大型焦炉能量流分析PPT参考课件.ppt

大型焦炉能量流研究,中冶焦耐工程技术有限公司郑文华于振东,1,主要内容,焦化厂能量流合理选择焦炉炉型、孔数和匹配2.1建设高效大型焦炉，淘汰低效落后产能2.2依据生产规模选择最适宜炉型、孔数和匹配焦炉输出热量的充分利用3.1大力推广采用高温高压锅炉的干熄焦技术3.2大力推广利用焦炉烟道气废热的煤调湿技术3.3研发荒煤气带出热的回收和利用焦炉煤气的资源化利用4.1焦炉煤气制甲醇4.2焦炉煤气变压吸附制氢4.3焦炉煤气直接还原制海绵铁4.4焦炉煤气喷入高炉炼铁5.结论,2,1.大型焦炉能量流,我国钢铁企业以长流程为主，主要的能源消耗是煤炭，其中以炼焦煤形式输入的能量占总能量57%左右。因此，钢铁企业节能减排的关键之一就是提高焦化厂入炉煤的有效利用。面对21世纪全球资源能源紧张、环境-生态问题约束的日益严峻，焦化厂不仅要进一步发挥好为钢铁制造流程生产优质焦炭的制造功能，而且还要高度重视能源转化功能的优化和充分发挥废弃物消纳-处理及再资源化的功能。从钢铁制造流程的整体看，焦化厂炼焦过程实质是根据铁素流这一被加工主体的要求（为高炉冶炼提供优质焦炭）而发生的碳素流转换和耗散过程，或称为能源转换过程。,3,焦化厂是钢铁制造流程中碳素能量流的主体，是钢铁制造流程的能源中心，是将一次能源煤炭经过焦炉的高温干馏转变成二次能源焦炭、焦炉煤气、焦油和粗苯等的高转化率“能源转换器”。因此，焦化厂更要注重能源转化和传递的质量，即“”效率，注重“”的价值利用，以实现炼焦过程价值最大化，在能量高效转化中实现节能减排。炼焦过程中的物质流主要是煤料在配煤、粉碎、装炉、结焦和熄焦等过程的转换和耗散。炼焦过程中的能量流主要是加热用煤气（焦炉煤气或高炉煤气或两者的混合煤气）燃烧对炭化室内煤料进行间接加热的过程。加热煤气的热量转化为焦炭、焦炉煤气、化学产品和焦炉烟道废气的显热，并产生一定的热损失。,4,烟囱,焦炉能量流示意图,5,在焦炉的输入端：物质流煤料进入焦炉炭化室能量流加热煤气进入燃烧室,在焦炉中：物质流的煤料和能量流的加热煤气相互作用，相互影响。加热煤气在燃烧室燃烧产生的高温烟气以辐射（占9095%）和对流传热形式将热量传给炉墙，再通过炉墙的热传导，对炭化室中的煤料进行间接加热，即高温干馏。煤料依次经过结焦过程的各个阶段：干燥、开始热解、形成胶质体、固化生成半焦、半焦收缩转变为焦炭。在结焦过程中，煤料中的挥发份挥发成含有煤焦油、粗苯和萘等化学产品的焦炉煤气。,6,在焦炉的输出端：9501050焦炭作为物质流承载着较多部分能量，从炭化室被推出；650700煤气和气态化学产品带着热能和化学能以能量流的形式从上升管排出；250300焦炉烟道废气带着热能和动能以能量流的形式从烟囱逸出；一部分热量作为能量流一部分从焦炉炉体表面散发损失至环境空气中。,7,对炼焦过程能量流的分析，不仅要注意物质流、能量流在焦炉输入端的行为，而且也要关注其在输出端的行为。炼焦过程能量流的研究主要是：高效率的能量转换加热焦炉用煤气热能的节约焦炉支出热的回收和高效利用产出的焦炉煤气的高质量利用,8,提供给焦炉的能量，其有效能是指炼焦过程在完全可逆的情况下，经过炉内复杂的物理、化学变化后，达到与环境完全平衡的状态时，体系所能给出的最大功；无用部分的能量称为无效能（损），是炼焦过程的不可逆性所引起的能耗，它不具有做功的本领。炼焦过程的不可逆性是指炉内由于存在着温度差、压力差，以及炉内高向、长向温度、压力、浓度分布的不均匀性和系统内分子运动的湍动而引起的有效能损失，即减增。,9,按照热力学第一定律，在炼焦生产的能量转换和传递过程中，“”和“”的总量总是守恒的。按照热力学第二定律，炼焦生产过程是不可逆过程，是“”转换为“”的过程。焦炉是能量转换装置中效率高的热工设备，净效率高达87%89%。这是因为炼焦过程不仅是一个较完善的能量转换过程，产生优质的二次能源，而且焦炉本体设备经过一百余年的不断改进，在煤气燃烧、烟气热量利用、绝热等方面均较完善。但这并不说明它已达到最完善的程度，没有节能的余地。,10,2.合理选择焦炉炉型、孔数和匹配,焦炉是焦化厂的心脏，是一次能源转换的关键设备，是碳素能量流的主体装置。“工欲善其事，必先利其器”，只有为焦化厂选择高效炉型、适宜孔数和先进机械装备的焦炉才能使钢铁制造流程的碳素能量流有高效率和低单位产品能耗，才能使炼焦过程中的物质、能量“耗散”最小化。,11,2.1建设高效大型焦炉，淘汰低效落后小机焦,我国是世界焦炭：第一焦炭生产大国，2008年产焦32700万吨；第一焦炭消费大国，2008年消费31487万吨；第一焦炭出口大国，2008年出口1213万吨。至2008年底我国常规焦炉产能达3.86亿吨，但其中仍有4500万吨产能是由不符合国家产业政策的耗能大、污染严重的小焦炉构成的，必须予以彻底淘汰。按照2009年1月实施的新“焦化行业准入条件”，应该建设炭化室高6米顶装焦炉或炭化室高5.5米捣固焦炉，用以替代落后产能。与小焦炉比，大型焦炉的优点是显而易见的：,12,1）有利于采用各种节能措施，降低炼焦工序能耗大容积焦炉吨焦炉体表面积小，散热损失小，有利于提高焦炉热效率。在相同生产规模条件下，6米焦炉吨焦表面积比4.3米焦炉减少5.3%。生产规模相同时，大容积焦炉炉孔数少，其散热量较大的炉门框、装煤孔、装煤孔盖和座、燃烧室顶、炭化室顶就少，相应的散热量也大幅度减少。大容积焦炉的蓄热室长向分格、装备计算机加热自动控制系统等综合起来节省3%4%炼焦耗热量。按此计算，每生产1t焦炭可节约COG约6m3，同时明显减少CO2排放。,13,（2）劳动生产率显著提高同样推一孔炭化室焦炭：4.3米顶装焦炉每孔推出焦炭13.4吨、6米顶装焦炉21.4吨、6.98米530mm宽顶装焦炉35.8吨、7.63米顶装焦炉43.8吨。大型焦炉的劳动生产率远远高于中型焦炉。提高劳动生产率就是节能。（3）提高装炉煤密度，改善焦炭质量4.3m顶装焦炉的装炉煤堆比重（按干煤计）为0.75t/m3，6m顶装焦炉为0.76t/m3，7.63m顶装焦炉为0.82t/m3。装炉煤堆比重的提高，有利于改善焦炭质量。优质焦炭可使高炉节能降耗；,14,2008年我国新建已投产的焦炉产能3035万吨，其中大型焦炉产能已占71.4%。我国正在掀起建设高效节能的大型和超大型焦炉来替代低效高耗能小焦炉的热潮。,15,太钢7.63米焦炉机侧,16,太钢推焦车,17,太钢7.63米焦炉拦焦车,18,邯钢集团邯宝公司1号7米焦炉于2008年2月顺利投产,19,鞍钢鲅鱼圈7米焦炉2008年4月投产,20,鞍钢鲅鱼圈7米焦炉拦焦车,21,鞍钢鲅鱼圈7米装煤车,22,2.2依据生产规模选择最适宜炉型和匹配,炼焦过程要达到动态-有序、连续-紧凑和高效-精准的运行目标，必须实现“界面技术”的优化。即备煤、炼焦、干熄焦、筛焦和煤气净化等工序之间具有经济的衔接匹配、合理的接点、密切的协同、容量恰到好处的缓冲。最经济的焦炉匹配是：一套操作人员、一套焦炉机械、配置一个煤塔和两座焦炉而能操作的最大孔数。只有这样才能充分发挥操作人员、焦炉机械和焦炉本体的最大潜力，才能创造高效率和低能耗。焦炭生产规模是选择炉型的最基本依据。规模小，而选择过大型焦炉，是大马拉小车，是贪大求洋，造成能量浪费；规模大，而选择过小型焦炉，是低水平产能的堆砌，同样是能量浪费。,23,实际上，在充分发挥设备操作性能的前提下，每种炉型都有自已最经济、最节能的匹配，从而保证一次能源煤料向二次能源焦炭等能量转换的高效率，能量流加热煤气的“耗散”最小化和近“零排放”。如：,24,3.焦炉输出热量的充分利用,高效回收利用在炼焦过程中产生的余热资源是资源节约、环境友好的绿色焦化厂节能的主要方向和潜力所在，也是提高效率的主要途径之一。通过对炼焦过程输入端和输出端能量流分析得出出炉红焦显热约占焦炉输出热的37CDQ荒煤气带出热约占焦炉输出热的36正在开发焦炉烟道废气带出热约占焦炉输出热的17煤调湿炉体表面热损失约占焦炉输出热的10加强保温,25,26,3.1大力推广采用高温高压锅炉的干熄焦技术,干熄焦是相对于用水熄灭炽热红焦的湿熄焦而言的。其基本原理是：利用冷惰性气体在干熄炉中与红焦直接换热，从而冷却焦炭。采用干熄焦可回收约80红焦显热，平均每熄1吨红焦可回收3.9MPa、450蒸汽0.50.6t，可直接送入蒸汽管网，也可发电;采用干熄焦可以改善焦炭质量，降低高炉焦比或在配煤中多用1015的弱粘结性煤；吨焦炭节水大于0.45m3；采用干熄焦技术可净降低炼焦能耗4050kgce/t焦，效率高达70%。,27,截至2009年8月底，我国大中型钢铁企业焦炭生产干熄焦率已达65以上。按干熄焦能力计，位居世界第一位。,28,唐钢处理能力为180t/h的干熄焦装置,29,太钢全封闭式140t/h干熄焦装置,30,太钢全封闭式140t/h干熄焦装置,31,在研究干熄焦回收红焦显热并在锅炉中变成蒸汽的能源转化中，不能只注重蒸汽量的回收，而忽视了回收蒸汽的品质，要注重锅炉与发电机组的匹配耦合及利用价值，以免造成过剩供应能源的损失耗散。大锅炉-大发电机的热电系统，热机效率高，单位电能的能耗低，而且易于实现钢铁企业电能自给，经济效益好。因此，国家发改委在“钢铁产业调整和振兴规划”中，要求推广采用高温高压锅炉的干熄焦技术。而现在我国已投产和在建的134套干熄焦装置中，大多采用中温中压锅炉，采用高温高压锅炉的占20%多。,32,说明：1）方案一和方案二联合循环所需的强制循环泵按引进考虑；2）投资只限于热力专业，不含其它专业，但其它专业投资变化不大。,目前常用的140t/h干熄焦装置配建凝汽式汽轮发电机组几种锅炉选择的比较：,33,分析与建议：1）高温高压联合循环比中温中压联合循环的吨焦发电增加16.7%。按0.50元/度计，小时净增收益1261.5元，全年净增收益1261.5元8040小时=1014.2万元（考虑1个月检修时间）；而投资仅增加1243万元，等于年净增收益的122.5；2）高温高压自然循环比中温中压联合循环的吨焦发电增加17.8%，小时净增收益1346.5元，全年净增收益1082.6万元；而投资仅增加978万元，等于年净增收益的90.5；,34,3）按照国标GB/T754-2007发电用汽轮机参数系列：中温中压新蒸汽的流量推荐范围是20120t/h；高温高压新蒸汽的流量推荐范围是100t/h410t/h；按宝钢、武钢等七个焦化厂干熄焦装置平均吨焦产汽量为0.596吨计，我国常用干熄能力为75190t/h干熄焦装置的新蒸汽流量范围为41102t/h，符合中温中压新蒸汽的流量推荐范围，这是我国当前干熄焦装置较多选用中温中压锅炉的主要原因；,35,4）干熄焦锅炉蒸发量比电力系统锅炉蒸发量小，强制循环水泵和锅炉给水泵因流量小、压力高、温度高，国产化难度大，国外生产厂家也少，甚至没有通用产品需重新设计，因此，引进费用高，备品备件难求，采购时间长。这是我国当前干熄焦装置较多选用中温中压锅炉的主要原因之二；,36,5）干熄焦锅炉参数的选择也与蒸汽的用途有关。如果干熄焦产生的蒸汽直接进入公司蒸汽动力管网，则蒸汽压力稍高于动力管网蒸汽压力即可，这是宝钢干熄焦选择中温中压锅炉的主要原因；6）高温高压自然循环锅炉没有强制循环水泵，有用电量少的优势，但有些焦化厂担心：锅炉启动时间长，负荷波动频繁；锅炉出口蒸汽参数不稳定，减少了汽轮发电机的运行时间，虽单位时间发电量高，但全年发电量不一定高，节能效益并不一定十分理想，因此，目前选用的厂家尚不多。,37,7）我国焦化企业几乎都是常压设备及低温低压锅炉，对操作高温高压锅炉生疏，甚至有惧怕的心理，这也是干熄焦装置选用高温高压锅炉较少的原因之一。然而随着高温高压锅炉在焦化厂实践的逐步增多，人们认识的逐步深入，再加上国家政策的提倡和支持，我国采用高温高压锅炉的干熄焦装置已经在逐步增多。建议：1）在有条件的钢铁企业，干熄焦回收的蒸汽应尽量并入钢铁企业的蒸汽管网系统，与其它蒸汽汇总一起在大发电机组高效发电；2）大型干熄焦装置采用高温高压锅炉。,38,3.2大力推广利用焦炉烟道气废热煤调湿技术“煤调湿”是将炼焦煤料在装炉前去除一部分水份，保持装炉煤水份稳定在6%左右，然后装炉炼焦。其特点是：当煤料水分从11%下降至6%时，炼焦耗热量节省10.60kce/t（干煤）；焦炉生产能力可提高48%；提高焦炭质量或可多配弱粘结煤5%10%；可减少1/3剩余氨水量，相应减轻废水处理装置的生产负荷。以焦炉烟道废气为热源对煤料进行调湿，可充分利用排入大气废热，减排CO248kg/t焦炭，具有显著节能效益和社会效益。其特点是：煤料与230300焦炉烟道气直接接触换热，烟气余热利用率高，工艺流程短，设备少，投资省，操作成本低，占地面积少，,39,1996年日本在新日铁室兰厂投产了以焦炉烟道废气为热源、采用流化床干燥机的煤调湿装置。2007年济钢投产一套气流床煤调湿装置。该装置位于备煤粉碎机前；具有风选功能，首先将小于3mm合格粒度的煤料风选出来（占总量的3040），减轻粉碎机负荷，节能；布袋除尘器滤出的煤粉（占总量的35），压成型煤，入炉炼焦。,40,焦炉烟道废气,粉碎后湿煤,流化床干燥机,布袋除尘器,焦炉煤塔,引风机,烟囱,日本室兰煤调湿流程示意图,41,放散烟囱,济钢气流床煤调湿分级装置,焦炉烟道气,42,济钢气流调湿分级装置,顶层：除尘装置,三层：湿煤进入,二层：煤料干燥,底层：干煤排出,43,3.3研发荒煤气带出热的回收和利用3.3.1用导热油回收焦炉荒煤气带出热从炭化室经上升管逸出的650700荒煤气带出热占焦炉总热量的36。为了冷却高温的荒煤气必须喷洒大量7075的循环氨水，高温荒煤气因循环氨水的大量蒸发而被冷却至8285，再经初冷器冷却至2235，荒煤气带出热被白白浪费。现在正研发用导热油回收荒煤气带出热。即将上升管做成夹套管，导热油通过夹套管与荒煤气间接换热，被加热的高温导热油可以去蒸氨，去煤焦油蒸馏，去干燥入炉煤。,44,喷洒氨水,650700,8285,2235,初步冷却器,冷却水,传统的焦炉煤气冷却工艺,45,上升管,焦炉,导热油储槽,膨胀槽,气液分离器,蒸氨预热器蒸氨再沸器硫铵预热器硫铵干燥器,热导热油,冷导热油,液相,冷导热油,气相,用导热油回收荒煤气带出热示意图,46,3.3.2用荒煤气带出热对COG进行高温热裂解或重整上世纪90年代，德国人提出生产两种产品焦炭和还原性气体的焦化厂。即高温荒煤气从炭化室逸出后不冷却，直接进入热裂解炉，将COG中煤焦油、粗苯、氨、萘等有机物热裂解成以CO和H2为主要成分的合成气体，然后去合成氨或合成甲醇或生产二甲醚、也可以直接还原制海绵铁。,47,焦炉,合成气,高温热裂解炉,合成氨合成甲醇生产二甲醚生产还原铁,650700,荒煤气高温热裂解生产合成气,48,日本人直接把焦炉上升管和集气管改造成COG重整装置，利用COG自身显热（650700）和夹带的水份，直接鼓入纯氧,发生高温裂解和转化反应，重整生成合成气。其优点是：节能；可大幅度提高H2、CO成份和调整H2与CO的比例；不产生焦油等副产品，可大大降低生产用水量和污水排放。其不足是：不回收COG里的焦油、粗苯等副产品，等于失去许多宝贵的难以替代的化学物质；焦炉每个炭化室至少有一个上升管，而且管内荒煤气量波动，压力很低，把它们逐一或分组改造成在高温下工作的重整炉，无论从技术上还是从经济上实施起来都有一定难度。,49,2005年日本爱知万博会上，向大型燃料电池公共汽车充加氢气的濑户北加氢站，就是由新日铁君津焦化厂的COG重整提氢，然后用罐车将氢气运送至加氢站。日本煤炭能源中心（简称JCOAL）在焦炉旁安装一个COG重整装置，在12001250高温下对COG进行重整，生成合成气。目前已在日本三井矿山焦化厂的焦炉间台进行三孔炉实验。其特点是不使用催化剂，不用对现有焦炉进行较大改造。,50,3.3.3荒煤气带出热用于加热和制冷将焦化厂初冷器第一段65高温冷却水用于采暖，已经普遍应用，高温冷却水热量实际就是荒煤气带出热的一部分。最近，中冶焦耐在设计焦炉煤气真空碳酸钾法脱硫时，将再生塔底部分脱硫贫液抽出，送至初冷器上段与荒煤气间接换热。换热后脱硫贫液通过再生塔底部闪蒸装置，产生蒸汽，作为脱硫液再生热源，节能效果显著。对于一个年产200万吨焦炭焦化厂，年节约低压蒸汽26万吨，相当于回收利用了25%荒煤气带出热。此技术已在焦化工程中推广。,51,来自脱硫再生塔底的部分脱硫贫液,蒸汽,脱硫液再生热源,22焦炉煤气去电扑焦油器,来自焦炉荒煤气,初冷器,闪蒸,一段,二段,三段,荒煤气带出热用于再生脱硫液,加热后脱硫贫液,52,最近，我国江苏双良集团开发出一种热水制冷机，可利用初冷器第一段65高温冷却水制取16的低温水，就近用于焦化厂初冷器第三段的低温冷却。以年产120万吨焦炭焦化厂为例，如果取初冷器第一段高温冷却水温度为68/58,则可取出750t/h热水，可以实现320万kcal/h的制冷量。虽然热水制冷的成本大约是常规蒸汽制冷的一倍，但其投资回收期基本上在2.5年以内。焦化厂初冷器第一段高温冷却水，冬天用于采暖，夏天用于制冷，使荒煤气带出热得到较好利用。,53,22焦炉煤气去电扑焦油器,来自焦炉8082荒煤气,初冷器,一段,二段,三段,58循环冷却水,68循环冷却水,热水制冷机,16制冷水,23冷却水,荒煤气带出热用于制冷,54,4.焦炉煤气的资源化利用COG含有5459H2和2428CH4，只有在万不得已的情况下，才用作燃料和发电，因为比较而言，直接燃烧和发电的效益最差。应大力提倡将COG燃料化利用改为资源化利用，高质量地利用COG不仅有利于降低钢铁企业单位产品的能源消耗和排放负荷，甚至能开发出大量最清洁能源氢气,从而引发钢铁制造流程能量流新的供-需平衡关系，甚至会引发整个社会新的供-需关系，体现出对可持续发展社会的“多样化支持”，由此可产生巨大的经济效益和社会效益。,55,4.1焦炉煤气制甲醇COG中含有50%以上氢，只需将COG中CH4转化成一定比例的CO和H2，即可满足合成甲醇的比例要求。但COG进行蒸汽转化后，H/C比较高，驰放气量大，H2没有得到充分利用。如果用钢铁企业含有丰富CO和CO2的高炉煤气或转炉煤气进行补碳，则可形成最佳气源。资料表明，一般20002200m3COG生产1t甲醇，相当于独立焦化厂（其生产的COG约50%用于本厂焦炉加热）每生产810万t焦炭的剩余COG可生产1万t甲醇。一个年产200万t焦炭独立焦化厂，不补碳，其剩余煤气可生产20万t甲醇；如果进行合适的补碳，则至少可生产27万t，提高产能35%。,56,用COG制甲醇的生产成本低于用天然气、用烟煤或者用无烟煤为原料制甲醇的生产成本，具有较强竞争力，是资源化利用COG有效途径之一。目前我国COG制甲醇年产能已达312万吨。四川达钢利用本厂COG和转炉煤气，建成投产了10万吨/年甲醇和20万吨/年二甲醚装置，高质量利用了COG和转炉煤气。,57,4.2焦炉煤气变压吸附制氢COG含有丰富氢和CH4是优质制氢原料气，只需按照焦化厂现有煤气净化工艺，去除有害杂质，即可通过变压吸附（PSA）技术提取出高纯度（99.99）氢。1m3COG约可制取0.44m3氢。COG分离出氢后，剩余气体中CH4含量提高1倍多，煤气热值提高20%以上，使用价值更高。因此，COG制氢有可能成为大规模、高效、低成本生产氢的有效途径，促进钢铁企业的环境改善和向工业生态化转型。2008年我国生产焦炭而副产COG中的氢资源量为600亿m3，约600万吨，采用重整技术可以得到更多的氢。我国钢铁企业和独立焦化厂大多位于大中城市附近，将来可很方便地向城市输送清洁能源氢气。,58,目前国内外钢铁企业COG最常见利用方式是作气体燃料燃料化利用，即首先满足钢铁制造流程对气体燃料的需求，剩余煤气再用来发电。新一代钢铁企业应当将COG由燃料化利用提升为资源化利用，即钢铁企业焦化厂生产的COG先全部通过PSA装置制氢，提取氢气后的高热值解吸气再返回钢铁制造流程，用作燃料或发电。对于年产约900万吨粗钢的新一代钢铁企业,采用资源化利用新流程，每年至少生产氢约6.7亿m3/a，扣除钢厂内部使用氢约844万m3/a，至少可外供氢6.6亿m3/a（约66000t/a）。COG变压吸附制氢已成功应用于苯加氢、生产过氧化氢（H2O2）、作轧钢厂保护性气体和生产尼龙66盐等。,59,4.3焦炉煤气直接还原制海绵铁传统炼铁工艺完全依靠碳为还原剂，随着炼焦煤和焦炭资源的日益短缺，人们正在开发资源节约、环境友好的氢冶金。由于氢还原潜能是CO的14倍，大力开发COG直接