焦化爐廢氣余熱回收利用的技術研究

李少強

（潞安化工集團焦化有限責任公司，山西 長治 046000）

0 引言

焦化工業是重要的能源和化工基礎工業之一，但同時也是環境污染的重要源頭之一。在焦化過程中，廢氣和余熱是不可避免的產生物。廢氣中含有大量的二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等有害物質，直接排放會對環境造成污染。而廢氣中的余熱是一種可再生的能源，如果不能有效地回收利用，不僅浪費能源，還會對環境造成一定的負面影響[1-2]。因此，焦化爐廢氣余熱回收利用技術的研究具有重要的理論和實踐意義。

1 焦化爐廢氣余熱的來源

焦化爐廢氣的主要組成物質包括煙塵、有機物、一氧化碳、二氧化碳、氮氣、一氧化氮、二氧化硫等。其中，煙塵是焦化爐廢氣中的主要污染物之一，其含量較高，會對環境和人體健康造成極大的危害。焦化爐廢氣中的熱能主要來自于焦化爐煤氣和煉焦炭的燃燒。煤氣中的熱能主要來自于燃燒產生的高溫煙氣，而煉焦炭則通過熱傳導將熱能傳遞給焦化爐底部的煤氣，從而將其升溫[3]。由于焦化爐廢氣的溫度一般在700～1 100 ℃之間，熱能非常豐富，如果不能充分利用，將會浪費大量的能源資源[4]。因此，焦化爐廢氣余熱的回收利用具有非常重要的意義。通過對焦化爐廢氣中的熱能進行回收和利用，可以提高能源利用效率，減少對環境的污染和破壞，降低企業的生產成本，同時也能促進清潔生產和可持續發展。

2 焦化爐廢氣余熱的產生特點

2.1 高溫高壓

焦化爐廢氣余熱的產生特點主要包括高溫高壓、成分復雜和穩定性差。其中，高溫高壓是焦化爐廢氣余熱最顯著的特點之一。焦化爐廢氣的溫度一般在700～1 100 ℃之間，而且氣流速度較大，壓力較高[5]。這主要是因為焦化爐內的焦炭在高溫下熱解產生的煙氣被帶出爐外，同時爐內還需要用高壓空氣進行燃燒，產生的氣體也被排放到大氣中。這些高溫高壓的氣體具有很大的能量潛力，但同時也帶來了利用難度和安全風險等問題。

2.2 成分復雜

焦化爐廢氣的成分非常復雜，含有大量的煙塵、有機物、一氧化碳、二氧化碳、氮氣、一氧化氮、二氧化硫等物質。其中，煙塵是指直徑小于10 μm 的固體顆粒物，會對人體健康造成危害，例如在空氣中懸浮時間過長，容易進入肺部造成呼吸道疾病。有機物則包括苯、甲苯、二甲苯等多種化學物質，對人體也有一定的危害性，例如長期暴露會引起頭痛、惡心、嘔吐、肝臟損傷等癥狀。此外，一氧化碳是一種無色、無味、有毒的氣體，吸入過量會引起中毒甚至死亡；二氧化硫和一氧化氮則是造成酸雨的主要元兇之一，對環境造成嚴重危害。

2.3 穩定性差

焦化爐廢氣的排放濃度和組成在很大程度上取決于焦爐的操作和管理水平。焦化爐在不同的操作狀態下，廢氣的組成和排放濃度可能會發生較大的變化，這就給焦化爐廢氣余熱的回收利用帶來了一定的挑戰。此外，焦化爐的停產、維修等情況也會對廢氣的排放產生影響，從而影響廢氣余熱的回收利用效果。例如，在焦化爐的操作和管理上加強監管和控制，提高焦化爐的運行穩定性，減少廢氣排放的波動性；在設備設計和維護上優化焦化爐和余熱回收設備的結構和性能，提高其耐用性和可靠性，確保余熱回收設備的長期運行穩定性。

2.4 利用難度大

由于焦化爐廢氣的復雜成分、高溫高壓和穩定性差等特點，其余熱回收利用存在一定的難度。焦化爐廢氣中含有多種有害物質，需要進行有效的處理，以確?；厥绽煤蟛粚Νh境和人體造成危害。同時，焦化爐廢氣的溫度和壓力也需要通過相應的技術手段進行調節和轉換，以便更好地利用余熱。

3 現有的焦化爐廢氣余熱回收技術

3.1 傳統余熱回收技術

3.1.1 煙氣余熱鍋爐

煙氣余熱鍋爐是目前廣泛應用的焦化爐廢氣余熱回收技術之一。其原理是通過將煙氣在鍋爐內進行換熱，將煙氣中的余熱轉化為蒸汽或熱水，用于工業生產或供暖。這種技術的優點是成熟、穩定、易于操作，能夠有效地回收焦化爐廢氣中的余熱。但其缺點也十分明顯，煙氣中的灰塵、硫酸等物質會對換熱管產生腐蝕，導致設備壽命縮短，而且在煙氣進入鍋爐之前需要進行除塵處理，增加了成本。

3.1.2 深冷制氫

深冷制氫是利用焦化爐廢氣余熱制取高純度氫氣的技術。這種技術的原理是將焦化爐廢氣先經過除塵、除酸處理，再進行脫硫、脫氮等前處理，然后將凈化后的煙氣通過壓縮機增壓，進入冷卻器進行冷卻，使水蒸氣和氧氣凝結出來，通過分離器分離出氫氣和氮氣，最后得到高純度的氫氣。這種技術的優點是可回收廢氣中大部分能量，并生產高純度的氫氣，適用于工業用途。但其缺點是設備投資和運營成本高，且氫氣產量受制于焦化爐廢氣產量和質量，對應用范圍有限制。

3.2 新型余熱回收技術

3.2.1 傳熱管束技術

傳熱管束技術是一種通過在廢氣流道內放置傳熱管束進行余熱回收的技術。在焦化爐廢氣流道中安裝傳熱管束，將廢氣中的余熱通過傳熱管束傳遞給工作介質，如水、汽等，實現廢氣余熱的回收利用。與傳統的余熱回收技術相比，傳熱管束技術具有節能效果好的優點。通過傳熱管束技術，可以將焦化爐廢氣中的余熱高效地回收，將熱能轉化為實用能源，從而提高能源利用效率，占地面積小，操作維護方便。傳熱管束技術采用的是對流傳熱方式，不需要使用化學藥劑和填料等，操作和維護相對簡單。但傳熱管束技術也存在一些問題，如管束易受到高溫高壓氣體的腐蝕，需要采取相應的防護措施。

3.2.2 濕式煙氣處理技術

濕式煙氣處理技術是指通過向煙氣中噴灑一定量的水或其他液體，將煙氣中的顆粒物和有害氣體降低到一定程度的技術。這種技術在余熱回收領域中也得到了廣泛應用。濕式煙氣處理技術的主要原理是通過水與煙氣中的污染物接觸，將污染物溶解、吸附或沉淀到水中，從而達到凈化煙氣的目的。該技術主要適用于高濃度、高溫、高濕的廢氣，比如爐頂煙氣、爐塵、脫硫煙氣等。

與傳統的干式煙氣凈化相比，濕式煙氣處理技術具有以下優點：

1）降低煙氣溫度：通過向煙氣中加水，可以降低煙氣溫度，減輕了煙氣對設備的腐蝕和熱損失。

2）凈化效率高：濕式煙氣處理技術可以有效地去除煙氣中的顆粒物和有害氣體，其凈化效率可以達到90%以上。

3）應用廣泛：濕式煙氣處理技術適用于不同的煙氣來源，比如焦化爐、燃煤發電廠、鋼鐵廠等。

濕式煙氣處理技術的缺點主要包括以下幾個方面：液體噴霧系統的維護和操作成本較高。煙氣處理后，排放的水可能帶有污染物，需要進行處理。煙氣處理后，濕度較大，對后續工藝設備有一定的影響。據研究表明，將濕式煙氣處理技術應用于焦化爐廢氣余熱回收中，可以將余熱利用率提高10%以上，有效降低企業的能耗和排放量。

4 焦化爐廢氣余熱回收的用途

4.1 余熱發電

焦化爐廢氣余熱回收的一個重要用途是進行余熱發電。余熱發電是利用余熱來驅動蒸汽渦輪發電機，將廢熱轉化為電能，從而提高能源利用效率。

在焦化爐中，高溫高壓的廢氣中攜帶著大量的能量，這些能量如果得不到有效利用就會白白浪費，而余熱發電技術可以將這些廢氣中的能量回收利用。優點在于能夠將廢熱轉化為電能，從而減少了對傳統能源的依賴，同時也能夠降低工業生產中的能源消耗和排放，達到環保和節能的目的。此外，余熱發電技術還具有一定的經濟效益，可以為企業帶來一定的經濟收益，降低生產成本。以中國某焦化廠為例，該廠利用焦化爐廢氣余熱進行發電，每年可發電量達到3 000 萬kW·h，相當于減少二氧化碳排放36 000 t，減少二氧化硫排放380 t，減少粉塵排放29.5 t，同時可以為企業帶來800 萬元的經濟收益。

4.2 高壓蒸汽

焦化爐廢氣中的余熱不僅可以用于發電，還可以通過余熱鍋爐回收產生高壓蒸汽，用于煉油廠、化工廠等場所的加熱和生產過程中的蒸汽需求。這種利用方式被廣泛應用于各種工業生產領域，包括化工、冶金、造紙、食品等行業。由于焦化爐廢氣中的余熱溫度高，且具有較大的熱量傳遞面積，因此余熱鍋爐的效率較高，可以達到80%以上，節約能源、降低生產成本的效果明顯。除了節能減排和降低成本的效益外，利用焦化爐廢氣余熱回收產生的蒸汽還具有環保效益。采用余熱鍋爐技術回收焦化爐廢氣余熱，可以減少溫室氣體和有害氣體的排放，降低對環境的影響。

4.3 供熱供暖

空調和供暖設備的能耗占據了工業、商業和家庭的重要部分，因此節約能源是非常重要的。使用余熱回收裝置來提供供暖服務，可以減少空調和供暖設備的能耗，并降低相關的運營成本。同時，這種方法還可以減少焦化爐廢氣排放所產生的溫室氣體，從而降低對環境的影響。與傳統的供暖方式相比，利用余熱進行空調供暖具有多個優點。這種方法可以減少能源的消耗，從而節約了成本；同時由于煙氣中的熱量被有效回收，空氣質量得到了提高；還可以降低溫室氣體排放量，從而保護環境。

5 焦化爐廢氣余熱的利用存在的問題

5.1 利用效率不高

雖然焦化爐廢氣中攜帶著大量的余熱，但其利用難度較大，目前仍存在著利用效率不高的問題。其中一個主要的原因是焦化爐廢氣的復雜成分和不穩定性。這使得對焦化爐廢氣進行處理和利用過程更加困難。煙氣余熱鍋爐是傳統的焦化爐廢氣余熱回收技術之一，可以利用焦化爐廢氣余熱產生蒸汽，用于煉油廠、化工廠等場所的加熱和生產過程中的蒸汽需求。然而，煙氣余熱鍋爐的利用效率一般只有50%左右，不能充分發揮余熱的潛力。其原因在于煙氣余熱鍋爐存在一些設計和操作上的缺陷，例如過熱器、再熱器的設計不合理、熱量回收率低等。此外，焦化爐廢氣中攜帶的灰塵和有害物質也會對鍋爐的運行造成一定的影響，導致鍋爐的壽命縮短，增加維修成本。

5.2 技術不成熟

雖然焦化爐廢氣余熱回收技術已經有了多種實用的方法，但其技術仍然存在不成熟的問題。其中一個主要問題是技術不成熟。具體來說，雖然新型余熱回收技術能夠提高能源利用效率和經濟效益，但這些技術仍處于研發和實驗階段，其應用范圍和效果還需要進一步的驗證和探究。此外，這些技術需要在現有生產設備中進行改造和升級，對于技術實現和經濟投入等方面都存在一定的挑戰。另外一個主要問題是能耗過高，回收過程中需要消耗大量的能量。這種能量的消耗可能會導致對環境和經濟產生負面影響，需要通過進一步的技術優化和調整來降低能耗。

5.3 經濟性不高

除了技術不成熟，焦化爐廢氣余熱回收還存在經濟性不高的問題。一方面，余熱回收設備的投資成本較高，設備維護、清洗等運營成本也不低，需要較長的回收周期才能收回成本。另一方面，焦化爐廢氣中的余熱能量密度不高，需要經過多級換熱才能夠得到可利用的高品質余熱，這也增加了設備成本和運營成本。

5.4 安全隱患

由于焦化爐廢氣的溫度和壓力較高，對于設備的安全性要求較高，如果設備設計不合理或者運營不當，可能會存在安全隱患。首先，余熱回收裝置需要承受來自焦化爐的高溫高壓煙氣，如果設計不合理或材料不符合要求，就有可能出現設備失效、泄漏等情況，引發安全事故。例如，一些焦化廠在余熱回收裝置的設計和使用過程中，沒有考慮到熱膨脹的問題，導致設備變形、爆炸等事故頻發。其次，焦化爐廢氣中可能含有硫化氫、氰化物、苯等有毒有害氣體，如果處理不當就可能會對人員健康造成威脅。

6 結語

本文就焦化爐廢氣余熱回收利用技術進行了探討和分析，總結出了該技術的優點和存在的局限性。雖然傳統技術存在經濟性不高、技術不成熟、安全隱患等問題，但通過新型技術的不斷發展和創新，可以實現多元化的技術應用，提高技術成熟度和回收效率，并加強政策引導和行業間的合作。這些舉措有助于進一步推動焦化爐廢氣余熱回收技術的發展和應用，降低能源消耗、減少環境污染和實現可持續發展。因此，建議政府、企業和科研機構加強合作，不斷推進相關技術的研究和應用，實現經濟效益和環保效益的雙贏。