干熄焦循環氣體對焦炭燒損的影響分析

羅時政，康春清，祝仰勇，喬繼軍，徐瑞陽

（濟南鋼鐵股份有限公司焦化廠，山東濟南250101）

干熄焦循環氣體對焦炭燒損的影響分析

羅時政，康春清，祝仰勇，喬繼軍，徐瑞陽

（濟南鋼鐵股份有限公司焦化廠，山東濟南250101）

從空氣導入量、循環氣體中CO濃度的控制范圍、CO2高溫下與焦炭的反應能力等方面分析了循環氣體各成分對焦炭燒損率的影響，循環氣體中O2、CO、CO2的濃度均對焦炭燒損有顯著的影響，尤其是CO2在溫度高于730℃時對焦炭的燒損率有直接的促進作用，發生碳溶反應。并通過焦炭燒損率小型試驗進行了確認，提出了在生產過程中可通過采用減小空氣導入量、適當提高循環氣體中CO濃度、降低CO2濃度以及洗滌脫碳等預防控制措施，降低焦炭燒損率和提高焦炭產量。

干熄焦；循環氣體；焦炭燒損；空氣導入量

1 問題的提出

目前建設投產的干熄焦裝置，一般都采取向循環氣體中連續導入空氣的措施，降低循環氣體可燃成分和補充循環氣體量損失。由于在裝爐過程中，空氣隨焦炭進入干熄爐，與焦炭發生不完全反應，生成一氧化碳，隨著時間的積累，循環氣體中CO濃度隨之升高。當部分循環氣體隨著焦炭的外排逸散到皮帶通廊時，會導致皮帶通廊中CO偏高，易產生煤氣中毒和爆炸事故。所以，必須對循環氣體中CO濃度進行控制，目前主要措施就是進行空氣導入和充氮兩種方法，將CO燒掉或稀釋，降低其含量。

目前國內干熄焦工藝設計中的焦炭燒損率為＜0.9%。對于焦炭燒損的現象，普遍有這樣一種認識：通入空氣的位置選擇在干熄爐內環形通道，燃燒主要發生在一次除塵入口、鍋爐入口等設備內，同時燒掉的絕大多數是焦粉和可燃氣體，因此對焦炭的燒損影響不大；而且將焦粉燒掉，還能增加蒸汽產量、多發電，因此效益更大。

上述認識的基礎是認為CO易產生煤氣中毒和爆炸事故，通入空氣將CO燒掉變成CO2，而CO2是惰性氣體，不會發生爆炸，也不會對焦炭燒損造成影響。然而這種認識忽略了一個問題：即CO2與焦炭在高溫下也會發生反應。表1列出了不同溫度下CO2反應的吉布斯自由能。

表1 不同溫度下CO2反應的吉布斯自由能

從表1可以看出，CO2反應的吉布斯自由能在730℃時為-6.600 kJ/mol。當溫度達到730℃以上時，CO2就會與熾熱的C反應生成CO，造成焦炭質量的減少。因此，需要重新認識循環氣體對焦炭燒損的影響。

2 循環氣體運行工藝流程

由循環風機把經過給水預熱器后115～130℃的惰性氣體送到干熄爐底部，通過鼓風裝置，循環氣體均勻上升，穿過紅焦層，逆向流動進行熱交換，惰性氣體升溫到900～960℃成為高溫煙氣，煙氣經過爐內環形通道進入一次除塵，分離粗顆粒焦粉后進入余熱鍋爐進行熱交換，溫度降至160～180℃的循環氣體再進入二次除塵，進一步分離細顆粒焦粉后，由循環風機送入給水預熱器冷卻至約115～130℃，再進入循環風機，進行下一次循環。余熱鍋爐產生的高溫高壓蒸汽供汽輪發電機組發電。

干熄焦工藝流程如圖1所示。

圖1 干熄焦系統工藝流程簡圖

3 循環氣體對焦炭燒損的影響分析

在干熄焦的生產運行過程中，由于循環氣體中不斷導入空氣，從而導致了焦炭燒損，甚至影響焦炭的單爐產量。循環氣體經換熱除塵后，從干熄爐底部進入，與自上而下的熾熱焦炭進行逆流換熱，氣體中CO2與焦炭發生碳溶反應，生成CO，帶有大量CO的循環氣體進入環形風道，然后與空氣導入孔進入的空氣混合，CO與空氣中的O2反應生成CO2，從而降低了循環氣體中的CO濃度，使其保持在一個安全范圍，然后進行下一循環。

3.1 空氣導入量對焦炭燒損率的影響

在干熄焦操作過程中，不斷導入空氣，而導入空氣中的O2與循環氣體中CO接觸時，發生化學反應生成CO2（2CO+O2=2CO2），而氣體中的CO2又與熾熱焦炭發生碳溶反應，生成CO（CO2+C=2CO），從而導致焦炭的損耗，以上過程的循環發生，是造成焦炭燒損的主要原因。

以150 t/h干熄焦為例，正常生產中，每小時的空氣導入量約是8 000～10 000 m3（150 t/h干熄焦流量表顯示，設計值為100～110 m3/t）。氧氣在空氣中占21%左右，即每小時有約2 100 m3的氧氣進入到干熄爐內。假定導入的氧氣全部反應，則碳1 d的消耗量為54.0 t。

焦炭的灰分按12.5%計算，則1 d的焦炭燒損量為61.7 t。

6#、7#焦爐每天的焦炭產量約為3 000 t，因此而造成的焦炭燒損率為2.06%。

3.2 循環氣體中CO濃度的控制范圍

循環氣體中導入空氣的目的是降低CO濃度、提高安全系數，同時導致了焦炭燒損，因此，從控制焦炭燒損角度來說，應該減少空氣導入提高CO濃度，但是從系統安全運行角度分析，應保持CO濃度在一個可控范圍。通過查閱各種資料，了解國內各干熄焦工藝廠家控制要求，目前各焦化廠大多數干熄焦循環氣體成分中CO含量控制在6%以下，一般在3%左右。

據資料介紹，在空氣中高爐煤氣爆炸的下限是30%，高爐煤氣中主要的可燃爆炸成分CO的含量為25%～30%，換算成CO的濃度約7.5%～9%。也就是說，如果循環氣體中CO的濃度超過這一指標，在某些泄漏點就易導致爆炸和煤氣中毒事故。

為了尋求兩者之間的平衡，在實際操作中，CO含量在＜6%的前提下，要盡量提高其含量。目前濟鋼焦化廠要求控制在4%～6%。

4 焦炭燒損率試驗

為探討干熄爐內循環氣體中二氧化碳與氧氣及焦炭的反應情況，降低焦炭燒損率，2009年7月，利用馬弗爐進行了試驗。稱取一定質量的焦炭試樣，置于馬弗爐中，通入循環氣體，模擬焦炭在干熄爐內的反應，以焦炭質量損失的百分比表示焦炭在干熄爐內的燒損率。

利用馬弗爐側面窺視孔，用直徑10 mm的不銹鋼管將循環氣體通入馬弗爐內。焦炭在馬弗爐內的堆置為中間高、兩邊低。

4.1 試樣制備

按GB/T 4000－1996《焦炭反應性及反應后強度試驗方法》規定的取樣方法，按比例取粒度＞25 mm的焦炭20 kg，棄去泡焦和爐頭焦。用顎式破碎機破碎、混勻、縮分出10 kg，再用φ25 mm、φ21 mm圓孔篩篩分，＞φ25 mm的焦塊再破碎、篩分，取φ21 mm篩上物，去掉片狀焦和條狀焦，縮分得焦塊2 kg。

試驗步驟

1）在反應器內裝入已備好的焦炭試樣800 g± 0.5 g。2）將反應器進氣管與供氣系統連接，檢查氣路，保證嚴密。開啟進氣，按照1 250 m3/t的風料比通入循環氣體。3）接通電源，將馬弗爐溫度緩慢升至900℃，按照焦炭在干熄爐內降溫速度逐步降低馬弗爐溫度，降溫控制見表2。4）馬弗爐內溫度降至200℃，即反應2.5 h，停止加熱，切斷循環氣體氣路。打開爐門，使焦炭冷卻至100℃以下，倒出焦炭，稱量、記錄。

表2 降溫速率控制

試驗結果及分析

焦炭燒損率以損失的焦炭質量占反應前焦樣總質量的百分數表示，2009年7月16～22日共進行了5次試驗，稱量焦炭質量后計算的燒損率分別為1.88%、1.63%、1.88%、1.50%、2.13%。因此，燒損率最大值與最小值之間偏差較大，平均值為1.80%，較設計值≤0.9%偏高。主要原因有以下兩點：1）馬弗爐密封性不好，有空氣漏入，造成燒損率偏高。2）燒損試驗后，馬弗爐內有少量焦粉不能回收，造成試驗后焦炭質量少。

5 結論及建議

5.1 干熄爐操作質量會影響焦炭燒損，主要是空氣導入量造成焦炭的燒損。降低事故和故障的發生率，也是降低焦炭燒損的一個重要環節，特別是故障處理時間長，對焦炭燒損影響較大。

5.2 只要空氣導入量一定，燒損的焦炭量是一定的（不計算風機后放散的部分氣體）；150 t/h干熄焦的理論焦炭燒損率約為2.06%，與通過焦炭燒損率試驗得到的數據1.80%較為接近。

5.3 影響焦炭燒損的因素不但與干熄焦工藝系統有關，也與焦爐操作有關。焦爐的操作對焦炭燒損的影響主要表現在：焦餅成熟度，出爐操作過快，過早打開爐門（有時爐門打開與出焦時間間隔長，造成爐頭焦炭燒損），有時出焦速度大于干熄操作速度（帶焦焦罐等空罐時間較長，增加焦炭燒損）。

5.4 為了降低焦炭燒損，同時為了安全生產，循環氣體CO的濃度指標控制上限可以提高到7%左右。或者采取通入部分氮氣的措施，來控制循環氣體CO的濃度和降低焦炭的燒損。

5.5 建議。1）在循環氣體成分含量檢測上，人工和自動檢測數據存在一定程度的差異，需進一步改善優化，提高自動檢測水平，為生產工藝技術參數的調整提供依據。2）探索從干熄焦循環氣體中脫除CO2的方法。可以采用洗滌脫除工藝技術，即在干熄爐入口處取出一部分氣體，將其中的二氧化碳進行脫除。正常生產時，循環氣體中CO2含量為10%～16%，理論上，只要抽取循環氣體量的20%即可將因導入空氣而燃燒產生的CO2脫除，從而保證在運轉過程中逐步降低CO2含量，減少焦炭燒損。3）開發一種導入空氣量與循環氣體量相對應的自動控制技術，即智能化控制技術，降低焦炭燒損率。通過對相關數據統計分析，建立循環氣體成分與空氣導入流量調節閥開度之間的智能化控制模型，保證系統壓力在正常控制范圍的前提下，將CO濃度控制在要求范圍，實現循環氣體成分的智能化控制。

Influence and Analysis of CDQ Cycle Gas on Coke Burning Loss

LUO Shi-zheng,KANG Chun-qing,ZHU Yang-yong,QIAO Ji-jun,XU Rui-yang
（The Coking Plant of Jinan Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

The paper analyzed the components of CDQ cycle gas on coke burning loss from some aspects such as the input of air volume,controlling the CO concentration in cycle gas,the reaction capacity between CO2and coke in high temperature.The conclusion was educed that the O2,CO,CO2concentration in cycle gas had a distinct influence on coke burning loss,especially that the oxide gas CO2had a simulative action on coke burning loss when the temperature was higher than 730℃,and the coke was melting.We also made a pint-sized experiment to ensure the conclusion and took some preventive and control measures such as decreasing the input of air volume,increasing the CO concentration and depressing the CO2concentration in cycle gas and washing decarburization,it could depress the coke burning loss and improve the coke output.

CDQ system;cycle gas;coke burning loss;prevent measure

TQ522.16

A

1004-4620（2010）01-0041-03

2009-09-28

羅時政，男，1962年生，2007年畢業于中南財經大學EMBA研究生班。現為濟鋼焦化廠廠長，高級經濟師，從事焦化工藝技術及管理工作。