（应用化学专业论文）焦化余热综合利用与煤调湿相结合工艺的研究.pdf

摘要 摘要 炼焦工业既是重要的能源生产部门，又是耗能大户，我国炼焦生产存在的 主要问题是能耗大、利用率低。因此，降低炼焦能耗和提高炼焦余热的有效利 用对炼焦工业具有重大的意义。 就焦炉产物带出的热量而言，焦炭显热约占4 0 ，荒煤气显热约占3 0 ， 废气带走热量约占2 0 ，三项合计占9 0 左右，有着大量的余热可以利用。其 中，由于干熄焦技术的发展，焦炭显热已经得到较好地回收利用，而后两者余 热的利用方法尚不成熟。另一方面，我国炼焦用煤水分一般在1 0 1 5 ，过高 的配煤水分不仅降低焦炉生产能力、增加炼焦耗热量，还影响焦炉操作的稳定 性，使焦炭质量下降。采用煤调湿技术( c m c ) ，将煤料水分控制在6 7 ，会 节约炼焦耗热量，提高焦炭质量和产量，为企业带来巨大的经济效益。 本文把降低炼焦能耗和焦化余热利用结合起来，提出了焦化余热综合利用 与煤调湿结合的工艺，在不引入外加热源的条件下进行煤调湿，达到节能降耗 的目的。其中焦化余热包括上升管荒煤气的显热和烟道废热两部分能量，具体 工艺为：煤料经烟道气预热后，进入煤干燥器，与在上升管换热装置内回收荒 煤气高温显热温度升高了的空气进行换热，煤料水分达到目标值后排出，空气 废气经除尘装置除尘后排向大气。 本文在两个焦化厂分别进行了上升管荒煤气的余热回收试验和煤调湿试 验，结果表明：采用螺旋通道的上升管换热装置，能够回收大量荒煤气的高温 显热，热回收率高；皮带走廊的煤调湿装置热效率较低，干燥器结构有待改进。 对余热综合利用与煤调湿结合的工艺进行系统衡算，热平衡分析表明该工 艺可以很好地回收荒煤气和烟道废气的余热，炯平衡分析表明该工艺的能量利 用合理。煤的水分降低到7 后，炼焦耗热量大大降低，废水处理量大大减少， 经济效益显著，可以达到节能降耗的预期目的。 关键词：荒煤气，烟道气，余热利用，煤调湿，热平衡分析，炯平衡分析。 a b s t r a c t a b s t r a c t c o k i n gi n d u s t r yi sa ne n e r g y h u n g r yp r o d u c t i o ns e c t o r t h em a i np r o b l e m s o fc h i n a sc o k i n gp r o d u c t i o na r eh i g he n e r g yc o n s u m p t i o n t h e r e f o r e ，t or e d u c e e n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h ee f f e c t i v eu s eo fw a s t eh e a ta r ef o c u s e do nb yc o k i n g i n d u s t r y g e n e r a l l y , t h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni nc o k i n gp r o c e s si sl i s t e da sf o l l o w s ， t h es e n s i b l eh e a to f c o k ea c c o u n t sf o ra b o u t4 0 ，c o k eo v e ng a sa b o u t3 0 a n d t h ew a s t eg a sa b o u t2 0 t h et h r e et o g e t h e ra c c o u n tf o ra b o u t9 0 ，w i t hal o to f w a s t eh e a tc a nb eu s e d a sar e s u l to f c o k ed r yq u e n c h i n g ( c d q ) t e c h n o l o g y , t h e h e a to f c o k eh a sb e e ns i g n i f i c a n t l yr e c y c l e d ，u t i l i z a t i o no fw a s t eh e a to ft h eo t h e r t w oi sn o ty e tm a t u r e d o nt h eo t h e rh a n d ，t h ea v e r a g ec o a lm o i s t u r ei s 10 15 ，t o om u c hw a t e rn o to n l yr e d u c e sp r o d u c t i o nc a p a c i t y , i n c r e a s e st h ec o k e c o n s u m p t i o n ，a f f e c tt h es t a b i l i t yo fc o k eo v e no p e r a t i o n ，b u ta l s od e c r e s e st h e c o k eq u a l i t y i fu s ec o a lm o i s t u r ec o n t r o l ( c m c ) ，w a t e rc o n t e n ti sc o n t r o l e di n t h e6t o7 ，w i l ls a v e c o k i n gc o n s u m p t i o n ，i m p r o v et h ec o k eq u a l i t ya n d i n c r e a s et h ec o k ey i e l d ，b r i n gh u g ee c o n o m i cb e n e f i t sf o re n t e r p r i s e s i no r d e rt or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dr e c o v e rw a s t eh e a ti nc o k i n g p r o c e s s ，an e wt e c h n o l o g yi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h a ti s ，ac o m b i n a t i o no f r e c o v e r yo fw a s t eh e a ta n dc o a lm o i s t u r ec o n t r 0 1 a d d i t i o n a lh e a td o e sn o tn e e d t ob ei n t r o d u c e di nt h i sn e w p r o c e s st oa c h i e v et h ep u r p o s eo fs a v i n ge n e r g ya n d r e d u c i n gc o n s u m p t i o n t h ew a s t eh e a t c o n t a i n s h e a to fc o k e - o v e ng a sa n d t h e r m a lh e a to fw a s t eg a s t h en e w p r o c e s si s ：c o a li sp r e h e a t e db yt h ef l u eg a s ， a n dt h e ng ot ot h ec o a ld r y e r , e x c h a n g eh e a tw i t ht h ea i rw h i c hh a sb e e nh e a t e di n t h ea s c e n s i o np i ph e a te x c h a n g e r c o a li st r a n s p o r t e dt oc o k i n ga f t e rt h ew a t e r c o n t e n tr e a c h e st h et a r g e t t h ed r y i n gw a s t ea i ri ss c a v e n g e di n t ot h ea t m o s p h e r e a f t e rd u s ti sr e m o v e d i nt h i sp a p e r , a s c e n s i o np i ph e a te x c h a n g e re x p e r i m e n ta n dc m ct e s ta r e a b s t r a c t c a r r i e do u ti nt w oc o k ep l a n t sr e s p e c t i v e l y , e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：a l a r g en u m b e ro fh i g h l e v e lh e a ta r er e c o v e r e db yu s i n gt h es p i r a lc h a n n e lh e a t e x c h a n g e rw i t hh i g he f f i c i e n c y t h eb e l t c o r r i d o rd r y e rh a sl o we f f i c i e n c y , d r y e r ss t r u c t u r en e e d si m p r o v e m e n t s y s t e mb a l a n c ea r ec a c u l a t e do nt h ep r o c e s s h e a tb a l a n c ea n a l y s i ss h o w s t h a tt h er e c o v e r yp r o c e s sc a nb es h o a a g eo fw a s t eg a s ，e x e r g yb a l a n c ea n a l y s i s i n d i c a t e st h a tt h ep r o c e s so fr a t i o n a le n e r g yu t i l i z a t i o n c o a lm o i s t u r ei sr e d u c e d t o7 ，t h ec o k ec o n s u m p t i o ng r e a t l yr e d u c e d ，v o l u m eo fw a s t ew a t e rr e d u c e d ， s i g n i f i c a n te c o n o m i cb e n e f i t sc a nb ee x p e c t e dt oa c h i e v et h ep u r p o s eo fs a v i n g e n e r g ya n dr e d u c i n gc o n s u m p t i o n k e yw o r d s ：c o k e o v e ng a s ，w a s t eg a s ，s u r p l u sh e a tr e c o v e r y ，c o a lm o i s t u r ec o n t r o l ，h e a t b a l a n c ea n a l y s i s ，e x e r g yb a l a n c ea n a l y s i s i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：起多z 确 b 叮年月弓日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：赵夕z 雨 沙o7 年 t 6 只| i ；e t 第l 章引言 第1 章引言 我国是世界焦炭生产大国，从1 9 9 3 年起，焦炭产量连续居世界第一位，焦 炭生产能力7 0 左右在冶金系统，化工行业占1 3 5 ，其它分布在铸造、建材等 行业【。改革开放3 0 年，中国炼焦行业辉煌发展3 0 年，2 0 0 7 年焦炭产量上升 到3 3 5 5 3 万吨，占世界焦炭产量6 0 ，焦炭满足钢铁工业及国民经济各行业的 需要，为国民经济发展做出了巨大贡献。炼焦行业依照科学发展观的要求，推 进炼焦产业结构化升级，焦炉走向大型化、现代化，并不断进行科技创新，在 利用焦炉煤气生产甲醇，投产煤调湿新工艺，加快建设干熄焦装置以及节能减 排等方面均取得了好成绩。其中炼焦煤调湿新工艺投入生产，既利用了炼焦废 热，节约能源，又减少了污水排放，是自主创新的好项目。 1 1 炼焦工艺 炼焦是指将煤在隔绝空气的条件下，高温加热到9 5 0 1 0 5 0 1 2 ，经过干燥、 热解、熔融、粘结、固化、收缩等加工工艺后最终制成焦炭【2 j 。焦炭是现代高炉 炼铁炼钢及铸造工业不可缺少的主要燃料，而且焦炭的质量直接影响到冶炼和 铸造的质量。 焦化工艺大体包括以下几个系统：煤入炉及焦化系统，煤气净化系统，循 环水系统和测控系统【3 】。炼焦的主要热工设备是焦炉。焦炉的装煤、推焦、熄焦 和筛焦组成了焦炉操作的全过程，炼焦车间一般由一座或几座焦炉及其辅助设 施组成。 焦炉操作为：从煤气主管来的燃烧煤气( 高炉煤气或焦炉煤气) 经斜道进 入燃烧室立火道底部进行燃烧，并形成废气流( 上升气流) ，高温的废气通过热 辐射和热对流的形式，把热量传给温度较低的燃烧室侧的炉墙表面，然后热量 以热传导的方式通过炉砖传到炭化室炼焦。换热后的废气在烟囱吸力的作用下， 经双联立火道的另一火道进入斜道( 下降气流) ，再进入蓄热室与空气换热后经 小烟道、分烟道、总烟道，最后从烟囱排出。 炼焦工艺流程为：由炼焦准备车间来的装炉煤用带式输送机送往煤塔贮存， 第1 章引言 由装煤车将煤塔中的煤送往待装煤的炭化室进行炼焦。装炉煤经过炭化室内结 焦过程转化为焦炭，焦炭成熟后，由推焦机将焦炭推出落入熄焦车，送往熄焦 塔内熄焦，焦炭经熄焦后送往焦台冷却，然后用带式输送机送往筛焦站筛分， 筛分后的焦炭送往贮焦仓贮存或直接送用户。炼焦过程中产生的粗煤气经焦炉 上升管导出炉外，进入集气管，被喷洒的循环氨水冷却后送往焦炉煤气净化车 问处理并制取焦化产品1 4 - 7 1 。 工艺流程如图1 1 所示： 图1 1 炼焦工艺流程示意图 1 1 1 炼焦余热的利用情况 焦炭是冶金、机械、化工等行业的重要原料、燃料，其中以冶金工业高炉 炼铁消耗焦炭量最大，中国焦化生产工序能耗为l8 0 2 0 0 k g 标煤t 。炼焦生产 有着大量的余热余能资源，在大型焦化厂的焦化工序能耗中，各煤约占5 1 0 ，炼焦占7 0 8 0 ，化产回收占1 5 - - - , 2 0 。就焦炉产物带出的热量而言， 1 0 5 0 左右的红焦携带显热约占4 0 ，7 0 0 左右的荒煤气显热约占3 0 ，排往 烟道的3 0 0 左右的废气带走热晕约为2 0 ，三项余热合计占9 0 左右n 。 从能值或者可用性角度评价，焦炭显热的能值系数( 可用比或炯值比，炯 值e 焓值q ) 为0 5 6 ，荒煤气显热能值系数为0 4 8 t l o 】，在工业余热中是相当高的。 采用有效能分析方法获得焦炉能量的分布情况如图1 2 所示【l2 1 。 2 第l 章引言 赤 效 ) ( 未回收)荒煤气有效能 的废气有效能 ( 未回收)( 未回收) 图1 2 焦炉有效能能流图 近年来，由于能源紧缺，价格上涨，各国都大力开发节约能源的新工艺， 炼焦方面有以下几个方面【8 】【1 2 】： ( 1 ) 从焦炉炭化室推出的红焦显热属第一位，约有1 4 6 5 x 1 0 6 千焦吨焦，其 中8 5 左右可用干熄焦工艺回收利用。干熄焦工型1 3 - 1 5 1 是用惰性气体( 通常为氮 气) 将赤热焦炭冷却，被加热的惰性气体引至余热锅炉产生高温、高压的蒸汽。 该项技术已较成熟，经日本改造并大型化，我国宝钢焦化厂从日本引进干熄焦 装置，1 9 8 5 年已投产。干熄焦技术对节约能源、提高焦炭质量、减少环境污染 和节约水资源都有好处，效益是多方面的。 ( 2 ) 从焦炉上升管排入集气管的荒煤气，温度约7 0 0 ，显热居第二位， 如不利用，热能损失约为1 2 9 8 x 1 0 6 千焦吨焦。我国自1 9 7 1 年首先在太钢试验 采用上升管气化冷却装置生产热水和蒸汽，回收荒煤气中的部分热能，后经首 钢、武钢等焦化厂不断改进，逐步形成了我国独特的工艺流程。座年产焦4 5 万吨的焦炉，每小时可产生压力为4 - - - 6 k g c m 2 的蒸汽约6 吨，可并入低压蒸汽 管网加以利用，每年可回收蒸汽5 万吨左右，同时可使上升管外表温度比衬砖 型降低9 0 左右，工作周围的温度降低约3 5 ，对改善炉顶酷热环境十分有利。 但由于存在安全隐患以及上升管壁附着焦油和积碳清除问题，该工艺没能推广。 ( 3 ) 日本新口铁采用一种有机传热介质，在烟道中的换热器中，利用3 0 0 左右的炼焦烟气将有机介质加热到1 5 0 ，再送经上升管的换热器利用荒煤气的 3 第1 章引言 热量将介质温度升到19 5 ，又转入煤干燥器用以调节炼焦用煤的水分，可将7 1 l 的湿煤干燥成含水5 的煤。干燥煤装炉可使堆比重增大，结焦周期缩短， 生产能力提高1 0 ，炼焦耗热量可降低约1 5 。 ( 4 ) 中、低温烟气余热的利用在技术上较困难，尤其是低温烟气的利用在 经济上不大合算，致使损失了大量能源，但近年来仍在积极研究利用。 1 1 2 荒煤气余热的可利用性 荒煤气以4 0 0 - 4 6 0 m 3 t 焦的流量【lo 】、6 5 0 , - - - , 8 0 0 c 的高温带出的物理热占焦 炉输出热量的第二位，有效能占焦炉总输出有效能的1 8 ，回收利用潜力很大。 炼焦煤在焦炉炭化室内高温干馏，发生一系列物理化学变化，形成了6 5 0 - - 8 0 0 的高温煤气自上升管逸出，为了减少输送煤气的体积，回收煤气中的化学 产品，使煤气得以净化，必须对高温煤气进行初步冷却。现行的煤气初步冷却 总体上分两步进行。第一步是用循环氨水( 1 吨干煤需5 - - 一6 t 氨水) 在集气管内 喷洒，将煤气温度降至8 0 8 2 ，第二步是煤气进入初冷器中，用冷却水间接 或直接冷却至2 5 , - , , 3 5 c t 7 1 。上述过程对荒煤气的冷却和初步净化而言简单有效， 但在过程热力学上却是不完善的。 第一、该回收的能量未回收。荒煤气在桥管和集气管内急剧降温增湿过程 是高度不可逆过程，其物理炯损失达9 0 以上；第二、冷却水耗量大。荒煤气 从6 5 0 , 8 0 0 c 降温至常温所放出的热量，绝大部分是在初冷器巾靠冷却水移除 的【1 6 j 。这是因为：在集气管中，氨水吸收煤气的显热而蒸发，煤气温度降低， 湿度升高，冷却过程是传热、传质同时进行的过程，但传热和传质的方向是相 反的，总的结果是：煤气的温度虽然降低了，但以单位质量干煤气为基准的焓 值变化不大或稍有增加。也就是说，现实生产中真正的煤气携带热量需在下一 步初冷器冷却中靠冷却水带走 1 7 - 1 9 】。因此造成初冷器是焦化厂最大的耗用冷却 水设备之一。 一边是能量的浪费，另一边是浪费的热量需靠大量消耗水来冷却。如果不 从高温煤气初步冷却过程中取出部分热能加以利用，从能量角度看是不合理的。 1 1 3 上升管荒煤气余热回收方式 近年来由于能源紧缺，各国都大力开发和节约能源，国内外开发应用了多 4 第1 章引言 种焦炉余热利用的途径，其中荒煤气显热的回收利用主要有以下几种途径：1 1 9 - 2 9 表1 i荒煤气余热四i 收利用的方式 余热回 用途原理优点存在问题 收方式 1 ) 技术复杂，设计、制造、 安装要求严格：2 ) 每个上 升管汽化冷却器均属工业 产生与锅炉原理相似，软水通过给水泵 节能效果锅炉，安全管理级别高； 低压加途后送到上升管汽化冷却装置 显著，经3 ) 上升管夹套漏水问题， 蒸汽的水套，在水夹套内吸热蒸发，产 济上合理对炉体造成危害；4 ) 上升 上升管生0 5 m p a 左右的低压蒸汽 l汽化冷 管内壁结焦炭化问题；5 ) 产生低压蒸汽，只用于采 却装置 暖和洗澡。 加热 软水通过给水泵加压后送到上升 适于小型 1 ) 虽然设备较简单，水不 锅炉焦炉的荒 汽化，安全性提高，但仍 给水 管水套，加热后回到除氧罐，然后 煤气余热 存在上升管夹套漏水问 经锅炉给水泵送进锅炉题；2 ) 上升管内水吸热升 回收 温要有严格的温度控制。 热管蒸发段安装在上升管内，冷凝热管传热 上升管 锅炉段安装在废热锅炉内，荒煤气在上效率高， 热管以金属钾作为工质， 2热管换 热源升管流过热管蒸发段管束，释放显可使 ：升 产生热，锅炉用软水流过热管冷凝段管管内外壁 制造运行成本较高，且系 热装置统较复杂。 蒸汽 柬吸收工质冷凝潜热而汽化，蒸汽温差相对 由上部出口导出进入汽水分离罐较小 利用烟以有机介质为热媒进行两次余热利用荒煤1 ) 工艺较复杂，泵输送流 道废气提供回收。8 0 有机热载体先在烟道气气余热与体过程的动力消耗大；2 ) 和荒煤煤调换热器巾被2 3 0 左右的烟道废气烟道气废有机热载体容易变质，更 3 气余热湿热加热至15 0 c ，再进入上升管夹套热，与入换花费大；3 ) 有机介质在上 进行煤量加热至1 9 5 ，用泵送入干燥机对炉煤调湿升管中温度由1 5 0 升高 调湿 煤进行间接加热 结合。 到1 9 5 ，刚收的热量少。 与上升 提供 上升管汽化冷却装置产生蒸汽作回收了荒 管汽化 煤调 为主要热源，在回转干燥机内与湿煤气余 1 ) 蒸汽供量不足时需外加 4冷却相 煤进行间接热交换，烟道废气将煤热，达到 热源；2 ) 以上升管汽化冷 结合煤 湿热却装置为基础，存在很多 量 在干燥机内蒸发出的水分引入除了煤调湿 调湿尘器，除尘后经烟囱排入大气甘的 局限。 5 第1 章引言 1 2 煤调湿工艺 炼焦时，入炉煤在炭化室内进行高温干馏，煤料要经过干燥预热，蒸发除 去所含水分，然后煤料再经过熔融软化、裂解、缩合，析出荒煤气等化学物质 后，煤料收缩形成焦炭，最终由推焦机从炭化室内推出。由于有水的存在，煤 中的水分最先在炼焦炉内蒸发汽化成水蒸汽，浪费掉了部分宝贵的煤气资源， 同时降低了炉墙的表而温度，对炭化室墙面也有腐蚀，影响了焦炉炉体严密性， 无形中增加了炼焦煤气的成本。过高的配合煤水分一方面降低了焦炉生产能力 和连续操作的稳定性，增加了炼焦耗热量；同时入炉煤水分波动较大，若不及 时调整结焦时间和火道温度，会造成焦饼中心温度偏低，导致局部生焦，使焦 炭强度下斛1 0 】【3 们。 煤调湿技术( c o a lm o i s t u r ec o n t r o l 简称c m c ) 是利用焦化生产过程中的 余热，在装炉前将炼焦煤水分降低到目标值。它的前身是煤干燥技术，煤干燥 与煤调湿虽然结果是一致的，但是意义却有所不同。煤干燥没有明确的目标值， 干燥的结果随装炉煤的原始含水量、干燥程度而变，没有严格的水分控制措施， 而煤调湿的目的在于把装炉煤干燥到设定的目标值，有严格的控制措施。通过 煤调湿预选合理的装炉煤含水目标值不仅可以保证焦炉稳定生产、延长炉体寿 命，还可以达到装炉煤堆积密度增大、焦炭质量提高、焦炭及化工产品增产、 焦炉加热煤气用量减少的效果。 1 2 1 煤调湿的发展历程 炼焦原煤含水量普遍偏高，目前炼焦生产用炼焦煤的水分一般都在1 0 - 1 5 ，如果焦炉装炉煤含水量以1 0 计，年产1 0 0 万吨焦炭的焦化厂每年就有 l o 万吨水进入焦炉，消耗了大量煤气热能，造成煤气资源的浪费。如果采用煤 调湿工艺，将装炉煤水分控制在6 7 ，不仅节约炼焦耗热量，同时还由于装 炉煤含水量降低提高了焦炉装炉煤的堆密度，提高了焦炭质量和产量，为企业 带来巨大的经济效益。 一、国外煤水分调湿的发展概况 国外研究专家对煤水分预热调湿的应用从2 0 世纪6 0 年代就开始了探索， 当时前苏联最早开发研制煤调湿技术，在炼焦煤进入焦炉前对煤粉进行适当的 干燥，降低煤水分，取得了一定的成果，引起了世界炼焦行业的重视，煤水分 6 第1 章引言 干燥降低后，煤的流动性得到增加，但煤粉除尘量加大，装煤时烟尘过大，影 响环境，煤调湿设备一度搁浅，发展受到了抑制，到了2 0 世纪8 0 年代，日本、 德国、美国、俄罗斯等国竟相开展了煤调湿工艺技术的研究与开发。德国利用 焦炉烟气余热加热瓷球，以瓷球为热载体对湿煤进行直接加热调湿，把煤水分 降低到接近于0 ，利用煤在水分为0 的良好流动度，通过管道输送原煤，省去了 加煤车设备，又减少了煤粉尘外逸，做到了环保与生产兼顾：俄罗斯则利用炽 热焦炭对湿煤进行间接加热调湿；日本提出煤水分降低到5 6 ，烟尘量较少， 并推出一系列煤调湿技术和设备，煤干燥介质由导热油干燥逐步过渡到蒸汽干 燥和烟道废气干燥阶段 3 1 - 3 7 】，尤其烟道废气热能的综合利用正逐步得到推广， 日本新日铁先后开发了三代煤调湿技术 3 8 - 4 1 1 。 第一代c m c 是导热油干燥方式。利用导热油回收焦炉上升管煤气显热和 焦炉烟道废气的余热，然后在多管回转式干燥器内，被加热的导热油与煤料间 接加热于燥，工艺流程如图1 3 所利4 。它是传统的煤调湿工艺，于1 9 8 3 年9 月在新日铁大分厂建成投产。我国重钢焦化厂曾采用过该工艺。 利用烟道废气与湿煤在多层圆盘立式调湿机内进行直接热交换也属于第一 代煤调湿技术，在日本只有中山厂应用。该工艺有两个缺点，一是除尘困难； 二是烟道气供热量不足，还需要用加热炉供给3 0 的热量。工艺流程如图1 4 所 示【4 1 】： l 一烟囱，2 一烟道换热器，3 卅 烟风机，4 循环油泵，5 - 上升管换热器，6 贮油 槽，7 一导热油冷却器，8 哥燥机及附件，9 - 热风输入装置，l o 一除尘设备，l l 螺旋输 送机，1 2 胶带输送机，1 3 一导热油加热炉，1 4 一阀门 图1 3 第一代c m c 工艺流程图( 导热油问接加热) 7 第1 章引言 1 2 3 1 一液化石油气，2 一高炉煤气，3 焦炉煤气，4 燃料气，5 一空气，6 烟道废气， 7 热风炉，8 像尘器，9 一鼓风机，l o 烟囱，l l 一调湿机 图1 4 第一代c m c 工艺流程图( 烟道气直接加热) 第二代c m c 是蒸汽干燥方式。利用于熄焦蒸汽发电后的低压蒸汽或工厂其 他低压蒸汽作为热源，在多管回转式干燥器内，蒸汽对煤料间接加热干燥。该 工艺结合并利用了干熄焦后产生的蒸汽，工艺简单、投资小、控制容易、生产 成本低，具有一定的先进性，于1 9 9 1 年3 月在新日铁君津厂建成投产。蒸汽煤 调湿又分为蒸汽走管内、煤走管外和蒸汽走管外、煤走管内两种形式。千叶厂、 鹿岛厂、水岛厂和福山厂采用的是蒸汽走管内技术；君津厂采用的是蒸汽走管 外、湿煤走管内技术。工艺流程如图1 5 所示【4 l 】： 图1 5 第二代c m c 工艺流程图 第三代c m c 是流化床干燥方式，利用到焦炉烟道废气的热能对煤料在流化 8 r。l 第l 章引言 床干燥器内进行直接换热，降低煤水分，取得了降低炼焦耗热量的显著效果。 它是新一代c m c 技术，受到国内外专家的关注，它的主体是流化床干燥机，湿 煤被通过分布板由下往上的热气流( 烟道废气) 直接干燥，在c m c 的几个关键部 位设置有氧检测仪，对干燥器的含尘气体可能发生的爆炸范围进行自动报警。 另外设置了煤料水分的自动检测仪和热风炉，对煤调湿的出口煤料水分进行实 时监测，当煤料水分过高或焦炉烟道废气量不足或烟道废气温度过低时，可将 吸抽的烟道废气先送入热风炉，用焦炉煤气点火，使高炉煤气燃烧，从而提高 烟道废气的温度。新日铁于1 9 9 6 年1 0 月在北海制铁室兰厂开发投产了第三代 c m c 装置，工艺流程见图1 6 【4 2 1 。 o 毛体流向 煤流内 图1 6 室兰振动流化床c m c 流程图 第一代煤调湿流程复杂，设备庞大，操作环节多，投资较高，现在已很少 建设；第二代煤调湿以蒸汽为热载体，无法利用余热进一步节能；第三代煤调 湿技术，是集风力分离和调湿于一体的煤准备工艺技术，因此，有显著的技术 优势。第三代流化床c m c 与其第一代c m c 和第二代c m c 相比，具有技术工 艺流程短，设备少而且结构简单，投资省，操作成本低，便于维修，占地面积 小以及其产生的经济效益好等优点，因此在日本大受欢迎。 二、我国煤水分调湿的发展概况 6 0 年代我国焦化行业研究人员在鞍钢、本钢、首钢等焦化厂曾进行过装炉 煤干燥试验。试验收到一定的节能、增产效果，但都没能付诸生产实践。主要 是由于当时炼焦的工艺装备还不够完善，没有采取适当的技术措施来保证装炉 煤干燥并正常生产和使化工产品顺利回收；同时对于装炉煤没有明确设定干燥 目标值，以为装炉煤越干越好，但是粉煤含水低容易飞扬，造成装炉困难、操 9 第1 章引言 作不顺利、化工产品质量恶化，事故频繁，所以各厂相继停用。 日本大分厂c m c 技术在我国交流后，受到有关方面的重视。重钢焦化厂首 先提出愿开发此项技术，鞍山焦耐院与重钢焦化厂多次进行方案论证，后又经 过中日双方的考察、技术交流，1 9 9 6 年底中国第一套c m c 装置投入运行1 4 。 该套装置为日本第一代煤调湿工艺，技术相对落后、操作复杂，导热油对设备 腐蚀严重。此外，国内配套设备不完善，焦炉装煤除尘和加煤除尘环保不达标， 操作人员无法进行正常加煤和装煤作业，该c m c 装置于2 0 0 1 年停止运转。 重钢c m c 装置基本上是由鞍山焦耐院完成设计的，除干燥机等设备由日方 供货，其它设备、材料均由国内生产、制造，积累了丰富的施工经验。国内部 分干燥设备生产厂家开发的干燥设备的设计、制造及生产调试技术已有较人提 高。总体而言，我国已经初步具备了发展c m c 装置的设计、设备制造等条件。 河南天宏焦化集团结合自身( 3 0 万吨捣固焦) 工艺特点，与天地科技股份有限 公司唐山分公司合作开发了利用公司富余煤气( 焦炉煤气或高炉煤气) 为燃料，以 燃气式热风炉为热动力的节能转筒煤调湿技术，于2 0 0 2 年投产运彳亍【3 1 。3 列。此技 术是针对炼焦煤中掺有较多浮选精煤导致水分过高而采取的煤调湿手段。 首钢京唐钢铁项目是国家“十一五 重点规划的项目，其中，焦化期规 划4 x 7 0 孔7 6 3 m 焦炉及配套设施，年产焦炭4 2 0 万t 。计划采用第3 代煤调湿 技术一流化床干燥方划。到，利用焦炉烟道气作为热源，经过流动层式干燥器将 装炉煤直接加热干燥。 由太钢自主研发、制造并建设的国内首家焦化煤调湿项目于2 0 0 8 年1 2 月 3 1 日开始试生产。据报道，该项目每年可节约能量2 7 1 万吉焦，相当于9 2 2 6 吨标准煤，通过增加焦炭和煤气产量，每年可创经济效益4 5 9 1 4 万元。 c m c 现已成为我国钢铁行业除c d q 以外重点开发并积极推广的技术。在 2 0 0 0 年7 月国务院批准的当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录( 2 0 0 0 年修订) 中有明确推荐。在国家发改委公布的中国节能技术政策大纲( 2 0 0 5 年修订，征求意见稿) 中明确提出“新建及改扩建焦炉应有入炉煤调湿和荒煤 气显热回收技术装备 、“炼焦入炉煤灰分、硫分、水分要求分别稳定在1 2 、 l 、7 以下”。同时是否采用煤调湿技术也是钢铁行业清洁生产评价指标体 系( 试行) 的一个定性评价指标。由此可见，煤调湿技术的推广和应用不仪可 行，而且是势在必行。 1 0 第1 章引言 1 2 2 煤调湿工艺的意义 入炉煤的调湿具有重大意义3 9 4 1 - 4 7 】： 第一，提高焦炉生产能力。装炉煤水分降低后堆密度增大，装煤量增加， 结焦时间缩短，从而提高了焦炭产量。如表1 2 所示，煤水分从9 1 2 降至 5 6 时，其堆比重增大，焦炉单孔装煤量将增加5 0 7 4 。水分降低后 可缩短结焦时问，通常煤水分每降低l ，干馏时间可缩短1 4 m i n 左右，焦炉产 量可增加1 7 。 第二，降低炼焦耗热量。入炉煤含水量的多少，直接影响到炼焦过程的能 耗。据测算，入炉煤水分含量每增加1 ，炼焦耗热量相应增加约6 0 - - 一8 0 k j k g 。 据日本数据，对1 的水分，干燥装置的耗热量为1 7 5 3k j k g 。当入炉煤水分降 低后，约4 - - - , 5 的水分不进入炉体，焦炉耗热量大幅度减少，日本各厂c m c 的 操作数据虽有不同，但大体为煤含水9 降至5 时耗能量减少3 2 6 k j k g ，约节 省燃料1 4 左右。 第三，可多配弱粘结性煤，降低用煤成本。炼焦用煤最重要的特性是要求 具有一定的粘结性，凶此炼焦煤中都需要配入一定量的强粘结性煤以保证焦炭 的质量。日本几个分厂的生产结果表明，在焦炭质量升i 变的情况下，可多配弱 粘结性煤1 0 左右，从表1 2 可见所? 提高幅度为0 3 5 1 5 。此外煤粒在炭 化室内上下分布均匀，粒度趋于均匀。 第四，焦炭质量提高。由于调湿煤流动性好，在炭化室内的煤料高向及长 向分布均匀，焦炭粒度分布更为合理，大、中块焦炭产量更多，产率更高。 第五，延长焦炉使用寿命。入炉煤水分的变化影响着焦炉加热制度的稳定。 煤调湿技术能很好地控制入炉煤的水分，保证焦炉的加热稳定，对焦炉炉体起 到了很好的保护作用，并且便于炉温管理，使焦炉各项指标稳定。 第六，减少污染。煤的水分降低，减少了废水排放量，有利于污水处理， 减轻了环境污染。此外，装炉煤水分降低，在保持原有结焦时间不变的情况下， 火道温度平均降低2 0 c 一3 0 c ，烟道气中含氮物含量有所降低。国内专家估算 过，炉温降低2 5 时，废气中的n o x 排放量减少2 2 ，有利于环境保护。 第七，减少氨水处理量。煤料水分降低可使剩余氨水量减少约1 3 ，相应减 少剩余氨水蒸氨用蒸汽1 3 ，不仅大大减少了能源消耗，降低生产成本，同时减 轻了废水处理装置的生产负荷，具有节能、减排的双重效益。 第l 章引言 第八，有利于提高化产质量。应用煤调湿技术后，不但能提高炼焦生产能 力，还能增加炼焦的副产品焦油中的芳香烃含量，煤气中氢气增加，甲烷减少。 日本应用的煤调湿技术后产生的效果见表1 2 【拍1 。 表1 2日本应用的煤调湿技术后产生的效果 装炉煤水分 装煤量焦炭产 厂名增加量增产 焦炭质量耗热降低 入出减少t 孔 提高 工艺设备形式 m j ，t 大分 9 05 04 02 o7 41 0 91 53 8 81 4 回转干燥机 君津 9 35 2 4 11 87 2 7 o 1 5 3 2 21 3 蒸汽管式干燥机 千叶8 56 02 5 5 o1 1 0 1 0 3 l o 蒸汽管式干燥机 鹿岛9 06 o3 02 o5 6l o o1 22 l o9 蒸汽管式干燥机 中山9 o6 32 73 54 5o 3 52 8 01 0 3 0 层立式干燥机 福山9 06 o3 02 o5 98 10 7 52 5 11 0 蒸汽管式干燥机 注：焦炭质量为d i s s o 指标 1 2 3 煤调湿技术的关键问题 有了上述优点，煤调湿技术应该得到最大限度的普及和推广，但事实并非 如此，这主要是设备和操作技术的原因，一项新技术的采用中会给焦炉操作增 加复杂性，限制了它的推广。在一篇英国炭化研究会的煤预热研究述评中，叙 述了煤调湿技术的主要缺点是热煤的输送( 有污染和氧化危险) 和煤尘夹带问题， 还有现场操作中遇到的种种难题。 近期国内研究院及高等院校设计了很多有关煤调湿技术的方案，主要围绕2 个关键剧3 8 】： 如何节能；如何清洁生产。 节能，就是实施方案中尽量利用焦炉的余热，不增加热源，达到调湿效果， 不单纯以降低水分为目的；环保，就是采取适当措施，解决煤调湿后，由于水 分低，在输送、装煤过程中，细粉煤“飞扬 带来的环保问题。 煤调湿技术是焦化厂发展循环经济的有效措施，如果实施方案设计合理， 有很好的推广价值。考虑到采用c m c ，煤料水分的降低会对装煤速度、焦炉操 作和化学产品加工等产生负面影响，为了克服这些负面影响，可对生产操作和 有些相关设备进行更改，使之更适应c m c 的需要。主要有以下对策3 5 】【2 6 】： ( 1 ) 降低装煤速度，加强焦炉操作 为了减少装煤时煤尘的带出，改变装煤顺序和调整装煤车漏斗出口以限制 1 2 第1 章引言 装煤的速度。同时炭化室装煤量的多少和炉顶空间温度的高低直接影响后部焦 油质量，因此，炉项空间温度应控制在8 7 0 以下，以减少喹啉不溶物的生成量。 ( 2 ) 焦油处理增设超级三相离心机 由于入炉煤水分降低，炭化室荒煤气中夹带物增加的原因，粗焦油中渣量 几乎增至装湿煤时的两倍，会产生包括悬浮渣在内的焦油渣量增加和降低可分 离性等问题，给后部的焦油处理增加麻烦，为此要在焦油澄清槽内增设超级三 相离心机，以加强焦油与水和渣质的分离性能，提高焦油产量。 ( 3 ) 设置清除石墨的装置 入炉煤水分降低，入炉净煤重量增加，使炭化室炉墙和上升管结石墨量有 所增加，为此要增设除石墨设备，有效去除石墨，保证生产顺行。 1 3 本文研究内容 综上所述，荒煤气显热占热量支出的3 0 左右，存在着大量余热，这部分 余热已经引起了人们的广泛关注，并且已经开发并使用了一些回收上升管荒煤 气显热的工艺。其中上升管回收的余热或用于入炉煤的调湿，或用于生产低压 蒸汽，两者均可实现节能环保的目的，但已有的上升管余热利用都存在一些问 题，使其不能大规模工业化推广使用。其巾最主要的问题是在上升管换热装置 中与荒煤气换热介质的性质不太理想，水在上升管换热装置中受热变为蒸汽， 发生了相变，因此要受汽化上限压力的限制，并且存在诸多安全隐患；用有机 介质作为换热介质，系统较复杂，且有机介质受上限使用温度和使用成本的限 制。 据德国k u r t g t t n t h e r b e e k 等人试验结果表明，煤料水分在6 1 0 范围内， 水分每降低l ，耗热量平均降低4 5 6 m j t 煤。又日本小林强藏等人报道，装炉 煤水分每变化1 ，耗热量变化5 8 5 2 m j t 煤【4 9 】。可以看出，入炉煤水分的减少 可以很大程度上降低炼焦耗热量。因此把焦炉荒煤气余热利用，与降低和稳定 装炉煤水分二者有机地结合起来，回收上升管荒煤气的高温显热作为煤调湿的 热源，在无需外供能源的情况下达到煤调湿的日的，是一项十分有意义的节能 措施。 本文综合考虑了荒煤气高温显热的可利用性、煤调湿工艺的经济效益以及 烟道废气余热的可利用性，分析了现有上升管余热回收装置的利弊，提出了采 1 3 第l 章引言 用空气作为回收荒煤气显热的介质，综合利用烟道废气与荒煤气高温显热的热 量进行入炉煤水分调湿的新工艺。 采用空气作为冷却介质，具有显著的优点： ( 1 ) 安全可靠性好。由于空气在换热器夹套内部发生相变，压力变化不大， 可视为常压操作： ( 2 ) 可以避免汽化冷却装置中水套漏水的问题。汽化冷却装置若发生漏水， 就可能使水汽进入炭化室内，对炉体造成极大的危害； ( 3 ) 空气资源丰富，价格低廉，且不会对环境造成污染，可以解决有机媒 介受温度限制和使用费用过高的不足； ( 4 ) 由于对荒煤气采取间接冷却方案，大大减少了直接冷却中废水的排放， 降低了工厂污水处理费用。 本文对上升管换热装置和煤调湿干燥器分别进行试验，对试验结果进行计 算和分析，并对整个系统进行热工评定和经济效益的分析。 1 4 第2 章荒煤气余热利用试验研究 第2 章荒煤气余热利用试验研究 荒煤气产生于煤的高温干馏过程，因而离开炉体的温度很高，平均为6 5 0 - 8 0 0 ，最高达9 0 0 。从有效能分析看，其价值较高。但目前实际生产中荒煤 气降温的传统工艺是利用高度雾化的氨水汽化的高潜热来实现的，这样就白白 地浪费了质量很高，极有利用价值的显热。 为了寻求荒煤气显热回收的适宜条件，须先了解荒煤气系统的工艺特征。 由于在荒煤气中焦油、粗苯等重质成分较多，尤其是焦油蒸汽的存在极大地影 响了荒煤气显热回收的进行，这是由于焦油蒸汽在高温条件下存在着缩合结焦 反应，生成的结焦物石墨化，并附着在传热管的表面，使传热系数急剧下降， 严重阻碍传热，热回收难以长时间有效地进行，冈而防止焦油蒸汽的结焦就成 为成功地回收显热的关键。一般来说，结焦现象在高温是气相结焦；在低温是 液相结焦。有关试验结果表吲8 】： ( 1 ) 荒煤气温度在5 0 0 ( 2 以上时，焦油附着量很少，属析碳反应，结焦物柔 软松散多孔，易除去。 ( 2 ) 在荒煤气温度为4 0 0 * ( 2 5 0 0 。c 的冷却段，最易产生结焦，且其附着量随煤 气流速成比例地增加