中国干熄焦焦炭烧损率的研究与探索

    干法熄焦技术具有节能、环保和改善焦炭质量的显著优势，近年来在我国焦化行业得到了迅速发展，受到独立焦化企业的密切关注。截至2013年底，我国共有干熄焦装置155套，处理能力20787t/h；此外，有22家独立焦化企业开始应用干熄焦技术，为行业节能减排做出了突出贡献。 　　虽然干熄焦技术在焦化行业取得了显著的社会和经济效益，但干熄焦焦炭烧损率却长期困扰着焦化企业。烧损率的常规工艺设计在0.9%以下，但从已投产的干熄焦装置看，焦炭实际烧损率一般在1.3％左右，有的甚至高达2.5%以上，吨干熄焦炭烧损为0.025t，严重影响了干熄焦技术的综合效益。
　　1 干熄焦焦炭烧损的机理分析
　　在密闭的干熄炉内，130℃的低温惰性循环气体N2与1000℃的炽热红焦进行热交换，将红焦冷却到200℃以下。在干熄炉的生产操作过程中，循环气体中O2有两个来源。一是导入的空气。循环气体在循环的过程中，H2和CO等可燃成份的浓度会逐渐升高，为保证生产安全，必须将这些可燃成份的浓度控制在适当范围内。通常采用在干熄炉环形烟道处通过导入空气的方法，将其燃烧掉，使循环气体中CO浓度控制在6%以下，H2在3%以下。其二是循环气体系统大部分处于负压状态，很容易漏入空气。在装炉过程中，空气随焦炭进入干熄炉，与焦炭发生不完全反应生成CO等气体。
　　2 循环气体对焦炭烧损的影响
　　导入阀进入干熄炉环形烟道内的空气与循环气体混合，会首先与循环气体内的可燃气体CO、H2发生反应，其次才烧掉焦粉，最后为小块焦。循环气体中可燃气体含量主要通过导入的空气量来控制，当导入空气量过大时，可燃气体被烧完后，多余的氧就会与焦炭反应，焦炭烧损量就大；如果减小空气导入量，氧就只与循环气体中的可燃气体反应。由此可见，循环气体中CO、H2、CO2、水蒸汽含量和导入空气量是制约焦炭烧损的关键因素。
　　2.1 CO含量对焦炭烧损的影响
　　由2C+O2=2CO 及 2CO+ O2=2CO2反应方程可知，反应中消耗的C与循环气体中残余的CO成正比，即24：32，消耗32t O2会烧损24t焦炭。
　　在干熄炉生产过程中，导入空气量过大，O2与循环气体中CO接触，发生化学反应生成CO2，而气体中CO2又与炽热焦炭发生碳熔反应，生成CO导致焦炭的损耗。实际操作中很难做到循环气体中O2含量为0，一般O2含量控制在0.2%以下，最大不超过1%；循环气体中的CO含量应小于6%，在实际操作中，CO含量在不超过此上限的前提下，要尽量提高其含量。
　　2.2 CO2含量对焦炭烧损的影响
　　在气体循环过程中，由于空气导入量增加，造成循环气体中CO及 CO2含量逐渐升高。当温度高达900℃以上时，CO2就会与炽热的焦炭反应生成CO，造成焦炭的烧损。
　　2.3水汽对焦炭烧损的影响
　　当干熄炉出现异常状况时，例如水封槽腐蚀裂纹或锅炉管爆裂等，水汽会随循环气体进入干熄炉。水蒸汽与炽热的焦炭发生水煤气反应，其反应方程为C+H2O=CO+H2，从而造成焦炭的烧损。
　　以140t/h干熄焦为例，循环风量约为18万m3。O2在干熄炉入口处按1%，即每小时有约1800m3的O2进入到干熄炉内。假定导入的O2全部反应，则一天碳的消耗量为46t。焦炭的灰分按13.0%计算， 1天的焦炭烧损量为53t。
　　3 降低干熄焦炭烧损率的技术途径
　　近年来我国焦化企业十分关注干熄焦烧损率问题，总结了多项可有效降低焦炭烧损率的方法。
　　3.1 控制可燃气体成分
　　空气导入量是影响焦炭烧损的重要因素。三明钢铁焦化厂自主开发了烧损率可视化实时监控系统，通过实时计算出干熄焦烧损率参数，将导入空气量和可燃气体成分控制在一个最优的范围之内。适当提高H2和CO含量控制范围，可以起到降低烧损率的作用。通过直观的数据显示，解决了传统方法调节滞后的问题。三明钢铁焦化厂把CO含量控制在4%-6%之间，将烧损率降低到了1.1%。
　　3.2预存段压力的控制
　　装焦时炉内气体正压会引起放爆，而负压时空气大量吸入干熄炉内，因此必须保持循环系统压力的稳定性。干熄炉预存段压力理论控制值为0Pa，但在实际生产中难以控制。通常将预存室压力值控制在微正压，既可提高锅炉入口循环气体温度，降低干熄焦系统的热损失，又提高了循环气体可燃成分，降低焦炭烧损。
　　京唐钢铁干熄焦量身打造的斜烟道防偏流装置（导流板），杜绝循环风量气流不稳导致小粒径焦炭从干熄炉中进入一次除尘器，有效阻止了焦炭漂浮的现象，同时有利于循环气体在干熄炉中的均匀分布。
　　3.3确保气体循环系统的密封性
　　干熄炉出口至循环风机入口的负压段密封性欠佳，空气就会被吸入，使循环系统内的O2含量以及水汽含量上升。
　　在实际生产中，为便于调节和保证系统的安全运行，加强巡检对负压段气密性检查力度，确保不在锅炉至循环风机入口处吸入空气，以防止空气直接鼓入干熄炉烧损焦炭。环形风道的内环墙墙体密封性也十分重要。若出现裂缝，尤其是在180°和0°方向附近同时出现裂缝，导入的空气会沿着裂缝穿过预存段焦炭层，与红焦反应燃烧，造成焦炭烧损。
　　3.4 加强设备维护检查
　　加强锅炉表面发生穿孔、水封串漏、水蒸气进入循环气体管道等的监控，避免水汽进入气体循环系统。中控作业人员在操作时严格监视循环系统内H2含量，对H2含量突然上升原因及时准确的分析，并对气体循环系统内进水事故及时处理。
　　4 干熄焦炭烧损率的研究探索
　　通常焦化企业计算干熄焦炭烧损采用粗放式的方法，即焦炭烧损率=（干熄炉焦炭装入量－排焦量－焦粉产量）/干熄炉焦炭装入量×100％。但此公式得出的烧损率只具有参考价值，要体现干熄焦装置的整体综合经济效益，必须使用更精确可靠的计算公式。
　　三明钢铁焦化厂为了寻找最佳气料比做了大量试验，发现焦炭烧损率大致趋势是随着气料比的增加而增大的线性关系。该厂根据实际工况得出结论：气料比为13500m3/h时最佳，此时循环风量13.5万m3/h，排焦量100t/h左右，产汽率约为560kg/t，烧损率约为1.1%，为国内行业最好的指标。
　　济钢焦化做了焦炭在马弗炉中通入循环气体模拟烧损率的试验，按下式计算：
　　焦炭烧损率=100×（m-m1）/m
　　式中：m为焦炭试样质量； m1为反应后残余焦炭质量。
　　烧损率的最小值为1.50%，最大值为2.13%，烧损率平均值为1.80%，与150t/h干熄焦的理论焦炭烧损率2.06%接近。
　　济钢研究认为循环气体中CO2对焦炭烧损影响较大，并研究了从干熄焦循环气体中脱除CO2的方法。在干熄炉入口处取出一部分气体，采用洗涤脱除工艺将CO2脱除。此外，还正在研究开发一种导入空气量与循环气体量相对应的自动控制技术。
　　干熄焦系统自动化程度高，参数相互影响、相互制约。如影响CO2与C反应速率的因素有反应气体的浓度、反应温度，以及在干熄炉内的流动速度等。即使调节一个工艺参数也会影响到其它数据，均与焦炭烧损有关。整个系统气体循环流程、锅炉系统流程乃至热交换规律、CO2与C的可逆反应机理，以及循环气体量与排焦量的变化规律等，需要从理论上进行系统研究，循环气体对焦炭烧损的影响也需要重新认识。
　　干熄焦工艺作为一个系统工程，集机械、电气、自动控制和锅炉等技术于一身。我国是世界上干熄焦装置最多的国家，干熄焦炭产量居世界第一，没有现成的经验可借鉴，必须走产学研相结合道路，开展技术攻关，集中攻破制约干熄焦炭烧损的瓶颈难题，加快研发和推广应用新技术，促进我国干熄焦技术的健康发展。