本实用新型属于工业余热回收利用技术领域，特别涉及一种焦化能量耦合优化及污染物协同治理系统。
背景技术：
焦化行业能耗高、污染重，备受行业关注。从焦炉生产的整个能量流和物质流平衡看，从焦炉炭化室推出的950℃-1050℃红热焦炭所带出的显热约占整个焦炉热量支出的37％；进入焦炉上升管中温度在650℃-750℃的荒煤气，其含有的显热约占整个焦炉热量支出的36％；180℃-230℃的焦炉烟气带出的余热约占整个焦炉热量支出的16％；焦炉炉体表面各种散热损失约占整个焦炉热量支出的11％，所以，高效回收并且利用焦炉炼焦过程中所产生的余热资源已经成为提高焦炉能源利用效率的主要途径之一，也是节约资源及节能的主要发展方向和潜力所在。迄今为止，国内外已针对焦化区域的节能技术展开了很多研究，取得了许多成果，高温段的红焦显热已经有成熟商业化应用的干熄焦显热回收技术予以回收利用，可将950-1100℃的红热焦炭冷却到200℃左右，实现了红热焦炭显热的高效回收，其已经成为国家大力推广的节能技术之一。低温段的焦炉烟气余热回收技术也已有一定的商业应用。焦炉荒煤气的显热回收尚处于中试阶段，这是国内外当前重点发展的技术。炉体表面的热释放可通过加强炉壁绝热减少损失。虽然上述几种余热都有相应的热回收手段，但由于各个措施相互孤立，热回收利用总体效率不高。
同时，炼焦过程所排放的各种污染物的治理也是行业研究热点。焦炉区域环境污染因素较多，焦炉烟气中的二氧化硫和氮氧化物是国家环保政策重点管控对象。近年来研发实施的脱硫脱硝焦炉烟气净化工艺，普遍具有能耗高、成本高、投资高的不足；同时焦化过程中产生的VOC(挥发性有机物)等也是国家环保政策管控的重点大气污染源，达标排放将显著增加企业成本。
一方面，干熄焦技术、焦炉烟气余热回收技术、荒煤气显热回收技术等，都是针对单一品位热源所开发的技术，还未从系统的角度分析各种品位热源之间的关系，由于不同热源所能回收的能源品位及利用效率是不同的，缺少整体考虑导致能源利用效率不高；另一方面，焦炉烟气脱硫脱硝、焦化挥发性有机物治理等环保技术也是单一开发的技术，缺少从焦化整体工艺的角度进行系统整合和优化，导致能耗增加和成本上升。煤炭的干馏需要煤气加热，煤气燃烧后还产生热烟气；煤炭干馏的同时产生煤气，煤气中还带有显热；干馏产生的红焦还带有大量热量。在此过程中，物质流、能量流和碳素流的流动是同时进行的，要使整个生产的能源消耗最低，除了充分发挥各种单项节能技术的效率外，它们之间的耦合关系也需整体考虑，因为各部分有相互影响，引起各种能源可利用的总量和能源品位的变化，而能源品位的高低与各种单项节能技术效率的发挥密切相关。同时，现有脱硫脱硝烟气净化技术的高能耗和VOCs的治理和能量回收也与炼焦生产的能源使用效率息息相关。因此，要进一步提高炼焦生产的能源使用效率，有必要对焦化能量系统的耦合优化及排放物治理做深入研究。
现有技术中，申请号为CN201610061286.3的中国专利申请公开了一种焦化厂烟气节能环保综合治理装置及工艺，该实用新型仍然只是针对焦炉烟气的单一节能技术，未考虑红焦、荒煤气显热的耦合优化，该专利也只考虑了烟气的治理，没有考虑VOCs的治理。
总体而言，焦炉炼焦工艺要实现能源效率的提升及污染物的减排，有必要从焦化工艺的角度对红焦显热、荒煤气显热、烟气余热、烟气净化和挥发性有机物治理等进行耦合优化，在提高能源利用效率的同时实现污染物协同治理，实现节能与减排同时推进，提升焦化工序的环境效益和经济效益。
技术实现要素：
本实用新型提供一种焦化能量耦合优化及污染物协同治理系统，通过对焦炉的能量流和物质流分析，将其分成红焦显热回收子系统、荒煤气显热回收子系统和烟气余热回收子系统，形成高中低蒸汽，并将蒸汽输送给热量调控利用子系统，提升各子系统余热回收方式和热能利用方式的效率，实现整个焦化能量系统的能源使用效率最大化，并充分利用焦炉区域烟气净化后的余能和挥发性有机物富含热量的特点，通过VOCs污染物协同利用子系统、烟气净化子系统将其耦合治理，实现节能减排同时推进。
本实用新型的技术方案如下：
一种焦化能量耦合优化及污染物协同治理系统，包括焦炉、红焦显热回收子系统、荒煤气显热回收子系统、烟气余热回收子系统、VOCs污染物协同利用子系统、烟气净化子系统和热量调控利用子系统；所述的焦炉包括若干个炭化室，每个所述的炭化室的两侧均设有燃烧室；在所述的炭化室的下方设有所述的红焦显热回收子系统，在每个所述的炭化室的上方均设有所述的荒煤气显热回收子系统，所述的焦炉上连有依次连接的所述的烟气净化子系统和所述的烟气余热回收子系统，所述的热量调控利用子系统分别与所述的红焦显热回收子系统、所述的荒煤气显热回收子系统和所述的烟气余热回收子系统连接，所述的燃烧室连有所述的VOCs污染物协同利用子系统。
本实用新型的系统以能量耦合及污染物协同治理为核心，以蒸汽为介质通过红焦显热回收子系统、荒煤气显热回收子系统和烟气余热回收子系统对不同品位余热进行分级回收，同时实现VOCs污染物中的能量资源以及烟气净化后低温余热能量资源的回收，且通过所述的热量调控利用子系统实现全系统的耦合优化；
原煤在所述的炭化室中干馏后得到红热焦炭、荒煤气，煤气在所述的燃烧室中燃烧产生烟气；自所述的炭化室干馏后得到的红热焦炭经输送装置被送至所述的红焦显热回收子系统，经热交换得到高压蒸汽；自所述的炭化室上方涌出的荒煤气进入所述的荒煤气显热回收子系统，经热交换得到中压蒸汽；所述燃烧室的烟气经收集后送入烟气净化子系统予以净化，烟气在净化的同时，其中所富含的热能由烟气余热回收子系统经热交换得到低压蒸汽；高压蒸汽、中压蒸汽和低压蒸汽通过所述的热量调控利用子系统进行综合梯级利用并产生电能，实现对红热焦炭、荒煤气和烟气不同品位热量的逐级回收和梯级利用；所述的VOCs污染物协同利用子系统将VOCs送至所述的燃烧室内燃烧，汇集的烟气经所述的烟气净化子系统净化后，回收其热量，并实现污染物的协同处理。
优选为，所述的热量调控利用子系统包括依次连接的发电装置、冷凝器、补水装置和除氧器，与所述的红焦显热回收子系统热交换得到的高压蒸汽和与所述的荒煤气显热回收子系统热交换得到的中压蒸汽分别经管道与所述的发电装置连通，所述的除氧器与所述的红焦显热回收子系统连通，所述的除氧器还与所述的烟气余热回收子系统相互连通形成循环。
优选为，所述的红焦显热回收子系统包括干熄焦炉、风机和余热锅炉，所述的干熄焦炉接受自炭化室输出的红焦，所述的干熄焦炉还与所述的余热锅炉相互连通形成循环，在所述的余热锅炉与所述的干熄焦炉相互连通的管道上设有风机。
优选为，在所述的余热锅炉与所述的干熄焦炉相互连通的管道上还设有第一除尘器和第二除尘器。
优选为，所述的余热锅炉与所述的发电装置和所述的除氧器连通形成循环；所述的余热锅炉还与高压汽包相互连通，用于调节蒸汽压力。
优选为，所述的荒煤气显热回收子系统包括上升管换热器和下降管换热器，所述的上升管换热器与所述的炭化室连通，所述的下降管换热器与荒煤气回收装置连通。
优选为，所述的VOCs污染物协同利用子系统用于收集焦化槽罐区域的VOCs，并将其送至焦炉燃烧室。
优选为，所述的烟气净化子系统包括依次连接的脱硫塔、除尘器、增压风机、热交换器、燃烧炉和脱硝装置，所述的脱硝装置还与所述的热交换器连通，所述的热交换器还与所述的烟气余热回收子系统连通。
优选为，所述的烟气余热回收子系统包括换热器及水和蒸汽管路。
本实用新型还公开了利用上述的焦化能量耦合优化及污染物协同治理系统的方法，将焦炉炼焦工艺中的红焦显热、荒煤气显热和烟气余热不同品位热量，以蒸汽为媒介，纳入同一能量系统进行整合，实现能量逐级回收与梯级利用；将焦炉烟气脱硫脱硝治理与焦化槽罐区域排放的挥发性有机物所富含的能量进行耦合优化，实现能量利用效率的最大化和污染物的协同治理。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
一、本实用新型的一种焦化能量耦合优化及污染物协同治理系统，通过对焦炉的能量流进行科学地分析，将其分成红焦显热回收子系统、荒煤气显热回收子系统和烟气余热回收子系统，形成高中低品位蒸汽，并以蒸汽为媒介，红焦显热回收子系统形成的高压蒸汽，直接用于驱动汽轮机发电，荒煤气显热回收子系统形成的中压蒸汽，也直接用于驱动汽轮机发电，烟气余热回收子系统形成的低压蒸汽，用于蒸汽除氧，因此，本实用新型采用对应的高效余热回收方式进行逐级、高效回收，尽可能回收更高品位能源，同时也进行耦合优化，形成能源梯级利用，提高整个炼焦工艺的能量利用效率。
二、本实用新型的一种焦化能量耦合优化及污染物协同治理系统，通过对焦炉的物质流进行科学地分析，包括原煤干馏产生的荒煤气、燃烧室燃烧产生的烟气以及焦化罐区收集得到的VOCs，这些物质流均还有一定的能量，但也易污染环境，本实用新型将该物质流进行耦合治理，实现节能减排。
三、本实用新型的一种焦化能量耦合优化及污染物协同治理系统，将焦炉炼焦工艺中释放的各种热量进行综合回收利用，通过对不同品位热源的耦合优化，提高整个炼焦工艺的能量利用效率，并对煤焦化工艺的节能环保进行综合治理，既包括能量的耦合优化利用，又包括烟气、荒煤气、挥发性有机物的治理，将含有热量和能量的挥发性有机物耦合进能量系统内给予统一考虑，在治理的同时合理利用能源。
附图说明
图1为本实用新型的一种焦化能量耦合优化及污染物协同治理系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应该理解，这些实施例仅用于说明本实用新型，而不用于限定本实用新型的保护范围。在实际应用中本领域技术人员根据本实用新型做出的改进和调整，仍属于本实用新型的保护范围。
为了更好的说明本实用新型，下方结合附图对本实用新型进行详细的描述。
如图1所示，本实用新型的一种焦化能量耦合优化及污染物协同治理系统，包括焦炉6，所述的焦炉6包括若干个炭化室5，每个所述的炭化室5的两侧均设有燃烧室28；
本实用新型协同治理系统还包括红焦显热回收子系统、荒煤气显热回收子系统、烟气余热回收子系统、烟气净化子系统、VOCs污染物协同利用子系统和热量调控利用子系统；
在所述的炭化室5的下方设有所述的红焦显热回收子系统，所述的红焦显热回收子系统用于回收焦炭的显热；
在每个所述的炭化室5的上方均设有所述的荒煤气显热回收子系统，所述的荒煤气显热回收子系统用于回收荒煤气的显热；
在所述的焦炉6上设有依次连接的所述的烟气净化子系统和所述的烟气余热回收子系统，用于净化烟气和回收烟气的余热；
所述的热量调控利用子系统均与所述的红焦显热回收子系统、所述的荒煤气显热回收子系统和所述的烟气余热回收子系统连接，所述的热量调控利用子系统用于将回收的热量转换为电能；
所述的VOCs污染物协同利用子系统与所述的燃烧室28连通，将VOCs送至燃烧室28燃烧，实现对VOCs污染物的能量资源的回收，和污染物的协同处理。
原煤在所述的炭化室5干馏后得到红热焦炭、荒煤气和烟气，红热焦炭送至所述的红焦显热回收子系统，经热交换得到高压蒸汽，荒煤气送至所述的荒煤气显热回收子系统，经热交换得到中压蒸汽，高压蒸汽和中压蒸汽均送至所述的热量调控利用子系统产生电能，烟气经所述的烟气净化子系统净化后送至所述的烟气余热回收子系统，经热交换得到低压蒸汽，用以除去溶解在所述的热量调控利用子系统的水中的氧气，实现对红热焦炭、荒煤气和烟气不同热量品位逐级回收和梯级利用；
所述的燃烧室28还与所述的VOCs污染物协同利用子系统连通，所述的VOCs污染物协同利用子系统的挥发性有机物在所述的燃烧室28燃烧，烟气汇集后送至所述的烟气余热回收子系统经脱硫脱硝处理，实现污染物的协同处理。
本实用新型以蒸汽为媒介，将各热量回收子系统交换得到的蒸汽转换为电能，但本领域技术人员也可通过其他媒介方式将热量转换、存储利用起来。本实用新型的具体实施例中，根据红焦显热回收子系统、荒煤气显热回收子系统和烟气余热回收子系统的能量特点，以热交换的方式得到高中低品位蒸汽，高、中品位蒸汽用于发电，低品位蒸汽用于除氧，具体地：所述的热量调控利用子系统包括依次连接的发电装置、冷凝器24、补水装置23和除氧器22，与所述的红焦显热回收子系统热交换得到的高压蒸汽和与所述的荒煤气显热回收子系统热交换得到的中压蒸汽分别经管道与所述的发电装置连通，用于发电，所述的除氧器22与所述的红焦显热回收子系统连通，所述的除氧器22还与所述的烟气余热回收子系统相互连通形成循环，用于除氧。因此，本实用新型将高中品位的红焦显热和荒煤气显热经热交换得到的蒸汽用于发电，将低品位的烟气余热经热交换得到的蒸汽用于除氧，实现能量逐级回收和梯级利用，采用不同品位(压力)的蒸汽进行能量耦合。
所述的发电装置包括汽轮机27和发电机26，经所述的红焦显热回收子系统热交换得到的高压蒸汽和经所述的荒煤气显热回收子系统热交换得到的中压蒸汽均被送至汽轮机27，作为汽轮机27的汽源，用于驱动发电机26发电。
所述的补水装置23用于向系统补充因热交换损失的水。
本实用新型的所述的红焦显热回收子系统包括干熄焦炉18、风机19和余热锅炉21，所述的干熄焦炉18与所述的炭化室5连通，所述的干熄焦炉18还与所述的余热锅炉21相互连通形成循环，在所述的余热锅炉21与所述的干熄焦炉18相互连通的管道上设有风机19。
进一步，在所述的余热锅炉21与所述的干熄焦炉18相互连通的管道上还设有第一除尘器29和第二除尘器20。
进一步，所述的余热锅炉21与所述的汽轮机27和所述的除氧器22连通形成循环；所述的余热锅炉21还与高压汽包7相互连通，用于调节蒸汽压力。
进一步，所述的干熄焦炉18的下方设置有传送带17，用于传送成品焦炭。
本实用新型所述的荒煤气显热回收子系统包括上升管换热器4和下降管换热器3，上升管换热器4与所述的炭化室5连通，所述的下降管换热器3与荒煤气回收装置2连通。
进一步，在上升管换热器4、下降管换热器3中产生的蒸汽经过管路在中压汽包1中汇合，并通过中压汽包1送至汽轮机27。
本实用新型所述的烟气净化子系统包括依次连接的脱硫塔13、除尘器12、增压风机11、热交换器10、燃烧炉9和脱硝装置8，所述的脱硝装置8还与所述的热交换器10连通，所述的热交换器10还与所述的烟气余热回收子系统连通，经烟囱15排出净化后的环保气体。
进一步，所述的烟气余热回收子系统的主设备为换热器16，所述的换热器16与所述的除氧器22相互连通形成循环，用于将低品位的蒸汽通入除氧器22除氧。
进一步，所述的VOCs污染物协同利用子系统为焦化槽罐25，所述的燃烧室28还连通有焦化槽罐25，所示的焦化槽罐25区域释放的VOCs被统一收集后，送至燃烧室内28进行燃烧处理，实现能源节约和污染物协同治理。
本实用新型的一种焦化能量耦合优化及污染物协同治理系统，其工艺为：在焦炉6的燃烧室28内煤气燃烧的热作用下，原煤在焦炉6的炭化室5中干馏，干馏后形成红焦，其温度为950℃-1050℃，红焦在干熄焦炉18内冷却为成品焦炭，由输送带17传输给用户。原煤干馏的同时会释放出荒煤气，其温度为650℃-750℃，同时本身热值很高，可作为焦炉6的燃料。煤气在焦炉6的燃烧室内燃烧所产生的烟气含有大气污染物，如SOX、NOX等，其温度为180℃-230℃，需进行脱硫脱硝净化处理才能排向大气。
干法熄焦是目前吸收红焦显热的最有效的工艺，在焦炉炼焦工序中广泛采用。干熄焦炉18内吸收热量后的烟气经一次除尘器29后进入余热锅炉21进行热回收，自余热锅炉21出来后的烟气再经二次除尘器20除尘后，由风机19抽送至干熄焦炉内进行循环。在余热锅炉21内用于吸收熄焦烟气显热的纯水来自于除氧器22，吸收热量后形成高压蒸汽被送至汽轮机27，用于发电，锅炉外设有高压汽包7，用于控制调节蒸汽压力。
原煤干馏产生的荒煤气自炭化室5排出，其本身带有显热，但由于其成份复杂，焦油含量大，容易结垢和产生酸露腐蚀，使得其显热很难利用。本领域通常采用在荒煤气排出管道中喷洒大量氨水使其降温并除尘，然后被收集利用，而吸热吸尘后的氨水需进一步处理后才能重复利用，大量的氨水需求使得输送氨水的氨水泵电耗较高。本实用新型通过开发耐高温防腐蚀抗结焦的上升管高效换热器4和下降管高效换热器3，使先后进入到上升管换热器4、下降管换热器3中的荒煤气的热量被充分吸收，再通过荒煤气回收装置2予以回收利用。上升管换热器4和下降管换热器3采用防腐蚀、耐高温、抗结焦、高导热的材料制作，同时，对温度和压力进行严格控制，可使腐蚀和结焦充分降低。在上升管换热器4和下降管换热器3中纯水吸收热量后成为中压蒸汽，作为汽轮机27的补汽，进一步驱动发电机26进行发电。
焦炉6内煤气在燃烧室中燃烧，所产生的烟气被风机14抽送后送去烟气净化装置进行脱硫脱硝，脱硫塔13脱去硫分后进入除尘器12中除尘，再由增压风机11送至热交换器10进行换热，换热后的烟气再进入燃烧炉9补热和脱硝装置8中脱硝处理，处理后的低温烟气再经换热器16预热除氧器22给水后，由烟囱15排出。在换热器16中吸收热量的纯水变成热水(或低压蒸汽)，可减少除氧器22用汽。送至余热锅炉21的水主要来自冷凝器24。补水装置23补充循环使用过程中损失的水。水在余热锅炉21内吸收熄焦热量后变成过热蒸汽，被送至汽轮机27用于发电。
焦化槽罐25区域释放的VOCs被统一收集后送至焦炉6燃烧室内进行燃烧处理，实现能源节约和污染物协同治理。
在本实例中，循环中的水来自冷凝器24冷凝的水和经除盐补水装置23补充的水，这些水既有从烟气换热器16中吸收热量的，又有从荒煤气上升管换热器4和下降管换热器3中吸收热量的，但主要是从干熄焦炉18中吸收热量。吸收热量后的水变成蒸汽，根据品位的高低，形成高压、中压、低压蒸汽，根据不同品位分别用于发电、除氧、预热等。高品位的蒸汽发电后再由凝汽器24凝结为水后重复利用。不同品位蒸汽可以调配使用，如低品位的用于除氧，则可以不必用高品位蒸汽用于除氧，可以提高高品位蒸汽的利用效率。
在本实例中，焦炉烟气所含的热量在脱硫塔13后温度有所降低，不利于后续脱硝，需要在燃烧炉9内加热后脱硝。烟气净化后仍有一定温度，为利用这部分余热，将其与进入燃烧炉9前的烟气进行换热，随后降温后的烟气为给水预热(或产生低压蒸汽)进一步利用烟气低温余热，从而做到烟气治理和余热的充分利用。荒煤气中所含的热量被上升管换热器4和下降管换热器3吸收后，荒煤气温度降低，减少了荒煤气冷却、洗涤用的大量氨水，可节省大量的氨水输送和处理能耗。红焦的热量通过干熄焦方式吸收热量后循环使用，既可以充分利用循环气体内的热量，又避免了湿熄焦引起的热量损失和蒸发水引起的环境污染。焦化槽罐25区的VOCs，既含有一定的能量，又会污染环境，将其收集后送至焦炉6的燃烧室28进行燃烧处理，既可以减少环境污染总量，又可以利用其热量，还能通过燃烧烟气的脱硫、脱硝达到污染物的进一步脱除。
本实用新型将焦炉炼焦工序中，以红焦显热、荒煤气显热和烟气余热等释放的热量，通过分别热回收后进行综合优化利用，使得不同品位热源能够充分利用，并尽可能提高高品位热源，使得能量利用效率进一步提高，做到了焦化能量系统的耦合优化。同时，对焦炉烟气净化后余热及各种污染物的治理与余热的利用充分衔接，在治理的同时充分回收利用各种热源，做到了污染物的协同治理。
以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。