纳米技术破解炼焦荒煤气余热回收技术难题

焦化行业炼焦荒煤气余热余能的回收，是近年来炼焦工序余热余能回收利用的一道难题，引起业内的广泛关注，成为焦化企业余热回收技术的“拦路虎”。

焦炉余热回收是创效好途径

炼焦过程是能量的转换过程，余热回收利用潜力巨大。国家相关政策要求全国大中型焦化企业2015年平均炼焦工序能耗要达到108千克标煤/吨焦，而2013年这一指标为124.8千克标煤/吨焦，且企业之间水平相差悬殊，节能潜力巨大。 

节能减排已成为炼焦行业持续发展的重要抓手。近年来，效益好的焦化企业都把余热回收利用看成是企业创收的良好途径，把能回收的余热都用起来，包括200℃烟道废气也得到了回收利用。对于年产100万吨焦炭的焦炉，采用热管锅炉回收余热产生饱和蒸汽，年可创效数百万元。 

2014年，我国焦化行业陷入前所未有的困境。2014年上半年，全国规模以上焦化企业利润同比下降420%，亏损面达到历史最高的53.04%。今后的3～5年，国内焦化企业要度过“严冬”，必须在余热回收利用上找出路。而焦炉荒煤气余热回收是还没有实现工业化回收应用的焦炉余热之一，可使炼焦工序能耗下降5～8千克标准煤。

荒煤气余热回收尚待突破的技术瓶颈

炼焦过程产生500℃～800℃的荒煤气（未经净化处理的煤气）由炭化室溢出，首先经过钢制的上升管圆形通道，而后在集气管内喷洒72℃～78℃氨水，依靠氨水蒸发降至82℃～86℃，在经过初冷鼓风系统进一步降温和除去煤焦油等杂质后，才能进行煤气的脱硫净化和苯类等化产品的回收。 

焦炉热量的散失由4部分组成：红焦带出热约占焦炉热损失的37%，已通过干熄焦技术得以回收利用；焦炉烟道废气带出的热约占17%，通过煤调湿或热管技术已回收利用；炉体表面热损失约占10%，通过炉体保温来减少；只有带出约占36%热损失的荒煤气，其余热尚未完全实现回收，是焦炉余热回收利用的一块待开发的处女地。 

焦炉的生产现场受高温炙烤、粉尘的影响，荒煤气中夹带焦油蒸汽、水蒸气、苯蒸汽等。当温度低于450℃会使煤焦油蒸汽凝析，造成其在上升管壁凝结，堵塞上升管通道；温度高于800℃又会积碳生长石墨，况且只能在直径400毫米～500毫米的上升管圆形筒腔内想办法，换热器绝对不能漏水到炭化室，这也就是炼焦人常说的“三怕”：怕漏水、怕长石墨、怕挂焦油。故而其余热的回收一直成为焦化界的技术难题，也决定了技术开发的难度。 

近30年来，开发焦炉荒煤气余热回收技术，是我国炼焦工作者主攻的节能课题，以焦炉荒煤气导出装置的上升管为基础，进行了广泛的探索试验：自20世纪70年代后期开始，鞍钢、马钢、首钢、本钢和北京焦化厂等一些企业采用过上升管汽化冷却装置，终因汽化水套漏水和煤焦油凝结堵塞上升管通道等原因，先后被拆除；20世纪90年代，重钢曾尝试过用热媒油为热载体介质；进入21世纪，济钢、宝钢梅山开展了热管换热试验，中冶焦耐工程公司和无锡焦化厂进行了半导体换热试验，武钢开发了微流态汽化导热装置及相应的一系列配套技术。虽然经过了不少小试、中试乃至工业化试验，但尚无完全成功的应用实例。

纳米技术“征服”荒煤气余热回收难题

500℃～800℃的焦炉荒煤气通过喷洒氨水来降温，造成热能的巨大浪费。2013年，我国生产焦炭47600万吨，共消耗7616万吨标准煤热量，其中荒煤气带走2193万吨标准煤热量。 

福建三钢闽光股份有限公司与江苏龙冶节能科技有限公司（其前身为常州江南电力节能科技有限公司）从2010年开始致力于炼焦荒煤气回收技术的研发，进行了多次技术论证研讨及小试到中试的现场试验。 

龙冶公司针对国内外荒煤气热量换热装置存在的弊端，分析上升管换热装置的系统组成，在整体结构、吸热介质、换热装置、系统安全稳定性等方面做了重大改进，研发出纳米型上升管换热器，适应了高温荒煤气在恶劣的工况下换热器的安全经济运行的需要，可保证换热效果，有效、安全、可靠回收荒煤气余热，解决了以往的换热器在介质温度骤变工况下的不适应问题，设备在1200℃高温度下也能安全运行。 

龙冶公司研发的无缝合金、纳米衬层和自洁材料三项专有创新技术，使得上升管换热内壁具备防漏水、防结石墨及防挂焦油的三重功能。 

一是漏水问题的解决。换热器内壁为合金整体结构配以纳米涂层，采用新型的耐高温、耐腐蚀、耐磨合金材料，在高温环境下熔化成型，相当于整体无缝合金体，换热在封闭空间内，水不会渗漏到炭化室。 

换热器高导热耐腐蚀的内衬材料、低热应力的换热结构和高效导热介质材料，经受了干烧、通水、再干烧、再通水的多次模拟检修与开工频变工况下的实际考验，上升管不漏水，内筒完好不变形。 

二是上升管内筒结焦油和石墨问题的解决。上升管换热器的内壁配以纳米涂层自洁材料，材质与涂层二者有机结合，满足了介质在高温、温差变化大、腐蚀（氧化、还原、高氢气氛、H2S等）特殊工况下的需要。换热器内表面均匀光滑，不易挂结石墨和凝聚煤焦油，即使是微量附着也易清除；通过汽包进水流量的控制，控制上升管换热水的进出口温度差，消除了内壁凝结焦油和石墨的可能。 

纳米材料、无缝结构和自洁材质，打消了业内人士的“三怕”顾虑。

纳米技术回收荒煤气余热的实践效益

该纳米涂层整体结构的焦炉上升管换热装置及回收荒煤气余热成套技术，成功应用于三钢闽光焦化厂2×65孔4.3米捣固焦炉。截至2014年底产汽并网满10个月，并于2014年11月3日通过三钢闽光股份公司验收，报告显示：实现产生饱和蒸汽（压力0.6MPa、温度165℃）供煤化工车间生产使用的目标，能够连续平稳供汽。 

据武汉科技大学标定及生产数据分析表明，荒煤气温度由770℃～550℃降到560℃～450℃，降幅200℃左右,能释放出其显热的32%；蒸汽平均产量7.2吨/小时，装置产生的低压饱和蒸汽，实现了化产系统所需蒸汽的厂内自给；吨焦回收的热量相当于5.8千克标准煤，占荒煤气总余热的12.5%。 

系统实现了自动控制的无人操作。给水泵和循环泵可以现场和远程控制两种方式操作，完善的技术规程和点巡检制度，保证了荒煤气余热产汽稳定，满足煤气脱硫、蒸氨工序生产需求。生产报表显示，煤气成分、粗苯和焦油等化产品收率未出现异常，煤气冷却设备运行稳定。 

减轻了劳动强度。上升管换热器内壁仅出现少量颗粒，只需风管或简单工具清除，比传统上升管清理工作量减少。 

改善了炉顶作业环境。纳米型换热器上升管外壳表面温度由原来的170℃～230℃降低为70℃～90℃，降低了100℃以上，焦炉炉顶温度大大降低，可有效改善作业人员的操作环境。 

三钢年产焦炭85万吨，吨焦可产蒸汽74千克，全年产低压饱和蒸汽6.3万吨，年减排二氧化碳1.61万吨。 

对该上升管余热回收系统，三钢焦化厂一位技术人员说道：“这套装置什么问题都没有，就怕停产，上升管不产蒸汽，化产系统就受影响。” 

炼焦荒煤气余热回收技术已取得重大突破，但仍需龙冶公司总结首套装置运行实践的经验，改进设计，优化工艺，寻找廉价适用的换热材料，推进焦化行业节能减排技术的进步。