朱慶廟，龐克亮，王超，劉冬杰，武吉（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

干法熄焦能充分回收紅焦的顯熱，用以生產(chǎn)蒸汽或預(yù)熱煤、空氣、煤氣和水等，以 56 t/h生產(chǎn)能力的干熄焦計(jì)，干熄1 t焦炭節(jié)約的熱能為1 185.9 MJ［1］。既減少了濕熄焦所需的熄焦水量，又改善了周圍環(huán)境、消除水汽及有害氣體對(duì)設(shè)備和建筑物的腐蝕。尤其重要的是干熄后的焦炭質(zhì)量明顯提高，焦炭機(jī)械強(qiáng)度提高、真密度增大、耐磨性改善、反應(yīng)性降低，用于大型高爐生產(chǎn)可降低高爐焦比1%～2%，高爐生產(chǎn)能力可提高1%左右［2］。研究人員在干熄焦動(dòng)態(tài)傳熱、爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)和爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化上做了大量的基礎(chǔ)研究工作，得到了比較符合實(shí)際的數(shù)學(xué)理論模型，但因干熄爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)及熱量傳導(dǎo)過程非常復(fù)雜，僅依靠建立數(shù)學(xué)模型模擬與實(shí)際生產(chǎn)仍存在較大差別，還需要焦化企業(yè)開展工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。鞍鋼股份有限公司煉焦總廠現(xiàn)有6套干熄焦裝置，其中3套處理能力為140 t/h、1套處理能力為125 t/h、2套處理能力為190 t/h。通過對(duì)鞍鋼煉焦總廠4號(hào)干熄焦裝置（處理能力為125 t/h）實(shí)際生產(chǎn)的研究與實(shí)踐，得出了6 m焦?fàn)t及配套干熄焦系統(tǒng)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化措施。

1 焦?fàn)t主要控制參數(shù)與干熄焦穩(wěn)定運(yùn)行相關(guān)性研究

焦?fàn)t溫度控制與干熄焦系統(tǒng)生產(chǎn)密切相關(guān)。從焦炭熱平衡中可以看出，焦炭帶入干熄焦系統(tǒng)的總熱量多，則干熄焦系統(tǒng)負(fù)荷相對(duì)較大。焦餅中心溫度是最能表征每爐焦炭帶入干熄爐系統(tǒng)熱量的多少，同時(shí)也是校驗(yàn)焦?fàn)t直行溫度的依據(jù)。在焦?fàn)t系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，為了檢驗(yàn)全爐溫度熱量系統(tǒng)對(duì)干熄焦系統(tǒng)的影響，采用直行溫度與干熄焦系統(tǒng)參數(shù)相對(duì)應(yīng)，焦餅中心溫度對(duì)直行溫度進(jìn)行校驗(yàn)。

1.1 工業(yè)試驗(yàn)研究方案

對(duì)鞍鋼煉焦總廠6 m焦?fàn)t進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)研究，將焦?fàn)t直行溫度劃分為五個(gè)階段，分別為1 221～1 230 ℃、1 231～1 240 ℃、1 241～1 250 ℃、1 251～1 255℃、1 256～1 260℃，對(duì)應(yīng)6 m焦?fàn)t焦側(cè)直行溫度控制在1 271～1 280 ℃、1 281～1 290 ℃、1 291～1 300 ℃、1 301～1 305 ℃、1 306～1 310 ℃區(qū)間時(shí)，觀察對(duì)應(yīng)的干熄焦生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的變化情況。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

按照工業(yè)試驗(yàn)方案對(duì)焦?fàn)t與干熄焦生產(chǎn)關(guān)鍵參數(shù)作對(duì)比。選取干熄焦有代表性的參數(shù)進(jìn)行研究，對(duì)比試驗(yàn)按照焦?fàn)t與干熄焦熱能量平衡原理，干熄焦循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與焦?fàn)t溫度對(duì)比，干熄爐預(yù)存段溫度T5同循環(huán)氣體壓力對(duì)比，干熄焦系統(tǒng)空氣導(dǎo)入量同焦?fàn)t直行溫度對(duì)比，得到鞍鋼煉焦總廠2015年4號(hào)焦?fàn)t與干熄焦工業(yè)試驗(yàn)生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)，見表1所示。

表1 2015年4號(hào)焦?fàn)t與干熄焦工業(yè)試驗(yàn)生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1.3.1 循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的影響因素

在干熄焦排焦溫度保持不變的情況下 （配煤比沒有變化），數(shù)據(jù)顯示焦炭M40、M10冷態(tài)指標(biāo)相對(duì)平穩(wěn)。從表1可以看出，干熄焦循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨焦?fàn)t直行溫度的升高呈先下降后上升趨勢(shì)。在周轉(zhuǎn)時(shí)間不變和干熄焦系統(tǒng)排焦溫度一致的情況下，焦?fàn)t機(jī)側(cè)直行溫度穩(wěn)定在1 250～1 255℃時(shí)，干熄焦循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)最低，干熄焦風(fēng)機(jī)耗電量最低，因此，優(yōu)化焦?fàn)t直行溫度可有效降低干熄焦生產(chǎn)成本。

1.3.2 干熄焦鍋爐入口負(fù)壓的影響因素

將干熄焦鍋爐入口負(fù)壓波動(dòng)情況同干熄焦循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)相關(guān)聯(lián)。正常情況下干熄焦預(yù)存段溫度代表焦炭入爐的溫度負(fù)荷，而循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)同干熄爐焦?fàn)t入爐溫度負(fù)荷一致，因此，干熄焦鍋爐入口負(fù)壓隨焦?fàn)t直行溫度的增加而增大。

1.3.3 干熄焦系統(tǒng)空氣導(dǎo)入量的影響因素

空氣導(dǎo)入量的控制受循環(huán)氣體中CO2、CO含量及焦炭成熟度等因素影響。工業(yè)試驗(yàn)中焦?fàn)t直行溫度的降低除了使進(jìn)入干熄爐紅焦顯熱減少及焦炭揮發(fā)分相應(yīng)變化外，其它指標(biāo)均維持不變。從表1可看出，空氣導(dǎo)入量隨直行溫度變化較大，空氣導(dǎo)入量在直行溫度處于1 222～1 250℃時(shí)，空氣導(dǎo)入量隨直行溫度的增加逐漸降低，當(dāng)直行溫度繼續(xù)增加時(shí)，空氣導(dǎo)入量迅速增加。干熄焦空氣導(dǎo)入量拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)焦?fàn)t直行溫度機(jī)側(cè)為1 250℃，焦側(cè)為1 300℃。

1.3.4 直行溫度變化對(duì)排焦溫度的影響

從表1可以看出，排焦溫度受直行溫度影響不大，主要是調(diào)節(jié)干熄焦循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速匹配了適宜的風(fēng)料比，從而保證了紅焦在干熄爐內(nèi)的冷卻效果。干熄焦生產(chǎn)應(yīng)在保證排焦溫度的前提下，降低循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)。其原因有兩點(diǎn)：一是循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的降低減少了干熄焦負(fù)荷，降低了能源消耗；二是循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)受干熄焦鍋爐入口壓力限制。

2 干熄焦燒損率與干熄焦系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的相關(guān)性研究

2.1 干熄焦燒損率的影響因素

2.1.1 焦?fàn)t溫度控制對(duì)焦炭燒損的影響

干熄爐內(nèi)焦炭燒損影響因素研究目前國內(nèi)主流有兩種觀點(diǎn)。一是干熄爐內(nèi)焦炭燒損的主要影響因素是空氣導(dǎo)入量的多少；二是干熄爐循環(huán)氣體中高濃度CO2與C的還原反應(yīng)才是導(dǎo)致焦炭燒損的直接原因。工業(yè)試驗(yàn)研究表明，CO2還原反應(yīng)是焦炭燒損擴(kuò)大的根本原因，而空氣導(dǎo)入量的多少是焦炭燒損量的直接表現(xiàn)。C與CO2反應(yīng)的平衡常數(shù)及吉布斯常數(shù)見表2。CO2與C的反應(yīng)屬于典型的氣固吸熱反應(yīng)，低于800 K（527℃）時(shí)吉布斯函數(shù)G變化為正，反應(yīng)平衡常數(shù)K在10-2數(shù)量級(jí)，CO2與C的反應(yīng)沒有進(jìn)行。從表1可以看出，冷卻段上部溫度在200～240℃區(qū)間內(nèi)，因此CO2的還原反應(yīng)在干熄爐內(nèi)冷卻段外圍不會(huì)發(fā)生。

表2 C與CO2反應(yīng)的平衡常數(shù)及吉布斯常數(shù)

劉華飛等人對(duì)干熄爐內(nèi)循環(huán)氣體溫度、焦炭溫度分布做了系統(tǒng)研究［3］見圖1所示。圖1中縱坐標(biāo)為距干熄爐風(fēng)帽中心高度x，橫坐標(biāo)為距干熄爐風(fēng)帽中心的半徑r。

圖1 焦炭溫度分布

由圖1可以看出，靠近爐墻和風(fēng)帽處的溫度梯度較大。而實(shí)際試驗(yàn)表明，從580℃開始CO2開始與C急劇反應(yīng)。由圖1（a）和圖1（b）可以看出，600℃（圖中曲線單位為℃）梯度線以上的溫度區(qū)域?qū)儆谶€原反應(yīng)的區(qū)域。由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論可知，氣固反應(yīng)分為內(nèi)擴(kuò)散、外擴(kuò)散和表面反應(yīng)，不考慮內(nèi)擴(kuò)散以及內(nèi)表面對(duì)還原反應(yīng)的影響，循環(huán)氣體在靠近爐墻和風(fēng)帽周邊位置反應(yīng)速度快。在干熄爐內(nèi)部分循環(huán)氣體中CO2濃度較高，可認(rèn)為反應(yīng)主要受循環(huán)氣體流速影響。隨著焦?fàn)t直行溫度的降低，焦炭顯熱逐漸減少，爐內(nèi)焦炭溫度為600℃梯度分布曲線向上移動(dòng)，則CO2還原反應(yīng)區(qū)間急劇縮小，因此隨著焦?fàn)t直行溫度的降低，空氣導(dǎo)入量開始呈減少趨勢(shì)。

2.1.2 循環(huán)氣體中CO濃度對(duì)焦炭燒損的影響

干熄爐內(nèi)循環(huán)氣體流過焦炭縫隙時(shí)處于劇烈紊流狀態(tài)，層流底層對(duì)CO2擴(kuò)散傳質(zhì)影響不考慮，因此CO2還原反應(yīng)速率主要受外表面反應(yīng)控制，由朗謬爾經(jīng)典吸附理論可知，降低CO2在循環(huán)氣體中的分壓可有效降低CO2與C反應(yīng)的速率，固體表面 CO 吸收率公式見式（1）～（2）。

式中，θ為固體表面CO2吸附率；K為吸附平衡常數(shù)；P為 CO2分壓，Pa；v為固體表面反應(yīng)速率，mol/（L·s）；kr為固體表面反應(yīng)速率系數(shù)，mol/（L·s）。

由于干熄爐循環(huán)氣體密閉系統(tǒng)中CO和CO2濃度處于相互反應(yīng)轉(zhuǎn)化的狀態(tài)之中，焦?fàn)t機(jī)側(cè)直行溫度從1 250℃繼續(xù)降低時(shí)，干熄爐空氣導(dǎo)入量會(huì)逐漸增加。原因是隨著直行溫度的繼續(xù)降低，焦炭出現(xiàn)不成熟的問題，焦炭揮發(fā)份含量逐漸增加，循環(huán)氣體的CO含量也增加，為保持系統(tǒng)安全，則需導(dǎo)入大量空氣將多余的CO燃燒掉，進(jìn)一步增加循環(huán)氣體中CO2的含量，導(dǎo)致焦炭燒損率的迅速增加。

2.2 干熄焦燒損率的生產(chǎn)實(shí)際研究

對(duì)鞍鋼煉焦總廠4號(hào)干熄焦系統(tǒng)空氣導(dǎo)入量的數(shù)據(jù)采集，計(jì)算干熄焦系統(tǒng)焦炭的燒損率。干熄焦氣體循環(huán)系統(tǒng)中CO、CO2除焦炭自帶的部分外，CO、CO2在干熄爐內(nèi)產(chǎn)生源見式（1）～（3）。

根據(jù)蓋斯定律，一個(gè)反應(yīng)分作幾步進(jìn)行和一步到最終狀態(tài)時(shí)的熱效應(yīng)是相同的，因此化學(xué)平衡式（1）和（2）的熱反應(yīng)效果是相同的。干熄焦日常生產(chǎn)中循環(huán)氣體中CO∶CO2的體積比 （摩爾數(shù)）約為2∶5，將其代入C與O2反應(yīng)的化學(xué)式中配平后得到式（4）：

4號(hào)干熄焦空氣導(dǎo)入量平均為12 844 m3/h，則干熄焦系統(tǒng)耗氧量為：

設(shè)循環(huán)氣體中各組分不變，O2與C反應(yīng)生成CO、CO2體積比為 2∶5，設(shè)完成反應(yīng)（4）所需要 C 為Xmol，則：

按式（4）計(jì)算干熄爐內(nèi)炭燒損摩爾量X（C），則：

X（C）轉(zhuǎn)換成消耗炭的質(zhì)量為：

焦?fàn)t周轉(zhuǎn)時(shí)間按照19 h，單爐產(chǎn)量21.5 t計(jì)算，平均排焦量113 t/h，則焦炭燒損率為：

2.3 調(diào)整CO、H2控制上限可行性論證

隨著干熄焦的連續(xù)生產(chǎn)，干熄爐內(nèi)循環(huán)氣體中CO組成會(huì)逐漸增加。循環(huán)氣體的可燃成分累積主要有兩部分：一是在干熄爐裝紅焦的過程中，預(yù)存段負(fù)壓導(dǎo)致空氣進(jìn)入干熄爐與C發(fā)生不完全反應(yīng)生成CO；二是裝入的紅焦中揮發(fā)份含量相對(duì)較高，隨著生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行，干熄焦循環(huán)氣體中CO和H2含量逐步增加。由于H2爆炸極限為4.0%～74.2%、CO爆炸極限為12.5%～74.0%，因此干熄爐混合性氣體爆炸主要起因是H2含量的超標(biāo)。而正常生產(chǎn)操作中CO含量控制在4.0%左右時(shí)，上限控制在6.0%；H2含量一般在0.4%～0.7%之間，上限控制在3.0%，因此可以適當(dāng)提升CO含量，上限控制在7.0%完全是可行的。經(jīng)過半年的實(shí)踐證明，CO含量上限控制在7%能夠確保干熄焦系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2.4 干熄焦提高CO2效果

生成CO2需要消耗的氧是生成CO耗氧量的2倍，因此適當(dāng)降低循環(huán)氣體中CO2含量，提高CO含量可降低C的損耗，實(shí)現(xiàn)降低焦炭燒損目的。因此把4號(hào)干熄焦循環(huán)氣體中CO控制上限調(diào)整為7.0%，則干熄爐系統(tǒng)關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)變化見表3，而觀察循環(huán)氣體中CO:CO2的比例則變?yōu)?∶3，在此比例下配平化學(xué)式，見式（5）：

觀察改變CO控制上限后4號(hào)干熄焦的空氣導(dǎo)入量為11 044 m3/h，則耗氧量為：

通過方程平衡式（5）可以計(jì)算出干熄爐內(nèi)炭燒損的摩爾量為：

因此，調(diào)整后焦炭的燒損量為1.553 t/h，4號(hào)干熄焦的燒損率為1.37%。調(diào)整控制限后,干熄焦炭產(chǎn)量增加了0.133 t/h，降低了噸焦的生產(chǎn)成本。

表3 鞍鋼4號(hào)干熄焦調(diào)整CO上限后系統(tǒng)工況變化統(tǒng)計(jì)

3 干熄焦系統(tǒng)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化措施和效果

3.1 穩(wěn)定焦?fàn)t主要參數(shù)

因干熄焦循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、空氣導(dǎo)入量隨焦?fàn)t直行溫度的變化而變化，將4號(hào)干熄焦對(duì)應(yīng)的焦?fàn)t機(jī)側(cè)直行溫度標(biāo)準(zhǔn)值調(diào)整為1 250℃、焦側(cè)調(diào)整為1 300℃。機(jī)側(cè)和焦側(cè)直行溫度分別比之前的機(jī)側(cè)（1 260℃）和焦側(cè)（1 310℃）直行溫度降低了10℃，通過焦餅中心溫度驗(yàn)證焦炭成熟度較好。焦?fàn)t加熱用高爐煤氣耗量減少了6 000 m3/h，因此，溫度調(diào)節(jié)后焦?fàn)t的高爐煤氣消耗降低，同時(shí)優(yōu)化了干熄焦生產(chǎn)工況。

3.2 適度降低空氣導(dǎo)入量

研究提高CO濃度上限對(duì)干熄爐內(nèi)焦炭燒損的影響。在保持焦?fàn)t直行溫度、焦?fàn)t周轉(zhuǎn)時(shí)間及焦炭質(zhì)量穩(wěn)定的前提下，通過4號(hào)干熄焦的實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，將干熄焦空氣導(dǎo)入量由原來12 844 m3/h降低到11 730 m3/h，CO濃度控制上限值由6.0%提高到7.0%，干熄爐內(nèi)焦炭燒損率降低了0.13%，因此將循環(huán)氣體中CO濃度上限調(diào)整至7.0%，降低生產(chǎn)時(shí)循環(huán)氣體中CO2含量和焦炭表面CO2的吸附率，以及降低CO2還原速率，可有效降低干熄爐內(nèi)焦炭的燒損，增加干熄焦焦炭產(chǎn)量。

3.3 改變干熄焦調(diào)控方式

干熄爐預(yù)存段溫度（T5）與焦?fàn)t直行溫度趨勢(shì)變化一致，干熄焦系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)T5溫度變化趨勢(shì)，并反饋給調(diào)火崗位及時(shí)進(jìn)行焦?fàn)t爐溫的調(diào)整；也可依據(jù)T5溫度預(yù)先判斷干熄焦后3 h內(nèi)生產(chǎn)變化情況，對(duì)干熄焦各控制參數(shù)提前調(diào)節(jié)，提升干熄焦的生產(chǎn)效率；通過監(jiān)測(cè)循環(huán)氣體中H2濃度的變化情況，可判斷存在問題的炭化室，保證焦?fàn)t及干熄焦的穩(wěn)定生產(chǎn)。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)過焦?fàn)t與干熄焦系統(tǒng)實(shí)際對(duì)比研究，采取措施后焦?fàn)t直行溫度降低10℃，焦?fàn)t加熱用高爐煤氣耗量減少了6 000 m3/h，優(yōu)化了焦?fàn)t熱工調(diào)節(jié)體系。

（2）對(duì)干熄焦?fàn)t內(nèi)二氧化碳的還原反應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提出了提高干熄爐循環(huán)氣體中CO含量控制上限的控制措施，降低了干熄爐內(nèi)焦炭的燒損，提高了焦?fàn)t及干熄焦的生產(chǎn)效率。

［1］陳志明，姚紅英.干熄焦生產(chǎn)實(shí)踐及發(fā)展方向的探討［J］.鋼鐵,2001,36（5）： 1-4.

［2］趙沛，蔣漢華.鋼鐵節(jié)能技術(shù)分析 ［M］.冶金工業(yè)出版社，北京：1999.

［3］劉華飛.干熄爐內(nèi)傳熱和流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型［J］.熱科學(xué)與技術(shù)， 2003,1（2）:113-116.