用燒損率標定干熄焦績效操作實踐

曹 文 張為斌 李劍利 張 淵 王新會 李學志

(安陽鋼鐵股份有限公司)

0 前言

干熄焦生產過程中，由于氣體循環系統負壓段的嚴密性，開啟爐蓋裝焦等因素的影響，會吸入一定量的空氣，其中的O2在通過干熄爐紅焦層時會與焦炭發生反應，生成CO和CO2；其次，空氣中的水份與紅焦發生反應生成H2；另外，紅焦在干熄爐預存段進一步熱解生成H2和CH4。因此，在干熄焦的循環氣體中會存在H2、CO、CH4等可燃成分。

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

1 存在問題

1.1 循環氣體組分變化大

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

循環氣體的組成，受熄焦裝置本身嚴密性的影響，生產能力愈大和冷卻段出口溫度越高，則循環氣體中可燃成分的濃度也越高。導入空氣控制法經濟方便，但吸入空氣將可燃成分燒掉的同時，鍋爐入口溫度將升高，排焦溫度升高，也會造成一部分焦炭的燒損。 循環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，設備易爆，循環氣體劇毒性增加，以此作為控制循環氣體成分的參考依據，其可燃成分對排焦溫度影響見表1。

表1 可燃成分對排焦溫度的影響

循環氣體成份CO控制值0～6%，完全燃燒可燃成分，致使在裝焦間隔時間內，安鋼75 t/h干熄焦平均空氣導入量為3 120 m3/h，做物料衡算計算得出燒損率為1.79%，每日增加焦炭燒損量達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溫度不均衡、風料比不匹配的情況等多種因素影響，經常出現周邊溫度偏差較大，在生產負荷波動時，同一水平面上的溫度差達到200 ℃左右，并且時有花焦出現；不僅對運焦皮帶產生不利影響，而且在此生產過程中焦炭燒損增加。為了杜絕花焦，降低排焦溫度，增加循環風量過大時，造成能耗浪費，干熄爐熱效率降低。

1.3 系統嚴密性的影響

循環系統的嚴密性對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由于膨脹節內耐材脫落，膨脹節頂部波紋管燒穿泄漏，造成大量空氣漏入和系統嚴密性降低，在循環系統負壓區域大量吸入空氣后，由于負壓系統是溫度較低的區域，吸入的空氣不能燃燒循環氣體中的可燃組分，而是進入干熄爐與紅焦發生氧化和不完全氧化反應，直接燒損焦炭。其中不完全氧化反應會使循環氣體中的CO含量升高，需要再加入空氣加以控制，因此系統的嚴密性對焦炭的燒損的影響是相當大的。同一套干熄焦裝置，在嚴密性好時候，燒損率可以小于0.6%；嚴密性差時，燒損率可在2%左右。

2 改進措施

2.1 穩定循環氣體組分

2017年4月，現場根據75 t/h干熄焦氣體分析儀為參照，我們采用開氮氣充入閥，持續補充氮氣，同時適當調節預存段壓力調節閥調整放散量。但因為生產氮氣壓力為0.6 MPa，而循環系統壓力僅為3.2 kPa，極大的壓力波動影響系統的穩定性，很容易造成焦炭浮起問題的發生，直接造成排焦溫度的升高。過多的空氣導入量，使系統氧含量增加，焦炭氧化反應加劇，造成焦炭燒損和排焦溫度的升高。經過對焦炭燒損的分析，控制CO濃度在2.5%～6%，可以較好地降低空氣導入量，尤其在焦爐檢修時間，空氣導入量可以從3 500 Nm3/h降低到2 016 Nm3/h，可以減少42%的空氣導入量。每小時可以減少13.9 mol的氧與焦炭反應，降低因燒損產生的熱量13.9×34 047 kJ/mol=473 678.8 kJ。按排焦量為30 t/h計算，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 采用正交試驗確定風料比

影響周邊溫度的主要因素分別為：排焦量、循環風量以及中央與周邊進風量比等。 為降低排焦溫度， 2017年5月通過試驗來確認并調整氣料比控制范圍，進一步穩定系統排焦。決定采用正交試驗來選定合適的操作條件，以實現精細化控制。

(1)試驗目的：通過正交試驗找出最佳工藝控制條件。

(2)考察指標：周邊溫度≤250 ℃。

(3)確定試驗選取的因素和位級：因素A：鍋爐入口溫度，因素B：排焦量，因素C：循環風量，因素D：中央與周邊進風量比。

(4)選取4因素3水平進行試驗，具體參數和試驗過程見表2、表3。

表2 正交試驗因素及位級表

表3 L9(34)正交試驗表

另外，又進行了補充試驗。依據級差分析，理論周邊溫度最佳為：A2B1C3D3。但是，根據現場實際要求，C3風量為 80 000 m3/h時的周邊溫度為213 ℃， C2風量為75 000 m3/h時的周邊溫度為239 ℃，后者在節省電能、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，選定當前操作條件為:中央與周邊進風量比為1:0.95，排焦量為65 t/h ，循環風量為75 000 m3/h，鍋爐入口溫度為925 ℃ 。

2.3 膨脹節耐材改進

年修期間，對膨脹節的原波紋管耐材澆注結構進行砌筑耐火磚拱頂結構改造，斷面兩側預留的膨脹縫用陶瓷纖維氈壓實。側墻用粘土磚，非工作面層用高鋁質輕質磚，中間設滑動層砌筑。拱頂拱角設計為38 °，用莫來石耐火磚和高鋁質輕質磚砌筑，兩側和拱頂伸縮節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粘土，膨脹節上部外保護罩是用軟連接進行密封，保證一定的伸縮度同時也防止雨季雨水滲透侵蝕。上部膨脹節原澆注耐材損壞如圖1所示，改進后的砌磚耐材結構如圖2所示。

3 改進后運行效果

3.1 改進后運行狀況

采取上述措施進行改進后，循環氣體的成分趨于穩定，周邊溫度趨于均衡，系統嚴密性得到很大改善，排焦溫度運行區間由改進前190 ℃以上改善到確保運焦皮帶安全運行的190 ℃以下，并連續運行觀察4個月，排焦溫度保持穩定，如圖3所示。

爐況穩定后，再次做了物料衡算，將改進前后重要參數進行了對比，結果見表4。

圖1 膨脹節原澆注耐材損壞

圖2 膨脹節改砌磚的結構

圖3 排焦溫度實施前后對比

調節閥開度/%空氣導入量/(Nm3·h-1)排焦溫度/℃CO/%O2/%碳燒損率/%改進前4831001940.950.611.79改進后2523201793.650.221.12

3.2 改進效果

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

⑵ 干熄焦系統內的O2含量由原來的0.61%左右降低為現在的0.22%左右，不僅可使焦炭單產保持較穩定水平，增加煉焦效益。

⑶ 提高干熄焦各點溫度和壓力等數據的優化，保證干熄爐的正常穩定生產。同時可以降低排焦溫度，而且可以保護干熄爐內耐火材料，提高耐火材料的使用壽命，提高干熄焦噸焦蒸汽產量。

4 效益分析

經過上述的探索和改進，把控制可燃成分所需的空氣導入量由原來的平均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，年增加效益=41.4×1 600=66 240元。

5 結論

用燒損率標定干熄焦績效操作是能源績效管理的一種有益嘗試，在干熄焦焦炭燒損的優化和操作過程中，無論是排焦溫度降低還是提高焦炭產量、改善焦炭質量或者是穩定干熄焦工序運行、提升鍋爐發電方面都取得一定效果，同時也延長了75 t/h干熄爐耐材使用壽命。

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