基于流和能級匹配原理的焦化過程用能分析

徐愛祥,劉志強(qiáng),曹小林,羅國民,龍兵

(1.中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長沙410083;2.廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東曲江512126)

煉鐵系統(tǒng)包括焦化、燒結(jié)、球團(tuán)、煉鐵等工序,煉鐵的能耗在鋼鐵企業(yè)能耗中約占70%,而焦化工序又是煉鐵系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié),提高焦?fàn)t能源利用率對于我國的節(jié)能減排工作非常重要。煉焦?fàn)t是復(fù)雜的熱工設(shè)備,在煉焦過程中煤在外部供熱條件下經(jīng)高溫干熘發(fā)生著錯綜復(fù)雜的物理變化和化學(xué)變化,同時耗用熱能、電能等多種不同能級的能量,所有的工藝環(huán)節(jié)都伴隨著不可逆損失[1]。本文將結(jié)合某鋼鐵集團(tuán)焦化廠55孔JNK 60-6F焦?fàn)t的實際運行情況,應(yīng)用分析診斷出焦?fàn)t用能薄弱環(huán)節(jié),用于評價煉焦工藝,為提高該爐的熱效率提高依據(jù)。

1 分析對象

某鋼鐵集團(tuán)焦化廠55孔JNK 60-6F焦?fàn)t,主要包括備煤、煉焦、化產(chǎn)回收及給排水、廢水處理等系統(tǒng);焦?fàn)t的主要產(chǎn)品為焦炭、煤氣、焦油、粗苯、硫銨,其中焦炭的設(shè)計年產(chǎn)量為106.8萬t,外供煤氣年產(chǎn)量38 762m3,粗苯年產(chǎn)量10 930 t,焦油年產(chǎn)量42 370 t,硫銨年產(chǎn)量12 980 t。該爐所用的燃料以高爐煤氣為主、焦?fàn)t煤氣為輔,煤氣加熱的參數(shù)與結(jié)焦時間見表1。計算所需的入爐煤與焦炭的工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)見表2。

表1 結(jié)焦時間與加熱煤氣參數(shù)

表2 a 入爐煤與焦炭的工業(yè)分析 %

表2 b 入爐煤與焦炭的元素分析 %

2.1 煉焦工藝的綜合

根據(jù)文獻(xiàn)[3]所介紹的計算方法,結(jié)合焦化廠55孔JNK 60-6F焦?fàn)t用能數(shù)據(jù)計算出焦?fàn)t綜合平衡,見表3和表4。

表3 焦?fàn)t綜合平衡表(入方)

表3 焦?fàn)t綜合平衡表(入方)

項目化學(xué)火用 物理火用k J·t-1 % kJ·t-1 %加熱煤氣 2 602 765 8.881 1 390 0.005入爐煤 26 580 088 90.695 43 0空氣帶入 0 0 650 0.002泄漏煤氣 122 137 100 0 0

表4 焦?fàn)t綜合平衡表(出方)

表4 焦?fàn)t綜合平衡表(出方)

項目化學(xué)火用 物理火用kJ·t-1 % kJ·t-1 %焦炭 18 533 078 63.238 571 206 1.949焦油 1 220 754 4.165 28 277 0.096粗苯 393 996 1.344 5 771 0.02凈煤氣 5 129 187 17.502 150 402 0.513氨40 330 0.138 403 0.001廢氣 162 465 0.554 0 0汽0 0 150 824 0.515

2.2 焦?fàn)t分析平衡

表5 焦?fàn)t分析平衡表(入方)

表5 焦?fàn)t分析平衡表(入方)

項目化學(xué)火用 物理火用kJ·t-1 % k J·t-1 %加熱煤氣 2 602 765 95.445 1 390 0.051入爐煤 0 `0 44 0.002空氣帶入 0 0 650 .0.024泄漏煤氣 0 0 122 137 4.479

表6 焦?fàn)t分析平衡表(出方)

表6 焦?fàn)t分析平衡表(出方)

項目化學(xué)火用 物理火用kJ·t-1 % k J·t-1 %焦炭 0 0 571 206 20.946焦油 0 0 28 277 1.037粗苯 0 0 5 771 0.212凈煤氣 0 0 150 402 5.515氨 196 152 7.193 403 0.015廢氣 0 0 14 239 5.326汽0 0 150 824 5.531

2.3 焦?fàn)t效率

圖1 焦化過程的流分配

表7 焦?fàn)t效率 %

表7 焦?fàn)t效率 %

類別 ηe ηe1 ηe2綜合火用 90.931 89.651 89.481分析火用 47.011 34.492 33.256

3 能級分析

能級[2]是一定狀態(tài)下某種形式的能量中含有的量的,是能量品位的反映,其數(shù)學(xué)表述為能流量(E XP)與能流總量(E F)之比,即:

能級匹配[4]就是指過程中支付部分的能級與收益部分的能級應(yīng)完全相同。焦化工藝能量系統(tǒng)中涉及多種級別的能源,如煉焦煤、加熱煤氣、焦炭等,對于焦化工藝能量系統(tǒng)進(jìn)行能級分析及優(yōu)化匹配可以清晰系統(tǒng)能流流向及使用程序,為焦化系統(tǒng)合理用能提供依據(jù)。

楊東華[5]在能級分析中提出,評價能量利用合理性的質(zhì)量指標(biāo)為能級差或能級平衡系統(tǒng)。以焦化系統(tǒng)輸入的能量能級(ΩF)與用戶所需能量的能級(ΩP)的差值作為能級差ΔΩ:

或者兩者相對差值作為能級平衡系數(shù)εΩ:

由式(3)和式(4)看出,完成焦化過程能量的轉(zhuǎn)換與傳遞,焦化爐輸入與輸出的能級差ΔΩ是直接與過程的推動力相聯(lián)系的物理量,而損D是推動過程所付出的代價。因此,能級差是一個合理用能的評價指標(biāo),ΔΩ越小越合理,其極限值是零。分析評價的是節(jié)約用能,能級分析評價的是合理用能,從某種意義上說,合理用能比節(jié)約用能更有價值[6]。

圖2 煉焦產(chǎn)物的熱值與值

圖3 煉焦產(chǎn)物的能級

4 改進(jìn)建議

根據(jù)以上分析,結(jié)合焦化廠的實際情況,建議如下。

(2)煤調(diào)濕技術(shù) 當(dāng)入爐煤水分由10.5%減少到6%時,理論上煉焦耗熱量可以降低505 k J/kg,內(nèi)部損降低約5.5%。運行數(shù)據(jù)顯示,2008年上半年焦?fàn)t入爐煤水分均超過設(shè)計值(10%)近兩個百分點,若采用煤調(diào)濕技術(shù)減少入爐煤水分,那么表2中所水汽物理項、廢氣項及內(nèi)部損項就可以得到有效控制,結(jié)焦時間因此可以縮短。

(3)能級匹配 根據(jù)能級相近最大化相供原則,對不同能流進(jìn)行能級匹配,降低輸入能量的能級或者提高輸出能量的能級,將平衡系數(shù)控制在0.5以內(nèi),減少焦化過程的總損,以減小不同流之間的推動力的差,從而可以減小系統(tǒng)的總損,可以解決能量輸入與輸出間的能級對應(yīng)問題。

5 結(jié)論

本文對焦化廠實際運行的2×55孔JN 60-6F焦?fàn)t分別進(jìn)行了測試及用能計算。根據(jù)測試與計算結(jié)果,對煉焦?fàn)t進(jìn)行綜合平衡及分析平衡計算分析并對煉焦產(chǎn)物的進(jìn)行能級分析,從能質(zhì)與能量兩個方面對焦化過程進(jìn)行評價,全面地分析焦?fàn)t用能情況,為焦?fàn)t的節(jié)能技改提供可靠依據(jù)。基于分析結(jié)果,結(jié)合焦化廠的實際運行情況提出可行改進(jìn)建議。

[1] 陸鐘武.冶金熱能工程導(dǎo)論[M].沈陽:東北工學(xué)院出版社,1990.

[2] 嚴(yán)文福,鄭則東.焦?fàn)t加熱調(diào)節(jié)與節(jié)能[M].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2005.

[4] 戴蘇明.淺析衡量用能水平的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[J].能源研究與利用,1989(4):39-43.

[6] 陸曉初.能級分析初探[J].能源研究與利用,1992(2): 9-12.