用燒損率標(biāo)定干熄焦績(jī)效操作實(shí)踐

曹 文 張為斌 李劍利 張 淵 王新會(huì) 李學(xué)志

(安陽鋼鐵股份有限公司)

0 前言

干熄焦生產(chǎn)過程中，由于氣體循環(huán)系統(tǒng)負(fù)壓段的嚴(yán)密性，開啟爐蓋裝焦等因素的影響，會(huì)吸入一定量的空氣，其中的O2在通過干熄爐紅焦層時(shí)會(huì)與焦炭發(fā)生反應(yīng)，生成CO和CO2；其次，空氣中的水份與紅焦發(fā)生反應(yīng)生成H2；另外，紅焦在干熄爐預(yù)存段進(jìn)一步熱解生成H2和CH4。因此，在干熄焦的循環(huán)氣體中會(huì)存在H2、CO、CH4等可燃成分。

為了保證系統(tǒng)的安全，需要有計(jì)劃地導(dǎo)入一定的空氣，使其與可燃成分完全燃燒，從而控制循環(huán)系統(tǒng)的氣體可燃成分濃度在安全范圍內(nèi) 。但導(dǎo)入的空氣在與可燃成分燃燒的同時(shí)，也與紅焦發(fā)生反應(yīng)，從而造成焦炭的燒損，影響焦炭的產(chǎn)量，增加焦炭的灰分，減少焦炭產(chǎn)量，同時(shí)使得排焦溫度升高。

1 存在問題

1.1 循環(huán)氣體組分變化大

循環(huán)氣體的成分的變化，主要發(fā)生于紅熱焦炭裝料的過程，循環(huán)氣體中的氧與焦炭的反應(yīng)以及殘余揮發(fā)份的析出。為了防止CO、H2等可燃成分濃度達(dá)到爆炸極限，需要嚴(yán)格控制可燃成分的濃度，一般采用導(dǎo)入空氣法或充氮法進(jìn)行控制。

循環(huán)氣體的組成，受熄焦裝置本身嚴(yán)密性的影響，生產(chǎn)能力愈大和冷卻段出口溫度越高，則循環(huán)氣體中可燃成分的濃度也越高。導(dǎo)入空氣控制法經(jīng)濟(jì)方便，但吸入空氣將可燃成分燒掉的同時(shí)，鍋爐入口溫度將升高，排焦溫度升高，也會(huì)造成一部分焦炭的燒損。 循環(huán)氣體中所含可燃組分增加，在很大程度上使干熄焦裝置操作困難，設(shè)備易爆，循環(huán)氣體劇毒性增加，以此作為控制循環(huán)氣體成分的參考依據(jù)，其可燃成分對(duì)排焦溫度影響見表1。

表1 可燃成分對(duì)排焦溫度的影響

循環(huán)氣體成份CO控制值0～6%，完全燃燒可燃成分，致使在裝焦間隔時(shí)間內(nèi)，安鋼75 t/h干熄焦平均空氣導(dǎo)入量為3 120 m3/h，做物料衡算計(jì)算得出燒損率為1.79%，每日增加焦炭燒損量達(dá)120 kg。

1.2 周邊溫度不均衡

75 t/h干熄焦由于排焦過程中出現(xiàn)溫度不均衡、風(fēng)料比不匹配的情況等多種因素影響，經(jīng)常出現(xiàn)周邊溫度偏差較大，在生產(chǎn)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，同一水平面上的溫度差達(dá)到200 ℃左右，并且時(shí)有花焦出現(xiàn)；不僅對(duì)運(yùn)焦皮帶產(chǎn)生不利影響，而且在此生產(chǎn)過程中焦炭燒損增加。為了杜絕花焦，降低排焦溫度，增加循環(huán)風(fēng)量過大時(shí)，造成能耗浪費(fèi)，干熄爐熱效率降低。

1.3 系統(tǒng)嚴(yán)密性的影響

循環(huán)系統(tǒng)的嚴(yán)密性對(duì)焦炭燒損的影響十分明顯。安鋼75 t/h干熄焦一次除塵器高溫膨脹節(jié)由于膨脹節(jié)內(nèi)耐材脫落，膨脹節(jié)頂部波紋管燒穿泄漏，造成大量空氣漏入和系統(tǒng)嚴(yán)密性降低，在循環(huán)系統(tǒng)負(fù)壓區(qū)域大量吸入空氣后，由于負(fù)壓系統(tǒng)是溫度較低的區(qū)域，吸入的空氣不能燃燒循環(huán)氣體中的可燃組分，而是進(jìn)入干熄爐與紅焦發(fā)生氧化和不完全氧化反應(yīng)，直接燒損焦炭。其中不完全氧化反應(yīng)會(huì)使循環(huán)氣體中的CO含量升高，需要再加入空氣加以控制，因此系統(tǒng)的嚴(yán)密性對(duì)焦炭的燒損的影響是相當(dāng)大的。同一套干熄焦裝置，在嚴(yán)密性好時(shí)候，燒損率可以小于0.6%；嚴(yán)密性差時(shí)，燒損率可在2%左右。

2 改進(jìn)措施

2.1 穩(wěn)定循環(huán)氣體組分

2017年4月，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)75 t/h干熄焦氣體分析儀為參照，我們采用開氮?dú)獬淙腴y，持續(xù)補(bǔ)充氮?dú)?，同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)預(yù)存段壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)整放散量。但因?yàn)樯a(chǎn)氮?dú)鈮毫?.6 MPa，而循環(huán)系統(tǒng)壓力僅為3.2 kPa，極大的壓力波動(dòng)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，很容易造成焦炭浮起問題的發(fā)生，直接造成排焦溫度的升高。過多的空氣導(dǎo)入量，使系統(tǒng)氧含量增加，焦炭氧化反應(yīng)加劇，造成焦炭燒損和排焦溫度的升高。經(jīng)過對(duì)焦炭燒損的分析，控制CO濃度在2.5%～6%，可以較好地降低空氣導(dǎo)入量，尤其在焦?fàn)t檢修時(shí)間，空氣導(dǎo)入量可以從3 500 Nm3/h降低到2 016 Nm3/h，可以減少42%的空氣導(dǎo)入量。每小時(shí)可以減少13.9 mol的氧與焦炭反應(yīng)，降低因燒損產(chǎn)生的熱量13.9×34 047 kJ/mol=473 678.8 kJ。按排焦量為30 t/h計(jì)算，可降低排焦溫度8 ℃。(1 000 ℃焦炭的比熱容為1.465 kJ/kg·℃, 100 ℃的焦炭比熱容為0.808 kJ/kg·℃)

2.2 采用正交試驗(yàn)確定風(fēng)料比

影響周邊溫度的主要因素分別為：排焦量、循環(huán)風(fēng)量以及中央與周邊進(jìn)風(fēng)量比等。 為降低排焦溫度， 2017年5月通過試驗(yàn)來確認(rèn)并調(diào)整氣料比控制范圍，進(jìn)一步穩(wěn)定系統(tǒng)排焦。決定采用正交試驗(yàn)來選定合適的操作條件，以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制。

(1)試驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^正交試驗(yàn)找出最佳工藝控制條件。

(2)考察指標(biāo)：周邊溫度≤250 ℃。

(3)確定試驗(yàn)選取的因素和位級(jí)：因素A：鍋爐入口溫度，因素B：排焦量，因素C：循環(huán)風(fēng)量，因素D：中央與周邊進(jìn)風(fēng)量比。

(4)選取4因素3水平進(jìn)行試驗(yàn)，具體參數(shù)和試驗(yàn)過程見表2、表3。

表2 正交試驗(yàn)因素及位級(jí)表

表3 L9(34)正交試驗(yàn)表

另外，又進(jìn)行了補(bǔ)充試驗(yàn)。依據(jù)級(jí)差分析，理論周邊溫度最佳為：A2B1C3D3。但是，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求，C3風(fēng)量為 80 000 m3/h時(shí)的周邊溫度為213 ℃， C2風(fēng)量為75 000 m3/h時(shí)的周邊溫度為239 ℃，后者在節(jié)省電能、防止焦炭浮方面更符合要求，故選擇最佳方案為：A2B1C2D3。因此，確定最佳氣料比為75 000 m3/h÷65 t/h≈1 150 m3/t。

最終，選定當(dāng)前操作條件為:中央與周邊進(jìn)風(fēng)量比為1:0.95，排焦量為65 t/h ，循環(huán)風(fēng)量為75 000 m3/h，鍋爐入口溫度為925 ℃ 。

2.3 膨脹節(jié)耐材改進(jìn)

年修期間，對(duì)膨脹節(jié)的原波紋管耐材澆注結(jié)構(gòu)進(jìn)行砌筑耐火磚拱頂結(jié)構(gòu)改造，斷面兩側(cè)預(yù)留的膨脹縫用陶瓷纖維氈壓實(shí)。側(cè)墻用粘土磚，非工作面層用高鋁質(zhì)輕質(zhì)磚，中間設(shè)滑動(dòng)層砌筑。拱頂拱角設(shè)計(jì)為38 °，用莫來石耐火磚和高鋁質(zhì)輕質(zhì)磚砌筑，兩側(cè)和拱頂伸縮節(jié)伸縮位移和膨脹縫均改為在兩邊各留45 mm，膨脹縫和伸縮位移總寬度為90 mm。拱頂砌筑完成后，在拱頂上部回填保溫輕質(zhì)粘土，膨脹節(jié)上部外保護(hù)罩是用軟連接進(jìn)行密封，保證一定的伸縮度同時(shí)也防止雨季雨水滲透侵蝕。上部膨脹節(jié)原澆注耐材損壞如圖1所示，改進(jìn)后的砌磚耐材結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 改進(jìn)后運(yùn)行效果

3.1 改進(jìn)后運(yùn)行狀況

采取上述措施進(jìn)行改進(jìn)后，循環(huán)氣體的成分趨于穩(wěn)定，周邊溫度趨于均衡，系統(tǒng)嚴(yán)密性得到很大改善，排焦溫度運(yùn)行區(qū)間由改進(jìn)前190 ℃以上改善到確保運(yùn)焦皮帶安全運(yùn)行的190 ℃以下，并連續(xù)運(yùn)行觀察4個(gè)月，排焦溫度保持穩(wěn)定，如圖3所示。

爐況穩(wěn)定后，再次做了物料衡算，將改進(jìn)前后重要參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表4。

圖1 膨脹節(jié)原澆注耐材損壞

圖2 膨脹節(jié)改砌磚的結(jié)構(gòu)

圖3 排焦溫度實(shí)施前后對(duì)比

調(diào)節(jié)閥開度/%空氣導(dǎo)入量/(Nm3·h-1)排焦溫度/℃CO/%O2/%碳燒損率/%改進(jìn)前4831001940.950.611.79改進(jìn)后2523201793.650.221.12

3.2 改進(jìn)效果

⑴ 通過以上操作方法的改進(jìn)，干熄焦焦炭燒損率由原來的1.79%降為現(xiàn)在的1.12%，確定了干熄焦的最佳氣料比為1 150 m3/t。

⑵ 干熄焦系統(tǒng)內(nèi)的O2含量由原來的0.61%左右降低為現(xiàn)在的0.22%左右，不僅可使焦炭單產(chǎn)保持較穩(wěn)定水平，增加煉焦效益。

⑶ 提高干熄焦各點(diǎn)溫度和壓力等數(shù)據(jù)的優(yōu)化，保證干熄爐的正常穩(wěn)定生產(chǎn)。同時(shí)可以降低排焦溫度，而且可以保護(hù)干熄爐內(nèi)耐火材料，提高耐火材料的使用壽命，提高干熄焦噸焦蒸汽產(chǎn)量。

4 效益分析

經(jīng)過上述的探索和改進(jìn)，把控制可燃成分所需的空氣導(dǎo)入量由原來的平均3 220 m3/h，降低至2 600 m3/h以下，焦炭燒損率控制在1.1%。每天可以減少焦炭燒損量120 kg。年減少焦炭燒損量41.4 t，按照1 600元焦/噸計(jì)，年增加效益=41.4×1 600=66 240元。

5 結(jié)論

用燒損率標(biāo)定干熄焦績(jī)效操作是能源績(jī)效管理的一種有益嘗試，在干熄焦焦炭燒損的優(yōu)化和操作過程中，無論是排焦溫度降低還是提高焦炭產(chǎn)量、改善焦炭質(zhì)量或者是穩(wěn)定干熄焦工序運(yùn)行、提升鍋爐發(fā)電方面都取得一定效果，同時(shí)也延長(zhǎng)了75 t/h干熄爐耐材使用壽命。

[1] 潘立慧,魏松波.干熄焦技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005:245-251.