干熄焦燒損率的探討與管控

李國善，蔡文佳(河鋼集團(tuán)邯鋼公司焦化廠，河北 邯鄲 056015)

0 引言

干熄焦是利用循環(huán)氣體對紅焦顯熱進(jìn)行回收利用熄焦工藝，具有資源消耗少、污染排放小、能源回收高和焦炭質(zhì)量好的諸多優(yōu)點，是當(dāng)前節(jié)能減排和發(fā)展綠色焦化形勢下，被各焦化企業(yè)大力推廣應(yīng)用的環(huán)保型熄焦工藝。干熄焦系統(tǒng)通過循環(huán)氣體與紅焦顯熱的熱交換，既可以產(chǎn)生大量蒸汽用于發(fā)電和取暖供熱；同時也沒有熄焦水的消耗，焦炭質(zhì)量也更好。與傳統(tǒng)的濕熄焦工藝相比，干熄焦焦炭中的水分、灰分等指標(biāo)更低，市場價格和市場需求量更大，可為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。由于干熄焦系統(tǒng)中循環(huán)氣體水分、含氧量、預(yù)存段壓力控制等工藝因素的影響，一些焦化企業(yè)的干熄焦系統(tǒng)較為普遍地存在著燒損率偏高的問題，導(dǎo)致焦炭灰分增加，質(zhì)量和產(chǎn)量下降。以某焦化廠干熄焦系統(tǒng)為例，有些干熄焦實際的焦炭燒損率在0.95%左右，要高于燒損率設(shè)計值(0.9%)，因焦炭燒損而帶來的成本消耗也占到了0.95%，140 t/h的干熄焦裝置的焦炭消耗量達(dá)到了13 t/h。這對于企業(yè)來說無疑是巨大的能源浪費(fèi)與成本增加，因此降低干熄焦燒損率已成為焦化企業(yè)技術(shù)攻關(guān)的重點方向。本文對干熄焦燒損率較大的原因進(jìn)行了分析，從技術(shù)工藝角度提出了控制和降低干熄焦燒損率的有效措施。

1 干熄焦工藝流程

干熄焦工藝運(yùn)行的基本原理為循環(huán)氣體與水的熱交換，在將焦?fàn)t推出的紅焦由干熄焦罐送入干熄爐內(nèi)后，干熄焦的循環(huán)氣體即開始對爐內(nèi)的紅焦顯熱進(jìn)行熱交換和回收。熱交換的過程中，首先經(jīng)過給水預(yù)熱后升溫至120 ℃左右，惰性氣體會在循環(huán)風(fēng)機(jī)的吸力作用下被抽送至干熄爐的底部；然后，該循環(huán)氣體會在鼓風(fēng)機(jī)的推送下進(jìn)入干熄爐內(nèi)，與爐內(nèi)紅焦進(jìn)行充分的接觸，并吸收其熱量。循環(huán)氣體在吸收紅焦顯熱之后，其溫度會升高到900 ℃以上成為高溫?zé)煔?，同時其中還會夾雜一些焦粉和其他一些煙塵顆粒物。吸收熱量的高溫?zé)煔庠诮?jīng)過除塵和焦粉分離后，進(jìn)入余熱鍋爐并與鍋爐軟水進(jìn)行熱交換。經(jīng)過熱交換和冷卻后的循環(huán)氣體溫度會再次降低至120 ℃左右，由循環(huán)風(fēng)機(jī)送入干熄爐進(jìn)行下一次的熱交換；而在余熱鍋爐內(nèi)吸收了循環(huán)氣體熱量的軟水則會變?yōu)楦邷馗邏旱恼羝M(jìn)入廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)，供汽輪機(jī)發(fā)電和廠區(qū)供暖使用。

2 干熄焦燒損問題的基本原理及其中涉及到的化學(xué)反應(yīng)

干熄焦燒損問題的實質(zhì)就是焦炭與氧氣混合所發(fā)生的燃燒反應(yīng)，是焦炭中碳的消耗，會導(dǎo)致焦炭中灰分的增加和焦炭產(chǎn)量的下降。在干法熄焦工藝中，循環(huán)冷卻氣體的成分以熱傳遞效率較高、化學(xué)形態(tài)較為穩(wěn)定且成分低廉的氮氣為主，此外還含有少量的一氧化碳、二氧化碳、氧氣、氫氣和水等物質(zhì)。當(dāng)循環(huán)氣體在經(jīng)過一系列的吸熱與放熱過程時，爐內(nèi)熱傳遞以及循環(huán)氣體組分會受到影響，繼而使碳的狀態(tài)也發(fā)生變化。干熄焦熱傳遞的過程中，從化學(xué)反應(yīng)的原理來看主要包括非均相反應(yīng)和均相反應(yīng)兩種，非均相反應(yīng)是固體焦炭與氣態(tài)反應(yīng)物的反應(yīng)；均相反應(yīng)則是爐內(nèi)氫氣、氧氣、一氧化碳等氣態(tài)物質(zhì)之間的相互反應(yīng)。從干熄焦化學(xué)反應(yīng)中不同物質(zhì)參與的先后順序來看，又可分為一次反應(yīng)和二次反應(yīng)。其中由碳直接參與的化學(xué)反應(yīng)稱為一次反應(yīng)，反應(yīng)方程式主要有：

由干熄焦一次反應(yīng)的化學(xué)方程式來看，主要為碳的燃燒反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為干熄焦循環(huán)氣體組分，其中包括了CO2和化學(xué)性質(zhì)較為活潑的CO和H2，這也為二次反應(yīng)創(chuàng)造了條件。二次反應(yīng)主要是一次反應(yīng)的產(chǎn)物在允許條件下發(fā)生的反應(yīng)，可以不需要碳的直接參與，且均為放熱反應(yīng)。反應(yīng)化學(xué)方程式主要有：

從上述反應(yīng)可以看出，經(jīng)過二次反應(yīng)之后，干熄焦循環(huán)系統(tǒng)的氣氛組成主要變?yōu)榱硕趸己退?。而在一定條件下，二氧化碳和水可再次與紅焦反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣，再次加入到一次反應(yīng)中增加碳的消耗。焦炭殘存的揮發(fā)分始終在析出，并繼續(xù)與紅焦反應(yīng)形成一次反應(yīng)與二次反應(yīng)的循環(huán)，因此干熄焦系統(tǒng)中焦炭的燒損是不可避免的。

3 干熄焦焦炭燒損的影響因素分析

由上述一系列反應(yīng)式我們可知，干熄焦燒損問題是各種復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)綜合作用的結(jié)果，各反應(yīng)之間存在一定關(guān)聯(lián)，并且有些反應(yīng)是可逆的[1]。總體而言，碳的消耗主要來自于碳與氧氣、二氧化碳和水等物質(zhì)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。而從干熄焦工藝的角度來具體分析，干熄焦焦炭燒損的影響因素主要如下：

(1)循環(huán)氣體中水分的影響。由反應(yīng)式可知，當(dāng)水蒸汽與紅焦接觸時會生成水煤氣，主要為一氧化碳和水。因此可以肯定的是，循環(huán)氣體中水的存在會導(dǎo)致焦炭的燒損。正常情況下，外部水分主要由裝入裝置和空氣導(dǎo)入閥進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)；而在鍋爐水封串漏、受熱面穿孔等設(shè)備故障的非正常情況下，也會導(dǎo)致大量水蒸汽進(jìn)入循環(huán)氣體管道，造成焦炭燒損。

(2)氣料比的影響。氣料比是干熄焦循環(huán)氣體量與排焦量的比值，一定的排焦量必須對應(yīng)一定的循環(huán)風(fēng)量。如果氣料比較小的話，那么循環(huán)系統(tǒng)就沒有足夠的風(fēng)量進(jìn)行換熱，排焦溫度也會偏高；而氣料比過大的話，會有更多的循環(huán)氣體參與到與紅焦的反應(yīng)當(dāng)中，繼而導(dǎo)致焦炭燒損增加。

(3)氧氣對燒損率的影響。在干熄焦操作過程中，控制空氣導(dǎo)入量是控制可燃?xì)怏w含量的重要措施。但如果空氣導(dǎo)入量偏大時，則容易造成循環(huán)氣體中氧含量過剩，使更多的氧氣參與到焦炭燒損的一次和二次反應(yīng)中，導(dǎo)致焦炭燒損量增加。理論上來講，循環(huán)氣體中氧含量為0是最為理想的，但是這在實際操作中是幾乎不可能實現(xiàn)的。因此，我們需要在生產(chǎn)操作中將循環(huán)氣體氧含量控制在一定范圍內(nèi)，并與可燃?xì)怏w量相匹配，才能盡可能地降低燒損率。導(dǎo)致循環(huán)氣體氧含量超標(biāo)的因素主要有兩方面：一是循環(huán)系統(tǒng)氣密性不良，特別是循環(huán)系統(tǒng)負(fù)壓段管路破損泄漏后，大量的空氣會被吸入到循環(huán)系統(tǒng)，造成預(yù)存段壓力升高和系統(tǒng)內(nèi)氧含量、水含量的快速升高。過多的氧氣與水參與到與紅焦的反應(yīng)當(dāng)中，造成焦炭燒損。二是預(yù)存段壓力控制不當(dāng)。為了防止干熄焦裝焦時吸入空氣和煙塵外泄，工藝要求預(yù)存段壓力保持在0 Pa或是微正壓狀態(tài)。如果預(yù)存段壓力控制不當(dāng)出現(xiàn)負(fù)壓的話，外界的空氣就會被吸入干熄爐內(nèi)造成焦炭燒損增加。

(4)可燃性氣體的影響。在干熄爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)中，首先被燒掉的是循環(huán)氣體中的可燃性氣體成分，其次是焦粉，最后是小塊的焦炭。因此，可通過適當(dāng)增加循環(huán)氣體中一氧化碳等可燃性氣體的含量來減少焦炭的燒損。但是應(yīng)特別注意的是要嚴(yán)格控制一氧化碳在循環(huán)氣體中的濃度指標(biāo)，否則會有發(fā)生爆炸和一氧化碳泄漏中毒的可能。

(5)二氧化碳對燒損率的影響。二氧化碳在730 ℃以上高溫條件下與焦炭充分接觸會生成一氧化碳，造成焦炭的燒損。由于循環(huán)氣體中二氧化碳含量較高，因此其造成的焦炭燒損量也是很大的。

(6)排焦溫度的影響。排焦溫度較高時，干熄爐內(nèi)紅焦層會下移，導(dǎo)致循環(huán)氣體中一氧化碳含量增加，增加了反應(yīng)物與反應(yīng)條件的范圍，因此而增加焦炭的燒損。

4 降低焦炭燒損率的措施

(1)合理控制氣料比。要求在保證排焦溫度和滿足排焦生產(chǎn)的前提下，盡可能地降低氣料比，以減少循環(huán)氣體中氧含量的過剩。

(2)合理控制循環(huán)氣體中可燃性氣體的含量。循環(huán)氣體中合理的可燃性氣體含量有助于降低焦炭的燒損率[2]。但是要注意可燃物氣體含量必須要嚴(yán)格控制在爆炸極限的范圍內(nèi)，在安全的前提下盡量提高可燃物氣體含量，以同時兼顧系統(tǒng)的安全性和焦炭的燒損率。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，將循環(huán)氣體中的氫氣含量控制在3%以下，一氧化碳控制在5%～6%是比較理想和安全的。如果出現(xiàn)循環(huán)系統(tǒng)可燃性氣體濃度較大的情況時，則要通過導(dǎo)入氮氣來對其進(jìn)行稀釋。

(3)最大限度地保證系統(tǒng)的嚴(yán)密性。這就要求干熄焦崗位人員在日常工作中要加強(qiáng)對干熄焦設(shè)備的巡檢[3]，發(fā)現(xiàn)漏點及時處理，并對一些容易出現(xiàn)泄漏的位置做好預(yù)防性的密封和加固。避免出現(xiàn)水封竄漏、加熱面穿孔等循環(huán)系統(tǒng)事故。在日常操作中，崗位人員還要密切注意循環(huán)氣體的各項指標(biāo)，嚴(yán)格監(jiān)視系統(tǒng)中氫氣、氧氣等氣體的變化情況，對氫氧氣體濃度快速升高的異常情況，應(yīng)認(rèn)真分析原因并及時妥善解決。一般情況下，循環(huán)氣體中的氧含量控制在0.2%以下是比較理想的。

(4)避免預(yù)存室壓力過度負(fù)壓。為了兼顧環(huán)保與控制焦炭燒損率，操作中要保持預(yù)存室的微正壓狀態(tài)，嚴(yán)禁長時間和較大的負(fù)壓操作。根據(jù)生產(chǎn)實踐認(rèn)為預(yù)存室壓力保持在0～50 Pa是比較理想的。

(5)加強(qiáng)與干熄焦前后工序的生產(chǎn)聯(lián)絡(luò)，保持排焦溫度的穩(wěn)定。首要的是要做好與煉焦工序和皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)工序的聯(lián)系，盡量保持干熄爐裝焦的均勻性；同時根據(jù)運(yùn)焦系統(tǒng)的運(yùn)行情況，合理調(diào)整干熄爐料位，避免短時間內(nèi)排焦溫度的快速升高。

(6)合理控制循環(huán)氣體溫度。干熄爐入口循環(huán)氣體溫度應(yīng)控制在130 ℃左右。如果循環(huán)氣體溫度過高的話，則有可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)送風(fēng)量增加，導(dǎo)致循環(huán)氣體中氧含量的過剩和焦炭燒損率的增加。