大型焦炉能量流分析

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主要内容1.焦化厂能量流2.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3.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4.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。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，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。焦焦970m3/t焦BFG100kwh/t焦500kg/t焦蒸汽1000kg红焦1000kg焦420m3/t焦1326kg（干）/t焦电站焦炉焦炭焦炉煤气加热煤气电干熄焦装置焦废气2000m3/t焦入炉煤烟囱焦炉能量流示意图在焦炉的输入端：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90～95%）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。在焦炉的输出端：950～1050℃焦炭作为物质流承载着较多部分能量，从炭化室被推出；650～700℃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；250～300℃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。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——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，减增。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。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。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的物质、能量“耗散”最小化。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：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。（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；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。太钢7.63米焦炉机侧太钢推焦车太钢7.63米焦炉拦焦车邯钢集团邯宝公司1号7米焦炉于2008年2月顺利投产鞍钢鲅鱼圈7米焦炉2008年4月投产鞍钢鲅鱼圈7米焦炉拦焦车鞍钢鲅鱼圈7米装煤车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。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——焦炭等能量流——加热煤气的“耗散”最小化和近“零排放”。如：焦炉炉型座×孔数经济规模（万吨/年）6米顶装2×50～2×60100～1206.98米顶装2×60～2×70150～1757.63米顶装2×60～2×70200～2205.5米捣固2×55～2×65110～1306.25米捣固2×50～2×52120～1253.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37％——CDQ□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37%36%17%10%出炉焦炭显热荒煤气带出热焦炉烟道废气带出热炉体表面热损失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0.5～0.6t，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10～15％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40～50kgce/t焦，效率高达70%。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。唐钢处理能力为180t/h的干熄焦装置太钢全封闭式140t/h干熄焦装置太钢全封闭式140t/h干熄焦装置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。项目方案一中温中压联合循环方案二高温高压联合循环方案三高温高压自然循环蒸汽参数3.82MPa、450℃9.81MPa、540℃9.81MPa、540℃额定产汽量74t/h71t/h71t/h汽机装机容量18000kw20000kw20000kw小时发电量16086kw19189kw19189kw电耗量980kw1560kw1390kw小时净发电量15106kw17629kw17799kw小时焦炭产量125.6t125.6t125.6t吨焦净发电120.3kwh140.4kwh141.7kwh投资3767万元5010万元4745万元说明：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：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％；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20～120t/h；高温高压新蒸汽的流量推荐范围是100t/h～410t/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75～190t/h干熄焦装置的新蒸汽流量范围为41～102t/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；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；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