干熄焦系統穩定經濟運行的研究

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，用以生產蒸汽或預熱煤、空氣、煤氣和水等，以 56 t/h生產能力的干熄焦計，干熄1 t焦炭節約的熱能為1 185.9 MJ［1］。既減少了濕熄焦所需的熄焦水量，又改善了周圍環境、消除水汽及有害氣體對設備和建筑物的腐蝕。尤其重要的是干熄后的焦炭質量明顯提高，焦炭機械強度提高、真密度增大、耐磨性改善、反應性降低，用于大型高爐生產可降低高爐焦比1%～2%，高爐生產能力可提高1%左右［2］。研究人員在干熄焦動態傳熱、爐內化學反應和爐體結構優化上做了大量的基礎研究工作，得到了比較符合實際的數學理論模型，但因干熄爐內的化學反應及熱量傳導過程非常復雜，僅依靠建立數學模型模擬與實際生產仍存在較大差別，還需要焦化企業開展工業生產試驗進行優化。鞍鋼股份有限公司煉焦總廠現有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）實際生產的研究與實踐，得出了6 m焦爐及配套干熄焦系統穩定經濟運行的優化措施。

1 焦爐主要控制參數與干熄焦穩定運行相關性研究

焦爐溫度控制與干熄焦系統生產密切相關。從焦炭熱平衡中可以看出，焦炭帶入干熄焦系統的總熱量多，則干熄焦系統負荷相對較大。焦餅中心溫度是最能表征每爐焦炭帶入干熄爐系統熱量的多少，同時也是校驗焦爐直行溫度的依據。在焦爐系統穩定的前提下，為了檢驗全爐溫度熱量系統對干熄焦系統的影響，采用直行溫度與干熄焦系統參數相對應，焦餅中心溫度對直行溫度進行校驗。

1.1 工業試驗研究方案

對鞍鋼煉焦總廠6 m焦爐進行工業試驗研究，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6 m焦爐焦側直行溫度控制在1 271～1 280 ℃、1 281～1 290 ℃、1 291～1 300 ℃、1 301～1 305 ℃、1 306～1 310 ℃區間時，觀察對應的干熄焦生產系統關鍵參數的變化情況。

1.2 試驗結果

按照工業試驗方案對焦爐與干熄焦生產關鍵參數作對比。選取干熄焦有代表性的參數進行研究，對比試驗按照焦爐與干熄焦熱能量平衡原理，干熄焦循環風機轉速與焦爐溫度對比，干熄爐預存段溫度T5同循環氣體壓力對比，干熄焦系統空氣導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試驗生產實際數據，見表1所示。

表1 2015年4號焦爐與干熄焦工業試驗生產實際數據對比

1.3 試驗數據分析

1.3.1 循環風機轉數的影響因素

在干熄焦排焦溫度保持不變的情況下 （配煤比沒有變化），數據顯示焦炭M40、M10冷態指標相對平穩。從表1可以看出，干熄焦循環風機轉速隨焦爐直行溫度的升高呈先下降后上升趨勢。在周轉時間不變和干熄焦系統排焦溫度一致的情況下，焦爐機側直行溫度穩定在1 250～1 255℃時，干熄焦循環風機轉數最低，干熄焦風機耗電量最低，因此，優化焦爐直行溫度可有效降低干熄焦生產成本。

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風機轉數相關聯。正常情況下干熄焦預存段溫度代表焦炭入爐的溫度負荷，而循環風機轉數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 干熄焦系統空氣導入量的影響因素

空氣導入量的控制受循環氣體中CO2、CO含量及焦炭成熟度等因素影響。工業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分相應變化外，其它指標均維持不變。從表1可看出，空氣導入量隨直行溫度變化較大，空氣導入量在直行溫度處于1 222～1 250℃時，空氣導入量隨直行溫度的增加逐漸降低，當直行溫度繼續增加時，空氣導入量迅速增加。干熄焦空氣導入量拐點對應焦爐直行溫度機側為1 250℃，焦側為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，主要是調節干熄焦循環風機轉速匹配了適宜的風料比，從而保證了紅焦在干熄爐內的冷卻效果。干熄焦生產應在保證排焦溫度的前提下，降低循環風機轉數。其原因有兩點：一是循環風機轉數的降低減少了干熄焦負荷，降低了能源消耗；二是循環風機轉數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經濟運行的相關性研究

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

干熄爐內焦炭燒損影響因素研究目前國內主流有兩種觀點。一是干熄爐內焦炭燒損的主要影響因素是空氣導入量的多少；二是干熄爐循環氣體中高濃度CO2與C的還原反應才是導致焦炭燒損的直接原因。工業試驗研究表明，CO2還原反應是焦炭燒損擴大的根本原因，而空氣導入量的多少是焦炭燒損量的直接表現。C與CO2反應的平衡常數及吉布斯常數見表2。CO2與C的反應屬于典型的氣固吸熱反應，低于800 K（527℃）時吉布斯函數G變化為正，反應平衡常數K在10-2數量級，CO2與C的反應沒有進行。從表1可以看出，冷卻段上部溫度在200～240℃區間內，因此CO2的還原反應在干熄爐內冷卻段外圍不會發生。

表2 C與CO2反應的平衡常數及吉布斯常數

劉華飛等人對干熄爐內循環氣體溫度、焦炭溫度分布做了系統研究［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。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域屬于還原反應的區域。由反應動力學理論可知，氣固反應分為內擴散、外擴散和表面反應，不考慮內擴散以及內表面對還原反應的影響，循環氣體在靠近爐墻和風帽周邊位置反應速度快。在干熄爐內部分循環氣體中CO2濃度較高，可認為反應主要受循環氣體流速影響。隨著焦爐直行溫度的降低，焦炭顯熱逐漸減少，爐內焦炭溫度為600℃梯度分布曲線向上移動，則CO2還原反應區間急劇縮小，因此隨著焦爐直行溫度的降低，空氣導入量開始呈減少趨勢。

2.1.2 循環氣體中CO濃度對焦炭燒損的影響

干熄爐內循環氣體流過焦炭縫隙時處于劇烈紊流狀態，層流底層對CO2擴散傳質影響不考慮，因此CO2還原反應速率主要受外表面反應控制，由朗謬爾經典吸附理論可知，降低CO2在循環氣體中的分壓可有效降低CO2與C反應的速率，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；P為 CO2分壓，Pa；v為固體表面反應速率，mol/（L·s）；kr為固體表面反應速率系數，mol/（L·s）。

由于干熄爐循環氣體密閉系統中CO和CO2濃度處于相互反應轉化的狀態之中，焦爐機側直行溫度從1 250℃繼續降低時，干熄爐空氣導入量會逐漸增加。原因是隨著直行溫度的繼續降低，焦炭出現不成熟的問題，焦炭揮發份含量逐漸增加，循環氣體的CO含量也增加，為保持系統安全，則需導入大量空氣將多余的CO燃燒掉，進一步增加循環氣體中CO2的含量，導致焦炭燒損率的迅速增加。

2.2 干熄焦燒損率的生產實際研究

對鞍鋼煉焦總廠4號干熄焦系統空氣導入量的數據采集，計算干熄焦系統焦炭的燒損率。干熄焦氣體循環系統中CO、CO2除焦炭自帶的部分外，CO、CO2在干熄爐內產生源見式（1）～（3）。

根據蓋斯定律，一個反應分作幾步進行和一步到最終狀態時的熱效應是相同的，因此化學平衡式（1）和（2）的熱反應效果是相同的。干熄焦日常生產中循環氣體中CO∶CO2的體積比 （摩爾數）約為2∶5，將其代入C與O2反應的化學式中配平后得到式（4）：

4號干熄焦空氣導入量平均為12 844 m3/h，則干熄焦系統耗氧量為：

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

按式（4）計算干熄爐內炭燒損摩爾量X（C），則：

X（C）轉換成消耗炭的質量為：

焦爐周轉時間按照19 h，單爐產量21.5 t計算，平均排焦量113 t/h，則焦炭燒損率為：

2.3 調整CO、H2控制上限可行性論證

隨著干熄焦的連續生產，干熄爐內循環氣體中CO組成會逐漸增加。循環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，預存段負壓導致空氣進入干熄爐與C發生不完全反應生成CO；二是裝入的紅焦中揮發份含量相對較高，隨著生產的連續進行，干熄焦循環氣體中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，因此適當降低循環氣體中CO2含量，提高CO含量可降低C的損耗，實現降低焦炭燒損目的。因此把4號干熄焦循環氣體中CO控制上限調整為7.0%，則干熄爐系統關鍵生產參數變化見表3，而觀察循環氣體中CO:CO2的比例則變為2∶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炭燒損的摩爾量為：

因此，調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%。調整控制限后,干熄焦炭產量增加了0.133 t/h，降低了噸焦的生產成本。

表3 鞍鋼4號干熄焦調整CO上限后系統工況變化統計

3 干熄焦系統穩定經濟運行的優化措施和效果

3.1 穩定焦爐主要參數

因干熄焦循環風機轉數、空氣導入量隨焦爐直行溫度的變化而變化，將4號干熄焦對應的焦爐機側直行溫度標準值調整為1 250℃、焦側調整為1 300℃。機側和焦側直行溫度分別比之前的機側（1 260℃）和焦側（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，溫度調節后焦爐的高爐煤氣消耗降低，同時優化了干熄焦生產工況。

3.2 適度降低空氣導入量

研究提高CO濃度上限對干熄爐內焦炭燒損的影響。在保持焦爐直行溫度、焦爐周轉時間及焦炭質量穩定的前提下，通過4號干熄焦的實際生產驗證，將干熄焦空氣導入量由原來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%，干熄爐內焦炭燒損率降低了0.13%，因此將循環氣體中CO濃度上限調整至7.0%，降低生產時循環氣體中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焦炭的燒損，增加干熄焦焦炭產量。

3.3 改變干熄焦調控方式

干熄爐預存段溫度（T5）與焦爐直行溫度趨勢變化一致，干熄焦系統可實時監測T5溫度變化趨勢，并反饋給調火崗位及時進行焦爐爐溫的調整；也可依據T5溫度預先判斷干熄焦后3 h內生產變化情況，對干熄焦各控制參數提前調節，提升干熄焦的生產效率；通過監測循環氣體中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定生產。

4 結論

（1）經過焦爐與干熄焦系統實際對比研究，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，優化了焦爐熱工調節體系。

（2）對干熄焦爐內二氧化碳的還原反應進行了系統分析，提出了提高干熄爐循環氣體中CO含量控制上限的控制措施，降低了干熄爐內焦炭的燒損，提高了焦爐及干熄焦的生產效率。

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

［2］趙沛，蔣漢華.鋼鐵節能技術分析 ［M］.冶金工業出版社，北京：1999.

［3］劉華飛.干熄爐內傳熱和流體流動的數學模型［J］.熱科學與技術， 2003,1（2）:113-116.