回收工艺的用能特点是能流分支众多，但能耗重点集中在一些特定的单元，如冷却、蒸馏单元。回收工艺区域同时是焦化厂“三废”的主要产生和排放区域。

2．2相关节能技术

目前，焦化厂副产品回收过程的化工单元工艺还较粗糙，与先进的炼油仓业相比存在一定差距。立足于焦化厂特点，对一些重要单元引进先进技术，是副产品回收工艺中重要的节能方向。

1)荒煤气显热回收技术。

从炭化室经上升管逸出的650～750℃荒煤气带出的显热占焦炉总热量的32％。为冷却高温荒煤气必须喷洒大量70～75℃的循环氨水，而且最终还要在初冷器中利用大量循环水冷却。以往在这一部分节能有两种途径：一是将高于50℃的初冷器一段循环水用以冬季采暖，其缺点是只能间接利用部分荒煤气热量；二是在上升管加蒸汽夹套回收热量，其缺点是每个上升管都变成了压力容器，使管理和维护十分不便。因此如何更合理地去利用这一能源，是目前国内外都在研究的课题。现在提出的最理想使用方案是在上升管部位用导热油夹套回收荒煤气热量。被加热的高温导热油可以去蒸氨，可以用于煤焦油的蒸馏，也可以用于煤调湿装置。

2)蒸馏用能优化技术。

蒸馏是副产品工艺中重要的化工单元。蒸馏装置耗能很大，其消耗的能量约占回收过程能耗的45％，如每蒸馏1 m。氨水的直接蒸汽耗量为250～300kg。蒸汽量使用越多，相应冷却水耗量也越大。所以对于蒸馏系统要优先选用高效蒸馏设备，如高效填料塔。另外还要对进塔物料的参数进行优化。因为蒸汽热能衰变快、利用效率低下，所以对于蒸馏物料的加热，要优先使用贫煤气、导热油加热技术，使能源利用更加合理。

3)节水技术。

在副产系统中，水主要用作冷却介质，参与反应过程的量很少。因此，应根据焦化厂用水特点，科学规划，努力将各类冷却水系统(如初冷水系统、终冷水系统、精制系统、各种湿法除尘系统、轴瓦冷却系统)实现不同程度的闭路循环，并实现梯级利用，最大限度地改善和优化用水结构。对于利用加入大量低温新水来改善由于传热设备问题使工质温度偏高的工艺过程，应尽快重新评估，选用换热效率高的新型换热器，或采用强制冷技术，使焦化厂用水得到充分合理利用。对于排水系统，要有充分的污水处理能力，使处理后水质指标达到重复回用的标准，逐步实现“零排放”的终极目标。

4)固体废物利用技术。

在副产过程中会产生大量固体废物。如各种焦油渣、贮槽清空废渣、蒸馏废渣等。目前国内最理想的做法是将这些废渣作为粘结剂，制型煤回配到炼焦煤系统。而在炼焦过程中产生的最大量固体废物是焦粉，这些焦粉除可用于烧结外，还可以在合成气原料及制备活性炭方面发挥作用。

5)余热利用技术。

焦化厂的各种废热介质，特别是中、高温介质，均有被利用的可能。如管式炉废气、背压蒸汽等均可利用技术手段进行回收，热管技术可以用以管式炉废气的热量回收，蒸汽冷凝水可以集中回收进行供热或作软水使用。

3 结论

1)要以系统的观点把握焦化厂的节能方向。工艺技术的进步是推动焦化厂节能工作发展的重要因素。

2)炼焦工艺单元理想用能流程及相关节能技术应包括：控煤、煤调湿、焦炉加热自动控制、干熄焦四项技术。

3)副产品回收工艺单元要侧重于应用荒煤气显热回收、蒸馏用能优化等节能技术，同时应充分利用“三废”资源。

4)焦化厂作为钢铁企业重要的能源单位，在进行技术装备升级和工序优化时要充分应用节能技术，努力提高综合能效，抓好能源梯级利用，使节能工作进入崭新阶段。

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