干熄焦循環(huán)氣體對(duì)焦炭燒損的影響分析

羅時(shí)政，康春清，祝仰勇，喬繼軍，徐瑞陽(yáng)

（濟(jì)南鋼鐵股份有限公司焦化廠，山東濟(jì)南250101）

干熄焦循環(huán)氣體對(duì)焦炭燒損的影響分析

羅時(shí)政，康春清，祝仰勇，喬繼軍，徐瑞陽(yáng)

（濟(jì)南鋼鐵股份有限公司焦化廠，山東濟(jì)南250101）

從空氣導(dǎo)入量、循環(huán)氣體中CO濃度的控制范圍、CO2高溫下與焦炭的反應(yīng)能力等方面分析了循環(huán)氣體各成分對(duì)焦炭燒損率的影響，循環(huán)氣體中O2、CO、CO2的濃度均對(duì)焦炭燒損有顯著的影響，尤其是CO2在溫度高于730℃時(shí)對(duì)焦炭的燒損率有直接的促進(jìn)作用，發(fā)生碳溶反應(yīng)。并通過(guò)焦炭燒損率小型試驗(yàn)進(jìn)行了確認(rèn)，提出了在生產(chǎn)過(guò)程中可通過(guò)采用減小空氣導(dǎo)入量、適當(dāng)提高循環(huán)氣體中CO濃度、降低CO2濃度以及洗滌脫碳等預(yù)防控制措施，降低焦炭燒損率和提高焦炭產(chǎn)量。

干熄焦；循環(huán)氣體；焦炭燒損；空氣導(dǎo)入量

1 問(wèn)題的提出

目前建設(shè)投產(chǎn)的干熄焦裝置，一般都采取向循環(huán)氣體中連續(xù)導(dǎo)入空氣的措施，降低循環(huán)氣體可燃成分和補(bǔ)充循環(huán)氣體量損失。由于在裝爐過(guò)程中，空氣隨焦炭進(jìn)入干熄爐，與焦炭發(fā)生不完全反應(yīng)，生成一氧化碳，隨著時(shí)間的積累，循環(huán)氣體中CO濃度隨之升高。當(dāng)部分循環(huán)氣體隨著焦炭的外排逸散到皮帶通廊時(shí)，會(huì)導(dǎo)致皮帶通廊中CO偏高，易產(chǎn)生煤氣中毒和爆炸事故。所以，必須對(duì)循環(huán)氣體中CO濃度進(jìn)行控制，目前主要措施就是進(jìn)行空氣導(dǎo)入和充氮兩種方法，將CO燒掉或稀釋，降低其含量。

目前國(guó)內(nèi)干熄焦工藝設(shè)計(jì)中的焦炭燒損率為＜0.9%。對(duì)于焦炭燒損的現(xiàn)象，普遍有這樣一種認(rèn)識(shí)：通入空氣的位置選擇在干熄爐內(nèi)環(huán)形通道，燃燒主要發(fā)生在一次除塵入口、鍋爐入口等設(shè)備內(nèi)，同時(shí)燒掉的絕大多數(shù)是焦粉和可燃?xì)怏w，因此對(duì)焦炭的燒損影響不大；而且將焦粉燒掉，還能增加蒸汽產(chǎn)量、多發(fā)電，因此效益更大。

上述認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)是認(rèn)為CO易產(chǎn)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(huì)發(fā)生爆炸，也不會(huì)對(duì)焦炭燒損造成影響。然而這種認(rèn)識(shí)忽略了一個(gè)問(wèn)題：即CO2與焦炭在高溫下也會(huì)發(fā)生反應(yīng)。表1列出了不同溫度下CO2反應(yīng)的吉布斯自由能。

表1 不同溫度下CO2反應(yīng)的吉布斯自由能

從表1可以看出，CO2反應(yīng)的吉布斯自由能在730℃時(shí)為-6.600 kJ/mol。當(dāng)溫度達(dá)到730℃以上時(shí)，CO2就會(huì)與熾熱的C反應(yīng)生成CO，造成焦炭質(zhì)量的減少。因此，需要重新認(rèn)識(shí)循環(huán)氣體對(duì)焦炭燒損的影響。

2 循環(huán)氣體運(yùn)行工藝流程

由循環(huán)風(fēng)機(jī)把經(jīng)過(guò)給水預(yù)熱器后115～130℃的惰性氣體送到干熄爐底部，通過(guò)鼓風(fēng)裝置，循環(huán)氣體均勻上升，穿過(guò)紅焦層，逆向流動(dòng)進(jìn)行熱交換，惰性氣體升溫到900～960℃成為高溫?zé)煔?，煙氣?jīng)過(guò)爐內(nèi)環(huán)形通道進(jìn)入一次除塵，分離粗顆粒焦粉后進(jìn)入余熱鍋爐進(jìn)行熱交換，溫度降至160～180℃的循環(huán)氣體再進(jìn)入二次除塵，進(jìn)一步分離細(xì)顆粒焦粉后，由循環(huán)風(fēng)機(jī)送入給水預(yù)熱器冷卻至約115～130℃，再進(jìn)入循環(huán)風(fēng)機(jī)，進(jìn)行下一次循環(huán)。余熱鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽供汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

干熄焦工藝流程如圖1所示。

圖1 干熄焦系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖

3 循環(huán)氣體對(duì)焦炭燒損的影響分析

在干熄焦的生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，由于循環(huán)氣體中不斷導(dǎo)入空氣，從而導(dǎo)致了焦炭燒損，甚至影響焦炭的單爐產(chǎn)量。循環(huán)氣體經(jīng)換熱除塵后，從干熄爐底部進(jìn)入，與自上而下的熾熱焦炭進(jìn)行逆流換熱，氣體中CO2與焦炭發(fā)生碳溶反應(yīng)，生成CO，帶有大量CO的循環(huán)氣體進(jìn)入環(huán)形風(fēng)道，然后與空氣導(dǎo)入孔進(jìn)入的空氣混合，CO與空氣中的O2反應(yīng)生成CO2，從而降低了循環(huán)氣體中的CO濃度，使其保持在一個(gè)安全范圍，然后進(jìn)行下一循環(huán)。

3.1 空氣導(dǎo)入量對(duì)焦炭燒損率的影響

在干熄焦操作過(guò)程中，不斷導(dǎo)入空氣，而導(dǎo)入空氣中的O2與循環(huán)氣體中CO接觸時(shí)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CO2（2CO+O2=2CO2），而氣體中的CO2又與熾熱焦炭發(fā)生碳溶反應(yīng)，生成CO（CO2+C=2CO），從而導(dǎo)致焦炭的損耗，以上過(guò)程的循環(huán)發(fā)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(chǎn)中，每小時(shí)的空氣導(dǎo)入量約是8 000～10 000 m3（150 t/h干熄焦流量表顯示，設(shè)計(jì)值為100～110 m3/t）。氧氣在空氣中占21%左右，即每小時(shí)有約2 100 m3的氧氣進(jìn)入到干熄爐內(nèi)。假定導(dǎo)入的氧氣全部反應(yīng)，則碳1 d的消耗量為54.0 t。

焦炭的灰分按12.5%計(jì)算，則1 d的焦炭燒損量為61.7 t。

6#、7#焦?fàn)t每天的焦炭產(chǎn)量約為3 000 t，因此而造成的焦炭燒損率為2.06%。

3.2 循環(huán)氣體中CO濃度的控制范圍

循環(huán)氣體中導(dǎo)入空氣的目的是降低CO濃度、提高安全系數(shù)，同時(shí)導(dǎo)致了焦炭燒損，因此，從控制焦炭燒損角度來(lái)說(shuō)，應(yīng)該減少空氣導(dǎo)入提高CO濃度，但是從系統(tǒng)安全運(yùn)行角度分析，應(yīng)保持CO濃度在一個(gè)可控范圍。通過(guò)查閱各種資料，了解國(guó)內(nèi)各干熄焦工藝廠家控制要求，目前各焦化廠大多數(shù)干熄焦循環(huán)氣體成分中CO含量控制在6%以下，一般在3%左右。

據(jù)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(shuō)，如果循環(huán)氣體中CO的濃度超過(guò)這一指標(biāo)，在某些泄漏點(diǎn)就易導(dǎo)致爆炸和煤氣中毒事故。

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

4 焦炭燒損率試驗(yàn)

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

利用馬弗爐側(cè)面窺視孔，用直徑10 mm的不銹鋼管將循環(huán)氣體通入馬弗爐內(nèi)。焦炭在馬弗爐內(nèi)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(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度試驗(yàn)方法》規(guī)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(jī)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(yàn)步驟

1）在反應(yīng)器內(nèi)裝入已備好的焦炭試樣800 g± 0.5 g。2）將反應(yīng)器進(jìn)氣管與供氣系統(tǒng)連接，檢查氣路，保證嚴(yán)密。開(kāi)啟進(jìn)氣，按照1 250 m3/t的風(fēng)料比通入循環(huán)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(nèi)降溫速度逐步降低馬弗爐溫度，降溫控制見(jiàn)表2。4）馬弗爐內(nèi)溫度降至200℃，即反應(yīng)2.5 h，停止加熱，切斷循環(huán)氣體氣路。打開(kāi)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(yàn)結(jié)果及分析

焦炭燒損率以損失的焦炭質(zhì)量占反應(yīng)前焦樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)表示，2009年7月16～22日共進(jìn)行了5次試驗(yàn)，稱量焦炭質(zhì)量后計(jì)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(shè)計(jì)值≤0.9%偏高。主要原因有以下兩點(diǎn)：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(yàn)后，馬弗爐內(nèi)有少量焦粉不能回收，造成試驗(yàn)后焦炭質(zhì)量少。

5 結(jié)論及建議

5.1 干熄爐操作質(zhì)量會(huì)影響焦炭燒損，主要是空氣導(dǎo)入量造成焦炭的燒損。降低事故和故障的發(fā)生率，也是降低焦炭燒損的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，特別是故障處理時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)焦炭燒損影響較大。

5.2 只要空氣導(dǎo)入量一定，燒損的焦炭量是一定的（不計(jì)算風(fēng)機(jī)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(guò)焦炭燒損率試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)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(tǒng)有關(guān)，也與焦?fàn)t操作有關(guān)。焦?fàn)t的操作對(duì)焦炭燒損的影響主要表現(xiàn)在：焦餅成熟度，出爐操作過(guò)快，過(guò)早打開(kāi)爐門（有時(shí)爐門打開(kāi)與出焦時(shí)間間隔長(zhǎng)，造成爐頭焦炭燒損），有時(shí)出焦速度大于干熄操作速度（帶焦焦罐等空罐時(shí)間較長(zhǎng)，增加焦炭燒損）。

5.4 為了降低焦炭燒損，同時(shí)為了安全生產(chǎn)，循環(huán)氣體CO的濃度指標(biāo)控制上限可以提高到7%左右?；蛘卟扇⊥ㄈ氩糠值?dú)獾拇胧?，?lái)控制循環(huán)氣體CO的濃度和降低焦炭的燒損。

5.5 建議。1）在循環(huán)氣體成分含量檢測(cè)上，人工和自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)存在一定程度的差異，需進(jìn)一步改善優(yōu)化，提高自動(dòng)檢測(cè)水平，為生產(chǎn)工藝技術(shù)參數(shù)的調(diào)整提供依據(jù)。2）探索從干熄焦循環(huán)氣體中脫除CO2的方法?？梢圆捎孟礈烀摮に嚰夹g(shù)，即在干熄爐入口處取出一部分氣體，將其中的二氧化碳進(jìn)行脫除。正常生產(chǎn)時(shí)，循環(huán)氣體中CO2含量為10%～16%，理論上，只要抽取循環(huán)氣體量的20%即可將因?qū)肟諝舛紵a(chǎn)生的CO2脫除，從而保證在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中逐步降低CO2含量，減少焦炭燒損。3）開(kāi)發(fā)一種導(dǎo)入空氣量與循環(huán)氣體量相對(duì)應(yīng)的自動(dòng)控制技術(shù)，即智能化控制技術(shù)，降低焦炭燒損率。通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，建立循環(huán)氣體成分與空氣導(dǎo)入流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度之間的智能化控制模型，保證系統(tǒng)壓力在正?？刂品秶那疤嵯?，將CO濃度控制在要求范圍，實(shí)現(xiàn)循環(huán)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(shí)政，男，1962年生，2007年畢業(yè)于中南財(cái)經(jīng)大學(xué)EMBA研究生班?，F(xiàn)為濟(jì)鋼焦化廠廠長(zhǎng)，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，從事焦化工藝技術(shù)及管理工作。