干熄焦爐系統優化改進延長爐齡的研發與應用

吳 杰 朱振軍

1.前言

傳統鋼鐵流程焦化濕熄焦工藝能耗高、焦炭品質低，目前已逐漸被符合節能減排綠色發展的干熄焦工藝替代。干熄焦相對于濕熄焦，其主要是利用惰性氣體（氮氣）將紅焦降溫冷卻的熄焦方式和方法，英文Coke Dry Quenching（簡稱CDQ）。在干熄焦過程中，1000℃的紅焦從干熄爐頂部裝入，130℃的低溫惰性循環氣體由循環風機鼓入干熄爐冷卻段紅焦層內，吸收紅焦顯熱，冷卻后的焦炭(低于200℃ )從干熄爐底部排出，從干熄爐環形煙道出來的高溫惰性氣體，流經干熄焦鍋爐進行熱交換。鍋爐產生蒸汽，冷卻后的惰性氣體由循環風機重新鼓入干熄爐，惰性氣體在封閉的系統內循環使用。干熄焦工藝采用惰性循環氣體，在密閉的干熄爐內對紅焦進行冷卻，可以免除對周圍設備的腐蝕和對大氣的污染。

首鋼長治鋼鐵有限公司（簡稱首鋼長鋼）焦炭干熄焦工藝采用新日鐵公司的干熄焦技術，該裝置在節能、環保和自動化控制等方面，達到了國內干熄焦裝置的先進水平。技術指標為：干熄紅焦系統能力170t/h，配套高溫高壓余熱鍋爐所產蒸汽壓9.5MPa，蒸汽溫度540℃，正常蒸汽產量92.76t/h，全部用于發電。汽輪發電機組采用30MW抽凝式汽輪發電機組，年發電量為2.07億kW h，配套焦爐為2×65孔6m搗固焦爐。

2.干熄焦工藝設備的主要參數和結構

首鋼長鋼焦炭干熄焦裝置主要設備、設施有：170t/h干熄焦槽（含鍋爐）1 套、CDQ 運焦系統、CDQ 主控、CDQ環境除塵、CDQ熱電站、CDQ循環水泵站、裝入裝置、排出裝置、提升機、供配電設施、自動化控制及儀表設施、通訊設施、給排水設施、綜合管網等（見圖1）。主要工藝和設備參數如下：

圖1 首鋼長鋼干熄焦爐系統工藝流程圖

裝入焦炭平均溫度：1020℃；

焦炭冷卻時間：約2h；

單爐焦炭產量：30t;

氮氣循環風機風量：240000Nm3/h；

氮氣循環風機全壓力：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℃；

噸焦產汽率：0.58；

產生蒸汽壓力：9.5MPa；

產生蒸汽溫度：540℃；

配套發電機組容量30MW×1臺；產生蒸汽設計流量：抽汽壓力0.98MPa，抽汽量0～40t/h，焦炭處理量時為170t/h。

3.運行狀態及優化改進

3.1 周期爐役內運行狀態及問題

首鋼長鋼焦炭干熄焦爐系統由于在第一個爐役內襯部分磚出現磨損、開裂、脫落，加上爐口磚磨損，因此除塵效果差，高溫氮氣中含焦塵大，導致配套光管蒸發器、鰭片蒸發器、省煤器鍋爐管被氣流沖刷嚴重，造成蒸汽泄漏。通過對現場管道檢查，發現損壞的爐管均發生在爐管中心線上層，泄漏點均在鍋爐爐墻護板外100mm～300mm之間，周邊管道無明顯異常。通過對破損爐管進一步檢查，發現破損部位鰭片脫落且爐管迎風面鋼管厚度明顯減薄，斷面呈拋物線狀。

3.2 改進部分

3.2.1 鍋爐管

針對干熄焦爐鍋爐過熱器、省煤器磨損導致的爆管機理，通過對管道垂直切口觀察分析發現，斷面切口內壁光滑無結垢。經過對水質和管樣的化驗，排除了水質的原因，也確定管道材質沒有發生化學變化。

由此分析出，爐管破損的主要原因是循環氣體在鍋爐內流動分布不均勻，含塵氣體對管道長期沖刷，逐漸使鍋爐爐管變薄發生破損泄漏。經過對故障部位認真確認，確定了增加保護套，即在省煤器上層爐管兩端，量身定制安裝了長500mm、厚3mm的310S不銹鋼半圓護管，對蒸發器和省煤器鍋爐管選用TP347H(1Cr19Ni11Nb)高碳奧氏體不銹鋼進行更新，從而解決了省煤器管破損的問題。同時要求崗位操作人員嚴格按規程操作，均衡裝焦、排焦，穩定負荷，加強除塵系統排灰管理，保障鍋爐平穩安全運行。

3.2.2 干熄槽

干熄爐冷卻段內徑有10.25m，共70層，材質為莫來石耐火磚。通過用高溫內窺鏡探視，發現干熄爐內部分爐磚開裂，干熄爐部分牛腿磚脫落。脫落的莫來石磚塊經?？ㄗ柙谛D密封閥內，沒有脫落的有不同程度裂紋，環梁下層磚下部破損較多、裂紋大（有的裂縫寬度約有60mm，長度約2m）。分析原因是莫來石磚指標與干熄爐運行匹配不夠。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，爐內耐材要承受向下運動焦炭粉塵的強烈沖擊和磨損，以及逆向粉塵、循環氣體氣流的沖刷，這對耐火磚的面層產生直接的磨損。其次，由于干熄爐耐材一直處于長期高溫負荷，爐內耐材每年要經受幾萬次的溫度變化，排焦不均勻所產生溫差變化會造成爐墻剝裂。由于在實際生產中圓周方向因焦炭流速不同，引起爐墻溫差不斷變化，加之低溫循環氣體快速流動，急冷巨熱現象引起爐墻膨脹收縮不勻而產生諸多裂縫。最后，作為化學侵蝕，焦炭夾帶的有害介質、冷卻產生的還原性氣體、粉塵等與爐襯材料之間發生化學作用，在長期高溫CO、H2等氣體的侵蝕，最終導致耐材熔解、侵蝕。另外，在氧含量很低的還原性氣氛下，還會緩慢發生莫來石晶相的分解，使磚的結構強度下降，產生裂紋、剝落等損蝕。

通過上述分析表明，作為干熄焦爐用的耐材，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侵蝕能力。通過指標對比選用了新型SCBM莫來石磚，其氧化鋁含量指標和磚致密度有所提高，常溫耐壓和熱態抗折指標也有大幅提高，新型耐材的總體性能明顯提升，延長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

3.2.3 循環風機

低溫惰性氣體由循環風機鼓入干熄爐冷卻段紅焦層內吸收紅焦顯熱，從干熄爐環形煙道出來的高溫惰性氣體，流經干熄焦鍋爐進行熱交換，鍋爐吸收熱量后產生蒸汽，冷卻后的惰性氣體由循環風機重新鼓入干熄爐，形成惰性氣體封閉循環使用。由于惰性氣體中帶有少量焦粉塵，在氣流的帶動下，焦粉塵會沖刷分機殼與轉子，經過一定時間后，機殼被磨損變薄，局部破損漏氣，影響了換熱效率。

在維修周期內，拆除轉子返廠修理，并針對焦粉塵沖刷風機內殼的現象，采用瓷片貼敷新技術，即在風機殼內表面一次性貼敷耐磨瓷片內襯，取得了良好的效果，節約了后期的維修費用。

3.2.4 其他

增加了一次重力除塵器水冷管的長度，優化了焦粉塵的冷卻效果；二次除塵采用多管旋風分離除塵器，使進入循環風機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，降低了焦粉塵對循環風機葉輪、機殼和管道的磨損，延長了干熄爐的使用壽命。

4.應用實效

干熄焦系統的優化改造前后的運行指標對比表明，改進后的生產運行穩順，運行技術指標穩步提高，鍋爐蒸發量合格率從70%提升到95%以上，干熄爐數每天達110爐，有效配合了焦爐工序的生產，日均發電量從53萬度提升至54萬度，超過了設計發電水平，具有良好的社會效益和經濟效益。

5.結語

通過對干熄焦系統的優化改進，為系統技術進步提供了參考模板，也為干熄焦系統穩順生產提供了設備保障。

參考文獻略