本发明涉及炼焦炉煤气的回收，属于焦化产业节能环保技术领域，具体地涉及一种焦炉煤气分质回收利用方法。
背景技术
焦化厂炼焦生产实际上是典型的能源再加工和热能的回收再利用过程,焦炭和炼焦煤气是其主要的能源产品。焦炭生产过程中，配合煤在焦炉中被隔绝空气加热干馏，生成焦炭的同时产生大量的荒煤气。
荒煤气在煤气风机的抽力作用下，在炭化室顶部汇合，流经上升管、弯头和桥管后，被喷入的氨水冷却进入后续煤气净化系统。
对单个炭化室来说，荒焦炉煤气的产生可分为两个阶段：
首先，煤组分在达到约500℃时分解产生最初产物；
其次，最初产物热解生成最终产物。
泽林斯基等认为挥发份开始析出，也是煤结构开始破坏，这与其煤化程度有关，炼焦煤开始分解的温度一般在300℃左右。严格来说，气体和蒸气在炭化室装煤时就已开始出现，通过装煤孔冒出的烟气，主要由水蒸汽、焦油物和煤尘组成。最先从靠近炉墙的湿煤蒸发出水分，水分的蒸发在105～110℃时结束。
在温度100～200℃范围，从煤中挥发出的气体，主要由甲烷、二氧化碳和氮构成，水是这阶段的主要产物，但很难确定何时终结分出吸附水，开始形成热解水。
温度高于200℃时，除热解水外，开始生成分解产物，首先是含氧化物(以腐植酸为主)受到分解，析出一氧化碳和二氧化碳，并转变为高级酚。这一过程一般在205～350℃之间完成(对焦煤约在400℃)，析出5～10％的气体(由入炉煤的性质决定)。
在温度升高时，煤物质继续分解，炼焦过程进入一次产物(主要是一次焦油)分出最多时期(塑性阶段)，这一时期在温度500～550℃结束，煤经过塑性状态开始形成半焦。在此期间产生40～50％焦炉煤气，其成分以甲烷含量高(≤60％)和氢含量低(≤20％)为特征。
煤从500℃加热到800℃时，均匀地分出含富氢的煤气，此时氢的体积达到45％。一次焦油遭到分解，并产生比较低的饱和及不饱和碳氢化合物，例如乙烷、乙烯和乙炔。不饱和碳氢化合物闭合，生成六角环，通过脱氢产生芳香碳氢化合物，如苯、甲苯和二甲苯。
700～800℃温度对产生最有价值的芳香碳氢化合物来说是最适宜的温度范围。
温度高于700℃时，开始生成多环芳香碳氢化合物(萘、蒽)，其数量随温度增加而增加，氢数量也增加，产生的芳香碳氢化合物，首先是有侧链的化合物，开始分解和减少，含氧化合物继续受到分解，由高级酚产生低级酚，低级酚进一步分解为一氧化碳和二氧化碳及低级碳氢化合物。从含氧化物还产生大量水。氨开始分解为元素；氮与碳和氢化合形成氰化氢。从含硫化合物主要生成硫化氢。
温度高于800℃时特征是：多环芳香碳氢化合物(萘、蒽)增加和石墨开始产生；最低级碳氢化合物开始逐渐分解成元素。在800～900℃范围内乙烯形成乙炔、氢和甲烷，而高于1000℃时甲烷分解为碳和氢。
在炭化室和炉顶空间内气体和蒸汽混合物遭受二次变化，成为焦炉荒煤气，其数量和组成随着炼焦时间的推移而变化。
综上所述，炼焦过程可分为三个阶段：
首先从炭化室与集气管接通起到塑性层汇合前的时间(60％炼焦时间)，生成约60％荒煤气，80～90％重碳氢化合物，70％甲烷和55％氢；
其次从塑性层汇合到煤气析出消失(25％炼焦时间)，继续产生30％煤气，其中最多的是氢，这阶段结束时甲烷全部回收率增加到约97％，而重碳氢化合物的产生不多或完全结束；
最后到集气管与炭化室切断(15％炼焦时间)，还产生约12％氢和3％甲烷。
当炭化室装煤时几乎立刻观察到由于炭化室炉墙高温引起的煤气强烈析出。在最初两小时，炉墙支出的热比从加热火道收入的热要高，炉墙温度下降，引起煤分解和气体析出速度放慢。之后炉墙温度平衡，分解接近以固定速度进行。在温度450～500℃时，焦饼中心线产生焦油缝后，观察到煤气析出增强，直到温度800～900℃时达到最大。
考查荒焦炉煤气燃烧热在炼焦过程中产生变化时发现，当煤在不同加热火道温度下炼焦时，煤气燃烧热不同。在头几个小时内燃烧热高，这是由于炉墙温度较低，由甲烷含量大引起的重碳氢化合物分解程度不大。炉墙温度越高，高燃烧热煤气的分解越大。随着塑性层向煤料中部移动，在塑性层和炉墙之间的反应空间停留时间延长，燃烧热相应降低。
焦油缝形成后，煤气的燃烧热又开始提高，这首先是由于煤气中甲烷和苯含量增大引起的。达到最大值后，由于高燃烧组分又继续损失，荒煤气燃烧热降低相当强烈，但氢含量和一氧化碳含量增加。荒煤气中氢和甲烷含量之间在炼焦全过程中也存在相应的关系。
荒煤气密度随炼焦过程的推进相对于重碳氢化合物和甲烷含量而变化，在炼焦后期由于氮含量增加而大大降低。
由此可知，入炉煤在不同的结焦时间内，荒煤气的组成等是不同的；或者说，荒煤气的性质是随结焦时间而变化的。
杨东伟等研究了荒煤气的温度变化规律，在一个结焦周期内，荒煤气温度先升高后降低，而荒煤气流量随着结焦过程的进行而减少。同时，泽林斯基等认为在温度100～200℃范围，从煤中挥发出的气体，主要由甲烷、二氧化碳和氮构成，水是这阶段的主要产物。所以在不同的结焦时期，荒煤气的温度及其组成性质均是不同的，对这些煤气根据其不同性质进行分类回收利用，也将产生不同的效果。
然而现有的对焦炉上升管中荒煤气的回收存在如下问题：
1、现有的焦炉煤气回收系统直接将荒煤气抽吸进入煤气净化系统，不能较好的实现对荒煤气余热的回收利用；
2、现有的焦炉煤气回收系统直接将荒煤气中的水分随煤气一起进入煤气净化系统，最终表现形式为焦化剩余氨水，增加了后续处理难度和成本；
3、现有的焦炉煤气回收工艺需要保证炭化室为微正压，导致结焦初期焦炉出现冒烟、冒火的现象，严重污染环境；
4、现有的焦炉配套系统无法有效、彻底的解决荒煤气回收系统发生突发事故时，荒煤气放散损失严重并污染环境的问题。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明公开了一种不仅可高效回收利用炼焦炉荒煤气，而且更加环保的焦炉煤气分质回收利用方法。
为实现上述目的，本发明公开了一种焦炉煤气分质回收利用方法，在焦炉的焦炉炭化室和焦炉燃烧室中进行，其中，在焦炉炭化室焦侧设置焦侧焦炉煤气回收系统回收焦炉炭化室在结焦初期及结焦末期产生的荒煤气并送入焦炉燃烧室作为焦炉加热的燃料，在结焦中期，焦炉炭化室机侧设置的机侧焦炉煤气回收系统回收焦炉炭化室内产生的荒煤气。
进一步地，所述结焦初期为焦炉炭化室装完煤后炼焦煤开始结焦的1～2.5h，这个阶段焦炉炭化室炼焦产生的主要包括水、甲烷、二氧化碳等气体。
再进一步地，所述结焦末期为炼焦煤结束结焦前的1～2.5h，这个阶段焦炉炭化室炼焦产生的主要包括乙炔、氢气或甲烷等气体。
在炼焦周期中除去结焦初期、结焦末期后即为结焦中期。
更进一步地，在结焦初期及结焦末期，控制所述焦炉炭化室内部压力为－3～3pa，从而尽量避免焦炉出现冒烟、冒火的现象。
再进一步地，在结焦中期，若机侧焦炉煤气回收系统出现故障或焦炉炭化室内压力超出炼焦操作能力，采用焦侧焦炉煤气回收系统回收焦炉炭化室内产生的荒煤气并送至焦炉燃烧室，以实现本发明的焦炉煤气分质回收利用方法面对突发事故的灵活性。
再进一步地，所述焦侧焦炉煤气回收系统包括一端用于连接焦侧上升管的水封阀，所述水封阀的另一端连接两条气体管路，一条气体管路连接用于向焦炉燃烧室输送荒煤气的焦侧集气管，另一条气体管路连接放散点火装置。
再进一步地，所述水封阀为u型管道，在u型管道上设有水封阀进水管、注水阀、水封阀回流管、水封阀溢流管及疏通阀，在u型管道内设有水位调节阀，其中，当u型管道内填满水时可实现截断焦炉炭化室与焦侧焦炉煤气回收系统之间的气体通路，通过调整水位调节阀来调节u型管道内水位可用于控制焦炉炭化室与焦侧焦炉煤气回收系统之间的气体通量多少，从而实现控制焦炉炭化室内气压，尽量避免焦炉出现冒烟、冒火的现象。
再进一步地，所述水封阀与焦侧集气管相连接的气体管路上设有焦侧自动调节阀；所述水封阀与放散点火装置相连接的气体管路上设有放散自动调节阀，所述放散点火装置内设有自动点火器。
再进一步地，在焦侧集气管与焦炉燃烧室连接的气体管路上还设有温度控制器和耐热抽风机，所述温度控制器控制进入焦炉燃烧室内的荒煤气温度≤300℃。
优选的，所述温度控制器为换热器或喷雾降温式设备。再进一步地，当进入焦炉燃烧室内的荒煤气温度超过300℃时，全开水位调节阀，打开水封阀的注水阀向荒煤气洒水降温。
本发明焦炉煤气分质回收利用方法的原理在于：
在炼焦煤结焦初期和后期，焦炉炭化室内产生的通常为可燃性气体，不同于常规的将这部分可燃性气体抽进机侧焦炉煤气回收系统中，本发明优选在焦炉炭化室的焦侧设置焦侧焦炉煤气回收系统，且该焦侧焦炉煤气回收系统的焦侧集气管通向焦炉燃烧室，一方面实现荒煤气的回收利用，另一方面避免了荒煤气中的水分随荒煤气一起进入煤气净化系统，降低了废水处理难度和成本；此外，焦侧焦炉煤气回收系统包括u型水封阀，该u型水封阀既能起到截断焦炉炭化室与焦侧焦炉煤气回收系统之间气体通路的作用，又能在一定程度上降低进入焦炉燃烧室内荒煤气的温度。
本发明的有益效果主要体现在如下几个方面：
(1)本发明设计的焦炉煤气分质回收利用方法在结焦初期将炼焦煤中的水分抽进焦侧集气管，最终随荒煤气进入焦炉燃烧室，一方面充分利用了荒煤气中的余热，另一方面避免了水分随荒煤气一起进入煤气净化系统，减少焦化废水产生量60％以上，大幅降低了废水处理成本；
(2)本发明设计的焦炉煤气分质回收利用方法在结焦初期和结焦后期，炭化室中产生的荒煤气中的粉尘也被送入了焦炉燃烧室中作为补充燃料，还减少了进入焦油中的煤粉量，提高焦油质量的同时，减少了系统内部管道堵塞的概率；
(3)本发明设计的焦炉煤气分质回收利用方法中的水封阀通过调节水位可控制炭化室内部压力为微正压，减少了炭化室内部出现冒烟或冒火的概率；而自动点火装置则在炭化室突发事故发生时，避免荒煤气的全部放散对环境造成的污染，极大的改善了焦化厂区的大气环境质量；
(4)本发明设计的焦炉煤气分质回收利用方法提高了焦炉生产的稳定性，在机侧焦炉煤气回收系统出现故障时，可通过焦侧焦炉煤气回收系统对焦炉煤气进行及时回收，焦侧焦炉煤气回收系统出现故障时，则可通过机侧的及时回收，两套系统可相互备用。
附图说明
图1为本发明焦炉煤气分质回收系统的结构示意图；
图1中各部件的标号如下：
焦炉炭化室1(其中：装煤孔1.1)；
焦侧焦炉煤气回收系统2(其中：焦侧上升管2.1(其中：焦侧上升管盖2.11)、水封阀2.2(其中：水封阀进水管2.21、注水阀2.22、水位调节阀2.23、水封阀回流管2.24、水封阀溢流管2.25、疏通阀2.26)、焦侧自动调节阀2.3、焦侧集气管2.4、放散自动调节阀2.5、放散点火装置2.6(其中：自动点火器2.61))；机侧焦炉煤气回收系统3(其中：机侧上升管3.1、机侧上升管盖3.11、弯头与桥管3.2、π型管3.3、机侧手动调节阀3.4、机侧自动调节阀3.5、机侧集气管3.6、机侧吸气管3.7、氨水管3.8、焦油盒3.9)。
具体实施方式
本发明的每个焦炉包括若干个焦炉炭化室和焦炉燃烧室，所述焦炉炭化室与焦炉燃烧室交错分布，保证每相邻的两个焦炉炭化室之间设有一个焦炉燃烧室；并且每个焦炉炭化室上设置一个焦侧焦炉煤气回收系统和一个机侧焦炉煤气回收系统。
如图1所示，本实施例公开了一种焦炉煤气分质回收利用系统，它包括焦炉炭化室1、分别设置在焦炉炭化室1两端的焦侧焦炉煤气回收系统2和机侧焦炉煤气回收系统3，其中，设置在焦侧即为焦侧焦炉煤气回收系统2，设置在机侧即为机侧焦炉煤气回收系统3；所述焦炉炭化室1的顶端开设有若干个用于向焦炉炭化室1添加炼焦煤的装煤孔1.1，所述焦侧焦炉煤气回收系统2包括与焦炉炭化室1保持内部相通的焦侧上升管2.1(所述焦侧上升管2.1上还设有焦侧上升管盖2.11，在突发事故时为避免焦炉内爆炸可打开用于放散气体)、与焦侧上升管2.1相连的水封阀2.2，所述水封阀2.2的出气口端连接两条气体管路，一条气体管路通过焦侧自动调节阀2.3连接焦侧集气管2.4，另一条气体管路依次连接放散自动调节阀2.5和放散点火装置2.6(所述放散点火装置2.6内设有自动点火器2.61)，所述焦侧集气管2.4还连接焦炉燃烧室，在焦侧集气管2.4与焦炉燃烧室相连接的气体管路上设有温度控制器(换热器或喷雾降温式设备，优选间接式换热器)和焦侧耐热抽风机。
再次结合图1可知，所述水封阀2.2为u型管道，在u型管道上设有水封阀进水管2.21、用于向u型管道内注水的注水阀2.22、水封阀回流管2.24、水封阀溢流管2.25及疏通阀2.26，在u型管道内设有水位调节阀2.23，开启注水阀2.22向水封阀2.2的u型管道内填充水，当填满u型管道时，可截断焦侧集气管2.4与焦炉炭化室1之间的气体通路；当u型管道内部的积水需要调节水位以控制焦炉炭化室1内压力时，可直接调节水位调节阀2.23即可实现。此外，水封阀溢流管2.25与水封阀回流管2.24可保持管路相通，而疏通阀2.26在u型管道被粉尘堵塞时可起疏通作用。
与此同时，所述机侧焦炉煤气回收系统3为现有荒煤气回收系统，它包括机侧上升管3.1(所述机侧上升管3.1上还设有机侧上升管盖3.11)、弯头与桥管3.2、π型管3.3、机侧手动调节阀3.4、机侧自动调节阀3.5、机侧集气管3.6、机侧吸气管3.7、氨水管3.8和焦油盒3.9，其中，所述机侧集气管3.6还通过π型管3.3连接机侧吸气管3.7，所述机侧吸气管3.7连接煤气净化系统，所述π型管3.3上设置有机侧手动调节阀3.4和机侧自动调节阀3.5，具体的机侧焦炉煤气回收系统吸收荒煤气的过程为：进入弯头与桥管3.2中的荒煤气被沿氨水管3.8喷入的氨水冷却降温，使得荒煤气的温度降低到70～80℃，降温后的荒煤气进入机侧集气管3.6，其中，荒煤气中的焦油进入焦油盒3.9中，荒煤气中的气体沿π型管3.3进入机侧吸气管3.7后外排，荒煤气中的液体流经焦油盒3.9后也进入机侧吸气管3.7，再经过后续的煤气净化系统处理废水。这种单独的采用机侧焦炉煤气回收系统回收荒煤气的方式会产生大量的工业废水，不仅增加处理难度，更增加处理成本。
为了更好的实现上述回收利用系统的功能，以下结合具体的回收利用方法及具体的实施例进行解释说明。
其中，本实施例优选某焦化厂2×6米的炼焦炉，炼焦炉煤气回收系统中，煤气量约55000nm3/h，结焦时间18～20小时，烟气回收单侧集气管安装在机侧。
一种炼焦炉煤气分质回收的方法，它包括如下步骤：
1)结焦初期：关闭焦炉炭化室1上的装煤孔1.1，在焦炉炭化室1开始结焦到结焦的1～2.5h(本实施例优选为1h)，关闭机侧焦炉煤气回收系统3的内部通道，打开焦侧焦炉煤气回收系统2的内部通道，具体的操作过程是，先调节水封阀2.2的水位调节阀2.23，排空水封阀2.2内部的冷却水，然后打开焦侧自动调节阀2.3并使放散自动调节阀2.5处于关闭状态，使得焦炉炭化室1与焦侧集气管2.4保持内部相通，启动焦侧集气管2.4上的焦侧耐热风机(变频调速，最大风量为10万m3/h)，抽出焦炉炭化室1内部产生的荒煤气，并采用所述间接式换热器控制进入焦炉燃烧室的荒煤气的温度≤300℃，荒煤气进入焦炉燃烧室中作为补充燃料，一方面实现了荒煤气(荒煤气中的可燃性气体或煤粉)的回收利用，避免了荒煤气中的能量浪费；而且减少了进入焦油中的煤粉量，提高焦油质量的同时，减少了系统内部管道堵塞的概率，还避免了水分随荒煤气一起进入煤气净化系统，降低了废水处理难度和成本；
此外，为避免焦炉炭化室1内部的压力太大出现冒烟或冒火现象，通过调节水封阀2.2的水位调节阀2.23，以此来调整水封阀2.2内部的积水水位以保证焦炉炭化室1内部的压力为－3～3pa。
2)结焦中期：关闭焦侧焦炉煤气回收系统2的内部通道，打开机侧焦炉煤气回收系统3的内部通道，具体的操作过程为，关闭焦侧自动调节阀2.23，打开水封阀2.2上的注水阀2.22使水封阀2.2的u型管内部充满水，截断焦侧煤气通道；打开氨水管3.8上的调节阀，向弯头与桥管3.2中喷入循环氨水冷却荒煤气，打开机侧手动调节阀3.4和机侧自动调节阀3.5使机侧集气管3.6与机侧吸气管3.7保持内部相通，开启机侧吸气管3.7上设置的机侧抽风机，所述机侧集气管3.6中冷却后的荒煤气被抽出进入煤气净化系统，这个过程一直延续到结焦周期结束以前的1～2.5h(本实施例优选持续到结焦周期结束以前的2.5h)。
3)结焦后期：在焦炉炭化室1结束结焦以前的1～2.5h(本实施例优选持续到结焦周期结束以前的2.5h)，重复所述步骤1)的操作：
关闭机侧焦炉煤气回收系统3的内部通道，打开焦侧焦炉煤气回收系统2的内部通道，具体操作过程为关闭氨水管3.8上的调节阀，关闭机侧手动调节阀3.4和机侧自动调节阀3.5；同时先调节水封阀2.2的水位调节阀2.23，以此来调整水封阀2.2内部的积水水位以保证焦炉炭化室1内部的压力为－3～3pa，然后打开焦侧自动调节阀2.3并使自动放散阀2.5处于关闭状态，使得焦炉炭化室1与焦侧集气管2.4保持内部相通，启动焦侧集气管2.4上的焦侧耐热风机，抽出焦炉炭化室1内部产生的荒煤气，并采用所述间接式换热器控制进入焦炉燃烧室的荒煤气的温度≤300℃，荒煤气在焦炉燃烧室中作为补充燃料，至炼焦炉结焦结束。
待炼焦炉结焦结束后，关闭焦侧自动调节阀2.3，关闭水封阀2.2的水位调节阀2.23，开启水封阀2.2的注水阀2.22使水封阀2.2的u型管道内充满水，截断焦侧煤气通道，然后再打开焦炉炭化室1上的装煤孔1.1。
为了更好的应对突发事故，在结焦中期，若机侧焦炉煤气回收系统3出现故障，关闭机侧焦炉煤气回收系统3的内部通道，打开焦侧焦炉煤气回收系统2的内部通道，重复上述步骤1)或步骤3)的操作，抽出焦炉炭化室1内产生的荒煤气并送入焦炉燃烧室中作为补充燃料。
若机侧焦炉煤气回收系统3出现故障的时间比较长，即使水封阀2.2内部的积水全部排空，焦侧耐热风机也无法将焦炉炭化室1内部产生的荒煤气全部抽出，使得焦炉炭化室1内部的压力超出炼焦操作范围，如当焦炉炭化室1内部的压力达到160pa时，对应焦炉炭化室1的焦侧自动调节阀2.3关闭，放散自动调节阀2.5开启，荒煤气通过自动放散点火装置2.6内部的自动点火器2.61打火燃烧后排出，避免荒煤气的全部放散对环境造成的污染，极大的改善了焦化厂区的大气环境质量。
以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。