焦化工艺中荒煤气余热回收系统设计研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.03MB 65 页 15积分

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摘要

炼焦工业既是重要的能源生产部门，又是耗能大户，在我国国民经济发展中具

有重要位置。但目前焦化工业生产经营方式粗犷，能源利用效率低，余热资源丰

富但未得到有效回收利用。因此，降低炼焦能耗和提高炼焦余热的有效利用不仅

是企业自身发展生存的需要，而且对促进国民经济发展有着重要意义。

从焦炉炭化室经上升管逸出的荒煤气温度在 650～700℃，就焦炉产物带出热

而言，荒煤气显热占 36%。为了冷却高温荒煤气，现阶段企业普遍的采用的方法是

喷洒大量 70～75℃的循环氨水，高温荒煤气显热因循环氨水的大量蒸发而浪费。

对荒煤气显热进行回收利用是焦化厂节能降耗、提高经济效益的重要手段之一。

由于荒煤气是从焦炉中直接逸出而未经处理的气体，其中含有的焦油蒸汽、粗苯

等重质成份较多，给荒煤气余热回收带来了很大的困难。虽然现阶段已有各种荒

煤气余热回收的技术、方法，但因其回收效率低、浪费严重、安全性差等问题，

而未能得到有效的推广应用。

本文首先介绍了近年来国内、外荒煤气余热回收利用技术的发展水平，分析了

国内外荒煤气余热回收技术的优缺点，提出了利用焦炉上升管换热器来回收荒煤

气余热应该遵循的原则与方式，即在不影响焦炉安全生产的前提下，上升管换热

器必须布置紧凑、结构简单、操作方便、换热效率高、能够较好的防止荒煤气中

焦油蒸汽结焦现象的发生。针对焦油蒸汽结焦问题，本文从荒煤气生成、性质及

影响其组成因素方面作了一定的分析，给出了具体的荒煤气焦油蒸汽结焦的防治

措施。

在研究荒煤气的焦油蒸汽结焦的机理分析的基础上，本文在上升管换热器结构

形式的选择，分别对光管、膜式、螺旋夹套式这三种上升管换热器做了热平衡理

论计算，通过计算结果分析比较，最终采用螺旋夹套式上升管换热器作为荒煤气

余热回收装置，选用氮气作为换热工质。热平衡分析表明：采用螺旋夹套式上升

管换热装置，通过对其结构进行合理的设计布置，能回收 450℃～650℃这一温度

段的荒煤气余热，理论上可以将氮气温度加热到 500℃，换热效果良好。最后，本

文针对焦化厂现有的余热利用条件，提出了多种荒煤气余热回收利用的系统方案，

使荒煤气余热利用率达到最高。

关键词：荒煤气焦油结焦上升管换热器余热回收

ABSTRACT

Coking industry, which have an important position in China's national economic

development, is both an important energy production, and energy consumption is large.

But nowadays coking industry production management way is intensive, efficiency of

energy utilization is low, waste heat resources are rich but not been effectively

recovered. Therefore, reduce the energy consumption and improve the effective use of

coking waste heat is not only the need of enterprise development and survival, but also

have the vital significance to promote the national economy development.

The coke-oven gas come from the ascension pip of coke oven chamber, its

temperature is in 650~700 , ℃to coke oven production out heat, coke-oven gas heat

accounted for 36%. For high temperature raw gas, the present stage method is used by

enterprise to spray a large of ammonia which temperature is 70~75℃, high temperature

raw gas’s sensible heat is waste because of the spraying of cyclic ammonia water. It is

one of important way to save energy and improve economic efficiency by recovery the

sensible heat of coke-oven gas. While the coke-oven gas escapes from coke oven, it is

not purified, and containing much tar steam, coarse benzene heavy ingredients and other

impurity, which has brought great difficulties to the recovery of waste heat. Although at

present for all kinds of coke-oven gas recovery technology, because of the low

efficiency, serious waste recycling, failed to get effective application.

This paper first introduced home and abroad technology development level of

recovering heat from coke-oven gas in the recent years, the article analyses and

summarizes the advantages and disadvantages of recovery the sensible heat from

coke-oven gas, it also proposed the principle which is using heat exchanger- ascension

pipe to recovering heat of coke-oven gas. That is, on the premise of it has little affect on

coke oven production safety, the heat exchanger-ascension pipe must be decorated

compact, simple structure, convenient operation, high thermal efficiency, and can be

better prevent tar steam condensation-curing happen. To tar steam condensation-curing

problems, paper gives the protection method by the way of the coke-oven gas

generation, nature and the influence factors of composition.

Based on the study of the raw gas tar steam coking mechanism analysis, this paper

made the thermal equilibrium calculation on plain tube type, diaphragm type, helical

jacket shell type of heat exchanger-ascension pipe. Compare with the result, it chosen

the helical jacket shell type heat exchanger-ascension pipe as appliance of recovering

heat coke-oven gas, using nitrogen as working medium of heat exchanger. Thermal

equilibrium calculation has showed that put to use the appliance of helical jacket shell

type heat exchanger-ascension pipe, can heat nitrogen reach the temperature at 500℃, if

the heat exchanger was reasonable design to recycling the temperature of coke-oven gas

between 450 and 650 . Finally, paper based on the ℃℃ surplus heat utilization

conditions of coking plant, put forward some programs on heat utilization of coke-oven

gas, it tries to a highest heat utilization.

Keywords: coke-oven gas, coke tar, coking, heat exchanger- ascension

pipe, recovering waste heat

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论..................................................................................................................1

§1.1 课题背景及意义............................................................................................1

§1.2 国内外研究动态............................................................................................4

§1.2.1 国外荒煤气余热回收技术的发展概况..............................................4

§1.2.2 国内荒煤气余热回收技术的发展概况..............................................5

§1.3 本课题研究的主要内容................................................................................7

第二章炼焦工艺及荒煤气余热回收技术简介..........................................................8

§2.1 炼焦工艺........................................................................................................8

§2.1.1 炼焦余热利用简介..............................................................................9

§2.1.2 荒煤气冷却工艺................................................................................12

§2.2 上升管荒煤气余热回收技术......................................................................14

§2.2.1 上升管水汽化冷却技术....................................................................14

§2.2.2 导热油夹套技术................................................................................16

§2.2.3 热管回收荒煤气余热技术................................................................16

第三章荒煤气特性及其显热计算............................................................................18

§3.1 荒煤气的生成..............................................................................................18

§3.2 荒煤气组成..................................................................................................18

§3.3 荒煤气中焦油蒸汽结焦特性......................................................................19

§3.3.1 荒煤气中焦油蒸汽冷凝特性.............................................................19

§3.3.2 荒煤气中焦油蒸汽结焦特性............................................................20

§3.4 荒煤气中焦油蒸汽焦结机理及防止..........................................................23

§3.4.1 焦油蒸汽结焦机理与条件................................................................23

§3.4.2 荒煤气中焦油结焦防止措施............................................................23

§3.4.3 荒煤气冷却温度点的确定................................................................24

§3.5 荒煤气生成量及显热计算..........................................................................25

§3.5.1 荒煤气生成量计算............................................................................25

§3.5.2 荒煤气显热计算................................................................................26

第四章荒煤气余热回收方案设计............................................................................29

§4.1 上升管结构..................................................................................................29

§4.2 上升管换热器设计......................................................................................30

§4.2.1 上升管荒煤气余热回收换热器设计方案........................................30

§4.2.2 上升管换热装置冷却介质的选择....................................................33

§4.3 上升管换热器热平衡计算..........................................................................34

§4.3.1 换热器热平衡体系的建立................................................................34

§4.3.2 荒煤气参数的选择及计算................................................................34

§4.3.3 换热器热平衡计算............................................................................35

§4.4 上升管换热器计算结果比较分析..............................................................40

第五章焦炉荒煤气余热回收系统设计....................................................................44

§5.1 荒煤气余热回收试验系统设计..................................................................44

§5.1.1 试验装置............................................................................................44

§5.1.2 试验方法............................................................................................45

§5.1.3 试验测试内容....................................................................................45

§5.2 试验系统阻力计算......................................................................................46

§5.2.1 管道阻力计算....................................................................................46

§5.2.2 上升管换热器阻力计算....................................................................47

§5.3 氮气回收荒煤气余热的利用途径..............................................................48

§5.3.1 荒煤气余热回收与干熄焦系统相结合工艺....................................48

§5.3.2 荒煤气余热回收与煤调湿相结合工艺............................................50

§5.3.3 荒煤气余热回收与锅炉相结合工艺.................................................51

第六章结论及建议....................................................................................................54

§6.1 总结..............................................................................................................54

§6.2 对未来工作的几点建议..............................................................................54

附录 1 氮气的热物理性质(压力=1.01×105pa)......................................................56

主要符号表..........................................................................................................57

参考文献......................................................................................................................58

在读期间公开发表的论文和承担的科研项目及取得成果......................................61

致谢............................................................................................................................62

第一章绪论

§1.1 课题背景及意义

长期以来能源和环境问题一直是我国国民经济和社会发展的热点和难点，能

源作为社会经济发展和生产力提高的重要物质基础，不仅是推动我国经济发展的

有效驱动力，还是衡量国家综合国力的重要标志之一。作为世界上最大的发展中

国家，中国是一个能源生产和消费大国，能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世

界第三位；基本能源消费占世界总消费量的1/10，仅次于美国，居世界第二位。

随着我国人口的不断增加和经济的快速增长，对各种能源的需求不断上升，加上

经济粗放增长的方式尚未有效转变，特别是部分能源高消耗行业盲目投资和低水

平重复建设比较严重，能源利用效率低，浪费严重，使得能源不足的矛盾越来越

尖锐[1]。目前，我国仍是一个发展中的国家，能源消费结构因地区的不同而有明显

差异，总体来说，使用煤炭等固体燃料比重较高，使用较清洁的和优质的燃料如

石油、天然气等比重较少；同时，由于资金和技术的限制，能耗水平较高，能源

利用率低。例如，燃煤发电的效率为30％，这意味着煤中所含的能量只有30％最

终作为电能被利用；据有关资料统计，目前我国能耗物耗高的现象非常严重。我

国单位产值能耗比国际水平高出许多，是世界平均值的3至4倍，日本的11.5倍，美

国的4.3倍，德国、法国的7.7倍，印度的1.6倍。目前我国能源利用水平仅为30%，

其余全部以中、低温余热形式排放到环境中，造成了巨大的能源浪费和环境的污

染。这种高耗能、低效率的发展方式给我国环境带来了巨大的压力。仅以为防止

全球变暖而需要控制的二氧化碳为例，据统计，2004年中国石化燃料燃烧人均二

氧化碳排放量为3.65吨，相当于世界平均水平的87%、经济合作与发展组织国家的

33%。但总二氧化碳排放量约为50.7亿吨，占世界总排放量的10%左右，居世界第

二位。在未来我国的经济发展中，能源和环境问题约束仍是一个主要瓶颈，能源

的供给和节约利用、有效开发和利用及环境的保护，已成为保证中国经济持续快

速增长的关键所在[2]。

钢铁工业既是国民经济的重要基础产业，又是国家经济水平和综合国力的重

要标志，在我国经济发展中具有重要地位。钢铁行业用煤主要是炼焦用煤、燃料

煤和高炉喷吹用煤。煤炭占能源消费中 70%，2008 年的钢产量约为 5.02 亿吨，全

年共消耗煤炭 5 亿吨，约占原煤生产总量的 18%。近年来,由于各钢铁企业加强了

节能工作力度,我国重点钢铁企业吨钢综合能耗、吨钢可比能耗正在不断下降,各

工序能耗也有所改善。图 1-1[3]为我国钢铁企业各工序的能耗情况。

焦化工艺中荒煤气余热回收系统设计研究

图1-1 2008 年重点钢铁企业各工序的能耗情况

目前，我国的钢铁行业能耗约占全国工业总能耗的 15.2%，其中余热资源约占

37%。钢铁生产工艺特点是：流程长、工序多，其中以高温冶炼、加工生产工艺为

主，生产过程中会产生大量余热资源。余热资源是指在现有条件下有可能回收利

用而尚未回收利用的能量。余热资源从其来源可分为高温烟气余热和冷却介质余

热等六类，其中高温烟气余热和冷却介质余热所占比例最高，分别达到余热总资

源的 50%和 20%左右，是余热回收利用的主要来源。钢铁产业余热资源主要来自烧

结机烟气显热、红焦显热、转炉烟气及加热炉炉底生产的余热等，各种余热资源

约占全部生产能耗的 68%。目前我国钢铁生产过程中三分之二以上的能量是以废

气、废渣和副产品余热形式消耗，且该行业中余热资源利用率低，例如宝钢等大

型钢铁企业余热利用率仅在 30%～50%，远低于日本的 90%[4]。我国目前已经对钢铁

行业的能源利用提出了新的要求，要求其将生产过程中产生的余热、余压、余气、

废水等充分循环利用。因此，提高钢铁生产过程中余热资源的回收利用率是降低

能源消耗、有效提升能源使用水平的重要途径。

作为钢铁生产主要燃料的焦炭生产工序—焦化工序，其能耗约占整个钢铁企

业系统能耗的 10%。我国是世界焦炭生产大国，2009 年我国焦炭产量为 3.53 亿吨，

占世界焦炭总产量的 60%。从 1993 年起，我国焦炭产量连续居世界第一位，占世

界焦炭总产量的 36%左右，年消耗炼焦煤近 4.80 亿吨；焦化产业年总产值约 8000

亿人民币，在我国国民经济中占有重要地位[5]。我国的焦化企业一直存在能耗高、

污染重的问题，在生产过程中产生的余热资源一直没有得到有效利用，而且还需

要消耗新的能源来处理这些余热，这样不仅消耗了大量能源，还造成了环境的污

染。焦化企业既有节能、减排、降耗的巨大压力，也有节能增效的无尽发展潜力。

以生产过程中的炼焦工段为例，在焦炉加热、荒煤气排出及焦炉本体和熄焦过程

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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，在我国国民经济发展中具有重要位置。但目前焦化工业生产经营方式粗犷，能源利用效率低，余热资源丰富但未得到有效回收利用。因此，降低炼焦能耗和提高炼焦余热的有效利用不仅是企业自身发展生存的需要，而且对促进国民经济发展有着重要意义。从焦炉炭化室经上升管逸出的荒煤气温度在650～700℃，就焦炉产物带出热而言，荒煤气显热占36%。为了冷却高温荒煤气，现阶段企业普遍的采用的方法是喷洒大量70～75℃的循环氨水，高温荒煤气显热因循环氨水的大量蒸发而浪费。对荒煤气显热进行回收利用是焦化厂节能降耗、提高经济效益的重要手段之一。由于荒煤气是从焦炉中直接逸出而未经处...

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