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炼焦工业既是重要的能源生产部门，又是耗能大户。中国焦化生产工序能耗为180～200kg标煤/t。在大型焦化厂的焦化工序能耗中，备煤约占5%～10%，炼焦占70%～80%，化产回收占15%～20%。就焦炉产物带出的热量而言，赤热焦炭的显热居第一位，荒煤气的显热居第二位 ，两者合计占焦炉总输出热量的65%～75%。荒煤气带出显热的回收，对焦化厂节能降耗提高经济具有非常重要的作用。本文对煤气初冷系统的余热利用状况作一介绍，并利用夹点原理对这一换热网络进行分析，对进一步利用煤气冷系统的余热资源提出了建议。
工艺简介
荒煤气以650～700℃温度离开焦炉，经上升管至桥管，在集气管内用氨水喷洒降至80～85℃，然后经初冷器将煤气冷却至21～35℃。氨水经冷却和除焦油后循环使用。荒煤气带出的有效能占焦炉总输出有效能的18%，大部分在此过程中转移到循环氨水和初冷器的冷却水中，因此，对煤气初冷系统的余热回收主要是回收利用循环氨水和初冷器循环水的热量，同时要注意回收高温位的热能。
余热利用技术
上升管汽化冷却器
在上升管外安装汽化冷却器，利用650～700℃的高温荒煤气显热副产蒸汽。每吨焦可发生0.5MPa饱和蒸汽0.1-0.12t,相当于每千克入炉煤回收余热270kJ。采用上升管汽化冷却装置不仅可降低能耗，而且可解决荒煤气高温裂解在上升管根部结成难以清除的石墨问题，减少喷洒氨水消耗量，降低上升管外壁温度，改善炉顶操作条件。1970年代初，我国首次采用这项技术，首钢、太钢分别在71孔、65孔焦炉上各建一套汽化冷却器。至1980年代初，武钢、鞍钢、北京焦化厂等企业也采用这种能量回收方法，荒煤气温度最低可降至350℃。
上升管热管回收余热
随着热管技术的发展，采用热管技术回收高温荒煤气显热的技术也被提出。采用热管技术可回收荒煤气500℃以上的显热。热管安装腔作势在荒煤气上升管内，整个装置包括热管换热器，热风引入设备、氨水喷淋器、气液分离罐以及循环水罐和水泵等。荒煤气仍由上升管下部引入，通过热管换热器换热降温至500℃，然后用喷洒氨水冷却至80～85℃。根据余热回收装置的工作温度范围，选用金属钾为工质，采取不锈钢丝网吸液芯附于热管内壁。热管的蒸发段安装在上升管内，冷凝段安装在废热锅炉内，其位置略高于蒸发段。
热管余热回收装置与上升管汽化冷却器比较，有以下优点：
①热管传热效率高，并可使上升管内外壁温差相对较小；
②热管可采用分体式，不受焦炉结构影响，尤其适于节能改造。
初冷器余热回收利用
原煤气初冷器大多为一段冷却，出口水温只有55℃左右。本钢焦化厂将其改为二段冷却，一段（高温段）余热出口水温度60～65℃，可供采暖；二段（低温段）用低温循环水冷却，煤气出口温度为25～35℃，达到进入冷凝鼓风机的要求。本钢焦化厂在煤气处理量7.6万m3/h情况下，供热量达100～124GJ/h，较原系统增加2倍，余热水温度为60℃，用于冬季采有，室温可达16±2℃。
循环氨水余热回收
循环氨水喷洒荒煤气后，氨水温度升至80～83℃，蕴含着大量的余热资源。北京焦化厂最早提出和使用氨水余热供采暖用。供暖面积由最初的2万m2扩大到的8万m2。鞍钢、本钢、莱钢、济钢、石家庄焦化厂将循环氨水的余热作为浴池的余热采暖。并有部分焦化厂将循环氨水的余热作为浴池的热源，取得了显著的节能效益，投资回收期为0.5-1年。
在日本，氨水的余热也被用于发电，该技术主要是借助低沸点有机热媒进行的，其过程是将集气管返回的高温氨水送到低沸点有机热媒蒸发器，蒸发器中蒸发出的有机热媒用以驱动发电装置的透平，而后将其冷凝成液体，再返回蒸发器继续使用。离开蒸发器的氨水则降至60～65℃，然后再送去喷洒高温煤气。
循环氨水也可代替蒸汽用于保温和清扫。煤气初冷器、捕焦油器、鼓风机等的冷凝液排出管、水封槽等经常被焦油和萘堵塞。尤其在气温低时，需经常用蒸汽清扫和保温。据新日铁广田厂统计，处理6万m3/h煤煤气的鼓风冷凝工段，每月耗汽达475t。为此，广田厂用77℃左右的循环氨水代替蒸汽。具体做法是：切断原有蒸汽清扫管的汽源，同循环氨水泵的压出管道上接出一支管，并飞翔量利用原有的蒸汽管线，将热氨水送入煤气初冷器气室底部、捕焦油器底部及水封槽入口管、鼓风机排液管等处。视具体情况，可以长期通氨水，也可以临时送氨水。清洗效果优于蒸汽，每月可节约蒸汽362t，占原有用量的85%。
循环氨水还被用于预热锅炉给水。广田厂成功地解决了二项关键技术，从而实现了循环氨水预热锅炉给水。①选择恰当结构的换热器，使其既有高的传热系数，又不易被氨水污染。最后选择了螺旋板换热器。②能及时发现泄漏。利用纯水与氨水导电率不同的特点，连续栓测纯水导电率的变化情况，从而可以及时发现换热器有无泄漏。该换热器投入使用后，脱气器入口水温由50～60℃提高到85～90℃，蒸汽用量同4.43t/h下降到1.71t/h，回收能量约84MJ/t焦。
换热网络夹点分析
本文以某公司的两座JN43-80Ⅲ型65孔炉焦炉为例进行分析。每座焦炉的荒煤气先进入集气管，分别用循环氨水喷洒冷却使煤气温度由650～700℃降到集气管出口85～90℃，然后并入一根吸气管，到达气液分离器。此时荒煤气中大部分焦油冷凝下来，并与循环氨水一同去机械化澄清槽进行分离。分离焦油以后的氨水再用泵送回集气管与上升管之间桥管处喷啉。荒煤气经过输送管道散热冷却，以83℃左右的温度进入横管初冷器。初冷器内有三段冷却横管对煤气进行冷却；下段（I段）用15.8℃冷冻水进一步将煤气冷却到21.5℃左右出初冷器，然后煤气进入净化系统。
这种老的工艺流程设计时只考虑化学工艺的要求，而能量的回收与利用只作为畏助设施考虑。由于缺乏一套完整的理论方法来指导，因此，能量的回收利用难以达到最优化的效果，所以节能挖潜的余地很大。1980年代以来，由于过程系统工程学的发展，人们才认识到：要把一个化工厂设计得能耗最小、运行费用最低，就必须把工艺过程、能量回收系统及公用工程系统整合起来，当成一个有机结合的整体来看看待，这样才能达到整体的最优化，这就是所谓“过程整合”技术。过程整合的各种方法中最为流行实用的方法是“夹点分析法”，以下根据这一理论对焦炉煤气初冷系统进行分析。
换热网络的数据准备
要达到能量利用最优化，仅考虑范围很小的局部工艺过程是无法做到的。因此，分析的范围除了初冷系统外，还包括与此部分装置相近的进入焦炉燃烧的煤气预热，锅炉给水预热，办公室及生活区的采暖系统等。
焦炉煤气初冷系统的冷热流股及其热容流率FCP、焓差如表1所示 表1 煤气初冷系统夹点分析原始数据
（图片）现有系统的夹点分析
由以上7股热流，10股冷流构成的系统，有2个蒸汽加热器：锅炉给水预热器H1和煤气预热器H2；三个冷却器：初冷器II段冷却器C1；初冷器I段冷却器C2；初冷器III段冷却器C3，其夹点分析结果如下：
夹点温度=73.3℃
夹点温差=19.5℃
实际热公用工程QH=6.63Gcal/h
实际冷公用工程QC=22.90Gcal/h
由此可见，现有系统为一个平地点温度73.3℃，总夹点温差19.5℃的换热网络。根据目前的网络系统分析，跨越夹点流动的热量是不小的：由夹点以下向夹点以上的热流量达到7.17Gcal/h，而夹点以上向夹点以下的跨越夹点的热流量为0.91Gcal/h。
换热网络余热利用方案分析
为了挖掘能潜力，首先要找到最大回收网络。我们知道：夹点温差△Tmin从19.5℃缩小到12℃，热公用工程用量可从现在的6.26Gcal/h下降到0.77Gcal/h，即下降88%。冷公用工程从22.90Gcal/h下降到17Gcal/h，即下降26%。此时△Tmin=12℃，Tb=77.0℃。
建议
煤气初冷系统有大量余热，为企业节能工作提供了充分的条件；但其品位较低下，大多在80℃以下，又给余热回收增加了难度。分析该公司现有能源利用关况，不仅大量低温余热未加以利用，而且大量低温介质的加热是依靠过蒸汽来完成的。根据夹点原理分析，合适的夹点温差△Tmin=12℃，夹点温度77℃（对应热物流温度83℃，冷物流温度71℃）。锅炉给水及入焦炉燃烧的煤气利用过热蒸汽加热方式是违背夹点原理的。这样操作的直接后果是额外增加了换热网络的热公用工程，显然，这种加热方式是违背夹点原理的。这样操作的直接怕果是额外增加了换热网络的热公用工程用量，同时增加了冷公用工程的工艺过程，应尽量利用低品位的冷公用工程，减少高品位冷公用工程的用量。对煤气冷系统而言，冷却夹点以下的热物流时，应飞翔量使用循环水，减少冷冻水的用量。根据夹点原理分析和工艺过程的实际情况，提出以下节能改造措施。
循环氨水余热采暖
喷洒氨水前的煤气露点温度为65～70℃，由于喷洒氨水温度应比煤矿气露点温度高5℃以上，喷洒氨水温度在70～75℃。可利用的余热资源为5.4Gcal/h，按冬季供暖100Gcal/m2h标准，可供采暖面积为54000m2。
为节省投资，在改造过程中应尽量利用现有设备。利用循环氨水余热采暖时，仅需增加输水总管2600m和二台换热器。由于循环氨水中含有氨、焦油等杂质，余热回收采用板式换热器较为理想。板式换热器为水波纹型，对水流能产生较大的湍流，因此，不仅可以提高对流传热系数，而且杂质、水垢、焦油等污物不易附着在板面上。在同样的阻力损失下，这种换热器的传热系数比列管换热器高6-7倍，换热器的传热系数可高达2-5kW/m2℃。
循环氨水用于溴化锂制冷
溴化锂吸收式制冷机在我国已得到广泛应用和发展，在余热回收方面也起着非常重要的作用。适用于余热回收的制冷机有单效机、双效机和两级机。两级溴化锂吸收式制冷机适合于回收67～90℃的低温余热。
初冷系统循环氨水余热冬季用于采暖，回收部分余热，但在非采暖季节，这部分余热没有加以利用。使集气管喷洒氨水温度较高，循环氨水在集气管中冷却高温荒煤气时有大量水蒸发，蒸发的水蒸汽随荒煤气带入初冷器，造成初冷器热负荷增大。如果对循环氨水余热加以回收利用，使高温荒煤气的热量更多地被循环氨带走，这样就可以降低初冷器的负荷。由此可见，回收氨水余热具有很高的工艺价值。
荒煤气在初冷器中需冷至21.5℃才能出初冷器，为达到这一温度指标，仅采用循环冷却是不可能达到的，因此必须使用冷冻水。现在使用的15.8℃冷冻水系使用溴化锂制冷机制取的，所用的热源是5kgf/cm2250℃的过热蒸汽。若能用工艺过程中的低温余热，尤其是位于夹点温度以下的低温余热制取冷冻水，无论从节能角度，还是从经济效益进行夹点分析都有是很有吸引力的。通过对煤气初冷系统的物流进行夹点分析发现，循环氨水温度位于夹点以下，能够加以利用代替制冷机所用的蒸汽。
循环氨水的腐蚀性很强，不宜直接送入溴化锂制冷机，需进行一次换热。首先利用冬季采暖使用的换热器将中间介质—循环软水加热到70℃，然后由循环软水采用溴化锂吸收式制冷机制取16℃冷冻水。
循环氨水可利用余热为5.4Gcal/h，按传热过程热损失400Gcal/h，热力系数0.4计，可制冷量为2.0Gcal/h。
初冷器Ⅲ段热水余热利用
根据平衡计算,初冷器Ⅲ段循环软水有大量低温余热未被利用，现操作中依靠空冷器将其冷却。在循环氨水余热被回收5.4Gcal/h后，初冷器Ⅲ段仍可回收余热2.45Gcal/h。
锅炉给水预热用的是蒸汽，从常温一直加热到104℃。这是穿越夹点的一股物流，尤其是位于夹点温度（冷物流对应夹点处温度71℃）以下时也用热公用工程（蒸汽）加热，而网络中有大量低温余热未被利用，按其温度品位完全可用于预热锅炉给水，因此提出用离开初冷器Ⅲ段的循环软水预热锅炉给水。为保证锅炉给水被污染，本改造方案宜选用热管换热器。
初冷器Ⅲ段循环软水流量400m3/h，可回收余热2.45Gcal/h。按锅炉发汽量75t/h计，可将锅炉给水由25℃加热到57.7℃（仍低于夹点温度）。
初冷器操作制度改进
初冷器共有三段，上段（Ⅲ段）采用循环软水冷却温度较高的荒煤气，中段（II段）采用循环水冷却，下段（I段）采用冷冻水冷却。所用冷冻水由蒸汽采用溴化锂制冷嘲热讽得到的，因此冷冻水的价格及等价热值远较软水、循环水高。对初冷器的改造而言，在热负荷一定时，应尽可能减少冷冻水用量，以取得好的节能效果。
通过计算可知进入初冷器I段煤气温度为59.5℃。由夹点匹配规则，组合曲线上冷热物流的换热应满足垂直换热的条件，否则会引起能量的不合理利用。根据工艺过程的具体情况，热物流的低温端（低温冷公用工程）冷却。根据夹点原理，温度达59.5℃的热物流就用冷冻水进行冷却。违背了“垂直换热”的原理，应该用循环水继续冷却荒煤气。
同时，根据溴化锂制冷机的设计要求，冷媒水（冷冻水）进水温度为21℃，出水温度为16℃，为合理利用能源，使冷冻水循环利用，冷冻水冷却荒煤气后温度应为21℃左右。瑞现得操用中将其换热至32℃低温水，又需消耗蒸汽用更高温度的水来制取，这显然会造成能量的浪费。
结合初冷器的设计条件，即为合理利用初冷器I段的换热面积，选取初冷器II段进入I段的荒煤气温度为40℃。在现有条件下，III段循环软水开足（余热用于预热锅炉给水），增大II段循环水流量，使荒煤气有更多的热量在III段、II段带走。使II段进入I段时荒煤气温度降至40℃，可减少初冷器I段热负荷3450765kcal/h，占I段现有热负荷的72.49%。按此方案操作，可节约冷冻水213t/h，此部分热量可通过增加循环水量来补偿。需增 加的循环水量为323t/h，按此调整后参数操作年节能量为2.68×1010kcal，折标煤3828.6t。
经济效益分析
以上提出的各项节能方案，其经济效益及节能量如表2所示。表2 煤气初冷系统节能改造经济效益分析
（图片）结语
煤气初冷系统有大量余热，现操作体制中很少回收这部分能量。利用夹点原理分析煤气初冷系统的换热网络，并结合工艺过程的具体情况，采取适当措施回收初冷系统的余热，不仅节能效果显著，而且经济效益明显。
（1）利用循环氨水余热采暖。既可改善现有采暖末端采暖效果不佳的弊端，又可取消部分办公楼用蒸汽采暖的浪费以源的现象。
（2）非采暖季节用循环氨水制取16℃工艺用冷冻水，以代替用蒸汽制冷，节能效果明显。但由于制冷机设备投资料高，节能改造的投次回收期较长。
（3）初冷器Ⅲ段的循环软水温度较高，用于预热锅炉给水，节能效果明显，经济效益。
（4）初冷器操作规程制度不合理。Ⅲ段循环软水开足，增加II段循环水量，可减少I段冷冻水消耗。改进操作制度，无需投次，即可取很明显的节能效果。
12/6/2004
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