干法熄焦工藝的基礎理論研究

印文寶，王 奇，趙楠楠，王國輝，何騰蛟，孔祥勇

(1.華泰永創(北京)科技股份有限公司，北京 100176；2.上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039；3.攀鋼集團煤化工公司，四川 攀枝花 617023；4.酒泉鋼鐵(集團)公司焦化廠，甘肅 嘉峪關 735100)

所謂干法熄焦，是相對濕法熄焦而言的，是指采用惰性氣體將紅焦冷卻的一種熄焦方法。在干法熄焦過程中，紅焦從干熄爐頂部裝入，低溫惰性氣體由循環風機鼓入干熄爐冷卻區紅焦層，吸收紅焦顯熱，冷卻后的焦炭從干熄爐底部排出。從干熄爐環形風道出來的高溫惰性氣體流經干熄焦鍋爐進行熱交換，鍋爐生產蒸汽，冷卻后的惰性氣體由循環風機重新鼓入干熄爐，惰性氣體在封閉的系統內循環。干法熄焦在節能、環保和改善焦炭質量等方面優于濕法熄焦。

干法熄焦起源于瑞士，20世紀40年代發達國家開始研究開發干法熄焦技術，采取的方式各異，規模較小且生產不穩定。20世紀60年代，蘇聯在干法熄焦技術方面取得了突破性進展，實現了連續穩定生產。20世紀70年代的全球能源危機促使干法熄焦技術長足發展，日本率先從蘇聯引進了干法熄焦技術，并在裝置的大型化、自動控制和環境保護方面進行了改進。裝焦方式采用了料鐘布料，排焦采用了旋轉密封閥連續排焦，接焦采用了旋轉焦罐接焦等技術，使氣/料比大大降低，極大地降低了干熄焦裝置的建設投資和裝置的運行費用；在控制方面實現了計算機控制；在除塵方面，采用了除塵地面站方式，避免了干法熄焦裝置可能帶來的二次污染[1]。

1 干法熄焦工藝簡介

干法熄焦系統主要由干熄爐、裝入裝置、排焦裝置、提升機、電機車及焦罐臺車、焦罐、一次除塵器、二次除塵器、干熄焦鍋爐系統、循環風機、除塵地面站、水處理系統、自動控制系統、發電系統等部分組成。

1.1 干法熄焦的工藝流程[1]

從炭化室推出的紅焦由焦罐臺車上的圓形旋轉焦罐接受，焦罐臺車由電機車牽引至干熄焦提升井架底部，由提升機將焦罐提升至提升井架頂部；提升機掛著焦罐向干熄爐中心平移的過程中，與裝入裝置連為一體的爐蓋由電動缸自動打開，裝焦漏斗自動放到干熄爐上部；提升機放下的焦罐由裝入裝置的焦罐臺接受，在提升機下降的過程中，焦罐底閘門自動打開，開始裝入紅焦；紅焦裝完后，提升機自動提起，將焦罐送往提升井架底部的空焦罐臺車上，在此期間裝入裝置自動運行將爐蓋關閉。

裝入干熄爐的紅焦在預存區存儲一段時間后，隨著排焦的進行逐漸下降到冷卻區，在冷卻區通過與循環氣體進行熱交換而冷卻，再經振動給料器、旋轉密封閥、排焦溜槽排出，然后由專用膠帶運輸機運出。

冷卻焦炭的循環氣體在干熄爐冷卻區與紅焦進行熱交換后溫度升高，并經斜道和環形風道排出干熄爐；高溫循環氣體經過一次除塵器分離粗顆粒焦粉后進入干熄焦鍋爐進行熱交換，鍋爐生產蒸汽，溫度降至約160 ℃的低溫循環氣體由鍋爐出來，經過二次除塵器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130 ℃，再進入干熄爐循環使用。

1.2 干法熄焦的發展方向

隨著我國國民經濟的不斷發展，如果能夠有效降低干熄焦裝置的建設投資、運行成本，提高智能化水平，這項技術一定能夠取得可觀的經濟效益和社會效益。

1.2.1 干法熄焦系統的優化

干熄爐是干法熄焦系統中的核心設備，干熄爐是中空的豎窯，由冷卻區和預存區構成，其中冷卻區是焦炭與惰性循環氣體逆向流動直接換熱的場所，冷卻區的理論高/徑比是干熄爐先進性與否的重要指標，在處理能力一定的前提下，合理確定冷卻區高/徑比既是實現焦炭冷卻速率的要求，也是降低系統壓力損失的重要保證；預存區是為緩沖焦爐間歇生產和干法熄焦系統連續運行的矛盾而設計的，其容積既要保證焦爐檢修時間，又要保證干法熄焦系統連續穩定運行，適宜的預存區容積可以起到燜爐的作用，有利于焦炭的成熟和均質化，但干熄爐的預存區容積不宜過大，否則將增加干熄爐的建設和運行成本以及干熄爐斜道區隔墻的載荷。

一次除塵器是干熄焦系統重要的高溫除塵設備，位于干熄爐和鍋爐之間。一次除塵器處于高溫工作狀態下，目前普遍采用重力沉降式除塵器或慣性除塵器。一次除塵器的主要作用是去除高溫惰性循環氣體中的大顆粒焦粉，避免對鍋爐、循環風機和循環系統管路的沖刷磨損。一次除塵器的工藝參數制約了其除塵效率和系統的壓力損失。

干熄爐和一次除塵器的工藝參數的優化是從系統視角來降低干法熄焦系統建設和運行成本的根本途徑，通過工藝參數的優化，降低干法熄焦的氣/料比從而降低建設和運行成本。

1.2.2 干法熄焦系統的智能化

干法熄焦系統的連續穩定運行是實現干法熄焦系統長壽、高效和安全的重要保障，通過建立干法熄焦過程中傳熱、傳質及動量傳遞的數學模型，應用數字孿生技術，實現干法熄焦系統的智能化和遠程運維是干法熄焦系統的必由之路。

2 干法熄焦工藝的難題

干法熄焦技術在生產運行過程中存在著系統壓力損失大、干熄爐斜道區焦炭浮起、鍋爐等設備磨損嚴重等問題。上述問題制約了干法熄焦技術的發展。

2.1 干熄爐的問題

干熄爐冷卻區高/徑比決定了惰性循環氣體流經焦炭層的厚度，即冷卻區壓力損失；惰性循環氣體與焦炭換熱后經斜道匯入環形風道，斜道氣體流速較快，容易發生焦炭浮起，系統壓力損失劇增，生產無法繼續；預存區容積取決于焦爐生產檢修時間，其容積的確定直接影響干熄爐的整體高度和斜道區隔墻的載荷。

2.2 一次除塵器的問題

一次除塵器連接干熄爐和鍋爐，其作用是除去惰性循環氣體中的大顆粒焦粉。采用慣性除塵器時，結構較緊湊但存在壓損較大和擋墻倒塌的情況；采用重力沉降式除塵器時，體積龐大但結構簡單且壓損小。

3 基礎理論研究

3.1 焦炭冷卻機理[1]

在干熄爐冷卻區，焦炭向下移動，惰性循環氣體向上流動，焦炭與循環氣體進行熱交換而達到焦炭冷卻的目的。由于焦炭的塊度大，容易形成較大的空隙率，而有利于氣體流動，焦炭冷卻的時間主要取決于氣流與焦炭的對流傳熱和焦塊內部的熱傳導，而冷卻速度則主要取決于焦塊的溫度和外形表面積以及循環氣體的溫度和流速等。

進入干熄爐的循環氣體的溫度主要由干熄焦鍋爐的省煤器決定。省煤器進口的除鹽除氧水溫度為104 ℃左右，出省煤器的循環氣體溫度可降為約160 ℃，由循環風機加壓后再經過給水預熱器進一步降溫至約130 ℃后進入干熄爐與焦炭逆流傳熱，干熄爐排出的焦炭可冷卻至200 ℃以下。離開1 000 ℃左右紅焦的循環氣體可升溫至900～960 ℃，從干熄爐斜道進入環形煙道匯集后流出干熄爐。

從焦爐炭化室推出的焦炭塊度并不均勻，塊度大的焦炭，由其表面向內部傳熱緩慢而使冷卻時間延長。因此焦炭的冷卻時間不可能一致。但是，焦炭在裝入干熄爐以及在干熄爐內向下移動的過程中經受機械力作用而使塊度大的變小，焦炭塊度會逐步均勻化；此外，圓形旋轉焦罐及帶‘十’字型料鐘的裝入裝置都有利于焦炭在干熄爐內的均勻分布，雖然在焦炭向下移動的過程中部分大塊焦炭會偏析到干熄爐的外周，仍可通過調整循環氣體進干熄爐風道上的入口擋板來調節干熄爐內中央與周邊的進風比例。

在干熄爐冷卻區內循環氣體與焦炭的熱交換，主要是對流傳熱。傳熱效果隨氣體流速增大而加強，但當循環氣體的流速隨循環風機轉速的提高而增大時，在干熄爐冷卻區內，氣流通過焦炭層的阻力增加與氣體流速的平方成正比，使循環風機的電耗大幅度提高，干熄焦運行不經濟。

惰性循環氣體在干熄爐冷卻區與焦炭逆流換熱，升溫至900～960 ℃后進入干熄焦鍋爐。由于氣體循環系統負壓段會漏進少量空氣，O2通過紅焦層就會與焦炭反應，生成CO2，CO2在焦炭層高溫區又會還原成CO，隨著循環次數的增多，循環氣體里CO濃度愈來愈高。此外，焦炭殘存揮發分始終在析出，熱解生成的H2、CO、CH4等也都是易燃易爆成分，因此在干法熄焦運行中，要控制循環氣體中可燃成分濃度在爆炸極限以下。一般有兩種措施可以進行控制：其一，連續地往氣體循環系統內補充適量的工業N2，對循環氣體中的可燃成分進行稀釋，再放散掉相應量的循環氣體；其二，連續往升溫至900～960 ℃的循環氣體中通入適量空氣來燃燒掉可燃成分，經鍋爐冷卻后再放散掉相應量的循環氣體。

3.2 干熄爐工藝參數的基礎理論研究

干熄爐是干法熄焦系統的核心熱工設備，是焦炭和惰性循環氣體進行能量轉換的核心。其中，冷卻區是換熱的場所，斜道是高溫惰性循環氣體的通道，上述兩者既制約著干熄焦的干熄效率，同時也是系統壓損的主要來源；預存區結構簡單，其主要作用是實現焦爐檢修期間的干熄爐的連續穩定運行，其砌體結構制約著干熄爐的整體高度和斜道隔墻的載荷。

3.2.1 干熄爐冷卻區工藝參數

干熄爐冷卻區為圓筒形砌體結構，內部填充焦炭，惰性循環氣體通過焦炭層的空隙流動，實現與焦炭的逆流直接換熱。在冷卻區內發生焦炭與惰性循環氣體的傳熱、傳質和化學反應過程，其中以傳熱為主。冷卻區結構簡單主要有冷卻區高度和直徑兩個參數，其受焦炭和惰性循環氣體傳熱效率制約，而傳熱效率主要取決于供氣的均勻性和焦炭布料的均勻性，因為涉及供氣裝置和布料裝置的結構，本文不做深入討論。需要了解的是冷卻區高/徑比是換熱效率高低的反映，在保證焦炭充分冷卻的前提下，高/徑比越低焦炭料層越薄，即壓損越小，同時干熄爐的整體高度也將越低。減小高/徑比有利于降低干熄爐的建設和運行成本。

3.2.2 干熄爐斜道工藝參數

大量固體顆粒堆積在一起，便形成了具有一定高度的顆粒床層，這就是名稱里的'床'。當流體通過顆粒床層的流量較小時，顆粒受到的升力(浮力與曳力之和)小于顆粒自身重力時，顆粒在床層內靜止不動，此時床層稱為固定床；如果這個顆粒床層是整體移動的，固體顆粒自頂部連續加入，又從底部卸出，顆粒相互之間沒有相對運動，而是以一個整體的狀態移動，叫做移動床；當流體通過顆粒床層時，隨著流體速度逐漸增大，固體顆粒開始運動，且固體顆粒受到的升力也越來越大，當流速達到一定值時，固體顆粒受到的升力與它們的重力相等，每個顆粒可以自由運動，所有固體顆粒表現出類似流體狀態的現象。這種現象稱為流態化。料層由靜止狀態整體轉變為完全流化狀態時的空塔速度，稱為對應固體顆粒料層厚度下的初始(臨界)流化速度，而此時所對應的風量即為初始(臨界)流化風量，整體顆粒料層即是流化床[2]。

(1)固體流態化的氣—固兩相流動數學模型[3]。初始流化速度即顆粒開始流化時的氣流速度：(氣體向上運動時產生的浮力與曳力)=(床層體積)×(固體顆粒分率)×(顆粒密度)。

Δp×At=W=(At×Lmf)(1-εmf)(ρs-ρg)g

式中：Δp——床層壓差；

At——床層截面積；

Lmf——床層高度；

εmf——床層孔隙率；

ρs，ρg——床層固體顆粒密度，氣體密度。

將上式與固定床壓降方程(Ergun方程)相結合，可得臨界流化速度計算式。

Ergun方程：

式中：φs——顆粒球型度；

dp——顆粒當量直徑，m；

M——氣體粘度，Pa·s；

umf——顆粒初始流化速度，m/s。

前一項為粘滯力損失，后一項為動能損失。

合并兩式并整理：

低雷諾數時，粘滯力損失占主導，忽略后一項：

解得：

高雷諾數時，動能損失占主導，忽略前一項：

解得：

對中等雷諾數，兩項都要考慮。

計算出臨界流化速度后要進行驗算，看雷諾數是否在適用范圍之內。

帶出速度：當流體對顆粒的浮力和曳力與顆粒的重量相等，顆粒會被流體帶走，即：

式中：CD——曳力系數。

流化床內徑的計算：

式中：Vg——氣流的體積流量m3/s；

dt——流化床內徑m；

u——氣流的空塔流速m/s。

可見，流化床的內徑取決于氣流的空塔氣速，而流化床的空塔氣速應介于初始流化速度與逸出速度之間，即維持流化狀態的最低氣速與最高氣速之間。

(2)干熄爐斜道氣—固兩相流動的數學模型。根據牛頓粘性定律可知：(氣體流動方向上的壓差)=(流體流動反方向上的剪切力)=(流體粘度)×(速度梯度)可得(具體尺寸詳見圖1所示)：

圖1 干熄爐斜道

h=x×tan(γ-α) (0≤x≤a，0°≤γ≤90°)

式中：w——斜道入口寬度，m；

X——斜道內與氣流方向垂直的長度(焦炭表面)，m；

A——斜道出口長向尺寸，m；

P1——斜道入口平均靜壓力，Pa；

P2——斜道出口平均靜壓力，Pa；

λ——循環氣體流經焦炭料層時的粘度修正系數；

ε——焦炭層孔隙率，%；

φ——焦炭球型度；

μ——循環氣體的粘度，Pa·s；

h——循環氣體通過焦炭層的沿程長度，m；

u——循環氣體流速，m/s；

γ——斜道隔墻傾角，deg；

α——焦炭動態安息角，deg。

上式整理得出：

積分后得出：

假設邊界條件當x=a時，u=0，解得：

綜合上述理論推導可得：

(3)數學模型的應用。根據氣—固兩相流動數學模型可知，當氣體流速達到初始流化速度時，干熄爐斜道內焦炭將處于浮起狀態，同時斜道壓力損失驟增；另外，粒徑較小的焦粉將處于流態化或者氣力輸送狀態，大量焦粉將會被循環氣體攜帶進入一次除塵器、鍋爐和風機等后續工藝設備，造成干熄焦惰性氣體循環系統壓力制度的紊亂和干熄焦惰性氣體循環系統設備及管路的磨損。

式中：V——每個斜道氣體流量，m3。

通過求解上述公式，即可確定斜道出口長向關鍵尺寸a。

3.2.3 干熄爐預存區工藝參數

預存區位于干熄爐斜道隔墻上部，預存區內墻砌體自重和焦炭與預存區內墻的摩擦力直接由斜道隔墻承擔，此外預存區內墻還要承受裝焦過程中的焦炭的沖擊以及環形風道溫度波動的熱應力。預存區容積取決于焦爐檢修時間，在相同容積的情況下，當預存區高度與直徑的比值為1時，所需要的材料最節省(條件極值)，即經濟性最好，同時有利于減少預存區內墻的砌體自重，可以減少斜道隔墻的負荷。

3.3 一次除塵器工藝參數

除塵器性能包括處理氣體流量、除塵效率和壓力損失等。其中除塵效率有兩種表示法：一是粒級效率，另一是總效率。

粉塵中含有大小不同的顆粒，通過除塵器后，各種大小不同的顆粒被分離出的百分數各不相同，按顆粒大小分別表示出其被分離的質量分率，即為粒級效率；能夠分離的最小顆粒直徑稱為臨界直徑；進入除塵器的全部粉塵中實際上能被分離出來的總質量分率，稱為總效率。

除塵器的設備阻力是表示能耗大小的技術指標，可通過測定設備進口與出口氣流的全壓差得到。其大小不僅與除塵器的種類和結構形式有關，還與處理氣體通過時的流速大小有關。

3.3.1 重力沉降式除塵器[4]

重力場內，一個顆粒在靜止的流體中降落時，共受到三個力：重力、浮力和阻力。重力與浮力之差是使顆粒發生沉降的作用力；阻力是流體介質阻礙顆粒運動的力，其作用方向與顆粒運動方向相反。沉降作用力減去阻力，使顆粒產生一加速度a，令m為顆粒的質量，則：

(重力-浮力)-阻力=m·a

對于給定的顆粒和流體，重力和浮力是確定的，阻力則隨降落的速度而變。初始時，顆粒的降落速度和所受阻力皆為零，顆粒因受力按上式加速下降。隨降落速度的增加，阻力也相應增大，一直與沉降作用力相等，顆粒受力達到平衡，加速度也減到零。此后顆粒即以等速下降，這一最終達到的速度稱為沉降速度。

當量直徑為d的球形顆粒的所受重力等于它的體積、密度和重力加速度之積：

顆粒所受浮力是它的體積乘以流體密度與重力加速度之積：

顆粒沉降時的阻力可以采用流體流動阻力類似的公式表示。令ξ為阻力系數，u0為沉降速度，A為顆粒在垂直于沉降方向的平面上的投影面積，則：

達到平衡時，阻力的大小應等于重力減浮力之差，即：

解得：

計算沉降速度要先知道阻力系數，它反映顆粒運動時流體對顆粒的曳力，故又稱曳力系數。顆粒運動時所受的阻力由兩部分構成，即表皮阻力與形體阻力。顆粒速度很小時，流體呈層流與球體相對運動，并在球的左右兩側繞過，在球表面所形成的邊界層很薄，沒有漩渦出現，流體對球的曳力主要是粘性曳力即表皮摩擦；若速度增加，便有漩渦出現，即發生邊界層分離，表皮曳力的作用逐漸讓位于形體阻力。

根據實驗結果作出的阻力系數與雷諾準數的關系，當流動為層流(Re<0.3)時：ξ=24/Re，得：

此式稱為斯托克斯(Stokes)阻力定律。

氣體進入重力沉降式除塵器后，塵粒一方面隨氣流向水平方向運動，其速度和氣流速度相同；另一方面在重力的作用下以沉降速度垂直向下運動，只要氣體通過除塵器所歷時間大于或等于其中的塵粒從室頂沉降到室底所需時間，塵粒便可以分離出來。

干熄焦重力沉降式除塵器參數見圖2中(2)所示，顆粒在除塵器內的停留時間Θt=L/ut位于除塵器最高點的顆粒沉降到室底的時間Θ0=H/ug，故顆粒沉降而分離出的條件是：

圖2 一次除塵器結構參數示意

根據極限條件ut=Lug/H，則含塵氣體的最大處理量為：

Vs=HBut=BLug

式中：B——除塵器入口寬度，m。

由上式可見，含塵氣體的處理量為沉降室的底面積與沉降速度之積，與沉降室的高度無關。由于主要是考慮可能沉降的最小顆粒，又假設顆粒在沉降室內做自由沉降，應用斯托克斯定律，于是處理量為Vs時能分離出得顆粒最小直徑可計算如下：

根據臨界直徑的定義，直徑大于等于dmin的顆粒，粒級效率均為100%，根據進入除塵器中的含粉塵氣體的粒度分布，直徑大于、等于dmin的顆粒的總質量除以含塵氣體中總的粉塵質量，即為全效率。

3.3.2 慣性除塵器[5]

慣性除塵技術是借助擋板使氣流改變方向，利用氣流中顆粒的慣性力使之分離的技術，利用慣性除塵技術設計的除塵器稱作慣性除塵器。

在慣性除塵器內，主要是使氣流急速轉向，或沖擊在擋板上再急速轉向，其中顆粒由于慣性效應，其運動軌跡就與氣流軌跡不一樣，從而使兩者獲得分離。氣流速度高，這種慣性效應就大，所以這類除塵器的體積可以減小，沒有活動部件，可用于高溫和高濃度粉塵場合，對細顆粒的分離效率比重力除塵器稍高。但慣性除塵器的阻力較大。慣性除塵器的主要缺點是磨損嚴重和壓損大，即除塵器入口和出口存在較大壓差，擋墻在壓差和生產過程中氣量波動的共同作用下，容易發生垮塌事故。

干熄焦慣性除塵器參數詳見圖2中(1)所示，入口的含塵氣流速度u0，顆粒為均勻分布，進入除塵器后，由于慣性效應，顆粒逐漸向外壁濃集，無返混。任意處(r，φ)顆粒的3個速度分量為：徑向速度vr，切向速度vt，重力沉降速度vg。

在慣性效應下，于是有：

將兩式合并得顆粒運動的軌跡方程：

顆粒的vr遠小于vt，于是在徑向上的顆粒運動方程為：

式中：mD——顆粒質量；

CD——顆粒阻力系數；

AD——顆粒垂直于氣流方向的投影面積；

ρD——顆粒密度。

顆粒當量直徑δ，則：

解得：

顆粒的vg遠小于vt，即在慣性除塵器內主要靠慣性效應，重力的影響可忽略不計，于是顆粒的軌跡方程可簡化為：

根據兩類氣速分布規律，分別設計如下：

(1)假設氣速沿截面始終不變，各處均為vt。又假設切面上，顆粒很快就跟隨氣流運動，即vt=vi。對上式積分則：

初始位于ri處的顆粒經回轉過φ角后，將移動到rφ處：

這是一條阿基米德螺線，如圖2中(1)虛線所示，這就是分離后凈化氣與含塵氣的分界線，所以該顆粒的分離效率為：

為使顆粒達到完全分離(ηi=1)所需回轉角為：

于是：

由上述理論分析可見，與重力沉降不同，慣性除塵器要求較高的氣速，氣流基本都處于湍流狀態下工作，而且壓力損失較大。

4 結 論

(1)干熄爐是干法熄焦系統的核心設備，干熄爐冷卻區內紅焦和惰性循環氣體的換熱效率受到布料和供氣均勻性的制約，在相同處理能力的前提下，冷卻區高徑比越小，循環氣體通過冷卻區的壓力損失越小，同時干熄爐的整體高度越低，有利于降低干熄爐的建設和運行成本。

(2)干熄爐斜道隔墻承載著干熄爐預存區內墻砌體自重及焦炭與預存區內墻的摩擦力，預存區內墻還要承受裝焦過程中的焦炭沖擊力和溫差引起的熱應力，在相同預存容積的前提下，降低預存區高度有利于降低斜道隔墻的負荷且提高內墻的穩定性，應用條件極值的數學方法可知，預存區高/徑比為1時，預存區內墻的用材最省。

(4)一次除塵器工作在高溫環境下，根據實際生產工況條件，采用內部襯耐火磚的重力沉降式除塵器或慣性除塵器。重力沉降式除塵器的體積龐大，屬于低效率的設備，只適用于分離粗顆粒或作為預分離的設備。

(5)慣性除塵器內部設計有耐火磚砌筑的擋墻，慣性除塵器分離效率雖然較重力沉降式除塵器稍高，但是氣體流速大，除塵器壓力損失大，即除塵器入口和出口存在較大壓差，擋墻在壓差和生產過程中氣量波動的共同作用下，容易發生垮塌事故。