談雙根

(鎮(zhèn)江焦化煤氣集團有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

高溫煅后焦顯熱高品位回收利用的效益分析

談雙根

(鎮(zhèn)江焦化煤氣集團有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘要：提出了高溫煅后焦顯熱高品位回收利用的設(shè)想，計算了其經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：高溫煅后焦； 顯熱； 回收利用

引 言

煅后焦是石油焦在煅燒爐中煅燒至1200 ℃以上的產(chǎn)物[1-2]，是重要的工業(yè)中間材料，可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)鋁電解陽極、煉鋼用石墨電極。目前，從煅燒爐排出的煅后焦顆粒溫度通常在1000 ℃以上，其伴隨的熱能約占整個生產(chǎn)工藝總能耗的33.5%[3]，具有很高的利用價值。高溫煅后焦顆粒在排料前需要進行密閉均勻冷卻，溫度降到200 ℃以下排出[4]。目前，國內(nèi)、外在煅后焦顆粒顯熱回收利用方面的研究極少，而中國石油煅后焦生產(chǎn)量已居世界第一，如能充分利用高溫煅后焦的顯熱資源，對炭素行業(yè)的節(jié)能減排意義重大。

國內(nèi)的煅后焦絕大部分是由豎罐式煅燒爐生產(chǎn)，冷卻過程中的移動非常緩慢，停留時間在24 h以上，通常采用在煅后焦冷卻段外設(shè)置冷卻水套的方法進行冷卻[5]。迄今為止，國內(nèi)、外在高溫煅后焦顆粒高品位顯熱回收方面的研究較少。明文雪等[6]理論上優(yōu)化了冷卻水套裝置，將水套的內(nèi)、外鋼板之間采用豎排導(dǎo)流板焊接，冷卻介質(zhì)仍為冷水，但相比于傳統(tǒng)的水夾套冷卻器，煅后焦的溫度分布更為均勻，傳熱效率更高。Zheng等[7]針對煅后焦顆粒顯熱回收裝置進行了試驗研究，采用了內(nèi)、外換熱器的結(jié)構(gòu)，內(nèi)換熱器為一片豎列管排，外換熱器是由頂、底端連貫的豎列管圍成的箱體形換熱器，試驗證明，換熱器內(nèi)部煅后焦溫度分布均勻，總換熱系數(shù)遠高于傳統(tǒng)水冷夾套，同時還能產(chǎn)生1 MPa的蒸汽。

本文提出采用余熱鍋爐回收高溫煅后焦顆粒的顯熱、產(chǎn)生高品位蒸汽的設(shè)想，分析了經(jīng)濟效益，旨在為炭素行業(yè)的深度節(jié)能減排、進一步提高經(jīng)濟效益提供理論依據(jù)。

1 實例分析

以江蘇蘇潤高碳材股份有限公司的炭素生產(chǎn)工藝為例，該公司的炭素煅燒生產(chǎn)能力為4×48罐，每罐出焦量為20 t/h，煅后焦的出焦溫度約為900 ℃，經(jīng)水冷后降到約200 ℃。根據(jù)石油煅后焦的有效比熱容約為0.55 kJ/(kg·℃)[8]，由此可計算出煅后焦在冷卻器中的理論總放熱量為

4×48×20×1000×0.55×(900-200)/3600=4.11×105kW

該熱量目前采用水冷方式，進水溫度為20 ℃，出水溫度為90 ℃，進、出溫差為70 ℃，水的比熱為4.18 kJ/(kg·℃)，則理論上所需的冷卻水量為

4.11×105×3600/(4.18×70)=5.05×106kg/h

但如若有效利用該部分的高品位顯熱，在冷卻罐內(nèi)設(shè)置余熱鍋爐，采用104 ℃給水，使其在余熱鍋爐內(nèi)吸熱產(chǎn)生約1.0 MPaG的飽和蒸汽，則理論產(chǎn)蒸汽量可計算如下

4.11×105×3600/(2780.67-436.72)=

6.3×105kg/h

其中，104 ℃給水的焓值為436.72 kJ/kg，1.0 MPaG飽和蒸汽的焓值為2780.67 kJ/kg，考慮～5%的熱損，實際產(chǎn)蒸汽量約為600 t/h。

以平均蒸汽價格120元/t計算，全年(～8700 h)回收熱量產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為

600×120×8700/10000=6.264×104萬元。

原采用水冷方法，每噸水的取用、電耗、人力等費用約為2元，則全年節(jié)省的水冷費用為

5.05×106×2×8700/(1000×10000)=8787萬元。

2 余熱鍋爐設(shè)置分析

回收高溫煅后焦高溫顯熱的余熱鍋爐，從總體結(jié)構(gòu)和功能的角度可分為兩部分：高溫段為蒸發(fā)器；低溫段為省煤器。由于1.0 MPaG飽和蒸汽的飽和溫度為184 ℃，按照鍋爐設(shè)計規(guī)范，省煤器可將104 ℃的給水加熱至～150 ℃(其焓值為632.64 kJ/kg)后進入鍋筒，由此可計算出高溫煅后焦在兩者間的分界溫度為～260 ℃。

回收高溫煅后焦高溫顯熱的余熱鍋爐可采用重力自流式結(jié)構(gòu)，高溫煅后焦在重力作用下繞著傳熱管自上而下流動。余熱鍋爐內(nèi)的傳熱管布置形式如圖1所示。

圖1 傳熱管布置形式

傳熱管的排列可以是順排或叉排兩種，如圖2所示為順排方式。

圖2 傳熱管剖面圖

可以預(yù)測，在煅后焦冷卻器內(nèi)部布置傳熱管，煅后焦的內(nèi)部溫度比目前的水冷夾套式冷卻器的更為均勻，還可以減少煅后焦的停留時間，冷卻器的高度也會大大縮短。

此外，由于煅后焦在冷卻器內(nèi)的停留時間較長，流速大約為0.02 mm/s，因此，可不必考慮煅后焦對傳熱管的磨損問題，亦即余熱鍋爐除常規(guī)維護以外，可不用擔心余熱鍋爐的使用壽命問題，其使用壽命幾乎等同于高溫煙氣的余熱鍋爐。

3 結(jié)束語

本文從理論上提出了高效利用煅后焦高溫顯熱產(chǎn)生高品位蒸汽的初步設(shè)想，初步分析了余熱利用的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1] 王平甫，羅英濤，宮 振，等.中國豎罐式爐煅燒石油焦技術(shù)分析與研討[J].炭素技術(shù)，2009，28(5):31—37.

[2] 張忠霞.罐式爐煅燒技術(shù)[J].工業(yè)加熱，2011，40(4):73—74.

[3] 鄭 斌,劉永啟,王佐任,等.煅后石油焦熱物理性能研究[J].炭素技術(shù)，2013，(03):33—35.

[4] Edwards Les. The history and future challenges of calcined petroleum coke production and use in Aluminum smelting[J]. JOM, 2015,67(2):308—321.

[5] Zhang Hongliang, Yang Shuai, Zhang Hehui, et al. Numerical simulation of alumina-mixing process with a multicomponent flow model coupled with electromagnetic forces in Aluminum reduction cells[J]. JOM，2014，66(7):1210—1217.

[6] 明文雪,羅立軍.基于CFD的罐式煅燒爐冷卻水套的優(yōu)化研究[J].炭素技術(shù),2013，32(03):16—18.

[7] Zheng B, Liu Y, Zou L, et al. Heat transfer characteristics of calcined petroleum coke in waste heat recovery process[J]. Mathematical Problems in Engineering, 2016,(5):1—9.

[8] 湯 林.炭素煅后石油焦余熱回收蒸發(fā)器內(nèi)傳熱過程的數(shù)值模擬[D]. 南京：南京工業(yè)大學(xué). 2017.

收稿日期：2018-01-08

作者簡介：談雙根(1958—)，男，高級工程師。電話：13605281966;E-mail:tanpeng5505@sina.com

中圖分類號：TQ522.1； X784