CN102944129B

CN102944129B - 一种焦炉煤气高效预热方法

Info

Publication number: CN102944129B
Application number: CN201210405708.6A
Authority: CN
Inventors: 叶恩东; 程晓哲; 税必刚; 张兴勇; 马维平
Original assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-10-23
Also published as: CN102944129A

Abstract

本发明公开了一种焦炉煤气高效预热方法，使用温度为1150℃以上的烟气或废气对焦炉煤气进行预热处理且使烟气或废气与焦炉煤气逆流换热，其中，预热处理包括顺序进行的对流预热处理和辐射预热处理，在对流预热处理之后，焦炉煤气被预热至500～600℃，在辐射预热处理之后，焦炉煤气被继续预热至800～950℃。本发明充分利用高温烟气或尾气的显热对焦炉煤气进行预热，预热时间短、预热温度高，可基本实现自动化控制，热效率高、运行安全可靠，且通过添加微量的积碳抑制剂和除碳剂有效地防止焦炉煤气中碳氢化合物的高温分解积碳，应用范围广。

Description

一种焦炉煤气高效预热方法

技术领域

本发明属于冶金和化工领域，更具体地讲，涉及一种利用冶金、化工领域的相关工艺过程中的高温烟气或废气对焦炉煤气进行高效预热的方法。

背景技术

工业生产中，当整个生产系统或系统中的某反应器在还原条件下须利用煤气作为还原反应介质同时还须维持系统的热平衡保证还原反应的进行时，须对煤气进行快速高效预热。如利用钛精矿制备人造金红石工艺中，为了提升人造金红石品质，须将改性钛精矿中的Fe₂O₃还原成FeO以提高钛精矿中杂质元素铁的去除率；低品位铁矿石生产铁精矿工艺中，须将铁矿中的Fe₂O₃还原成Fe₃O₄，以提升铁矿石磁性，通过磁选生产铁精矿等工业生产均涉及到还原反应和系统热平衡，需要对还原性介质(煤气)或物料进行预热保证热平衡。

另外，许多反应器或生产过程中涉及热平衡和提高热效率需要，也采用对气体预热的方法，如用于冶金行业的钢胚加热炉、均热炉以及高炉配套的热风炉，化工行业的还原反应流化床等。但目前工业应用的方法中绝大部分对助燃空气或高炉煤气预热，且预热温度均较低，通常在500℃以下，基本没有对焦炉煤气预热的，其主要原因是受焦炉煤气性质的影响，高温时焦炉煤气中的碳氢化合物(C_nH_m和CH₄)会分解形成积碳，粘附在输气管道上，严重影响系统的连续稳定运行；另外，焦炉煤气的热值高，泄漏易产生爆炸和中毒等重大事故，安全性较差，因此目前基本无对焦炉煤气进行高温预热的相关方法和装置，而助燃空气和高炉煤气预热的方法根本不能用于焦炉煤气的预热。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。

本发明的目的在于提供一种充分利用高温烟气或废气显热对焦炉煤气进行高效预热的方法，并进一步提供一种能有效防止焦炉煤气中碳氢化合物高温分解积碳且适应范围广的焦炉煤气高效预热方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种焦炉煤气高效预热方法，使用温度为1150℃以上的烟气或废气对焦炉煤气进行预热处理且使烟气或废气与焦炉煤气逆流换热，其中，预热处理包括顺序进行的对流预热处理和辐射预热处理，在对流预热处理之后，焦炉煤气被预热至500～600℃，在辐射预热处理之后，焦炉煤气被继续预热至800～950℃。

根据本发明的焦炉煤气高效预热方法的一个实施例，在辐射预热处理之后，烟气或废气降温至700～850℃，在对流预热处理之后，烟气或废气降温至350～450℃。

根据本发明的焦炉煤气高效预热方法的一个实施例，所述方法还包括将对流预热处理之后的烟气或废气再通过水冷换热降温至150～220℃后排放。

根据本发明的焦炉煤气高效预热方法的一个实施例，在所述对流预热处理和辐射预热处理之间，向焦炉煤气中加入积碳抑制剂和除碳剂。

根据本发明的焦炉煤气高效预热方法的一个实施例，所述积碳抑制剂为H₂S或二甲基二硫，其添加量为0.3～5wt‰；所述除碳剂为蒸汽，其添加量为3～15wt％。

本发明针对焦炉煤气进行高效预热，预热温度高；预热系统设备少，简单可靠、设备要求低、工艺先进、设备性能稳定且作业率高，基本可实现自动控制，劳动强度小、安全性高，可以实现连续稳定地工业化生产，并可以实现对焦炉煤气在高温下分解产生的积碳进行有效处理，保证焦炉煤气高效预热的同时有效除积碳，保证正常生产的需要。

本发明采用高温烟气或尾气对焦炉煤气进行预热，热源介质和待预热气体之间的温度差小，预热时间短、预热效果好，使高温烟气或尾气的显热得到充分利用，有利于实现热能的回收利用，节约能源；减少了高温烟气或尾气的冷却用水量，减少了能耗，节约了生产成本；通过在焦炉煤气中增加微量的积碳抑制剂和除碳剂，防止了焦炉煤气在高温下碳氢化合物分解形成积碳，保证了装置能长时间稳定运行；焦炉煤气的预热温度高，最高可预热至800～950℃；通过温度和压差控制以及切断阀的使用，有效预防了焦炉煤气泄漏引起爆炸和中毒的潜在隐患。预热的焦炉煤气量、焦炉煤气预热温度、预热用的高温烟气或废气量、预热用的高温烟气或废气温度均可实现自动调节，也可根据需要进行控制，适用范围广。

附图说明

通过下面结合示例性地示出一例的附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是本发明的焦炉煤气高效预热方法所使用的焦炉煤气高效预热装置的预热处理流程示意图。其中，实线代表烟气或废气的路径，虚线代表焦炉煤气的路径，点划线代表积碳抑制剂的路径，双点划线代表除碳剂的路径。

图2是本发明的焦炉煤气高效预热方法所使用的焦炉煤气高效预热装置的主要结构示意图。

附图标记说明：

1-焦炉煤气止回阀、2-快速切断阀、3-焦炉煤气流量计、4-焦炉煤气调节阀、5-对流预热室、6-辐射预热室、7-焦炉煤气、8-烟气或废气、9-水冷夹套管、10-烟气或废气调节阀、11-烟气或废气流量计、12-积碳抑制剂、13-除碳剂、14-积碳抑制剂加入口、15-除碳剂加入口、16-对流预热室顶盖、17-第一导流柱、18-1对流预热室的焦炉煤气入口、18-2-辐射预热室的焦炉煤气入口、19-清灰孔、20-测温测压孔、21-防爆孔、22-辐射预热室顶盖、23-第二导流柱、24-预热盘管、25-气体分布器、26-1-对流预热室的焦炉煤气出口、26-2-辐射预热室的焦炉煤气出口。

具体实施方式

在下文中，将结合实施例和附图详细说明本发明的焦炉煤气高效预热方法。

根据本发明示例性实施例的焦炉煤气高效预热方法，具体为：使用温度为1150℃以上的烟气或废气对焦炉煤气进行预热处理且使烟气或废气与焦炉煤气逆流换热，其中，预热处理包括顺序进行的对流预热处理和辐射预热处理，在对流预热处理之后，焦炉煤气被预热至500～600℃，在辐射预热处理之后，焦炉煤气被继续预热至800～950℃。

根据本发明，为了使焦炉煤气能够被高效快速地预热，高温的烟气或废气和焦炉煤气之间为逆流换热方式，也即烟气或废气的流动方向与焦炉煤气的流动方向是相对的或者说相反的，并且，烟气或废气与焦炉煤气不直接接触，这样可以减小热源介质和焦炉煤气之间的温度梯度差，增强预热效果，缩短预热时间。用于预热焦炉煤气的高温烟气或废气可以是燃烧产生的高温烟气，也可以是其它温度为1150℃以上的高温废气，以实现热能的回收利用，节约能源。优选地，烟气或废气的温度为1150～1300℃。

在本发明中，预热处理包括顺序进行的对流预热处理和辐射预热处理，其中，对流预热处理通过对流换热进行预热，可以使焦炉煤气的温度得到高效快速的提升，而辐射预热处理则通过辐射换热进行预热，进一步使焦炉煤气的温度升高至所需温度。由于气体的传热在高温时主要为辐射传热，低温时主要为对流传热，因此本发明将预热处理分为两个阶段后可以有效地控制焦炉煤气的预热温度，也可节省设备高度，减少设备的制作费用，并且对流换热后汇集可减少每条管线之间的气体温度差。

首先，常温的焦炉煤气与高温烟气或废气在对流预热处理过程中进行换热，之后焦炉煤气被预热至500～600℃，然后，在辐射预热处理过程之后，焦炉煤气被未经过对流预热处理过程的高温烟气或废气继续预热至800～950℃，整个热交换时间控制为0.5～5s。优选地，高温烟气或废气在辐射预热处理之后降温至700～850℃，在对流预热处理之后，700～850℃的高温烟气或废气降温至350～450℃。上述温度均可以根据使用要求进行具体调节，本发明不限于此。其中，使高温烟气或废气与焦炉煤气进行热交换后，温度从1150℃以上降至350～450℃，减少了高温烟气或废气的冷却用水量，减少了能耗，节约了生产成本。优选地，将对流预热处理之后的烟气或废气再通过水冷换热降温至150～220℃后再排放，以进一步达到排放标准。

在本发明的一个示例性实施例中，为了有效地防止焦炉煤气结焦对系统运行产生的影响，在对流预热处理和辐射预热处理之间，向焦炉煤气中加入积碳抑制剂和除碳剂，以抑制积碳发生和去除产生的积碳。优选地，积碳抑制剂为H₂S或二甲基二硫(CMDS)，其添加量为0.3～5wt‰，添加后对焦炉煤气的热值及还原性能均无影响。其中，若有些焦炉煤气中含有微量H₂S，则优选地在运行过程中可以不添加积碳抑制剂，但若预热其它气体如天然气或不含有H₂S的焦炉煤气，则可添加微量的上述积碳抑制剂，运行效果很明显。除碳剂为蒸汽，其添加量为3～15wt％，在高温条件下蒸汽和碳发生反应生成CO和H₂，因此蒸汽即能除去焦炉煤气中碳氢化合物和烷烃高温下分解产生的碳，同时又产生CO和H₂，不降低焦炉煤气的热值且不对焦炉煤气的使用性能产生影响。进一步优选地，在焦炉煤气温度超过650℃时加入所述除碳剂。

根据本发明，在焦炉煤气的预热过程中还可以通过采取以下三个措施确保工艺运行的安全性：

1)由于煤气经过预热后体积会发生膨胀，因此需要逐渐增大煤气预热过程中的压力；

2)在预热过程中调整烟气或废气使其中的氧气过量；

3)调整烟气或废气的风机频率，保证预热时烟气或废气压力低于焦炉煤气的压力，以防系统出现泄漏时能使泄漏的焦炉煤气能充分燃烧而不发生爆炸。

图1是本发明的焦炉煤气高效预热方法所使用的焦炉煤气高效预热装置的预热处理流程示意图。其中，实线代表烟气或废气的路径，虚线代表焦炉煤气的路径，点划线代表积碳抑制剂的路径，双点划线代表除碳剂的路径。图2是本发明的焦炉煤气高效预热方法所使用的焦炉煤气高效预热装置的主要结构示意图。如图1和图2所示，所述预热装置包括对流预热室5和辐射预热室6，对流预热室和辐射预热室均包括焦炉煤气入口、焦炉煤气出口、烟气或废气入口、烟气或废气出口，其中，对流预热室的焦炉煤气入口18-1通过预热盘管24与对流预热室的焦炉煤气出口26-1相连通，辐射预热室的焦炉煤气入口18-2通过另一侧预热盘管24与辐射预热室的焦炉煤气出口26-2相连通，则焦炉煤气7在预热盘管中流过对流预热室或辐射预热室并与反向流经对流预热室或辐射预热室的烟气或废气8进行热交换，并且预热盘管24为三组并流的盘管；对流预热室的焦炉煤气出口与辐射预热室的焦炉煤气入口通过焦炉煤气输送管连通，辐射预热室的烟气或废气出口与对流预热室的烟气或废气入口通过烟气或废气输送管连通，即焦炉煤气输送管与烟气或废气输送管彼此分隔设置，保证焦炉煤气与烟气或废气的单独流动；对流预热室的焦炉煤气入口与控制阀相连，以根据需要实现对焦炉煤气进入量的准确调节；对流预热室的烟气或废气出口与控制阀相连，以根据焦炉煤气进入量和焦炉煤气的温度实现对烟气或废气进入量的准确调节。

此外，本发明还可以在焦炉煤气入口18、焦炉煤气出口26以及对流预热室和辐射预热室的之间的焦炉煤气输送管、烟气或废气输送管处设置气体汇集管，以减少预热过程中产生的温度差，保证预热后焦炉煤气温度基本一致。并且，本发明还可以包括焦炉煤气测温测压装置和高温烟气或废气测温测压装置，当预热盘管小量泄漏时，煤气将会在预热室内燃烧，烟气或废气的温度将快速升高，则焦炉煤气测温测压装置和高温烟气或废气测温测压装置均会出现异常，因此可及时判断设备故障并做出相应处理，确保设备运行的安全性。

其中，对流预热室的焦炉煤气入口与焦炉煤气调节阀4、焦炉煤气流量计3、快速切断阀2和焦炉煤气止回阀1相连，当烟气或废气温度出现异常时，如热交换中或热交换后的烟气或废气温度高于烟气或废气入口处的温度，说明焦炉煤气可能存在泄漏，快速切断阀则自动将焦炉煤气切断；若焦炉煤气预热后的压力比焦炉煤气入口处的压力小，则说明焦炉煤气可能存在泄漏，快速切断阀也会自动将煤气切断，确保运行的安全性。其中，焦炉煤气调节阀与流量阀用于调整焦炉煤气流量，进一步的，焦炉煤气调节阀为电动调节阀，可实现自动调节。

对流预热室的烟气或废气出口与水冷夹套管9、烟气或废气调节阀10和烟气或废气流量计11相连，其中，水冷夹套管对烟气或废气进行进一步冷却，而烟气或废气调节阀和烟气或废气流量计同样用于调整烟气或废气流量，进一步的，烟气或废气调节阀液为电动调节阀，可实现自动调节。并且，上述对各控制阀的操作均可在中央控制室内完成，减少现场操作的危险性。

此外，焦炉煤气输送管上还设置有积碳抑制剂加入口14和除碳剂加入口15，以根据需要向焦炉煤气中加入积碳抑制剂12和除碳剂13。

如图2所示，所述预热装置还包括设置在对流预热室中的第一导流柱17，以及设置在辐射预热室中的第二导流柱23和气体分布器25，以增强烟气或废气与焦炉煤气的换热作用，保证烟气或废气与预热盘管24的有效接触，提高高温的烟气或废气热利用率，保证换热温度并实现高效预热。且辐射预热室和对流预热室内衬有耐火隔热层，使设备的外壳温度较低，从而对周边环境和配套设备均无影响。此外，本装置还可以包括清灰孔19、防爆孔21以及对装置进行包覆的对流预热室顶盖16、辐射预热室顶盖22等结构，且对流预热室顶盖16、辐射预热室顶盖22设计为活动且可单独拆卸的结构，以便于维护检修和换热原件的更换。

另外，由于焦炉煤气在预热盘管内流动且烟气或废气在预热盘管外流动，因此需根据气体的温度情况选择预热盘管的材质，以保证其使用寿命，例如对流预热室可选择普通不锈钢，如1Cr18Ni9Ti；辐射预热室可选择耐热不锈钢，如Cr25Ni20等，均为市场可随时采购的材料。

下面结合上述焦炉煤气高效预热装置来描述本发明的焦炉煤气高效预热方法，具体包括以下步骤：

首先，使常温的焦炉煤气进入对流预热室中，并通过调节焦炉煤气调节阀的开度根据需要控制其流量。并使高温的烟气或废气也进入预热装置中，焦炉煤气在对流预热室中与烟气或煤气进行逆流间接式换热，将焦炉煤气预热至500～600℃，同时700～850℃的烟气或废气降温至350～450℃。

在焦炉煤气进入对流预热室之后且进入辐射预热室之前，通过积碳抑制剂加入口14和除碳剂加入口15向焦炉煤气中加入积碳抑制剂(H₂S或CMDS，重量比为0.3～5％)和除碳剂(蒸汽，重量比为3～15％)。

之后，预热至500～600℃的焦炉煤气在辐射预热室继续与烟气或废气进行逆向间隔式换热，将焦炉煤气进一步预热至800～950℃(可根据使用要求进行调节)，烟气或废气则由1150～1300℃降至700～850℃。其中，烟气或烟气在气体分布器、第一导流柱、第二导流柱等元件的作用下充分与预热盘管接触，增强换热效果并保证换热温度。

经过对流预热室换热后的温度为350～450℃的烟气或废气再通过水冷夹套冷却至150～220℃后进行排放。

其中，对预热的焦炉煤气量、焦炉煤气预热温度、预热用的高温烟气或废气量、预热用的高温烟气或废气温度均可通过电动阀门实现自动调节，自动化程度高，运行安全可靠。

下面结合具体示例对本发明作进一步地说明。

以下两个示例具体为利用钛精矿生产人造金红石工艺的一部分，其中，钛精矿氧化改性后使用高温焦炉煤气还原，以便将改性后钛精矿中的Fe₂O₃还原成FeO，以提高钛精矿中杂质元素铁的去除率；焦炉煤气作为一种还原介质通入还原反应器中进行还原反应。因此，焦炉煤气在还原反应器中既要保持良好的还原性气氛，同时又要保证还原反应的温度，因此要求对参与反应的焦炉煤气进行预热。

示例1：

如图1所示，依次打开焦炉煤气止回阀、快速切断阀、焦炉煤气调节阀，通过控制焦炉煤气调节阀开度调整需预热的焦炉煤气量，将焦炉煤气调节阀的开度控制在60％，焦炉煤气的通入量为120±10Nm³/h；利用燃烧室产生的高温尾气对焦炉煤气进行预热，高温尾气的温度为1230±10℃，通过调整尾气调节阀的开度控制预热用的尾气量，尾气调节阀的开度控制在30％，尾气的通入量控制在350±50Nm³/h。进入预热装置前，焦炉煤气的温度检测为35℃，化学成分参见表1所示。焦炉煤气通过对流预热室进行热交换后，温度上升至565～600℃，然后向焦炉煤气中加入蒸汽3～3.5Kg/h，焦炉煤气继续进入辐射预热室进行热交换，焦炉煤气进一步预热至865～880℃，预热后焦炉煤气的化学成分也参见表1，其中，本示例的焦炉煤气含有微量H₂S。

通过对比焦炉煤气预热前后的成分可知，其有效成分基本一致。通过对流预热室中的换热后，尾气的温度降至360～382℃，再通过水冷夹套将烟气冷却至150～155℃后外排。在预热装置连续稳定运行30天后，停止运行并拆下预热盘管观察，基本无积碳，验证了蒸汽除积碳的可行性。

表1示例1中预热前后的焦炉煤气化学成分(wt％)

示例2：

如图1所示，依次打开焦炉煤气止回阀、快速切断阀、焦炉煤气调节阀，通过控制焦炉煤气调节阀开度调整需预热的焦炉煤气量，将焦炉煤气调节阀的开度控制在70％，焦炉煤气的通入量为150±10Nm³/h；利用燃烧室产生的高温废气对焦炉煤气进行预热，高温废气的温度为1250±10℃，通过调整废气调节阀的开度控制预热用的尾气量，废气调节阀的开度控制在45％，废气的通入量控制在550±50Nm³/h。进入预热装置前，焦炉煤气的温度检测为35℃，化学成分参见表2所示。焦炉煤气通过对流预热室进行热交换后，温度上升至575～610℃，然后向焦炉煤气中加入蒸汽3～4.5Kg/h，焦炉煤气继续进入辐射预热室进行热交换，焦炉煤气进一步预热至885～900℃，预热后焦炉煤气的化学成分也参见表1。其中，本示例的焦炉煤气含有微量H₂S。

通过对比焦炉煤气预热前后的成分可知，其有效成分基本一致。通过对流预热室中的换热后，废气的温度降至360～398℃，再通过水冷夹套将烟气冷却至150～155℃后外排。在预热装置连续稳定运行90天，停止运行并拆下预热盘管观察，基本无积碳，验证了蒸汽除积碳的可行性。

表2示例2中预热前后的焦炉煤气化学成分(wt％)

综上所述，本发明的优点在于：(1)利用燃烧产生的高温烟气或废气，对焦炉煤气进行预热，充分利用了烟气或废气的显热，节约能源；(2)高温烟气或废气和焦炉煤气逆流换热，分段对焦炉煤气进行预热，实现了焦炉煤气的高效预热；(3)针对焦炉煤气高温预热过程中产生的积碳进行了有效抑制，同时在焦炉煤气预热过程中添加除碳剂和/或积碳抑制剂，消除了焦炉煤气预热过程中积碳的不良影响；(4)通过煤气预热过程中的压力变化，保证煤气预热过程中的安全性，防止煤气泄漏引起的爆炸和中毒危害，确保煤气预热系统能够连续稳定长期运行。

本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种变形和修改。

Claims

1.一种焦炉煤气高效预热方法，其特征在于，使用温度为1150℃以上的烟气或废气对焦炉煤气进行预热处理且使烟气或废气与焦炉煤气逆流换热，其中，预热处理包括顺序进行的对流预热处理和辐射预热处理，所述预热处理在预热装置中进行，所述预热装置包括顺序连接的对流预热室和辐射预热室，所述对流预热室和辐射预热室中均设置连通焦炉煤气入口和焦炉煤气出口的预热盘管，所述焦炉煤气在预热盘管中流过对流预热室或辐射预热室并与反向流经对流预热室或辐射预热室的烟气或废气进行对流预热处理或辐射预热处理，在对流预热处理之后，焦炉煤气被预热至500～600℃，在辐射预热处理之后，焦炉煤气被继续预热至800～950℃，并且，在所述对流预热处理和辐射预热处理之间，向焦炉煤气中加入H₂S或二甲基二硫作为积碳抑制剂并加入蒸汽作为除碳剂。

2.根据权利要求1所述的焦炉煤气高效预热方法，其特征在于，在辐射预热处理之后，烟气或废气降温至700～850℃，在对流预热处理之后，烟气或废气降温至350～450℃。

3.根据权利要求2所述的焦炉煤气高效预热方法，其特征在于，所述方法还包括将对流预热处理之后的烟气或废气再通过水冷换热降温至150～220℃后排放。

4.根据权利要求1所述的焦炉煤气高效预热方法，其特征在于，所述H₂S或二甲基二硫的添加量为0.3～5wt‰，所述蒸汽的添加量为3～15wt％。