焦炉热损失之＂废气热损失＂

1、概述

依据热力学第一定律我们知道能量是守恒的不生不灭的；依据热力学第二定律我们知道第一类和第二类永动机是不可能实现的——>即能量转化是有效率的是不可能100%转化为有用功的是需要付出代价的。

焦炉是复杂的热工窑炉，实现热能（化学能）的转化。根据生产实践和理论计算表明焦炉的热效率普遍在～70%，大约有～30%的能量损失掉啦，其中焦炉烟气的热焓损失～20%；焦炉及附属设备表面热焓损失～10%。

鉴于热力学基本理论，焦炉的热焓损失是不可避免的。这里讨论的目的是焦炉的热焓损失是否合理以及如何优化设计和改善操作以降低焦炉的热焓损失。本文主要讨论焦炉烟气热焓损失的设计因素和操作因素。

2、焦炉现状和演进

个人认为真正的现代炼焦技术起源于德国。19世纪初德国OTTO博士开创性的将蓄热室成功应用于焦炉烟气余热的回收，实现了焦炉烟气余热的高效回收和利用，自此以后国际上虽然出现了很多焦炉炉型，但是焦炉炉体的基本架构没有任何变化。这与图灵的计算机基本架构——图灵机可有一比。因OTTO博士的杰出贡献，焦化企业有了大量的煤气富余，实现了炼焦工业向化工方向（主要是城市煤气和初级化工原料）的转变。

焦炉基本架构确定后，焦炉炉体设计的主要目的就是不断优化焦炉的温度场，尽量回收烟气热焓。最初的思路就是不断的改善蓄热室结构，选择优良的蓄热材料，增大蓄热面积，提高冲刷系数（实质是增加烟气与蓄热材料的接触时间和减少气流偏析）以及改善烟气流动增加对流和辐射传热系数等。截止目前上述措施还在不断的进步并且极大地实现烟气余热的回收利用效率，但是上述措施受到经济技术指标和传热推动力的技术指标等限制，继续进步的空间有限（后续讨论）。

综上所述，目前的技术条件、设计水平和材料科学制约了焦炉烟气热焓进一步回收的可能（焦炉结构精益设计和创新的空间）。焦炉的温度场基本稳定，特别是排出焦炉的烟气温度稳定在300～450℃左右。

3、焦炉烟气排出系统

焦炉系统的设计充分利用了流体力学的基本原理，利用高温烟气的浮力（因密度差而产生压差）实现了燃烧系统流体流动和废气的导出而不需要外加动力源如风机等。

为实现烟气的连续稳定导出需要烟囱根部有足够的吸力以克服焦炉炉体内部阻力和烟气导出系统自身阻力，因此必须保证烟气具备一定的温度以实现烟囱内外密度差而产生热浮力。烟气温度越高产生的热浮力越大，越有利于降低烟囱高度，但是烟气中含有少量酸性气体如SO2，CO2，NO2等和大量的H2O，根据亨利定律和拉乌尔定律（气液两相相图），酸性气体使烟气的露点提高（标准态下水蒸汽露点100℃），根据经验和计算焦炉烟气的酸露点～120℃。当烟囱出口烟气温度低于酸露点时，酸性气体溶解在水中形成酸性溶液腐蚀烟囱内衬和附属设施。

综上所述，焦炉烟气导出系统的设计应采取保温措施和防漏措施并减少烟道和烟囱的表面热损失，另外设计中焦炉烟囱出口的烟气温度除了要求不低于酸露点以外，还要考虑炉龄增加、气候及季节变化和烟囱高度（经济技术指标）等因素，适当提高烟囱出口烟气温度。根据经验，设计时烟囱出口烟气温度为：酸露点+30℃≈150～160℃。根据以上考虑及计算烟气在总烟道内的温度～235℃（燃用高炉煤气时）。

4、焦炉烟气余热利用

根据前述，焦炉系统的温度场在设计阶段就已经确定（实际生产变化不大），因此基于气液两相强迫换热的余热利用技术值得商榷。需要根据余热利用系统的投入（投资+运行成本）/产出比综合权衡。

随着材料科学的技术进步，各种储热材料不断出现，其中利用材料相变实现余热利用的技术值得关注。

5、焦炉生产操作

为保证供入焦炉的燃料完全燃烧，实际供入焦炉的空气量（氧气量）高于燃料按照化学当量比燃烧时所需的氧气量即空气过剩系数。根据实践一般工业窑炉燃烧的空气过剩系数在1.10～1.25之间。增加空气过剩系数虽然可以保证燃料完全燃烧，但是增加了废气量即增加了废气带走的热焓，造成热量的损失。因此生产中在保证燃料完全燃烧的前提下，降低空气过剩系数（烟气中氧含量），可以达到节能的效果。

6、结论

综上所述，为降低焦炉烟气热焓损失需采取措施如下：

?? 精益设计

?? 创新设计

?? 新型材料

?? 优化操作

?? 智慧焦炉

2018年2月10日

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