鞍鋼190 t/h干熄焦系統(tǒng)熱平衡診斷與分析

甘秀石 ，李衛(wèi)東 ，郝博 ，邊子峰 ，王磊

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司煉焦總廠，遼寧鞍山114021）

干熄焦工藝是相對(duì)于濕焦而言的［1］，其基本原理是利用惰性循環(huán)氣體與熾熱紅焦直接接觸換熱從而冷卻紅焦，冷卻后的焦炭由排焦裝置排出，干熄后的焦炭質(zhì)量大大提高，有利于高爐的冶煉［2］。吸收了紅焦熱量的循環(huán)氣體在循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下經(jīng)一次除塵器除塵后，在余熱鍋爐內(nèi)釋放熱量，產(chǎn)生蒸汽用于發(fā)電。循環(huán)氣體經(jīng)二次除塵后通過換熱器與除鹽水進(jìn)行熱交換，然后再由風(fēng)機(jī)鼓入干熄爐循環(huán)使用，具有節(jié)能和環(huán)保雙重效益［3］。

鞍鋼股份有限公司煉焦總廠西部煉焦 （以下簡(jiǎn)稱“鞍鋼”）190 t/h干熄焦系統(tǒng)于2012年4月建成投產(chǎn)，為了更好地掌握干熄焦系統(tǒng)的熱能利用及分配狀況，對(duì)干熄爐、干熄焦鍋爐及整體干熄焦系統(tǒng)進(jìn)行了熱平衡測(cè)試及計(jì)算，并針對(duì)分析發(fā)現(xiàn)的問題提出了干熄焦的熱工參數(shù)優(yōu)化建議。

1 熱平衡模型

干熄焦系統(tǒng)由干熄爐、干熄焦余熱鍋爐、除塵器、循環(huán)風(fēng)機(jī)及熱管換熱器等設(shè)備組成，干熄焦熱平衡包括干熄爐熱平衡、干熄焦余熱鍋爐熱平衡和干熄焦系統(tǒng)熱平衡三個(gè)部分，其中干熄焦系統(tǒng)熱平衡是在干熄爐熱平衡和干熄焦余熱鍋爐熱平衡的基礎(chǔ)上進(jìn)行的系統(tǒng)熱平衡。

1.1 干熄爐熱平衡模型

干熄爐的熱收入項(xiàng)包括紅焦、入爐氣體、導(dǎo)入空氣帶入的物理熱，以及焦炭及其揮發(fā)分燃燒的化學(xué)熱；熱支出項(xiàng)為冷焦、循環(huán)氣體、焦粉帶出熱量和水封水熱損失及干熄爐表面散熱。干熄爐熱量收入支出情況如圖1所示。

圖1 干熄爐熱量收入支出情況Fig.1 Heat Income and Expenditure on CDQ Furnace

（1）熱收入項(xiàng)

（2） 熱支出項(xiàng)

1.2 干熄焦余熱鍋爐熱平衡模型

干熄焦余熱鍋爐系統(tǒng)熱收入項(xiàng)為循環(huán)氣體、除氧水、焦粉帶入熱量，熱支出項(xiàng)為污水、鍋爐蒸汽、循環(huán)氣體、焦粉帶出熱量以及余熱鍋爐表面散熱。干熄焦余熱鍋爐熱量收入支出情況如圖2所示。

圖2 干熄焦余熱鍋爐熱量收入支出情況Fig.2 Heat Income and Expenditure on CDQ Waste Heat Boiler

（1） 熱收入項(xiàng)

Q鍋爐熱收入=Q循環(huán)氣體帶入熱+Q焦粉帶入熱+Q除氧水帶入熱

（2） 熱支出項(xiàng)

Q鍋爐熱支出=Q污水帶出熱+Q鍋爐蒸汽帶出熱+Q鍋爐表面散熱+Q循環(huán)氣體帶出熱+Q焦粉帶入熱+Q其他熱損失

1.3 干熄焦系統(tǒng)熱平衡模型

干熄焦系統(tǒng)熱平衡是將干熄爐和干熄焦余熱鍋爐作為整體考慮，由于干熄焦熱平衡系統(tǒng)循環(huán)氣體的收支處于系統(tǒng)內(nèi)，因此不予考慮。干熄焦系統(tǒng)熱量收入支出情況如圖3所示。

圖3 干熄焦系統(tǒng)熱量收入支出情況Fig.3 Heat Income and Expenditure on CDQ System

（1） 熱收入項(xiàng)

（2） 熱支出項(xiàng)

2 干熄焦熱平衡測(cè)試及計(jì)算

按照上述熱平衡模型，在正常生產(chǎn)情況下，對(duì)鞍鋼190 t/h干熄焦系統(tǒng)進(jìn)行熱平衡測(cè)試，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際，通過測(cè)試校對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)并糾正偏差，收集、整理后分析。

2.1 干熄爐熱平衡

干熄爐熱平衡測(cè)試及計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出：①熱收入項(xiàng)中，主要為紅焦帶入熱，占75.96%；其次是導(dǎo)入空氣帶入熱和焦炭燃燒熱，分別占11.48%和11.60%。②熱支出項(xiàng)中，循環(huán)氣體帶出熱占比最大，為86.19%；其次是冷焦帶出熱，占7.79%；干熄爐表面散熱占0.87%。③干熄爐熱平衡其他熱損失∣ΔQ∣=4.53%＜5%，符合國家計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 余熱鍋爐熱平衡

余熱鍋爐熱平衡測(cè)試及計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出：①熱收入項(xiàng)中，主要為循環(huán)氣體帶入熱，占88.94%；其次是除氧器水帶入熱，占10.74%；而循環(huán)氣體中的焦粉帶入熱最少，僅占0.32%。②熱支出項(xiàng)中，蒸汽帶出熱占比最大，為80.30%；其次是循環(huán)氣體帶出熱，占16.49%；鍋爐表面散熱占0.84%。③余熱鍋爐熱平衡其他熱損失∣ΔQ∣=0.80%＜5%，符合國家計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 干熄爐熱平衡測(cè)試及計(jì)算結(jié)果Fig.4 Test Data and Calculation Results for Heat Balance of CDQ Furnace

圖5 干熄焦余熱鍋爐熱平衡測(cè)試及計(jì)算結(jié)果Fig.5 Test Data and Calculation Results for Heat Balance of CDQ Waste Heat Boiler

2.3 干熄焦系統(tǒng)熱平衡

干熄焦系統(tǒng)熱平衡測(cè)試及計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出：① 熱收入項(xiàng)中，主要為紅焦帶入熱，占81.51%；其次是焦炭燃燒熱，占12.46%；而熱管換熱器水帶入熱和低壓蒸汽帶入熱分別占3.15%和1.85%。② 熱支出項(xiàng)中，鍋爐蒸汽帶出熱最大，占81.81%；其次是冷焦帶出熱，占8.37%；放散氣體帶出熱占0.65%。③ 干熄焦系統(tǒng)熱平衡其他熱損失∣ΔQ∣=0.49%<5%，符合國家計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 干熄焦系統(tǒng)熱平衡測(cè)試及計(jì)算結(jié)果Fig.6 Test Data and Calculation Results for Heat Balance of CDQ System

3 測(cè)試結(jié)果分析及優(yōu)化建議

3.1 主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

鞍鋼西部煉焦190 t/h干熄焦系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表1所示。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)上述分析，此次測(cè)試的干熄焦系統(tǒng)各其他熱損失均在5%以內(nèi)，符合國家工業(yè)爐窯設(shè)備測(cè)試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此測(cè)試數(shù)據(jù)可靠，可以進(jìn)行相關(guān)技術(shù)分析。

表1 鞍鋼西部煉焦190 t/h干熄焦系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Table 1 Operating Parameters and Main Economic Indicators for CDQ System with Capacity of 190 t/h in Western Part of Anshan of Ansteel

（1）鞍鋼西部煉焦190 t/h干熄焦系統(tǒng)的干熄爐、余熱鍋爐、系統(tǒng)熱效率分別為86.19%、80.30%、81.81%，效率較高。

（2）氣料比對(duì)鍋爐循環(huán)氣體入口溫度影響較大。氣料比過大，則入口溫度低，同時(shí)會(huì)增加循環(huán)風(fēng)機(jī)負(fù)荷，浪費(fèi)電能；氣料比過小，則鍋爐入口溫度高，對(duì)鍋爐本體不利。已知?dú)饬媳仍O(shè)計(jì)值為1 300 m3/t，測(cè)試過程中的氣料比雖然小于設(shè)計(jì)值，但相對(duì)于國內(nèi)其它干熄焦裝置氣料比（普遍在1 240～1 250 m3/t）偏大。盡管紅焦裝入溫度高達(dá)1 082℃，但鍋爐入口溫度為861℃，相對(duì)過低，處于設(shè)計(jì)低值（850～960℃），究其原因是氣料比過大，導(dǎo)致鍋爐入口溫度低。

（3）余熱鍋爐實(shí)際蒸汽產(chǎn)生量為90.3 t/h，產(chǎn)汽率為470 kg/t，參照《干熄焦節(jié)能技術(shù)規(guī)范YB/T4255-2012》的指標(biāo)值≥530 kg/t還有較大的提升空間，這是因?yàn)闅饬媳绕?，?dǎo)致鍋爐入口溫度較低，影響了余熱鍋爐的蒸汽量。

（4）本次測(cè)量的導(dǎo)入空氣量為9 696 m3/h，設(shè)計(jì)值為12 000 m3/h。導(dǎo)入空氣量和爐內(nèi)可燃?xì)怏w的含量有關(guān)，導(dǎo)入空氣量過大，則燒損偏高；導(dǎo)入空氣量過低，則會(huì)造成可燃成份偏高，發(fā)生安全事故。測(cè)試過程循環(huán)氣體中 CO占4.4%、H2占1.18%、O2占0.16%，導(dǎo)入空氣量較為合理，因此，西部煉焦干熄焦的焦炭燒損率較低，為0.82%。

（5）預(yù)存室裝料和非裝料時(shí)的壓力分別為-150 Pa和-74 Pa，均為負(fù)壓，空氣會(huì)隨焦炭一起進(jìn)入爐內(nèi)，且若爐內(nèi)密封不嚴(yán)，外界空氣亦會(huì)被吸入爐內(nèi)，增加焦炭的燒損。

（6）熱管換熱器散熱損失較大，為3.90%，熱效率較低，僅為21%，因此造成鍋爐除鹽水預(yù)熱溫度較低，僅為66℃，導(dǎo)致低壓蒸汽補(bǔ)充量較大，占1.85%。

3.3 優(yōu)化建議

（1）適當(dāng)降低氣料比。將氣料比控制在1 240～1 250 m3/t范圍，提高鍋爐入口的循環(huán)氣體溫度，增加鍋爐的蒸汽產(chǎn)量，從而提高余熱鍋爐的熱效率和整個(gè)干熄焦系統(tǒng)的熱效率。

（2）在調(diào)整氣料比的同時(shí)，控制導(dǎo)入空氣量和放散氣體量，使循環(huán)氣體中CO≤6%、H2≤1%、O2≤0.5%，將預(yù)存室壓力控制在-50～0 Pa，盡可能降低焦炭燒損率。同時(shí)，也可根據(jù)焦炭和蒸汽的價(jià)格，依據(jù)干熄焦焦炭燒損率和鍋爐產(chǎn)汽量間的關(guān)系，合理確定焦炭燒損率，保證經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

（3）對(duì)熱管換熱器進(jìn)行密封、清灰、優(yōu)化，提高換熱器熱效率，降低低壓蒸汽的消耗。

4 結(jié)語

熱平衡是評(píng)價(jià)干熄焦系統(tǒng)熱工運(yùn)行狀況的有效手段。通過對(duì)鞍鋼股份有限公司煉焦總廠西部煉焦190 t/h干熄焦系統(tǒng)的熱平衡診斷與分析，發(fā)現(xiàn)了干熄爐、干熄焦余熱鍋爐及干熄焦系統(tǒng)存在的諸如氣料比過大、預(yù)存室壓力低、熱管換熱器效率低等問題。針對(duì)存在問題，提出降低氣料比并控制在1 240～1 250 m3/t范圍；同時(shí)控制導(dǎo)入空氣量和放散氣體量，將循環(huán)氣體中可燃?xì)怏w控制在安全范圍內(nèi)，預(yù)存室壓力控制在-50～0 Pa，進(jìn)而降低焦炭燒損率；另外，對(duì)熱管換熱器進(jìn)行密封、清灰、優(yōu)化，提高換熱器熱效率，降低低壓蒸汽的消耗。以上建議的提出對(duì)提高干熄焦系統(tǒng)的工藝控制水平、改善干熄焦生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等具有重要意義，值得推廣和借鑒。