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干熄焦系統(tǒng)穩(wěn)定經(jīng)濟運行的研究

2018-04-13 05:54朱慶廟龐克亮王超劉冬杰武吉鞍鋼集團鋼鐵研究院遼寧鞍山114009
鞍鋼技術(shù) 2018年2期
關(guān)鍵詞:焦爐焦炭風機

朱慶廟,龐克亮,王超,劉冬杰,武吉(鞍鋼集團鋼鐵研究院,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,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,焦炭機械強度提高、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態(tài)傳熱、爐內(nèi)化學反應(yīng)和爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化上做了大量的基礎(chǔ)研究工作,得到了比較符合實際的數(shù)學理論模型,但因干熄爐內(nèi)的化學反應(yīng)及熱量傳導(dǎo)過程非常復(fù)雜,僅依靠建立數(shù)學模型模擬與實際生產(chǎn)仍存在較大差別,還需要焦化企業(yè)開展工業(yè)生產(chǎn)試驗進行優(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。通過對鞍鋼煉焦總廠4號干熄焦裝置(處理能力為125 t/h)實際生產(chǎn)的研究與實踐,得出了6 m焦爐及配套干熄焦系統(tǒng)穩(wěn)定經(jīng)濟運行的優(yōu)化措施。

1 焦爐主要控制參數(shù)與干熄焦穩(wěn)定運行相關(guān)性研究

焦爐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)負荷相對較大。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,同時也是校驗焦爐直行溫度的依據(jù)。在焦爐系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下,為了檢驗全爐溫度熱量系統(tǒng)對干熄焦系統(tǒng)的影響,采用直行溫度與干熄焦系統(tǒng)參數(shù)相對應(yīng),焦餅中心溫度對直行溫度進行校驗。

1.1 工業(yè)試驗研究方案

對鞍鋼煉焦總廠6 m焦爐進行工業(yè)試驗研究,將焦爐直行溫度劃分為五個階段,分別為1 221~1 230 ℃、1 231~1 240 ℃、1 241~1 250 ℃、1 251~1 255℃、1 256~1 260℃,對應(yīng)6 m焦爐焦側(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,觀察對應(yīng)的干熄焦生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的變化情況。

1.2 試驗結(jié)果

按照工業(yè)試驗方案對焦爐與干熄焦生產(chǎn)關(guān)鍵參數(shù)作對比。選取干熄焦有代表性的參數(shù)進行研究,對比試驗按照焦爐與干熄焦熱能量平衡原理,干熄焦循環(huán)風機轉(zhuǎn)速與焦爐溫度對比,干熄爐預(yù)存段溫度T5同循環(huán)氣體壓力對比,干熄焦系統(tǒng)空氣導(dǎo)入量同焦爐直行溫度對比,得到鞍鋼煉焦總廠2015年4號焦爐與干熄焦工業(yè)試驗生產(chǎn)實際數(shù)據(jù),見表1所示。

表1 2015年4號焦爐與干熄焦工業(yè)試驗生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)對比

1.3 試驗數(shù)據(jù)分析

1.3.1 循環(huán)風機轉(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)指標相對平穩(wěn)。從表1可以看出,干熄焦循環(huán)風機轉(zhuǎn)速隨焦爐直行溫度的升高呈先下降后上升趨勢。在周轉(zhuǎn)時間不變和干熄焦系統(tǒng)排焦溫度一致的情況下,焦爐機側(cè)直行溫度穩(wěn)定在1 250~1 255℃時,干熄焦循環(huán)風機轉(zhuǎn)數(shù)最低,干熄焦風機耗電量最低,因此,優(yōu)化焦爐直行溫度可有效降低干熄焦生產(chǎn)成本。

1.3.2 干熄焦鍋爐入口負壓的影響因素

將干熄焦鍋爐入口負壓波動情況同干熄焦循環(huán)風機轉(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荷,而循環(huán)風機轉(zhuǎn)數(shù)同干熄爐焦爐入爐溫度負荷一致,因此,干熄焦鍋爐入口負壓隨焦爐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)試驗中焦爐直行溫度的降低除了使進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,空氣導(dǎo)入量隨直行溫度的增加逐漸降低,當直行溫度繼續(xù)增加時,空氣導(dǎo)入量迅速增加。干熄焦空氣導(dǎo)入量拐點對應(yīng)焦爐直行溫度機側(cè)為1 250℃,焦側(cè)為1 300℃。

1.3.4 直行溫度變化對排焦溫度的影響

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)風機轉(zhuǎn)速匹配了適宜的風料比,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)風機轉(zhuǎn)數(shù)。其原因有兩點:一是循環(huán)風機轉(zhuǎn)數(shù)的降低減少了干熄焦負荷,降低了能源消耗;二是循環(huán)風機轉(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)濟運行的相關(guān)性研究

2.1 干熄焦燒損率的影響因素

2.1.1 焦爐溫度控制對焦炭燒損的影響

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。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)試驗研究表明,CO2還原反應(yīng)是焦炭燒損擴大的根本原因,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,CO2與C的反應(yīng)沒有進行。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中縱坐標為距干熄爐風帽中心高度x,橫坐標為距干熄爐風帽中心的半徑r。

圖1 焦炭溫度分布

由圖1可以看出,靠近爐墻和風帽處的溫度梯度較大。而實際試驗表明,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)動力學理論可知,氣固反應(yīng)分為內(nèi)擴散、外擴散和表面反應(yīng),不考慮內(nèi)擴散以及內(nèi)表面對還原反應(yīng)的影響,循環(huán)氣體在靠近爐墻和風帽周邊位置反應(yīng)速度快。在干熄爐內(nèi)部分循環(huán)氣體中CO2濃度較高,可認為反應(yīng)主要受循環(huán)氣體流速影響。隨著焦爐直行溫度的降低,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,則CO2還原反應(yīng)區(qū)間急劇縮小,因此隨著焦爐直行溫度的降低,空氣導(dǎo)入量開始呈減少趨勢。

2.1.2 循環(huán)氣體中CO濃度對焦炭燒損的影響

干熄爐內(nèi)循環(huán)氣體流過焦炭縫隙時處于劇烈紊流狀態(tài),層流底層對CO2擴散傳質(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,焦爐機側(cè)直行溫度從1 250℃繼續(xù)降低時,干熄爐空氣導(dǎo)入量會逐漸增加。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)實際研究

對鞍鋼煉焦總廠4號干熄焦系統(tǒng)空氣導(dǎo)入量的數(shù)據(jù)采集,計算干熄焦系統(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,一個反應(yīng)分作幾步進行和一步到最終狀態(tài)時的熱效應(yīng)是相同的,因此化學平衡式(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)的化學式中配平后得到式(4):

4號干熄焦空氣導(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:

焦爐周轉(zhuǎn)時間按照19 h,單爐產(chǎn)量21.5 t計算,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)存段負壓導(dǎo)致空氣進入干熄爐與C發(fā)生不完全反應(yīng)生成CO;二是裝入的紅焦中揮發(fā)份含量相對較高,隨著生產(chǎn)的連續(xù)進行,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。而正常生產(chǎn)操作中CO含量控制在4.0%左右時,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,因此適當降低循環(huán)氣體中CO2含量,提高CO含量可降低C的損耗,實現(xiàn)降低焦炭燒損目的。因此把4號干熄焦循環(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式,見式(5):

觀察改變CO控制上限后4號干熄焦的空氣導(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號干熄焦調(diào)整CO上限后系統(tǒng)工況變化統(tǒng)計

3 干熄焦系統(tǒng)穩(wěn)定經(jīng)濟運行的優(yōu)化措施和效果

3.1 穩(wěn)定焦爐主要參數(shù)

因干熄焦循環(huán)風機轉(zhuǎn)數(shù)、空氣導(dǎo)入量隨焦爐直行溫度的變化而變化,將4號干熄焦對應(yīng)的焦爐機側(cè)直行溫度標準值調(diào)整為1 250℃、焦側(cè)調(diào)整為1 300℃。機側(cè)和焦側(cè)直行溫度分別比之前的機側(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證焦炭成熟度較好。焦爐加熱用高爐煤氣耗量減少了6 000 m3/h,因此,溫度調(diào)節(jié)后焦爐的高爐煤氣消耗降低,同時優(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濃度上限對干熄爐內(nèi)焦炭燒損的影響。在保持焦爐直行溫度、焦爐周轉(zhuǎn)時間及焦炭質(zhì)量穩(wěn)定的前提下,通過4號干熄焦的實際生產(chǎn)驗證,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)與焦爐直行溫度趨勢變化一致,干熄焦系統(tǒng)可實時監(jiān)測T5溫度變化趨勢,并反饋給調(diào)火崗位及時進行焦爐爐溫的調(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,保證焦爐及干熄焦的穩(wěn)定生產(chǎn)。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過焦爐與干熄焦系統(tǒng)實際對比研究,采取措施后焦爐直行溫度降低10℃,焦爐加熱用高爐煤氣耗量減少了6 000 m3/h,優(yōu)化了焦爐熱工調(diào)節(jié)體系。

(2)對干熄焦爐內(nèi)二氧化碳的還原反應(yīng)進行了系統(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,提高了焦爐及干熄焦的生產(chǎn)效率。

[1]陳志明,姚紅英.干熄焦生產(chǎn)實踐及發(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)傳熱和流體流動的數(shù)學模型[J].熱科學與技術(shù), 2003,1(2):113-116.

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