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中国大型焦炉炼焦工艺技术优化与改进

北极星大气网  来源:炼钢杂志    2018/5/31 9:03:13  我要投稿  
所属频道: 大气治理  关键词:环保 大型焦炉 炼焦技术

北极星大气网讯:焦炉大型化是我国炼焦技术发展的必然趋势,10余年来,我国通过系统优化与设备改进,在大型焦炉操作方面取得了显著效果,促进了炼焦技术的进步。

1我国焦炉大型化的发展历程

大型焦炉的界定是随着焦炉炭化室容积的不断增加、炼焦技术的进步而改变。在上世纪80年代中期,我国焦炉以炭化室高4.3m顶装焦炉为主流,攀钢建成的炭化室高5.5m顶装焦炉以及1985年宝钢引进炭化室高6m的顶装焦炉,促进了焦炉大型化的发展进程。随着我国自行设计建设的炭化室高6m的JN60型顶装焦炉在北京焦化厂投产,6m顶装焦炉逐步成为我国90年代焦炉的主力炉型。

2006年6月,山东兖矿国际焦化公司引进德国7.63m顶装焦炉,拉开了中国焦炉大型化发展的序幕。随后中冶焦耐工程公司研发出7m顶装及唐山佳华的6.25m捣固焦炉,值此,6m以上的顶装焦炉及5.5m以上捣固焦炉,成为我国的主流炉型。目前已研发出的炭化室高8m特大型焦炉,可实现沿燃烧室高度方向的贫氧低温均匀供热,可降低NOx生成,标志着我国大型焦炉炼焦技术的成熟。

2014年重新修订的《焦化行业准入条件》规定,顶装焦炉准入的最低门槛是炭化室高6m、捣固焦炉炭化室高5.5m,故把炭化室高6m以上的顶装焦炉以及5.5m以上的捣固焦炉,界定为大型焦炉是适宜的。

截至2016年底,我国运行的7m顶装焦炉共计66座,7.63m焦炉共计17座,6.0m及以上捣固焦炉共计22座,其焦炭的总产能占2016年全国焦炭总产量的15.8%。

2大型焦炉技术管理的特殊性

2.1大型焦炉的优势分析

1)劳动生产率高

大型焦炉的四大车采用自动定位联锁系统,PLC采用UPS供电对位,7.63m焦炉四大车操作模式可实现全自动、半自动、联锁及手动模式,单个炭化室压力具备自调功能,劳动生产率高。

大型焦炉由于炭化室高度、宽度的增加,焦炭产量也随之增加。对顶装4.3m、6m、7m、7.63m焦炉来说,一孔炭化室的焦炭产量是不同的,7m顶装焦炉每孔推出焦炭量是4.3m顶装焦炉的2.05-2.37倍,是6m焦炉的1.28-1.49倍;7.63m焦炉每孔推出焦炭量是6m顶装焦炉的2.04倍,是7m焦炉的1.38-1.59倍。6.25m捣固焦炉每孔推出焦炭量是5.5m捣固焦炉的1.20倍。

2)环保水平高

同等产能下,大型焦炉出炉次数少,装煤和推焦的阵发性污染较轻。以年产焦炭200万吨的焦化厂为例:7.63m、7m、6m及4.3m顶装焦炉,每天推焦次数分别为113、172、255、357次,出炉次数越少,装煤和推焦的阵发性污染物排放量越少。

炉门、上升管和装煤孔等泄露点环保措施完善,泄漏点少,非阵发性污染减少。以年产110万吨焦炉为例,炭化室高7m焦炉泄漏口数量比6m焦炉减少23.6%,密封面长度减少8.5%,每天打开各泄漏口次数减少31%,从而大大减少了有害气体排放量,改善了炼焦生产操作环境。

JNX3-70型焦炉采用加大废气循环量、设置焦炉煤气高低灯头和空气分段供给的措施,减少NOX产生,烟道废气中NOX浓度小于500mg/m3。

2.2大型焦炉炉体结构差异性

我国已成为世界炼焦技术强国,目前几乎拥有了世界上所有顶装焦炉炉型。

对于顶装焦炉来说,4.3m焦炉炭化室的平均宽度0.407m,6m焦炉炭化室的平均宽度0.45m,宽度增加了10.57%;7m焦炉炭化室平均宽度为0.50m,宽度增加了22.85%;再到7.63m焦炉的炭化室平均宽度0.60m,宽度又增加了47.42%。也就是说,与4.3m焦炉相比,7.63m焦炉炭化室宽度增加了近1/2,炭化室高度增加了39.76%,有效容积是4.3m的3.53倍。

现代大型焦炉是一座结构复杂的热工炉窑,7.63m焦炉与6m焦炉炉体结构有极大差异,主要体现在7.63m焦炉是:贫煤气及空气均侧入,蓄热室分格、单侧烟道;用低热值混合煤气加热时,煤气和空气均用小烟道顶部的金属喷射板调节;单侧小烟道;3段供给空气进行分段燃烧,焦炉推焦作业采用2-1串序。

大型焦炉装煤量的增加,并不是简单的提高炉温,由于其焦炭收缩率与结焦时间、结焦速率成函数关系,结焦速率及焦饼的收缩性能也随之变化,需要配入较多紧缺的主焦煤。中钢鞍山热能院及武钢进行了炭化室宽度对装炉煤、焦炭、推焦影响的研究,以往的配煤理论已不适用,炭化室宽度不同,配煤结构必须相应调整。

2.3大型焦炉装备的复杂性

焦炉大型化后,焦炉砌体的受力状况变得复杂化,推焦过程中对炉墙机械震动力及炉体结构热应力、对护炉三大铁件的材质、抗热变性能以及所提供的保护力及其分布的合理性提出更高要求。

焦炉炉门是焦炉炭化室最重要的密封设备,其密封效果直接影响到焦炉连续性烟尘的排放量。随着焦炉大型化,炉门本身的变形量会大幅增加,炉内煤气的压力会更大,大大增加了炉门密封的难度。焦炉炉门的材质及结构必须优化,特别是7.63m、7m顶装焦炉及6.25m捣固焦炉,其炉门砖槽和腹板、刀边等关键部件,其强度、刚度、变形量必须在高温环境下具有最佳结构型式。

大型焦炉生产工艺作业十分紧凑,操作过程精准可靠,就要求具备完善的自动化程序和高材质的硬件设备。

3大型焦炉生产技术管理的难题

7.63m及6m顶装焦炉的装炉煤堆积比重(干煤计)分别为0.778t/m3、0.740t/m3,前者是后者的1.05倍,由此带来焦炉加热制度、调节手段的截然不同,若按传统的常规调节方法,是不能满足焦炉生产需要的。

3.1部分工艺系数较低

大型焦炉推焦作业采用2-1串序,7m及7.63m焦炉燃烧室火道横排温度的均匀性依靠小烟道顶部的金属喷射板来调节,这就使得7.63m焦炉的直行温度均匀系数Kb、燃烧室火道均匀系数K横墙及生产作业总系数K3,远低于中小型焦炉的指标。

2-1推焦串序使推焦炭化室距离装煤炭化室间隔变小,对于A座70孔的7.63m焦炉,一个作业班8h内,需要推出40余炉焦炭,刚装煤炉室集中在1座焦炉,燃烧室需要大量供热,立火道温度相对偏低;而另外B座焦炉的焦饼处于半焦或已经成熟,立火道温度相对偏高一些,这样就导致直行温度Kb的不均匀。

大型焦炉机械化和自动化水平高,程序复杂,维护困难,且焦炉机车故障频繁,操作稍有不慎就会引起K3失常。

大型焦炉蓄热室顶部无测压孔,温度及吸力不能测量,进入各立火道煤气及空气量主要靠煤气孔板、喷嘴板、掺混比控制的粗调节;况且高炉煤气从焦侧小烟道进,依靠煤气支管压力渐进到机侧,在至1#边火道时,煤气压头大大降低,会直接影响机侧边火道的煤气分配量,横墙温度曲线产生“锯齿型”、“多峰型”,K横墙系数小于0.85。

武钢、太钢更改了喷嘴板尺寸,太钢还更换了变形的蓄热室格子砖,才使Kb、K横墙系数略有改观。沙钢7.63m焦炉在投产初期,在使用高炉煤气加热时,机焦侧温差普遍偏大,在80-100℃,经过调整第二块至第七块喷嘴板尺寸,温差逐渐稳定在30-50℃。

3.2部分热工指标不能测调

7.63m、7m焦炉蓄热室顶部不设测温孔,焦炉调节所需要的6大压力制度、8大温度制度中的蓄热室顶部吸力、蓄热室阻力、五点压力及蓄热室顶部温度不能测量,况且在焦炉使用贫煤气加热时,上升与下降蓄热室顶部压力差是一重要的精细调节手段。焦炉调温重要的6大压力指标中的3个指标都不能测量,使焦炉热工管理陷入粗调的原始阶段。

3.3炉顶空间温度制约化产品收率

沙钢研究表明,焦饼收缩率每上升1%,炉顶空间温度就会升高10℃。这是因为随着炭化室的加宽,焦炭收缩量增加,使炭化室具有较大自由空间。这种状况导致炭化室自由空间温度升高和炉顶区积石墨,进而影响焦油质量、粗苯产量和质量、煤气指标等。

武钢、马钢的7.63m焦炉燃烧室加热水平为1210mm,太钢1110mm,炉顶空间温度普遍高达900℃。沙钢的7.63m焦炉的加热水平为1500mm,在投产初期,炉顶空间温度偏高,后经过制定合理的加热制度,控制装煤量,改善煤的密度等方法,炉顶空间温度基本控制在830-850℃,炉顶积碳现象趋缓。

大多7.63m焦炉的运行数据表明,焦油产率低于3.3%,粗苯产率低于0.8%,而且焦油质量差,其粉尘及甲苯不溶物含量明显增加。

3.4大型捣固焦炉生产秩序紊乱

1956年我国第一座3.2m捣固焦炉出现,1970年3.8m捣固焦炉的出现,使得捣固炼焦技术在我国得到了迅猛发展,但同国外捣固焦炉一样,存在诸多生产问题,当煤水分大于13%时,煤饼倒塌率增加,煤饼掉角和倒塌;装煤烟尘,敞开机侧炉门推送煤饼时,机侧严重冒烟;捣固装煤膨胀压力大,烟尘外泄且影响炉体寿命。

4大型焦炉炼焦工艺技术的改进实践

4.1炉况操作必须“稳定”

现代大型焦炉的炉况与配合煤指标变化、热工制度波动、结焦时间变更以及大气因素的影响密切相关,必须确保这些外部条件的稳定性。

沙钢焦化稳定炉况的做法是,严格按照结焦曲线进行操作,不无故缩短或延长结焦时间,合理编排出炉计划、减少非正常检修时间,规范热工管理。针对炼焦煤水分偏高的难题,沙钢投巨资修建64个贮煤筒仓,完善电子秤自动化配煤工艺,配煤准确率明显提高,使焦炭质量得到改善,近三年来焦炭抗碎强度由88.0%提高到89.2%。

马钢焦化应用统计技术对7.63m焦炉实施流程管控,过程中的各个阶段均实施评估和监控,对焦炉主要运行参数进行检查评分,准确判断焦炉运行状况,有效地对焦炉工况进行多层次、全方面监控,同时强化标准化作业,配合煤细度控制在73.5%±0.5%,焦炉K3系数2016年平均值达到0.87,较往年有了显著提升。保证焦炉顺产稳产和焦炭质量的稳定。

武钢、马钢还采用测量焦炉小烟道废气盘处温度、吸力来代替原蓄热室顶部温度、吸力的测调,以满足焦炉直行温度的均匀性要求,直行温度机、焦侧温差在60℃

太钢、马钢以较低标准温度的方法来降低炉顶空间温度,沙钢、马钢把煤线调高到小于480mm,同时马钢还注重通过增加装煤量的方法来控制炉顶石墨的生长。

首钢京唐西山焦化开展单因子结焦时间方差分析,以最佳结焦时间来改善焦炭冷热性能,三年来焦炭抗碎强度一直在90%以上,耐磨强度在6.0%以下,焦炭热强度处于较好状态,借鉴一期焦炉生产实践,将二期的7.65m焦炉加热水平调高至1550mm,来控制炉顶空间温度。

平煤神马集团首山焦化借鉴6.25m捣固焦炉的运行实践,攻破煤饼密度和装煤烟尘治理两大瓶颈,研发出高效弹性轮和摩擦板,采用固定小间距的捣固锤及低噪音、抗磨损导向技术,将煤饼密度提高到1.1t/m3,煤饼的高宽比达13.5;装煤车上设置可靠密封框,并借助相邻炭化室上升管Prove系统产生的负压,把烟气导入相邻炭化室,成功把7.63m顶装焦炉改造为捣固焦炉,并于2013年10月投产,是世界上第一座特大型捣固炼焦炉,实现了煤源的多元化,降低了炼焦成本。

4.2热工指标强调“细调”

焦炉热工管理是一门科学,焦炉压力制度和温度制度呈相辅相成的关系,压力和温度的各项参数指标必须勤测细调,并实时进行分析调节,以压力制度的稳定性来保障温度制度的均匀性。

以7.63m焦炉为例,由于加热水平过低、三段空气加热及单个炭化室压力调节系统,导致炉顶空间温度大于850℃,焦炭过火,直立砖煤气道窜漏,化产品收率低。

武钢在热工调节中,关闭了部分二三段空气口,使空气完全从底部进入,降低火焰燃烧高度,稳定配合煤的水分、挥发分,适当扩大喷射板尺寸;对20多个窜漏砖煤气道进行灌浆密封,利用半干法喷补技术进行喷补处理,这些技术措施使直行温度均匀系数Kb达到0.88。

首钢京唐西山焦炉在横向加热温度调节上,辅以“火落”智能化专家控制系统,自动判定焦炉火落温度,避免生产大幅波动,提高了焦炉日常生产组织安排及管理效率,使炼焦能耗降低2.91%。

4.3环保设施保证“完善”

大型焦炉炭化室压力单调PROven系统能否正常运行,关键是做好系统设备的维护,保持循环氨水洁净,加强桥管清扫,除此之外太钢还为循环氨水增加了过滤器,确保炭化室底部在结焦过程中一直保持微正压状态。

中冶焦耐公司开发了大型捣固焦炉CGT导烟车,带两个导烟U型管,配高压氨水装煤喷射,使装煤烟尘导入三个炭化室,在装煤推焦机上安装有活动的炉门密封框,减少烟尘外泄;增加炭化室宽度,降低煤饼高宽比,增加煤饼的稳定性,减少煤饼倒塌的几率。

对6.25m捣固焦炉,中冶焦耐采用三位一体的捣固装煤推焦机,由皮带输送机往SCP车煤斗给煤;单侧上升管、单集气管、双吸气管设置于焦侧;设置除尘地面站,用于处理推焦除尘和处理机焦侧炉门冒出的烟尘。

4.4控制系统需要“智能”

大型焦炉各移动机车之间联锁性强,热工程序关联因素多,单台设备操作时间即使推迟几秒时间,也会导致下一工序设备被锁定,设备正常及机车“智能化”作业是关键。

大型焦炉的安全技术措施至关重要,太钢对焦炉加热设备的煤气短缺自动充氮、煤气超压自动放散、地下室光栅检测、CO在线检测、以及焦炉四大车网络信号确认、速度自动调节这些本质化安全技术进行再优化,其可靠性在生产实践中得到充分检验,三年来冶金焦率由89.80%提高到90.40%。

5结语

1)随着焦炉炉型的进一步大型化,炭化室煤饼高度随之增高,对焦炉高向加热效果的评价尤为重要。7.63m焦炉炭化室煤饼高度比4.3m焦炉高出3.18m,即79.5%,因此,应该将对其高向加热效果的要求和评价摆在突出的位置上。

2)组织业内大型焦炉焦饼中心温度测调难题的技术攻关,探索引入对立火道高向温度的测量项目。马钢7.63m焦炉投产初期测定了立火道的高向温度状况,还在拦焦车上安装焦饼表面温度测量仪,以评价燃烧室加热横向和高向的均匀性,实现焦炭均匀成熟。

3)焦炉护炉铁件管理是焦炉管理的重要内容,也是控制焦炉寿命的重要手段。随着焦炉的大型化,炉体的长、宽、高进一步加大,对大型焦炉护炉铁件的要求也更加严格。目前国内尚无6m以上焦炉的铁件管理规程,制定7m焦炉(顶装)和5.5m及以上捣固焦炉护炉铁件统一管理规程,是焦化生产企业所企盼的。

4)7.63m焦炉上部横拉条焦侧弹簧测定项目,因测定十分困难,马钢采取减少对其测定频次,并在确保横拉条机、焦侧串动性良好的前提下,定期通过测调机侧弹簧吨位,以控制横拉条机、焦侧弹簧吨位的合理性。

近20年来,随着我国焦炉大型化的发展,焦炉炉体结构、工艺技术发生了质的飞跃,完全颠覆了传统的4.3m、6m焦炉的管理方法,焦炉的基本操作制度和管理、炉温的调节、炉体护炉设施的管理需要重新确立。工艺技术指标如何界定,炉顶空间温度、炼焦耗热量、炉室挂结石墨以及部分热工指标的测调,需要业内同行共同攻关、研究和探索。

原标题:中国大型焦炉炼焦工艺技术优化与改进

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