干熄焦?fàn)t系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)延長(zhǎng)爐齡的研發(fā)與應(yīng)用

吳 杰 朱振軍

1.前言

傳統(tǒng)鋼鐵流程焦化濕熄焦工藝能耗高、焦炭品質(zhì)低，目前已逐漸被符合節(jié)能減排綠色發(fā)展的干熄焦工藝替代。干熄焦相對(duì)于濕熄焦，其主要是利用惰性氣體（氮?dú)猓⒓t焦降溫冷卻的熄焦方式和方法，英文Coke Dry Quenching（簡(jiǎn)稱CDQ）。在干熄焦過程中，1000℃的紅焦從干熄爐頂部裝入，130℃的低溫惰性循環(huán)氣體由循環(huán)風(fēng)機(jī)鼓入干熄爐冷卻段紅焦層內(nèi)，吸收紅焦顯熱，冷卻后的焦炭(低于200℃ )從干熄爐底部排出，從干熄爐環(huán)形煙道出來的高溫惰性氣體，流經(jīng)干熄焦鍋爐進(jìn)行熱交換。鍋爐產(chǎn)生蒸汽，冷卻后的惰性氣體由循環(huán)風(fēng)機(jī)重新鼓入干熄爐，惰性氣體在封閉的系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)使用。干熄焦工藝采用惰性循環(huán)氣體，在密閉的干熄爐內(nèi)對(duì)紅焦進(jìn)行冷卻，可以免除對(duì)周圍設(shè)備的腐蝕和對(duì)大氣的污染。

首鋼長(zhǎng)治鋼鐵有限公司（簡(jiǎn)稱首鋼長(zhǎng)鋼）焦炭干熄焦工藝采用新日鐵公司的干熄焦技術(shù)，該裝置在節(jié)能、環(huán)保和自動(dòng)化控制等方面，達(dá)到了國(guó)內(nèi)干熄焦裝置的先進(jìn)水平。技術(shù)指標(biāo)為：干熄紅焦系統(tǒng)能力170t/h，配套高溫高壓余熱鍋爐所產(chǎn)蒸汽壓9.5MPa，蒸汽溫度540℃，正常蒸汽產(chǎn)量92.76t/h，全部用于發(fā)電。汽輪發(fā)電機(jī)組采用30MW抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組，年發(fā)電量為2.07億kW h，配套焦?fàn)t為2×65孔6m搗固焦?fàn)t。

2.干熄焦工藝設(shè)備的主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)

首鋼長(zhǎng)鋼焦炭干熄焦裝置主要設(shè)備、設(shè)施有：170t/h干熄焦槽（含鍋爐）1 套、CDQ 運(yùn)焦系統(tǒng)、CDQ 主控、CDQ環(huán)境除塵、CDQ熱電站、CDQ循環(huán)水泵站、裝入裝置、排出裝置、提升機(jī)、供配電設(shè)施、自動(dòng)化控制及儀表設(shè)施、通訊設(shè)施、給排水設(shè)施、綜合管網(wǎng)等（見圖1）。主要工藝和設(shè)備參數(shù)如下：

圖1 首鋼長(zhǎng)鋼干熄焦?fàn)t系統(tǒng)工藝流程圖

裝入焦炭平均溫度：1020℃；

焦炭冷卻時(shí)間：約2h；

單爐焦炭產(chǎn)量：30t;

氮?dú)庋h(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)量：240000Nm3/h；

氮?dú)庋h(huán)風(fēng)機(jī)全壓力：12.9kPa；

焦炭處理能力：170t/h；

干熄爐入口氣體溫度：約130℃；

鍋爐入口氣體溫度：約980℃；

冷卻后焦炭溫度：≤200℃；

噸焦產(chǎn)汽率：0.58；

產(chǎn)生蒸汽壓力：9.5MPa；

產(chǎn)生蒸汽溫度：540℃；

配套發(fā)電機(jī)組容量30MW×1臺(tái)；產(chǎn)生蒸汽設(shè)計(jì)流量：抽汽壓力0.98MPa，抽汽量0～40t/h，焦炭處理量時(shí)為170t/h。

3.運(yùn)行狀態(tài)及優(yōu)化改進(jìn)

3.1 周期爐役內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)及問題

首鋼長(zhǎng)鋼焦炭干熄焦?fàn)t系統(tǒng)由于在第一個(gè)爐役內(nèi)襯部分磚出現(xiàn)磨損、開裂、脫落，加上爐口磚磨損，因此除塵效果差，高溫氮?dú)庵泻箟m大，導(dǎo)致配套光管蒸發(fā)器、鰭片蒸發(fā)器、省煤器鍋爐管被氣流沖刷嚴(yán)重，造成蒸汽泄漏。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管道檢查，發(fā)現(xiàn)損壞的爐管均發(fā)生在爐管中心線上層，泄漏點(diǎn)均在鍋爐爐墻護(hù)板外100mm～300mm之間，周邊管道無明顯異常。通過對(duì)破損爐管進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)破損部位鰭片脫落且爐管迎風(fēng)面鋼管厚度明顯減薄，斷面呈拋物線狀。

3.2 改進(jìn)部分

3.2.1 鍋爐管

針對(duì)干熄焦?fàn)t鍋爐過熱器、省煤器磨損導(dǎo)致的爆管機(jī)理，通過對(duì)管道垂直切口觀察分析發(fā)現(xiàn)，斷面切口內(nèi)壁光滑無結(jié)垢。經(jīng)過對(duì)水質(zhì)和管樣的化驗(yàn)，排除了水質(zhì)的原因，也確定管道材質(zhì)沒有發(fā)生化學(xué)變化。

由此分析出，爐管破損的主要原因是循環(huán)氣體在鍋爐內(nèi)流動(dòng)分布不均勻，含塵氣體對(duì)管道長(zhǎng)期沖刷，逐漸使鍋爐爐管變薄發(fā)生破損泄漏。經(jīng)過對(duì)故障部位認(rèn)真確認(rèn)，確定了增加保護(hù)套，即在省煤器上層爐管兩端，量身定制安裝了長(zhǎng)500mm、厚3mm的310S不銹鋼半圓護(hù)管，對(duì)蒸發(fā)器和省煤器鍋爐管選用TP347H(1Cr19Ni11Nb)高碳奧氏體不銹鋼進(jìn)行更新，從而解決了省煤器管破損的問題。同時(shí)要求崗位操作人員嚴(yán)格按規(guī)程操作，均衡裝焦、排焦，穩(wěn)定負(fù)荷，加強(qiáng)除塵系統(tǒng)排灰管理，保障鍋爐平穩(wěn)安全運(yùn)行。

3.2.2 干熄槽

干熄爐冷卻段內(nèi)徑有10.25m，共70層，材質(zhì)為莫來石耐火磚。通過用高溫內(nèi)窺鏡探視，發(fā)現(xiàn)干熄爐內(nèi)部分爐磚開裂，干熄爐部分牛腿磚脫落。脫落的莫來石磚塊經(jīng)?？ㄗ柙谛D(zhuǎn)密封閥內(nèi)，沒有脫落的有不同程度裂紋，環(huán)梁下層磚下部破損較多、裂紋大（有的裂縫寬度約有60mm，長(zhǎng)度約2m）。分析原因是莫來石磚指標(biāo)與干熄爐運(yùn)行匹配不夠。改選用新材料的SCBM莫來石磚，改善了干熄爐系統(tǒng)性能，滿足了焦炭降溫的要求。

從干熄焦工藝過程分析，首先，爐內(nèi)耐材要承受向下運(yùn)動(dòng)焦炭粉塵的強(qiáng)烈沖擊和磨損，以及逆向粉塵、循環(huán)氣體氣流的沖刷，這對(duì)耐火磚的面層產(chǎn)生直接的磨損。其次，由于干熄爐耐材一直處于長(zhǎng)期高溫負(fù)荷，爐內(nèi)耐材每年要經(jīng)受幾萬次的溫度變化，排焦不均勻所產(chǎn)生溫差變化會(huì)造成爐墻剝裂。由于在實(shí)際生產(chǎn)中圓周方向因焦炭流速不同，引起爐墻溫差不斷變化，加之低溫循環(huán)氣體快速流動(dòng)，急冷巨熱現(xiàn)象引起爐墻膨脹收縮不勻而產(chǎn)生諸多裂縫。最后，作為化學(xué)侵蝕，焦炭夾帶的有害介質(zhì)、冷卻產(chǎn)生的還原性氣體、粉塵等與爐襯材料之間發(fā)生化學(xué)作用，在長(zhǎng)期高溫CO、H2等氣體的侵蝕，最終導(dǎo)致耐材熔解、侵蝕。另外，在氧含量很低的還原性氣氛下，還會(huì)緩慢發(fā)生莫來石晶相的分解，使磚的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，產(chǎn)生裂紋、剝落等損蝕。

通過上述分析表明，作為干熄焦?fàn)t用的耐材，除要有一般耐火材料的性能外，還要有突出的耐急冷急熱性能和高溫抗化學(xué)侵蝕能力。通過指標(biāo)對(duì)比選用了新型SCBM莫來石磚，其氧化鋁含量指標(biāo)和磚致密度有所提高，常溫耐壓和熱態(tài)抗折指標(biāo)也有大幅提高，新型耐材的總體性能明顯提升，延長(zhǎng)了干熄爐的使用壽命（見表1）。

表1 干熄爐采用新型SCBM莫來石磚性能指標(biāo)

3.2.3 循環(huán)風(fēng)機(jī)

低溫惰性氣體由循環(huán)風(fēng)機(jī)鼓入干熄爐冷卻段紅焦層內(nèi)吸收紅焦顯熱，從干熄爐環(huán)形煙道出來的高溫惰性氣體，流經(jīng)干熄焦鍋爐進(jìn)行熱交換，鍋爐吸收熱量后產(chǎn)生蒸汽，冷卻后的惰性氣體由循環(huán)風(fēng)機(jī)重新鼓入干熄爐，形成惰性氣體封閉循環(huán)使用。由于惰性氣體中帶有少量焦粉塵，在氣流的帶動(dòng)下，焦粉塵會(huì)沖刷分機(jī)殼與轉(zhuǎn)子，經(jīng)過一定時(shí)間后，機(jī)殼被磨損變薄，局部破損漏氣，影響了換熱效率。

在維修周期內(nèi)，拆除轉(zhuǎn)子返廠修理，并針對(duì)焦粉塵沖刷風(fēng)機(jī)內(nèi)殼的現(xiàn)象，采用瓷片貼敷新技術(shù)，即在風(fēng)機(jī)殼內(nèi)表面一次性貼敷耐磨瓷片內(nèi)襯，取得了良好的效果，節(jié)約了后期的維修費(fèi)用。

3.2.4 其他

增加了一次重力除塵器水冷管的長(zhǎng)度，優(yōu)化了焦粉塵的冷卻效果；二次除塵采用多管旋風(fēng)分離除塵器，使進(jìn)入循環(huán)風(fēng)機(jī)的氣體粉塵含量減少到1g/m3，且小于0.25mm的粒度粉塵占比95%以上，除塵效果良好，降低了焦粉塵對(duì)循環(huán)風(fēng)機(jī)葉輪、機(jī)殼和管道的磨損，延長(zhǎng)了干熄爐的使用壽命。

4.應(yīng)用實(shí)效

干熄焦系統(tǒng)的優(yōu)化改造前后的運(yùn)行指標(biāo)對(duì)比表明，改進(jìn)后的生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)順，運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)步提高，鍋爐蒸發(fā)量合格率從70%提升到95%以上，干熄爐數(shù)每天達(dá)110爐，有效配合了焦?fàn)t工序的生產(chǎn)，日均發(fā)電量從53萬度提升至54萬度，超過了設(shè)計(jì)發(fā)電水平，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

5.結(jié)語

通過對(duì)干熄焦系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)，為系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步提供了參考模板，也為干熄焦系統(tǒng)穩(wěn)順生產(chǎn)提供了設(shè)備保障。

參考文獻(xiàn)略