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      焦?fàn)t多余熱回收系統(tǒng)的分析及優(yōu)化

      2020-04-01 10:04:50尹珩宇樊俊杰鄧加曉杜梅芳陳時(shí)選
      化工進(jìn)展 2020年3期
      關(guān)鍵詞:焦?fàn)t梯級(jí)煙道

      尹珩宇,樊俊杰,鄧加曉,杜梅芳,陳時(shí)選

      (1上海理工大學(xué)理學(xué)院,上海200093;2上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,上海200093)

      焦化行業(yè)作為鋼鐵行業(yè)的耗能大戶,在煉焦過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的余熱資源,高效回收并且合理利用焦?fàn)t生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的余熱資源已經(jīng)成為提高焦?fàn)t效率的主要途徑之一,也是焦?fàn)t節(jié)能的主要發(fā)展方向和潛力所在[1-3]。煉焦過(guò)程中焦?fàn)t的熱量消耗主要包括:推焦過(guò)程中帶走的紅焦顯熱、上升管中荒煤氣帶走的中高溫余熱、燃燒煙道廢氣帶走的中低溫余熱以及爐體表面的散熱[4]。

      在焦?fàn)t的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,整體的余熱回收系統(tǒng)包含多種余熱資源的同時(shí)回收。近些年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)焦化系統(tǒng)的余熱回收做了大量的研究。Errera 等[5]對(duì)干熄焦系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析,并與濕法熄焦進(jìn)行了各方面的對(duì)比;孫蘭義等[6]提出將干熄焦系統(tǒng)與荒煤氣回收系統(tǒng)結(jié)合起來(lái),使用PRO/Ⅱ模擬器研究了荒煤氣流量、成分以及蒸汽消耗量對(duì)能量回收效率的影響;張欣欣等[7]對(duì)焦?fàn)t進(jìn)行物料平衡以及熱平衡計(jì)算并指出了煉焦過(guò)程中產(chǎn)生的余熱資源的分布情況?;跓崃W(xué)第一定律的分析方法只注重能的數(shù)量,而忽略了能的質(zhì)量;而基于熱力學(xué)第二定律的分析方法可以兼顧質(zhì)與量的同時(shí)分析,對(duì)研究焦?fàn)t中能量在數(shù)量、質(zhì)量上的轉(zhuǎn)移、利用以及損失的情況有重要的意義[8-10]。本文以某鋼廠一6m焦?fàn)t的實(shí)際運(yùn)行工況為例,依據(jù)分析理論分別對(duì)焦?fàn)t多余熱子系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析,清晰地揭示了能量回收過(guò)程的本質(zhì);依據(jù)計(jì)算結(jié)果以及能量梯級(jí)利用的原則對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,提出了一種焦?fàn)t多余熱梯級(jí)利用方案,為焦化系統(tǒng)余熱資源的利用以及優(yōu)化提供理論支撐。

      1 焦?fàn)t多余熱回收方案及分析模型

      1.1 傳統(tǒng)方案

      某鋼廠兩座55孔、6m焦?fàn)t的余熱回收系統(tǒng)工藝流程如圖1所示,主要包括3個(gè)子系統(tǒng)。一是干熄焦余熱回收系統(tǒng),煉焦?fàn)t產(chǎn)生的高溫焦炭從干熄爐的頂部裝入,130℃的惰性循環(huán)氣體進(jìn)入干熄爐中吸收紅焦顯熱,冷卻后的焦炭從干熄爐底部排出,吸收熱量后的惰性氣體送入余熱鍋爐中產(chǎn)生5.8MPa 的中壓蒸汽;二是荒煤氣余熱回收系統(tǒng),在炭化室頂部的上升管上加裝夾套式換熱器,用以回收高溫荒煤氣的顯熱,產(chǎn)生1.7MPa的中壓蒸汽;三是煙道廢氣余熱回收系統(tǒng),將總煙道中的煙道廢氣采出送入廢熱回收系統(tǒng)中,經(jīng)裝置換熱降溫后排入大氣中,產(chǎn)生0.85MPa的低壓蒸汽。

      1.2 多余熱梯級(jí)利用方案

      依據(jù)“溫度對(duì)口,梯級(jí)利用”能量利用理念,多余熱梯級(jí)利用方案可以更合理地回收煉焦過(guò)程中產(chǎn)生的不同品位的余熱資源。該方案利用煙道廢氣的熱量來(lái)預(yù)熱干熄焦余熱回收系統(tǒng)中鍋爐的給水溫度,可降低干熄焦系統(tǒng)中余熱鍋爐換熱時(shí)的傳熱溫差,減少有效能的損失,提高能源利用效率。具體為:首先在干熄焦余熱回收系統(tǒng)中使用高溫高壓的余熱鍋爐進(jìn)行高溫?zé)崃康幕厥?;另外在整個(gè)系統(tǒng)中,除氧器出口的水一部分經(jīng)過(guò)高壓泵加壓送入煙氣余熱回收系統(tǒng),提高水溫后進(jìn)入干熄焦系統(tǒng)中產(chǎn)生高溫高壓蒸汽,另一部分的水經(jīng)水泵加壓后進(jìn)入荒煤氣余熱回收系統(tǒng)產(chǎn)生中壓蒸汽。根據(jù)圖1的工藝流程對(duì)干熄焦、荒煤氣、煙氣余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化,多余熱梯級(jí)利用方案如圖2所示。

      圖1 焦化系統(tǒng)余熱回收工藝流程

      圖2 煉焦系統(tǒng)多余熱梯級(jí)利用方案

      在干熄焦、荒煤氣、煙氣系統(tǒng)的熱量回收過(guò)程中基本上只有能量的轉(zhuǎn)化,化學(xué)并未釋放,而是以儲(chǔ)存能的形式出現(xiàn),且經(jīng)計(jì)算得知系統(tǒng)出方與入方的化學(xué)基本相等[11]。因此,在計(jì)算過(guò)程中不進(jìn)行化學(xué)的計(jì)算,同時(shí)不考慮管道的輻射散熱損失和壓力損失。

      在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中,3個(gè)子系統(tǒng)的構(gòu)造雖然有所差別,但是從熱力學(xué)角度分析,這3個(gè)系統(tǒng)的都可以分為以下幾項(xiàng):系統(tǒng)的輸入,包括給水和進(jìn)入系統(tǒng)的熱量;換熱過(guò)程中系統(tǒng)輸出的功即有效輸出;系統(tǒng)內(nèi)部損以及外部損。平衡的模型如圖3所示。

      圖3 系統(tǒng)平衡圖

      2 主要熱工參數(shù)

      國(guó)內(nèi)某鋼鐵公司的兩座55孔、6m焦?fàn)t,年產(chǎn)焦炭110 萬(wàn)噸,配套140t/h 的干熄焦裝置,以及配套的熱力回收系統(tǒng)。干熄焦余熱回收系統(tǒng)、荒煤氣余熱回收系統(tǒng)以及煙道廢氣余熱回收系統(tǒng)的熱工參數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1,在進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)以1t入爐干煤為計(jì)算單位。

      表1 系統(tǒng)熱工參數(shù)

      3 各個(gè)余熱回收系統(tǒng)的計(jì)算及分析

      在焦化系統(tǒng)余熱資源的回收過(guò)程中,涉及多設(shè)備、多環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)移,使用分析的方法可以很好地揭示能量轉(zhuǎn)移過(guò)程中的損耗以及能量利用的不合理環(huán)節(jié),使人們科學(xué)地了解余熱回收系統(tǒng)的完善程度,找出能量利用的薄弱環(huán)節(jié)。

      3.1 干熄焦系統(tǒng)

      干熄焦系統(tǒng)分為兩個(gè)換熱階段,循環(huán)氣體在熄焦?fàn)t中與紅熱焦炭進(jìn)行換熱,吸收熱量后進(jìn)入余熱鍋爐中與水交換熱量,產(chǎn)生蒸汽。使用上文中提出的分析模型對(duì)干熄焦系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算后將結(jié)果整理至表2。由計(jì)算結(jié)果可知,干熄焦系統(tǒng)中的主要的收入為焦炭帶入和焦炭燒損;在輸出中占比較大的為中壓蒸汽和不可逆換熱損,出口損較低。系統(tǒng)的效率為55.16%,有效輸出為中壓蒸汽,數(shù)量為554.07MJ/t干煤。

      表2 干熄焦余熱回收系統(tǒng)的平衡

      表2 干熄焦余熱回收系統(tǒng)的平衡

      收入images/BZ_378_476_1286_507_1315.png輸出images/BZ_378_956_1286_987_1315.png項(xiàng)目項(xiàng)目數(shù)量/MJ·t-1比例/%數(shù)量/MJ·t-1比例/%焦炭帶入images/BZ_378_367_1404_398_1433.png中壓蒸汽images/BZ_378_848_1404_879_1433.png焦炭燒損images/BZ_378_367_1463_398_1492.png焦炭出口images/BZ_378_848_1463_879_1492.png給水帶入images/BZ_378_367_1522_398_1551.png655.28 326.94 22.37 65.23 32.54 2.23散熱images/BZ_378_817_1522_848_1551.png氣體散失images/BZ_378_848_1581_879_1610.png排污images/BZ_378_801_1640_832_1669.png損不可逆換熱images/BZ_378_848_1699_879_1728.png損合計(jì)1004.53 100.00合計(jì)554.07 50.58 40.46 1.93 2.92 354.57 1004.53 55.16 5.04 4.03 0.19 0.29 35.30 100.00

      3.2 荒煤氣系統(tǒng)

      在焦?fàn)t荒煤氣顯熱回收系統(tǒng)中,工質(zhì)水在上升管換熱器中直接與荒煤氣進(jìn)行換熱產(chǎn)生蒸汽。表3為對(duì)荒煤氣系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn),荒煤氣余熱回收系統(tǒng)中荒煤氣帶入為收入的主要來(lái)源,占總收入的96.70%;荒煤氣的出口損占輸出的大部分,內(nèi)部損占比不高;有效輸出為上升管換熱器產(chǎn)生的中壓蒸汽,占總輸出的17.18%,效率較低。

      表3 荒煤氣余熱回收系統(tǒng)的平衡

      表3 荒煤氣余熱回收系統(tǒng)的平衡

      收入images/BZ_378_1549_394_1580_423.png輸出images/BZ_378_2030_394_2061_423.png項(xiàng)目項(xiàng)目數(shù)量/MJ·t-1比例/%數(shù)量/MJ·t-1比例/%荒煤氣帶入images/BZ_378_1462_512_1493_541.png中壓蒸汽images/BZ_378_1927_512_1958_541.png紅焦輻射帶入images/BZ_378_1478_571_1509_600.png荒煤氣出口images/BZ_378_1943_571_1974_600.png給水帶入images/BZ_378_1447_630_1478_659.png266.03 9.07 1.25 96.70 3.30 0.45散熱images/BZ_378_1896_630_1927_659.png排污images/BZ_378_1880_689_1911_718.png損不可逆換熱images/BZ_378_1943_748_1974_777.png合計(jì)275.11 100.00合計(jì)48.91 181.46 10.12 1.20 33.42 275.11 17.78 65.96 3.68 0.44 12.15 100.00

      3.3 煙道廢氣系統(tǒng)

      在焦?fàn)t煙道廢氣的余熱回收系統(tǒng)中,熱管換熱器中的工質(zhì)吸收煙道廢氣的低溫?zé)崃亢笤倥c水交換熱量。由表4的計(jì)算結(jié)果可知,在煙氣余熱回收系統(tǒng)中收入中基本全是系統(tǒng)進(jìn)口煙氣帶入的;系統(tǒng)輸出中有效輸出所占比例較大,損主要分布在外部損,也就是煙氣出口的損失。

      表4 煙氣余熱回收系統(tǒng)的平衡

      表4 煙氣余熱回收系統(tǒng)的平衡

      收入images/BZ_378_1534_2697_1565_2726.png輸出項(xiàng)目images/BZ_378_2015_2697_2046_2726.png數(shù)量/MJ·t-1比例/%項(xiàng)目 數(shù)量/MJ·t-1比例/%煙氣進(jìn)口給水帶入images/BZ_378_1420_2874_1451_2903.png134.70 1.24 99.08 0.12低壓蒸汽images/BZ_378_1901_2815_1932_2844.png煙氣出口images/BZ_378_1901_2874_1932_2903.png散熱images/BZ_378_1870_2933_1901_2962.png排污images/BZ_378_1854_2992_1885_3021.png損不可逆換熱images/BZ_378_1916_3051_1947_3080.png合計(jì)135.94 100.00合計(jì)70.34 50.42 4.17 0.21 10.79 135.94 51.75 37.09 3.07 0.15 7.94 100.00

      在目前的煉焦余熱資源回收過(guò)程中,紅焦顯熱、荒煤氣顯熱、煙道廢氣顯熱分別進(jìn)行余熱回收,產(chǎn)生不同品級(jí)的蒸汽送入蒸汽管道中。看似對(duì)余熱資源進(jìn)行了有效的回收利用,但是從分析的角度來(lái)看,各個(gè)子系統(tǒng)的效率不高,還有很大的提升空間。其原因主要源于兩方面,一方面是由于回收技術(shù)的限制,另一方面則是由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中忽略了對(duì)能量品級(jí)的考慮。

      4 兩種方案的對(duì)比分析

      在焦?fàn)t多余熱梯級(jí)利用的方案中,先利用煙氣的余熱產(chǎn)生高壓不飽和水,然后送進(jìn)干熄焦系統(tǒng)中的余熱鍋爐中回收高溫?zé)崃?,產(chǎn)生高溫高壓蒸汽。利用煙氣余熱提高干熄焦的給水溫度,降低了干熄焦系統(tǒng)中熱量回收過(guò)程的傳熱溫差,減少了傳熱過(guò)程中產(chǎn)生的不可逆換熱損。對(duì)比于傳統(tǒng)方案的中溫中壓鍋爐,增加煙氣和干熄焦系統(tǒng)中水汽側(cè)的壓力,會(huì)使得傳熱過(guò)程中的不可逆損失降低,汽水能級(jí)提高。這種焦?fàn)t余熱回收方式不僅可以提高能量的利用率,同時(shí)也會(huì)提高所回收蒸汽的做工能力。根據(jù)余熱回收系統(tǒng)的熱工參數(shù),使用分析計(jì)算模型分別對(duì)傳統(tǒng)方案以及焦?fàn)t多余熱利用方案進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

      表5 兩種余熱利用方案的分析結(jié)果對(duì)比

      表5 兩種余熱利用方案的分析結(jié)果對(duì)比

      項(xiàng)目輸入images/BZ_379_344_2610_375_2639.png/MJ·t-1有效輸出images/BZ_379_406_2669_437_2698.png/MJ·t-1不可逆換熱images/BZ_379_437_2728_468_2757.png損/MJ·t-1images/BZ_379_281_2787_312_2816.png效率/%原有方案1416.20 674.83 391.23 47.65多余熱梯級(jí)利用方案1415.37 831.05 235.74 58.72

      5 結(jié)論

      (2)提高干熄焦系統(tǒng)的換熱效果以及使用高溫高壓余熱鍋爐可以提高干熄焦系統(tǒng)的效率;解決荒煤氣熱量回收過(guò)程中的焦油凝結(jié)問(wèn)題以及煙氣的冷凝腐蝕問(wèn)題可以大大提高荒煤氣以及煙氣余熱回收系統(tǒng)的效率。

      (3)優(yōu)化后的焦?fàn)t多余熱梯級(jí)利用方案符合“能量匹配,梯級(jí)利用”的原則,焦?fàn)t余熱回收系統(tǒng)的總效率達(dá)到58.72%,可以合理高效地回收焦化過(guò)程中產(chǎn)生的余熱資源。

      符號(hào)說(shuō)明

      cp—— 比定壓熱容,kJ/(kg·K)

      Dx—— 系統(tǒng)中各狀態(tài)下水和水蒸氣的流量,kg/h

      Ein,i—— 系統(tǒng)輸入,kJ/h

      El,k—— 系統(tǒng)的內(nèi)部損,kJ/h

      Eout,j—— 系統(tǒng)中外部損,kJ/h

      Ex—— 混合氣體的值,kJ/h

      E'x—— 系統(tǒng)中各狀態(tài)下水和水蒸氣的值,kJ/h

      Hx—— 系統(tǒng)中各狀態(tài)下水和水蒸氣的焓值,kJ/kg

      Sx—— 系統(tǒng)中各狀態(tài)水和水蒸氣的熵值,kJ/(kg·K)

      Tx—— 系統(tǒng)中氣體換熱前后的溫度,K

      T0—— 環(huán)境狀態(tài)溫度,K

      V—— 氣體流量,m3/h

      W—— 系統(tǒng)有效輸出,kJ/h

      ρ—— 氣體密度,kg/m3

      η—— 系統(tǒng)的效率,%

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