0 引 言

近年来，我国年产焦炭4亿t以上[1-3]，共消耗约3 900万t标准煤热量，在焦炭生产过程中从焦炉炭化室逸出的粗煤气温度高达650 ℃～850 ℃，带出的热量占向焦炉输入热量的30%～36%[4-5]，目前粗煤气在大多数焦化企业中并没有得到有效利用.工艺要求在上升管桥段喷洒氨水以降低粗煤气温度，再经初冷器冷却至25 ℃左右，此工艺不仅浪费了大量高品质热能，还消耗了大量的氨水和水资源，增加了电力和污水处理的负担[6]，同时由于高温热应力导致上升管变形及腐蚀等，上升管需不定期进行更换.近年来在节能减排和市场效应的影响下，对上升管粗煤气显热的利用逐步受到重视，有研究者进行了有效探索，但有效回收粗煤气余热仍存在诸多问题，其中最大的壁垒是取热温度范围窄[7].实验表明，如果上升管粗煤气温度低于446 ℃，将会出现焦油凝结问题，高于800 ℃又会积碳，造成上升管通流断面面积逐渐缩小而影响正常的生产[5]，所以为保证焦油不在上升管中冷却析出，取热温度需不低于500 ℃，因此实际取热温度在250 ℃左右，此外上升管取热面积及热流密度有限，一定流量和流速条件下，粗煤气通过辐射和对流换热经管壁的有效取热量较小[8].李惠莹等[1]总结梳理了国内外为解决该项技术困难在粗煤气理化特性及其余热回收技术方面的研究现状，目前粗煤气显热回收技术主要是换热技术和热解转化技术.上升管筒体属压力容器，存在焊缝炸裂、漏水和漏汽等安全问题，部分使用了某种粗煤气余热回收吸热装置的企业或因为漏水、漏汽、上升管更换频繁等原因放弃使用，因此，必须严格按照蒸气锅炉的规定来设计、加工、安装，至今仍无成熟可靠稳定的应用实例.本研究设计了一种上升管粗煤气余热回收吸热装置，其技术特征以高强度对流传热为主导，解决了粗煤气低温冷凝的技术难题，在不影响焦化厂正常运行的前提下可最大限度地回收利用余热，将高温粗煤气的热量通过余热回收吸热装置传递给水并生成过热蒸汽，产生的蒸汽并网供其他工艺生产使用，对邯郸某焦化厂的一座焦化炉进行测试研究，其中9支普通上升管更换为上升管余热回收吸热装置，并利用自动控制技术对装置的运行过程进行检测和控制.

1 上升管余热回收吸热装置的关键技术

粗煤气上升管余热回收吸热装置是以高强度传热为核心技术主导开发的特种换热设备，需合理设计上升管内侧管壁与传热器件之间的结构关系，同时兼顾桥管段的二次换热，使粗煤气上升管余热回收吸热装置既具有上升管输送高温粗煤气的功能，也具有能量回收的功能，在保证正常炼焦制气生产工艺和安全生产的前提下，能最大限度地利用焦炉粗煤气余热产生蒸汽.

其中，NFsys为电路的整体噪声系数，NF1为第一级放大器的噪声系数，G1为第一级放大器的增益，NF2为第二级放大器的噪声系数。因为在实际的电路设计中，第一级放大器的设计对整体电路的噪声系数影响最大，需要尽可能的降低第一级放大器的噪声系数，同时提高第一级放大电路的增益，从而改善整体电路的噪声特性。

上升管余热回收吸热装置是以将常温软水吸热蒸发后转化为蒸汽的形式回收粗煤气显热，整个汽水循环系统及其检测仪表按余热锅炉的要求严格设计，每根上升管相当于余热吸热系统的局部蒸发器，采用整体无缝钢管，满足锅炉压力容器设计及制造要求，严格按锅炉压力容器国家规范(TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》)检验，以保证系统的安全运行，且不出现漏水和漏汽现象.上升管余热回收吸热装置采用特殊的高强度复合金属纳米材料作为导热内衬.上升管余热回收吸热装置结构(未含内衬)见图1.利用该特种材料和吸热装置结构可使传热条件发生变化，当粗煤气温度高于500 ℃时，表现为热的良导体，实现了高强度传热的目的，当粗煤气温度低于500 ℃时，导热内衬的导热率迅速下降，表现为热的不良导体.导热内衬成为结焦控制的“温度开关”，通过特殊的取热方法，既能最大限度地传热，又不至于把壁面温度降到粗煤气馏分的凝析温度以下，实现了粗煤气传热的动态自我调控.这种导热内衬的传热特性还缓解了上升管的酸碱腐蚀，同时导热内衬减弱了粗煤气温度频繁升降产生的热应力对上升管的变形影响，其厚度和密度能耐高温，防止出现漏汽和漏水现象而损坏焦炉.

  

图1 上升管余热回收吸热装置结构Fig.1 Constructional detail of riser waste heat recovery endothermic device1—Inner cylinder；2—Thermal plate；3—Heat exchange cavity；4—Outlet and flange；5—Cylinder flange；6—Inlet and flange；7—Outer cylinder；8—Insulation material (aluminum silicate felt)；9—Metal protective shell

上升管余热回收吸热装置中的导热内衬对粗煤气的取热温度有控制能力，在中试试验中利用粗煤气在结焦周期中的温度变化检测其温度控制能力.在上升管余热回收吸热装置的上下法兰(如图1中5所示)近壁筒处设置温度传感器，在吸热装置的出水接管(如图1中4所示)和回水接管(如图1中6所示)外壁设置温度传感器，观察在粗煤气不同温度时的传热温差.图2a所示为在一个结焦周期内上下法兰的温度变化，图2b所示为吸热装置进出水的温差变化曲线.

  

图2 上升管余热回收吸热装置测点温度变化曲线Fig.2 Measuring point temperature curves of riser waste heat recovery endothermic devicea—Temperature change curves of upper and lower flange during a coke cycle；b—Inlet and outlet temperature difference curve of endothermic device

在结焦周期的初期，温度急剧升高至700 ℃以上，在中后期及后期焦炭逐渐成熟，粗煤气的产量和温度逐渐降低.在焦炉实际产焦过程中，粗煤气温度低于500 ℃的时间并不长，测试发现在结焦初期和中后期粗煤气侧进出口温差较小，循环水侧换热温差也随粗煤气散热量增加(减少)而升高(降低)，结合图2可知，当温度低于500 ℃时换热强度明显下降，可以判断吸热装置能起到对取热温度的控制作用.

2 粗煤气余热回收系统的工艺流程

按每加工吨干煤可回收粗煤气余热量2.10×105 kJ、成焦率0.75计算[10]，则吨焦炭可回收粗煤气余热为2.80×105 kJ.每孔炭化室出焦计为15 t，年产焦炭60万t，全年可回收粗煤气余热资源为1.668×1011 kJ，焦炉煤气折标准煤系数为0.571 4～0.614 3 kg标准煤/m3，相当于15.54万t标准煤.

3 余热回收能效测评

3.1 工程概况

将上升管粗煤气余热回收系统搭建在某焦化厂60万t焦化炉上，该焦化炉共112根粗煤气上升管，生产工艺采用9-2串序的推焦方式，以每8根或9根上升管分成一组为一个单元，共分13组，按系统工艺流程改造其中一组(9根)进行实验测试并分析，图3所示为中试试验平台.改建时在推焦前2 h拆除焦炉原有上升管，更换为余热回收吸热装置，实验主要考查吸热装置的温度调控能力、换热效果(即蒸汽量和热能有效转移效率)、内壁结焦及漏水情况.

  

图3 上升管粗煤气余热回收吸热装置中试试验台Fig.3 Test bench for crude gas waste heat recovery endothermic device

3.2 余热资源估算

依照粗煤气物理化学特性，粗煤气潜热、显热与对应组分的质量分数、温度以及定压比热容和气化潜热有关，由于粗煤气中每种组分的质量、体积及温度等数据都不易得到，煤质不同时其质量分数和体积分数都有所变化，计算相对繁琐，实际过程中用式(1)估算粗煤气的显热量：

式中：η为有效换热效率，%.计算得到实验测试期间生产2 970 t焦炭回收的有效热量为4.93×108kJ，上升管余热回收吸热装置的有效换热效率为79.16%.

Q*=Vcvt1

(1)

式中：Q*为粗煤气的估算显热量，kJ；V为单位质量(kg)干煤的产气量，该值受煤质、焦化工艺等因素影响，具体由实验测定，m3；cv为粗煤气的定容比热容，kJ/(m3·℃)；t1为上升管入口的平均温度，℃.

依据生产经验，假设每吨干煤粗煤气发生量[9-10]为340 m3，上升管粗煤气入口温度在700 ℃～990 ℃[11]，取粗煤气入口平均温度为800 ℃，500 ℃时粗煤气的定容比热容为1.648 kJ/(m3·℃)，800 ℃时粗煤气的定容比热容为1.801 kJ/(m3·℃)[12]，故每生产1 t焦炭就会浪费4.90×105 kJ显热量.

可回收粗煤气余热为：

 

(2)

式中：为可回收余热，kJ；Vm为m吨干煤产煤气量，m3；t2为上升管出口的平均温度，℃.

粗煤气余热回收系统主要包括：上升管粗煤气余热回收吸热装置、汽水分离装置(汽包)、全自动软水系统(钠离子软化器及软化水箱)、补水泵和连接管道、供配电和监控设施等部分.余热回收系统由上升管余热回收吸热装置和汽包组成闭合循环回路，随着蒸汽的排出，由缓冲水箱通过补水泵向汽包补水，其工艺流程为：经处理的软化水从缓冲软水箱中由高压补水泵送入汽包，与汽包中的饱和水混合成过冷水；在汽包与换热装置之间设置若干下降水管与上升汽管，过冷水通过下降水管进入吸热装置吸收粗煤气的显热，一部分水在吸热装置中汽化成蒸汽，大部分水被加热成饱和水；蒸汽与饱和水的混合物由吸热装置的上升汽管压送入汽包进行汽水分离，分离出的饱和蒸汽通过厂区蒸汽管网供给其他工艺生产使用，饱和水与补充的软化水混合后参与下一次循环，另外在下降水管与上升汽管之间设置两组集气管和分水管以起到掺混均匀的作用.

3.3 实验数据及分析

测试采用PLC自动控制系统自动采集数据，温度测定采用Pt100铂热电偶，压力检测采用智能型压力变送器，压差检测采用智能型压差变送器，汽包水位和软水箱水位测定采用双色平板液位计，流量检测选用电磁流量计，调节阀选用电动型产品.系统中吸热装置和汽包工作压力为0.7 MPa，工作温度为169.6 ℃，设计压力为0.77 MPa，因施工焊接水平导致管接口不牢固，避免引起安全故障，将蒸汽压力调到适中状态，故本次实验吸热装置和汽包压力控制为0.4 MPa左右，通过电动流量阀自动调节开度使汽包内蒸汽压力保持恒定.

实验中的余热回收系统带压运行，系统中产生的蒸汽和热水泄露都会产生危险，系统中的吸热装置和汽包的最大承压能力为1.2 MPa，当汽包压力大于其工作压力0.7 MPa时，安全放散阀自动泄压，其他系统部件出现故障则自控系统自动报警.

九曲蒋家208断裂总体倾角30°，2号主矿体与其产状基本相似，向深部愈加富集，局部倾角由陡变缓的地段往往是厚大矿体赋存位置，这也符合胶西北大型控矿断裂变缓控矿的规律[16-19]。

根据估算，2 970 t焦炭可回收的粗煤气余热量为6.23×108 kJ，其中转移到蒸汽的热力学能由式(3)计算：

U=mqcp(tg-tw)+mqγ

(3)

苏婷婷在前面，杰克跟在后面，杰克不解地：婷婷，你听我说，我没想到会是这样。苏婷婷面无表情：我说过了，你这一套对付我可以，对付我爸不行！杰克耸耸肩：我搞不明白？难道你不是你爸生的？苏婷婷停下来，转过身无奈地：杰克，要不咱们分手吧？杰克愣了，严肃地摇着头：N O N O!婷婷，我爱你，真的爱你！用中国话说，海枯石烂！天长地久！在天愿作比翼鸟，在地还作比翼鸟。说着，他伸开胳膊，做出飞鸟状。苏婷婷上前搂住他的脖子，杰克顺势把她抱起来，向前跑去：咱们飞了！

图4所示为测试周期内蒸汽温度变化，汽包内的蒸汽温度在135 ℃～150 ℃之间变化，表明吸热装置工况相对稳定.由于汽包流量靠蒸汽出口的电磁阀阀门开度来调节[13]，故汽包的压力为0.4 MPa.为方便计算，假设换热循环压力为0.4 MPa，则饱和水的温度为143.642 ℃，蒸汽的汽化潜热为2 133.6 kJ/kg[14]，0.4 MPa时饱和水的定压比热容为4.279 kJ/(kg·℃)[15]，补水温度平均按25 ℃计算，得每产生1 t焦炭可回收到蒸汽的热力学能为1.66×105 kJ.

  

图4 一个完整结焦周期内3只上升管(1#，2#，5#)的出汽温度变化Fig.4 Vapor temperature change of three risers (1#,2#,5#) during a complete coke cycle□—1#；○—2#；△—5#； —Temperature line of saturated water

为研究吸热装置及其系统的换热效果，用蒸汽量和热能有效转移效率来表征.在余热回收系统中产生的蒸汽量等于未饱和水的消耗量，粗煤气中已被回收的总热量中一部分转移为蒸汽的热力学能，另一部分通过吸热系统散失.实验中9根上升管对应的炭化室各自连续生产焦炭，产焦周期间的推焦和装煤时间均在2 h左右，但炭化周期和步调不一致，在余热回收系统搭建完成并安全试压检测后分别进行了19个～24个产焦周期(约1月)，数据处理时假设燃烧室对应的上升管吸热装置蒸汽的产量相同，炼焦煤质稳定，且炭化周期内粗煤气流量均匀，每孔炭化室出焦15 t，则共计出焦2 970 t，测试期间电磁流量计变化量为186.74 m3，故吨焦蒸汽量为62.88 kg，据此可以反映上升管吸热装置的热回收能力.

3.4 系统热回收效率及结焦状况

整个余热回收吸热装置除上升管余热回收吸热装置外壁设置保温材料外，其余系统构件考虑到安全和漏汽检查则未包附保温材料，因此，余热回收吸热装置本身还存在热量损失，将回收的热量又释放到大气环境中，一部分损失主要是经换热装置后的气液混合物在集汽管、分水管、汽包等附属管段上的对流换热损失，另一部分是余热回收吸热装置外壁的导热和热对流的能量损失.

在骨折患者X线平片检查的过程中，各方一定要密切配合，结合临床实际，采取适当的防控措施，减少漏误诊现象的发生，提高X线平片诊断的正确性。

式中：U为蒸汽的热力学能，kJ；mq为蒸汽的质量，kg；cp为液态水的定压比热容，kJ/(kg·℃)；tg为饱和液态水的温度，℃；tw为补水的温度，℃；γ为蒸汽的汽化潜热，kJ/kg.

 

(4)

1.2.1.1 护士方面:宣教不到位;危重患者较多,使用仪器设备多,工作量大,对病房管理难以面面俱到;病房管理上做的不细,经不起检查;思想不活跃,创新意识不强。而且职责不明确,对于病房管理,仅限于应付检查,各层级人员坚持不够,思想上不够重视,管理不到位。

上升管余热回收吸热装置的有效换热效率定义为单位时间产生单位质量的焦炭，通过上升管余热回收吸热装置产生的蒸汽的热力学能与可回收的粗煤气余热量之比：

在系统测试结束后，打开2#和5#上升管上部桥管观察吸热装置内壁的结焦状况，导热内衬内壁未出现焦油凝结析出和结焦，刮铲内壁有少量的松散沉积物颗粒.

与地志相比，陆游感悟式的概括虽非推理性论证，却有着诗人的亲历亲证与直观领悟；其艺术性的描绘虽非绘图般真实，却优雅地传达出山水的姿态、物产的美感、习俗的特性、史迹的遗存，令人感同身受；其情绪化、个性化的书写让人在地域文化书写中时时看得到陆游的多种形象与精神风貌。

4 结 论

1) 上升管粗煤气余热回收吸热装置利用特殊的高强度金属纳米材料作为导热内衬，改进传热过程以增加焦炭工艺流程中热回收效率，提高了出汽率，通过测试得到进出口水的温差和吸热装置上下法兰的温度变化，可以佐证导热内衬成为结焦控制的“温度开关”，即粗煤气的温度发生变化时，导热内衬的传热能力以500 ℃为界表现为热的良导体和不良导体.

2) 本研究设计的上升管粗煤气余热回收吸热系统通过在焦化厂的工业实验测试，测试期间生产2 970 t焦炭可以回收有效热量4.93×108 kJ，并计算出上升管余热回收吸热装置的有效换热效率为79.16%，年节能量为1.668×1011 kJ，相当于15.54万t标准煤.

3) 在焦化工业中使用这种上升管粗煤气余热回收吸热装置可以避免上升管的筒体结焦，确保焦炭工艺安全生产，吸热装置的自动化运行可减少焦化余热回收流程中的人员投入，确保在最小管理运行费用下得到最大回收率.

致 谢 本研究的吸热装置由中国矿业大学(北京)科技园与中国科学院工程热物理研究所传热传质研究中心共同研发，知识产权(专利)属北京矿大能源安全科技有限公司所有，感谢吕向阳工程师和邯郸金华焦化厂技术员对测试的技术支持和帮助.

①现浇混凝土板:混凝土设计龄期的抗压强度、抗冻、抗渗检测均应满足设计要求；避开高温、负温、多雨、大风的天气条件浇筑。砂石骨料应严格控制含泥量，石料中含泥量不应高于1%，砂料中含泥量不应高于3%，并不得含有黏土团块；混凝土拌和要严格按照事前批准的试验配合比执行；施工过程中应对混凝土坍落度每4小时检测1～2次，混凝土坍落度严格控制在允许坍落度4～6 cm以内；混凝土摊铺要均匀，振捣要密实，表面要平整光洁。

参 考 文 献

[1] 李惠莹，王 浩，金保昇.焦炉荒煤气余热回收技术现状与应用前景分析[J].冶金能源,2017,36(5):46-49.

LI Huiying,WANG Hao,JIN Baosheng.Analysis of the Present Situation and Application Prospect of Coke Oven Gas Sensible Heat Recovery Technology[J].Energy for Metallurgical Industry,2017,36(5):46-49.

[2] 杨东伟，郁鸿凌，惠建明，等.荒煤气上升管余热回收装置的传热实验研究[J].煤炭转化,2015,38(2):58-61.

YANG Dongwei,YU Hongling,HUI Jianming,et al.Heat Transfer Experimental Study on Waste Heat Recovery Device of Coke Oven Gas[J].Coal Conversion,2015,38(2):58-61.

[3] 程正载，龚 凯，王 洋，等.6 m焦炉热平衡计算与节能降耗分析[J].工业炉,2013,35(6):27-31.

CHENG Zhengzai,GONG Kai,WANG Yang,et al.Heat Balance Calculation and Energy-saving Analysis on 6 m Coke Oven[J].Industrial Furnace,2013,35(6):27-31.

[4] 丰恒夫.炼焦荒煤气余热回收任重道远[N].中国冶金报,2010-09-09(C02).

FENG Hengfu.Waste Heat Recovery of Coking Waste Oven Gas Has a Long Way to Go[N].China Metallurgical News,2010-09-09(C02).

[5] 丰恒夫，郑文华.焦炉荒煤气显热回收技术的研发及应用[J].河北冶金,2016(6):1-5.

FENG Hengfu,ZHENG Wenhua.Development and Application of Sensible Heat Recovery Technique for Coke Oven Gas[J].Hebei Metallurgy,2016(6):1-5.

[6] 张欣欣，张安强，冯妍卉，等.焦炉能耗分析与余热利用技术[J].钢铁,2012,47(8):1-4.

ZHANG Xinxin,ZHANG Anqiang,FENG Yanhui,et al.Energy Consumption Analysis and Technologies of Waste Heat Utilization for Coke Oven[J].Iron and Steel,2012,47(8):1-4.

[7] 张 政，郁鸿凌，杨东伟，等.焦炉上升管中荒煤气余热回收的结焦问题研究[J].洁净煤技术,2012,18(1):79-81.

ZHANG Zheng,YU Hongling,YANG Dongwei,et al.Analysis on Problems of Deposited Graphite in Ascension Pipe of Coke Oven During Coke-oven Gas Heat Recovery[J].Clean Coal Technology,2012,18(1):79-81.

[8] 姚礼鹏.炼焦荒煤气上升管余热回收研究[D].邯郸：河北工程大学,2016.

YAO Lipeng.The Research on the Recovery of Waste Gas from Coking Raw Gas[D].Handan:Hebei University of Engineering,2016.

[9] 崔咏梅，李 超.浅议影响煤气发生量的因素[J].燃料与化工,2003,34(2):70-71.

CUI Yongmei,LI Chao.Discussion on the Influencing Factors of Gas Occurrence Amount[J].Fuel and Chemical Processes,2003,34(2):70-71.

[10] 杨邵鸿，杨永旭，张树胜，等.顶装焦炉改捣固可行性分析[C]∥中国金属学会.2007中国钢铁年会论文集.北京：冶金工业出版社,2007.

YANG Shaohong,YANG Yongxu,ZHANG Shusheng,et al.The Feasibility Analysis of the Top Charging Coke Oven Changing the Stamping One[C]∥The Chinese Society for Metals.Proceedings of the 2007 Annual Meeting of China Iron and Steel.Beijing:Metallurgical Industry Press,2007.

[11] 马庆磊.焦炉用上升管换热器余热回收中试研究[J].中国高新技术企业,2016(17):83-84.

MA Qinglei.Pilot Study on Waste Heat Recovery of Riser Heat Exchanger for Coke Oven[J].China High-tech Enterprises,2016(17):83-84.

[12] 岳益锋，张忠孝，胡广涛.焦炉荒煤气物性参数的研究[J].洁净煤技术,2012,18(4):61-64.

YUE Yifeng,ZHANG Zhongxiao,HU Guangtao.Thermophysical Properties of Coke Oven Gas[J].Clean Coal Technology,2012,18(4):61-64.

[13] 严文福，郑明东.焦炉加热调节与节能[M].合肥:合肥工业大学出版社,2005.

YAN Wenfu,ZHENG Mingdong.Coke Oven Heating Regulation and Energy Saving[M].Hefei:Hefei University of Technology Publishing House,2005.

[14] 严家马录，余晓福，王永青.水和水蒸气热力性质图表[M].第2版.北京:高等教育出版社,2003:10-16.

YAN Jialu,YU Xiaofu,WANG Yongqing.Charts of Thermodynamic Properties of Water and Steam[M].2nd Edition.Beijing:Higher Education Press,2003:10-16.

[15] 陈则韶.高等工程热力学[M].第2版.合肥:中国科学技术大学出版社, 2014:564-565.

CHEN Zeshao.Advanced Engineering Thermodynamics[M].2nd Edition.Hefei:China University of Science and Technology Press,2014:564-565.

“玩阴术”表面隐晦莫测，其实不堪一击，乃典型的“见光死”。无论是政府机构还是各行各业乃至民间交往，只要一切事务均在法规之下公然运作，堵塞“暗箱操作”“私相授受”漏洞，履行各类监督机制，建立各类诚信档案，使违法违规者付出相应代价——“玩阴术”自然会失去滋生的土壤和疯长的空间。