王華明 劉海濤

（山東鋼鐵集團日照有限公司，日照 276800）

摘 要：主要介紹了干熄焦燒損的定義，估算了零燒損下的產汽率及部分產汽率下的燒損率，分析了燒損對企業(yè)經濟效益和環(huán)境效益的影響，并深入分析了造成燒損的原因，提出了進一步降低干熄焦率的研究方向。

關鍵詞：干熄焦；燒損；燒損率

1 前言

干法熄焦的載體是以N₂為主的循環(huán)氣體，在干熄爐中循環(huán)氣體與紅焦逆流換熱，紅焦被熄滅，循環(huán)氣體溫度升高至850～960 ℃，經一次除塵后進入余熱鍋爐，與水發(fā)生熱交換產生蒸汽，循環(huán)氣體溫度降低至160～180 ℃，再經二次除塵、風機加壓及副省煤器降溫后進入干熄爐循環(huán)冷卻焦炭。干法熄焦回收了紅焦顯熱，降低了水耗，改善了焦炭質量，是節(jié)能減排技術。干法熄焦工藝流程如圖1所示。

2 干熄焦燒損率

2.1 干熄焦燒損率的定義及公式

在干法熄焦過程中，部分焦炭因外界漏入空氣，與循環(huán)氣體中的水蒸氣及CO₂組分在特定條件下發(fā)生化學反應等原因，造成焦炭損失，稱為焦炭燒損，用燒損率來表示。干熄焦燒損率是指紅焦在干法熄焦過程中的噸焦損失量，即裝入干熄爐的紅焦與熄焦后排出的焦炭、焦粉（灰）的差值占裝入紅焦的百分比，即干熄焦燒損率=（干熄爐焦炭裝入量-排焦量-焦粉產量）÷干熄爐焦炭裝入量×100%，一般干熄焦裝置設計燒損率為0.9%。

2.2 當前干熄焦裝置的燒損率

焦爐推出的1 000 ℃左右的紅焦在干熄爐內冷卻至150 ℃，可回收余熱1 338 325 kJ/t焦，干熄焦系統(tǒng)熱回收效率82%，計算零燒損下可生產9.8 MPa、540 ℃的過熱蒸汽361.59 kg/t（見表1）。實際生產中干熄焦裝置產汽率為520～550 kg/t焦，由熱平衡計算燒損率為1.73%～2.06%（見表2），當產汽率高達600 kg/t焦時燒損率達到2.6%（見表2），均大于設計燒損率，且隨產汽率的增加燒損率增加。

2.3 干熄焦燒損率高的影響

2.3.1 燒損率高影響企業(yè)經濟效益

干熄焦產汽率為520 kg/t焦時燒損焦炭17.3 kg/t焦，增產蒸汽158.41 kg/t焦，增加發(fā)電44.35 kW·h/t焦（按280 kW·h/t蒸汽計），以干熄焦炭2 700元/t、自用電0.6元/kW·h計算，燒損焦炭增加發(fā)電噸焦經濟損失20.1元/t焦，若發(fā)電上網(wǎng)電價更低，經濟損失則更高，因此以燒損焦炭增加發(fā)電量是不經濟的。

2.3.2 燒損率高碳排放高

干熄焦焦炭燒損率越高，碳與氧氣或水蒸氣反應生成更多的CO和CO₂，循環(huán)氣體中CO₂、CO濃度增加，循環(huán)風機后放散的循環(huán)氣體量增加且CO和CO₂濃度也增加，增加了碳排放，不符合雙碳發(fā)展目標。

3 干熄焦燒損機理及原因分析

3.1 焦炭燃燒

在干熄焦生產過程中，由于負壓段泄漏、空氣導入過量及爐蓋開啟吸收的空氣進入循環(huán)氣體，在干熄爐及一次除塵，焦炭（粉）直接與氧氣接觸發(fā)生反應①②③，固定碳轉變?yōu)镃O和CO₂。

C+O₂=CO₂       ①

2C+O₂=2CO      ②

2CO+O₂=2CO₂    ③

3.2 溶碳反應

焦炭燃燒反應增加了循環(huán)氣體中CO₂含量，一般體積百分比約為14%～18%。循環(huán)氣體在干熄爐內與焦炭接觸的過程中，在高于730 ℃時與焦炭發(fā)生反應④，固定碳轉變?yōu)镃O，為控制CO濃度，部分在一次除塵與導入空氣發(fā)生反應③，轉變?yōu)镃O2。

CO₂+C=2CO    ④

3.3 水煤氣反應

紅焦在干熄爐內是個再煉焦的過程，持續(xù)析出H₂、CO等氣體，為保證干熄焦裝置安全，向干熄爐環(huán)風道內導入空氣，在一次除塵將循環(huán)氣體中的可燃組分燃燒，發(fā)生反應③⑤，使循環(huán)氣體中含有水蒸氣。當循環(huán)氣體通過干熄爐冷卻室時，水蒸氣遇紅焦發(fā)生水煤氣反應，即反應式⑥，固定碳轉變?yōu)镃O，在一次除塵部分燃燒轉變成CO₂。

2H₂+O₂=2H₂O    ⑤

H₂O+C=H₂+CO    ⑥

可見，①②④⑥反應直接造成了碳損失，反應③和⑤推動了反應④和⑥，增加了碳損失。

4 當前焦炭燒損的控制措施

4.1 常規(guī)措施

通常采用減少負壓段泄漏、控制干熄爐料位、預存室壓力為微負壓、適當提高可燃組分控制濃度等方法來降低焦炭燒損，使焦炭燒損率可控制在1.75%及以上，仍不符合低碳的發(fā)展要求。

4.2 降低焦炭燒損的技術研究

4.2.1 一次除塵充氮

充氮是采用稀釋的方法降低循環(huán)氣體中可燃組分?？諝鈱腴y減小10%～15%，增加1 000 m³ /h氮氣導入量，蒸汽發(fā)生量由0.56 t/t降至0.50 t/t，根據(jù)焦炭灰分計算的燒損率由2.07%降至0.85%^[1]。增加充氮量且減少空氣導入量可降低焦炭燒損，但受制氮能力及成本的影響，推廣局限性大，成本也高。

4.2.2 提取循環(huán)氣體中CO₂含量降低燒損

脫除循環(huán)氣體中的CO₂也可以降低焦炭燒損。將20%的干熄焦循環(huán)氣體變壓吸附脫碳，降低循環(huán)氣體中的CO₂含量，減少溶碳反應而降低燒損，在技術和經濟上是可行的^[2]。

4.3 未來的研究方向

由焦炭燒損機理，反應③和⑤推動了反應④和⑥，因此反應①②③⑤是焦炭燒損的基本反應，都是與氧氣的反應，因此焦炭燒損率高低關鍵在氧含量。

4.3.1 干熄焦裝置氧氣來源分析

干熄焦系統(tǒng)中的氧氣來源主要有：

（1）循環(huán)氣體負壓段漏入空氣。正常情況下，負壓段漏入空氣微量，且在循環(huán)氣體高于600 ℃時參與燃燒循環(huán)氣體中可燃組分，可通過降低空氣導入量彌補；在600 ℃以下部位漏入的空氣，與循環(huán)氣體幾乎不反應，而循環(huán)風機后監(jiān)測的O2含量在0～0.1%間，不是造成焦炭燒損的主要原因。

（2）打開爐蓋期間預存段壓力降低而吸入循環(huán)系統(tǒng)中的空氣。預存室為微負壓，吸入量小，通過紅焦層時就被消耗掉，燃燒產物大部分由爐口排出爐外，并不增加蒸汽產量，不是焦炭燒損的主要原因。

（3）為降低循環(huán)氣體中可燃組分而導入的空氣。正常生產的干熄焦，焦炭干熄過程揮發(fā)分降低0.7%計，噸焦析出煤氣量約為7 kg/t，合15.6 m³ /t，而其全部燃燒約需空氣量25m³ /t焦，而導入空氣量通常為100～110 m³ /t焦，遠大于燃燒焦炭析出的可燃組分所需的空氣量。過量導入的空氣，在一次除塵與焦粉發(fā)生反應①②③，既直接燒損了焦炭，又增加了循環(huán)系統(tǒng)的CO和CO₂濃度，加快了溶碳反應，加劇了焦炭損失?？諝鈱肓吭酱?，焦炭燒損率越高。

4.3.2 空氣導入方式的弊端

（1）空氣導入量為人工遠程調節(jié)，存在滯后現(xiàn)象?？諝鈱肓渴侵骺厥腋鶕?jù)在線監(jiān)測的循環(huán)風機后的循環(huán)氣體可燃組分濃度超標時遠程調節(jié)開大空氣導入閥，反之關小空氣導入閥?？諝鈱腴y開度調整人為設置，無導入量的概念，造成空氣導入量不能精準控制，且人工遠程調節(jié)，不能根據(jù)循環(huán)氣體組分變化及時調整，造成了調節(jié)的滯后，易造成過量。

（2）空氣導入量自動調節(jié)無法實現(xiàn)。目前是根據(jù)循環(huán)風機后的循環(huán)氣體中的組分為調節(jié)依據(jù)，僅從保證安全的角度考慮，無法精準調節(jié)空氣的導入量。循環(huán)氣體在進入干熄爐后，循環(huán)氣體的部分組分與焦炭發(fā)生反應，如水蒸氣、CO₂與紅焦接觸發(fā)生溶碳反應，增加了可燃組分，尤其是排焦速度快或局部排紅焦時，反應更快，進入環(huán)風道的循環(huán)氣體中的可燃組分H₂和CO升高，因此無法為空氣導入量自動調節(jié)提供準確依據(jù)。

4.3.3 空氣導入量的智能化控制是研究方向

已有文獻提出通過實現(xiàn)循環(huán)氣體成分的智能化控制來降低焦炭燒損^[3]。實現(xiàn)空氣導入量的智能化控制，可從本質上降低焦炭燒損?？諝鈱肓恐悄芑刂疲墙⒀h(huán)氣體成分與空氣導入閥開度之間的智能化控制模型，實現(xiàn)空氣導入量的精準控制，避免導入空氣過量而燒損焦炭，降低循環(huán)氣體中CO和CO₂濃度，降低溶碳反應，從而降低焦炭燒損率，從根本上解決了干熄焦燒損率的問題，是低碳發(fā)展的研究方向。

4.3.4 空氣導入智能化控制系統(tǒng)的預計效果

空氣導入量智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)空氣導入量的按需導入，減少或杜絕一次除塵焦粉的燃燒，從根本上降低了循環(huán)氣體中CO和CO₂含量，降低了溶碳反應，從而降低了干熄焦焦炭燒損率，減少了碳排放。若實施后焦炭燒損率由當前的平均2.06%降至設計值0.9%，則120萬t/a的焦化企業(yè)的干熄焦可降低焦炭燒損量約1.59 t/h，增產焦炭收入4 293元/h，降低發(fā)電量減少收入2 442元/h，則年增加1 621萬元。實現(xiàn)空氣導入智能化控制，降低焦炭燒損具有較高的經濟效益。

5 結語

未來企業(yè)成本壓力越來越大，再加上減碳目標越來越高，更應研究開發(fā)空氣導入量智能控制系統(tǒng)，降低焦炭燒損，減排CO₂，實現(xiàn)焦化的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

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