焦爐煙氣余熱回收技術及應用

鄭 雯

煤炭資源是我國重要的礦業資源，十分珍貴且不可再生，在焦化廠的實際生產過程中，煤炭在焦爐中燃燒的同時會向大氣中不斷持續排放300℃以上的焦爐煙氣，不但造成了大量的熱量資源浪費，而且在焦爐煙氣中混雜著的大量污染物會對環境造成污染，影響“綠水青山就是金山銀山”環保理念在實際生產中的貫徹落實。在如今低碳環保理念的不斷貫徹落實下，國家和政府提出了更為嚴苛的要求，對我國焦化行業實際生產造成了嚴重的影響，所以如何做好節能減排成為檢驗焦化企業實際生產發展是否具備環保理念的重要指標之一。當下科技水平迅猛發展，焦化行業中不斷涌現出更多的新興技術，例如近年來的熱管技術在焦化實際生產中應用，進一步推動了焦化行業的煙氣余熱回收進程。如何正確將煙氣中的余熱進行回收，對于有效節省煤炭資源、降低熱污染、保護生態環境都有著重要意義。

1 焦爐煙氣余熱資源相關概述

焦爐煙氣余熱資源是焦化廠實際生產過程中所排放出的煙氣中的高溫熱源，由于是實際生產過程之外的熱量排放，所以屬于余熱資源。隨著我國推行的環保政策和節能減排理念的落實，對于焦爐煙氣余熱回收和煙氣排放污染處理也受到更高的重視。焦爐煙氣是焦爐燃燒過程中產生的氣體，煙氣余熱資源的有效回收可以解決資源浪費現象，例如在一個焦化廠每年生產3 億噸焦炭，在生產焦炭的過程中焦爐廢氣溫度會一直在250℃上下徘徊，熱量流失嚴重，因此對其煙氣的余熱回收具有重大意義，在實際進行的焦炭生產過程中，雖然一般來看大部分的焦化廠在設計初期都會考慮到廢氣余熱的回收和利用，但為了更好的保障實際生產效率，在實際生產的過程中往往總煙道排出的焦爐煙氣的溫度會長期超過350℃，進而導致能源的大量浪費，并且伴隨著未被處理的廢氣大量排放，對當地的實際生態環境也會帶來一定程度的破壞。所以對焦爐煙氣余熱資源進行回收利用，并對煙氣中的有害氣體進行處理，除有效做到節能減排、降低資源損耗外，還會獲得額外收益。在煙氣余熱回收裝置的實際運行過程中，技術人員通過在煙氣余熱回收裝置安裝前，構建煙氣溫度與時間之間的關系式，并參考關系式中非穩態的分布特性，制定以此為基礎的針對性策略，進而開發出具有長期穩定性的熱源和調配余熱回收裝置，并從生產實際中參考到實際余熱回收要求對相關設備的參數做到及時調整，該方案對于有效助推焦化廠實際生產具有重要作用。

2 焦爐煙氣余熱回收技術相關分析

2.1 焦化廠余熱回收技術應用背景

焦化廠的實際工作是將煤炭進行加工，煉制成焦炭等更為廣泛使用的資源，焦炭是冶煉鋼鐵時不可缺少的必需品。焦爐煙氣是指焦爐中煤氣燃燒后產生的廢氣等，由于廢煙氣會帶走大量的熱能資源，所以焦爐在實際生產過程中的熱效率一般都在60%左右，因此做好焦化廠的煙氣余熱回收對于幫助企業提高收益有非常重要的意義。而從大氣污染的角度進行分析，煙氣中主要污染物成分為硫、氮的氧化物等，2012年6月國家相關部門頒布的GB16171-2012《煉焦化學工業污染物排放標準》中明確規定了焦化行業的大氣污染物排放標準，其中關于SO2和NOx排放限值方面有著更為嚴苛的要求，伴隨著近年來國人的整體環保意識不斷提高，國家也出臺了相應大量環保政策，對于SO2和NOx等大氣污染物在焦化廠實際生產過程中的排放提出了更高要求。

焦爐煙氣余熱回收技術廣泛應用于現階段我國的焦化廠生產過程中，對有效保障焦化廠實際收益起重要作用，是焦化廠有效節約生產資源，提高收益的有效措施，例如在以下實際生產過程中：現有某焦化廠年產100 萬噸焦炭，未進行煙氣余熱回收改造之前，其煙囪實際排出廢煙氣的溫度在300℃上下，煙氣余熱浪費所產生的資源損耗量已經占到了實際焦爐總能耗的25%以上，且在煙氣進行排放的實際過程中缺乏合格的尾氣處理裝置，導致在進行煙氣排放的過程中其中的二氧化硫和氮氧化物含量嚴重超標，難以符合國家的相關規定要求，所以為有效保障其煙氣排放符合國家的要求，并在一定程度上降低焦化廠的實際能源損耗，一套能夠有效進行煙氣余熱回收和節能減排的裝置對于解決現狀起重要作用。

2.2 煙氣余熱回收一體化技術概述

現階段較為廣泛使用的焦爐煙氣余熱回收的技術為將焦爐煙氣先通過脫硝裝置進行煙氣脫硝，再將煙氣通過氣汽換熱器進行余熱回收，然后經過增壓風機將煙氣進行增壓處理，增壓后的煙氣進入濕法脫硫裝置進行脫硫，最后將處理好的煙氣向大氣進行排放。這類技術可以有效解決目前焦化廠在實際生產過程中所造成的余熱浪費和環境污染現象，在煙氣進行換熱過程中可以對煙氣中的余熱做到有效的回收，這部分回收的熱量可以反過來促進焦化廠生產或者應用于冶鐵煉鋼過程，可以有效降低生產資源的整體消耗。

2.3 煙氣余熱回收系統的技術特點

在余熱回收和尾氣處理系統的支撐下，熱煙氣的冷卻與水氣液態的轉化均在熱管外部進行，相較于傳統模式的煙氣余熱回收更為強化了傳熱效率和換熱效率，并且真正做到了熱煙氣系統與汽水系統之間的獨立，有效保障了系統在實際使用過程中的安全性。除此之外，整個余熱回收系統在技術上還具有以下幾類特點：

（1）通過對焦化廠煙氣特征參數進行研究，發現有效利用焦爐煙氣余熱的方法有以下幾種：一是利用煙氣的熱量用來產生熱飽和蒸汽，將煙道內的煙氣經過氣汽換熱器進行有效降溫后，用其溫度制成飽和蒸汽，雖然這類方式的余熱利用率較低，但由于其設備的安裝，維修和處理的要求較低，適用于總生產量較低的中小型焦化廠。二是通過煤炭原料與焦爐煙道進行直接接觸而產生熱量的交換，從而對煉焦煤的濕度進行合適的調整，此類方法有著遠超其他方式的余熱利用率，但是對于除塵器的整體要求和后期維護要求較高，適用于總產量較高的大型焦化廠。三是煤氣發電，由于在實際進行的焦爐生產過程中焦爐的煙道廢氣存在著溫度高低不定，波動幅度較大的情況，所以將剩余的煤氣提供煙氣，進而提高蒸汽參數進行發電，該技術在一定程度上可以有效對實際生產過程中的低壓飽和蒸汽的利用問題進行解決，但相較于其他兩種方式，其經濟適用性還有待提高。而對實際焦化廠進行的熱飽和蒸汽法進行煙氣余熱回收的基本流程進行分析可知，其整體煙氣余熱回收系統主要有軟化水設備、水箱、軟水泵、除氧器、中溫熱管蒸汽發生器、鍋爐給水泵、低溫熱管蒸汽發生器、省煤器、控制儀表、鍋爐引風機及部分管道等組成。而在實際進行的工業生產過程中，所需要使用的軟化水會借由軟水泵輸送到除氧器中進行操作，除氧水的一部分會經過水泵輸送到省煤器中進行預熱，而后進到汽包。經過處理的水會經由下降管流入中溫的熱管蒸汽發生器，吸收熱量后會轉變為飽和水，然后再經過上升管進入汽包，進行水汽分離，最終產生0.4MPa 的飽和蒸汽進入蒸汽母管。該方法的使用需要先在地下的煙道頂部進行開孔處理，進而將高溫的煙氣從地下引出，經過余熱鍋爐進行熱量回收之后將低溫的煙氣再通過引風機送回到煙囪內部，進而向大氣進行排放。以上幾種方法是業內現階段較為廣泛使用的幾種煙氣余熱回收方式，每種方式都具有著不同的特點和較為適用的環境，有效推動了我國焦化廠焦爐煙氣余熱回收進程。

（2）SO2和NOx的減排技術可從燃燒前的準備、燃燒中的溫度控制和燃燒后尾氣處理三個方面入手，煙氣脫硫脫硝技術從整體上來看屬于燃燒后的減排技術。目前科技水平有限，缺乏能有效進行煙氣脫硫脫硝的技術，所以企業通常會分別建立脫硫與脫硝裝置。焦爐煙氣余熱回收技術目前大多采用熱管式鍋爐，利用焦爐加熱燃燒后的煙道廢氣進行換熱，回收煙氣中40%以上的余熱，并用于焦爐生產過程中的加熱工段等。不但可以降低焦爐工藝的能源消耗，而且還可以明顯減少硫化物、氮氧化物的排放量。而在脫硝工藝中主要使用到的催化劑是TiO2和V2O5,在實際進行的脫硝反應過程中屬于傳統的選擇性催化還原法，在實際生產中進行脫硝反應時，由于溫度影響，會將一部分的SO2轉化成SO3，并且在適合的溫度范圍內，被轉化成的SO3與上述反應過程中的NH3會發生反應生成較為粘稠的固化物，該固化物會在催化劑上附著，嚴重影響反應進程。所以為有效保障實際生產中的尾氣處理效率，必須要在脫硝之前對焦化煙氣進行嚴格的除硫處理，防止生產中的實際脫硝效率受到影響。在脫硫處理中，由于煙氣中的水蒸氣含量較大，如若是采用常規的濕法進行脫硫處理，就會導致在脫硫處理的過程中產生大量的酸性液體，處理難度于無形中增大。為了保障尾氣處理效率，業界目前所采用的多為半干法脫硫，由于其反應會令煙氣的溫度保持到50℃上下，所以從實際進行分析，用Ca（OH）2進行的干脫硫技術最為環保，能同時做到了脫硫和余熱回收，并且經過對脫硫脫硝以及余熱回收整體流程的不斷探索，發現用Ca（OH）2進行脫硫，其脫硫效率可以達到九成以上，并且其脫硫后的產物還可以用來進行醫療石膏的制作，此類脫硫方法在實際焦爐煙氣余熱回收中應用不但可以有效解決對于SO2和NOx等大氣污染物有效處理，還在一定程度上拓展了我國焦化廠的實際收益，對于有效促進我國焦化廠實際發展具有較為重要的意義。

（3）熱管技術的應用有效提高了焦化廠的煙氣余熱回收效率，熱管是煙氣余熱回收裝置中最為核心的構件，其導熱性能與電學中的超導體類似，傳熱效率極高，導熱能力極強。根據筆者對現階段實際進行的熱管余熱回收裝置進行分析，不難了解到其主要由熱管原件通過一定的空間結構而組成，余熱回收系統的基本結構包括熱管蒸發器和熱管省煤器，在實際進行的生產過程中，煙氣首先通過蒸發器，而后經過省煤器。熱管能令氣-水轉化系統與熱源系統進行分離，使得熱流煙氣避免了直接與氣—水轉化系統進行接觸，對于有效保護氣—水轉化系統具有重要意義，并且該技術可以有效應用在實際的鋼鐵廠冶鋼冶鐵工作過程中，有效幫助鋼鐵廠進行節能減排，提高能源利用率。

（4）焦爐煙氣在通過了煙氣余熱回收裝置后可以直接向大氣中進行排放，但在實際生產的過程中，由于避免由于煙氣余熱回收設備可能出現的問題，所以必須要令原有的煙囪一直處于備用狀態，這樣就可以有效解決由于煙氣余熱回收裝置出現問題后的煙氣排放問題，煙道廢氣可以直接從原煙囪進行排放，為煙氣余熱回收裝置的維修提供了便利。生產中必須保障實際通過余熱回收裝置的煙氣必須要比煙氣的露點溫度高，以此來有效避免由于溫度較低導致的結露現象對煙囪內部結構造成破壞，所以必須在實際生產過程中確保原煙囪的熱備用狀態。

3 焦爐煙氣余熱回收的實際效益分析

通過探索焦爐煙氣余熱回收裝置的合理性，我們了解到積極采用高性能熱管技術對焦爐煙氣余熱進行回收，可以有效的將煙氣余熱中的能量進行回收利用，該系統將高性能熱管技術運用的淋漓盡致，并且將余熱回收裝置的系統完善到了一個非常高的層次，達到了對于煙氣余熱資源的最大化回收利用。綜合實際情況來看，有效使用焦爐煙氣余熱回收可以幫助煤炭焦化企業增產增收，提高企業在實際發展中的核心競爭力，同時由于現階段煤炭資源使用情況日趨緊張，對焦爐煙氣余熱進行回收和利用可以從實際上有效減少能源浪費現象，同時還可以將煙氣余熱回收過程中加熱水所產生蒸汽反供給化工生產加工工序使用，有效做到了能源節約，并且在余熱回收體系的不斷應用過程中，不但能夠有效降低生產運行成本，還能夠在很大程度上為企業帶來可觀的經濟效益，所以焦爐煙氣余熱回收勢在必行。目前的焦爐煙氣余熱回收的實際應用方向主要有以下兩方面：一是用于鋼鐵廠煉鋼煉鐵工序，由于煉鋼煉鐵過程中需要大量的熱量，保障實際產量需要大量的熱量提供，而焦爐煙氣直接排放溫度極高，其中有大量的余熱可以回收，故在實際進行的鋼鐵廠煉鋼煉鐵過程中余熱回收具有重要意義，將焦爐煙氣余熱回收技術正確應用于煉鋼煉鐵工序實際中，不但會有效幫助煉鋼企業減少實際生產過程中所必須的能源損耗，還會有效幫助企業間接提高經濟收益，有效幫助煉鋼企業實際發展。二是應用于焦化廠實際生產，焦化企業的工作是進行煤炭焦化生產，與鋼鐵廠煉鋼煉鐵相似，在實際生產的過程中需要較為充裕的供熱，故回收煙氣余熱對于有效幫助焦化廠減少實際消耗起重要作用。例如在進行實際的焦化煙氣余熱回收過程中：設某一焦化廠實際生產過程中煙氣溫度保持在300℃上下，通過煙氣余熱回收系統有效將溫度降低到200℃，在此過程中如果不考慮到能量傳遞過程中的損耗，則每年這部分所回收的能源所造成的實際收益就十分可觀，有效推動我國焦化廠焦爐煙氣余熱回收進程，對于推進我國社會主義現代化可持續發展起重要意義。

4 結語

焦化行業是依據不可再生的煤炭為生產資源，未來的發展空間勢必會受到資源的限制，并且由于這類不可再生資源在消耗的過程中會對我國的生態環境產生破壞，所以有效實行節能減排十分必要，但從企業生產實際來看，這類節能減排政策的實施會在一定程度上影響企業生產，故更為先進的節能減排和廢棄煙氣回收技術在實際生產中起重要作用。通過對余熱回收一體化流程進行實際應用，使得某焦化廠焦爐煙道氣主要污染物SO2濃度降低到30mg/m3，脫硫率到達90%；NOX濃度降低到150mg/m3，脫氮率到達85%，幫助相關企業的焦化廠在進行煙氣處理后真正達到了GB16171-2012 中的具體要求和規定，同時將排煙溫度降低到175℃以下，產生蒸汽13t/h，在有效保障了回收余熱的利用率的同時還對國家所要求的相關大氣廢氣污染物進行了有效的解決。而我國相關企業工作者不斷探索和研究焦化廠煙氣余熱回收技術，不但可以有效降低焦化企業的實際生產成本的同時拓展收益，還可以有效幫助提高企業核心競爭力，還是有效貫徹“綠水青山就是金山銀山”理念的舉措之一，在一定程度上降低煤炭使用過程中對于環境所產生的影響，有效落實節能減排和社會主義現代化建設對于焦化廠的實際要求，對于促進我國焦化行業可持續發展和推動我國社會主義現代化建設具有重要意義。