干熄焦燒損率的探討與管控

李國善，蔡文佳(河鋼集團邯鋼公司焦化廠，河北 邯鄲 056015)

0 引言

干熄焦是利用循環氣體對紅焦顯熱進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量好的諸多優點，是當前節能減排和發展綠色焦化形勢下，被各焦化企業大力推廣應用的環保型熄焦工藝。干熄焦系統通過循環氣體與紅焦顯熱的熱交換，既可以產生大量蒸汽用于發電和取暖供熱；同時也沒有熄焦水的消耗，焦炭質量也更好。與傳統的濕熄焦工藝相比，干熄焦焦炭中的水分、灰分等指標更低，市場價格和市場需求量更大，可為企業帶來顯著的經濟效益和環保效益。由于干熄焦系統中循環氣體水分、含氧量、預存段壓力控制等工藝因素的影響，一些焦化企業的干熄焦系統較為普遍地存在著燒損率偏高的問題，導致焦炭灰分增加，質量和產量下降。以某焦化廠干熄焦系統為例，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到了13 t/h。這對于企業來說無疑是巨大的能源浪費與成本增加，因此降低干熄焦燒損率已成為焦化企業技術攻關的重點方向。本文對干熄焦燒損率較大的原因進行了分析，從技術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

干熄焦工藝運行的基本原理為循環氣體與水的熱交換，在將焦爐推出的紅焦由干熄焦罐送入干熄爐內后，干熄焦的循環氣體即開始對爐內的紅焦顯熱進行熱交換和回收。熱交換的過程中，首先經過給水預熱后升溫至120 ℃左右，惰性氣體會在循環風機的吸力作用下被抽送至干熄爐的底部；然后，該循環氣體會在鼓風機的推送下進入干熄爐內，與爐內紅焦進行充分的接觸，并吸收其熱量。循環氣體在吸收紅焦顯熱之后，其溫度會升高到900 ℃以上成為高溫煙氣，同時其中還會夾雜一些焦粉和其他一些煙塵顆粒物。吸收熱量的高溫煙氣在經過除塵和焦粉分離后，進入余熱鍋爐并與鍋爐軟水進行熱交換。經過熱交換和冷卻后的循環氣體溫度會再次降低至120 ℃左右，由循環風機送入干熄爐進行下一次的熱交換；而在余熱鍋爐內吸收了循環氣體熱量的軟水則會變為高溫高壓的蒸汽進入廠區蒸汽管網，供汽輪機發電和廠區供暖使用。

2 干熄焦燒損問題的基本原理及其中涉及到的化學反應

干熄焦燒損問題的實質就是焦炭與氧氣混合所發生的燃燒反應，是焦炭中碳的消耗，會導致焦炭中灰分的增加和焦炭產量的下降。在干法熄焦工藝中，循環冷卻氣體的成分以熱傳遞效率較高、化學形態較為穩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。當循環氣體在經過一系列的吸熱與放熱過程時，爐內熱傳遞以及循環氣體組分會受到影響，繼而使碳的狀態也發生變化。干熄焦熱傳遞的過程中，從化學反應的原理來看主要包括非均相反應和均相反應兩種，非均相反應是固體焦炭與氣態反應物的反應；均相反應則是爐內氫氣、氧氣、一氧化碳等氣態物質之間的相互反應。從干熄焦化學反應中不同物質參與的先后順序來看，又可分為一次反應和二次反應。其中由碳直接參與的化學反應稱為一次反應，反應方程式主要有：

由干熄焦一次反應的化學方程式來看，主要為碳的燃燒反應，反應產物為干熄焦循環氣體組分，其中包括了CO2和化學性質較為活潑的CO和H2，這也為二次反應創造了條件。二次反應主要是一次反應的產物在允許條件下發生的反應，可以不需要碳的直接參與，且均為放熱反應。反應化學方程式主要有：

從上述反應可以看出，經過二次反應之后，干熄焦循環系統的氣氛組成主要變為了二氧化碳和水。而在一定條件下，二氧化碳和水可再次與紅焦反應生成一氧化碳和氫氣，再次加入到一次反應中增加碳的消耗。焦炭殘存的揮發分始終在析出，并繼續與紅焦反應形成一次反應與二次反應的循環，因此干熄焦系統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

由上述一系列反應式我們可知，干熄焦燒損問題是各種復雜化學反應綜合作用的結果，各反應之間存在一定關聯，并且有些反應是可逆的[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發生的化學反應。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)循環氣體中水分的影響。由反應式可知，當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，循環氣體中水的存在會導致焦炭的燒損。正常情況下，外部水分主要由裝入裝置和空氣導入閥進入循環系統；而在鍋爐水封串漏、受熱面穿孔等設備故障的非正常情況下，也會導致大量水蒸汽進入循環氣體管道，造成焦炭燒損。

(2)氣料比的影響。氣料比是干熄焦循環氣體量與排焦量的比值，一定的排焦量必須對應一定的循環風量。如果氣料比較小的話，那么循環系統就沒有足夠的風量進行換熱，排焦溫度也會偏高；而氣料比過大的話，會有更多的循環氣體參與到與紅焦的反應當中，繼而導致焦炭燒損增加。

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

(4)可燃性氣體的影響。在干熄爐內化學反應中，首先被燒掉的是循環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，可通過適當增加循環氣體中一氧化碳等可燃性氣體的含量來減少焦炭的燒損。但是應特別注意的是要嚴格控制一氧化碳在循環氣體中的濃度指標，否則會有發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，干熄爐內紅焦層會下移，導致循環氣體中一氧化碳含量增加，增加了反應物與反應條件的范圍，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的前提下，盡可能地降低氣料比，以減少循環氣體中氧含量的過剩。

(2)合理控制循環氣體中可燃性氣體的含量。循環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格控制在爆炸極限的范圍內，在安全的前提下盡量提高可燃物氣體含量，以同時兼顧系統的安全性和焦炭的燒損率。根據生產經驗，將循環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。如果出現循環系統可燃性氣體濃度較大的情況時，則要通過導入氮氣來對其進行稀釋。

(3)最大限度地保證系統的嚴密性。這就要求干熄焦崗位人員在日常工作中要加強對干熄焦設備的巡檢[3]，發現漏點及時處理，并對一些容易出現泄漏的位置做好預防性的密封和加固。避免出現水封竄漏、加熱面穿孔等循環系統事故。在日常操作中，崗位人員還要密切注意循環氣體的各項指標，嚴格監視系統中氫氣、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，應認真分析原因并及時妥善解決。一般情況下，循環氣體中的氧含量控制在0.2%以下是比較理想的。

(4)避免預存室壓力過度負壓。為了兼顧環保與控制焦炭燒損率，操作中要保持預存室的微正壓狀態，嚴禁長時間和較大的負壓操作。根據生產實踐認為預存室壓力保持在0～50 Pa是比較理想的。

(5)加強與干熄焦前后工序的生產聯絡，保持排焦溫度的穩定。首要的是要做好與煉焦工序和皮帶轉運工序的聯系，盡量保持干熄爐裝焦的均勻性；同時根據運焦系統的運行情況，合理調整干熄爐料位，避免短時間內排焦溫度的快速升高。

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