我國干法熄焦技術發展與應用

摘 要

摘要：論述了我國干法熄焦技術裝備的發展狀況、工藝流程、技術特點、節能減排效益、經濟效益。關鍵詞：焦化；熄焦；干法熄焦；工藝流程；技術特點；經濟效益；環境效益Development and Appl
摘要：論述了我國干法熄焦技術裝備的發展狀況、工藝流程、技術特點、節能減排效益、經濟效益。
關鍵詞：焦化；熄焦；干法熄焦；工藝流程；技術特點；經濟效益；環境效益
Development and Application of Dry Coke Quenching Technology in China
GAO Jianye，WANG Ruizhong，ZHOU Meng
Abstract：The development situation，technological process，technical characteristics，energy saving and emission reduction benefit and economic benefit of technical equipment tbr dry coke quenching in China are described.
Key words：coking；coke quenching；dry coke quenching；technological process；technical characteristics；economic benefit；environmental benefit
1 概述
    干法熄焦(Coke Dry Quenching，CDQ)，簡稱干熄焦是相對于濕法熄焦而言的一種新型熄焦方法。濕法熄焦在我國焦化廠普遍使用，但在濕法熄焦過程中產生大量的含污染物的濕蒸汽排入大氣中，其中含有HCN、H2S、NH3、酚類、粉塵等有害物質。濕法熄焦嚴重污染環境，浪費大量的熱能，消耗大量的水，又影響焦炭質量。干熄焦是以惰性冷氣體氮氣為載體，通入干熄爐內冷卻熾熱紅焦炭，使紅焦炭由1050℃冷卻至200℃以下，循環的惰性熱氣體(氮氣)熱量經回收產生蒸汽和發電，氮氣循環在密閉系統內完成，整個熄焦過程基本不對環境造成污染。
2 干熄焦(CDQ)技術的發展
    我國干熄焦技術的應用始于20世紀80年代，當時寶山鋼鐵股份有限公司(以下簡稱寶鋼)從日本引進焦炭處理規模為75t/h的CDQ裝置，在寶鋼共有12套焦炭處理規模為75t/h的CDQ裝置。1996年濟鋼集團有限公司(以下簡稱濟鋼)投產了焦炭處理規模為70t/h的2套CDQ裝置。在2000年前我國焦化行業只有此2家企業有CDQ裝置，其余焦化廠CDQ都是空白[1]。
    隨著我國鋼鐵工業迅速發展，焦化企業快速擴張和建設，嚴格控制污染、加強環境治理被提到重要議程。國家發展和改革委員會在2004年發布了《焦化行業準入條件》(國家發展改革委公告2004年第76號)，規范了焦化廠的建設條件。2001年北京首鋼股份有限公司(簡稱首鋼)投運1套焦炭處理規模為65t/h的CDQ裝置，2003年12月武漢鋼鐵(集團)公司(以下簡稱武鋼)投運1套焦炭處理規模為140t/h的CDQ裝置，2004年4月馬鋼(集團)控股有限公司(以下簡稱馬鋼)投運1套焦炭處理規模為125t/h的CDQ裝置，2004年4月通化鋼鐵集團股份有限公司(以下簡稱通鋼)投運1套焦炭處理規模為90t/h的CDQ裝置。2001年—2004年我國共增加了4套CDQ裝置。截至2009年10月，我國投產和在建的CDQ裝置共增加到123套，相應干熄焦年產能達11448×104t/a，其中已投產89套，相應干熄焦年產能逾7000×104t/a。在鋼鐵企業焦化廠干熄焦率(干熄焦量與總焦炭量之比)達70%。就于熄焦的規模而言，我國居世界首位。2009年5月首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司投產的焦炭處理規模為260t/h的CDQ裝置是世界上最先進、規模最大的第2套裝置。2004年前我國還沒有干熄焦技術設計能力。2004年以后馬鋼和通鋼CDQ裝置技術和設備國產化示范工程順利投運，為我國自行設計CDQ裝置奠定了基礎。現在我國可以設計建設焦炭處理規模為50～200t/h且與焦化生產規模相匹配的各種規格的CDQ裝置，并實現了大型化、系列化。目前我國CDQ裝置的焦炭處理規模為50～260t/h，共有16種規格。目前我國部分企業CDQ裝置情況見表1。
表1 目前我國部分企業CDQ裝置情況
企業
單套CDQ裝置的焦炭處理規模/(t·h-1)
數量/套
寶鋼鋼鐵股份有限公司
75
12
鞍鋼股份有限公司
140
4
160
2
武漢鋼鐵(集團)公司
140
2
140
2
北京首鋼股份有限公司
65
1
廣東省韶關鋼鐵集團有限公司
95
2
140
2
唐山鋼鐵股份有限公司
150
1
180
1
濟鋼集團有限公司
70
2
150
2
江蘇沙鋼集團有限公司
140
5
萊鋼集團有限公司
140
2
馬鋼(集團)控股有限公司
125
3
130
2
首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司
260
1
260
1
山東石橫特鋼集團有限公司
95
1
攀枝花鋼鐵(集團)公司
145
1
145
1
漣源鋼鐵集團有限公司
150
1
杭州鋼鐵集團公司
75
1
鄂城鋼鐵集團有限責任公司
140
1
通化鋼鐵集團股份有限公司
90
2
昆明鋼鐵集團有限責任公司
140
1
南京鋼鐵聯合有限公司
140
2
廣西柳州鋼鐵(集團)公司
150
1
160
1
寧波鋼鐵有限公司
140
1
太原鋼鐵(集團)有限公司
150
2
本溪鋼鐵(集團)公司
150
2
寶鋼集團上海梅山有限公司
140
1
包頭鋼鐵(集團)有限責任公司
125
3
新余鋼鐵有限責任公司
90
2
155
1
唐山中潤煤化工有限公司
140
1
天鐵集團
190
1
3 干熄焦工藝及特點
    本文以某廠焦炭處理規模為140t/h的干熄焦裝置為例介紹干熄焦工藝流程及技術特點。
3.1 干熄焦工藝流程
    干熄焦裝置主要由于熄爐、裝入裝置、排焦裝置、提升機、電機車、焦罐車、一次除塵器、二次除塵器、干熄焦余熱鍋爐、循環風機、除塵站、水處理單元、自動控制部分等組成。干熄焦工藝流程見圖1。
    焦炭工藝路線：從焦爐炭化室推出的紅焦經過攔焦車后由焦罐車上的圓形旋轉焦罐接收，此時焦炭溫度達950～1050℃。焦罐車由電機車牽引至干熄焦提升井架底部，由提升機將焦罐提升至提升井架頂部。提升機掛著焦罐向干熄爐中心平移的過程中，與裝入裝置連為一體的爐蓋由電動缸自動打開，裝焦漏斗自動放到干熄爐上部。提升機放下的焦罐由裝入裝置的焦罐臺接收，在提升機下降的過程中，焦罐底閘門自動打開，開始裝入紅焦。紅焦裝完后，提升機自動提起，將焦罐送往提升井架底部的空焦罐車上，在此期間裝入裝置自動運行將爐蓋關閉。裝入干熄爐的紅焦，在于熄爐預存段(預存段的一個重要作用，就是用來緩解因干熄爐裝焦的不均勻而對均勻排焦的影響)預存一段時間后，隨著排焦的進行逐漸下降到干熄爐冷卻段，在冷卻段通過與循環氮氣進行熱交換而冷卻，再經排焦裝置排出，排出的焦炭溫度在200℃以下。然后焦炭由專用皮帶運輸機運出，去焦炭處理工段。
    循環氮氣工藝路線：冷卻焦炭的循環氮氣，在干熄爐冷卻段與紅焦進行熱交換后溫度升高，并經環形煙道排出干熄爐。高溫循環氮氣經過一次除塵器分離粗顆粒焦粉后進入干熄焦余熱鍋爐進行熱交換，鍋爐產生蒸汽，循環氮氣溫度降至170～190℃。低溫循環氮氣從干熄焦余熱鍋爐出來，經過二次除塵器進一步分離細顆粒焦粉后，由循環風機送入給水預熱器。給水預熱器將循環氮氣的溫度從160～180℃冷卻至約130℃，再進入干熄爐循環使用。
焦粉工藝路線：一次除塵器及二次除塵器從循環氮氣中分離出來的焦粉，收集在粉焦儲槽內，經處理后由汽車運走。
除鹽水工藝路線：除鹽水先經過給水預熱器與循環氮氣換熱升溫，進而減少除氧器所用的蒸汽量。升溫后的除鹽水再使用蒸汽除氧，得到約104℃的鍋爐給水，由鍋爐給水泵送往干熄焦余熱鍋爐，與循環氮氣進行熱交換，吸收循環氮氣中的熱量而氣化成蒸汽。干熄焦鍋爐產生的蒸汽主要送往干熄焦發電站，少部分蒸汽直接外供。
另外，除塵站通過除塵風機產生的吸力將干熄爐爐頂裝焦處、爐頂放散閥、預存段壓力調節閥放散口等處產生的高溫煙氣導入管式冷卻器冷卻；將干熄爐底部排焦部位、爐前焦庫及各皮帶轉運點、給水預熱器放散系統等處產生的高濃度粉塵的低溫煙氣導入百葉式預除塵器進行粗分離處理；兩部分煙氣在管式冷卻器和百葉式預除塵器出口處混合，然后導入布袋式除塵器進行凈化，凈化后的煙氣經煙囪排入大氣。
3.2 干熄焦技術特點
3.2.1主要產品產量
    焦炭處理規模為140t/h的CDQ裝置可利用余熱產生過熱蒸汽80.5t/h，蒸汽壓力可達9.5MPa。利用CDQ裝置產生的高壓蒸汽，可以配1套25MW的抽凝式發電機組來發電。焦炭處理規模為140t/h的CDQ裝置的主要產品產量如下：
    過熱蒸汽：37.26×104t/a；
    發電量：125.33×106kW·h/a；
    除塵焦粉：2.1×104t/a。
3.2.2主要技術特點
    (1)干熄爐的冷卻段采用矮胖型。
    (2) 干熄爐頂設料鐘式布料器。
    (3) 在循環風機后設置給水預熱器，使干熄爐入口處的循環氮氣溫度由約170℃降至不高于130℃。
    (4) 干熄爐采用連續排料的電磁振動給料器與旋轉密封閥組合的焦炭排出裝置。
    (5) 干熄爐爐頂水封設壓縮空氣吹掃管。
    (6) 焦罐車、電機車采用自啟停控制系統(APS)強制對位裝置，使焦罐車在提升塔下的對位修正范圍控制在100mm，對位精度達10mm。
    (7) 提升機使用可編程控制器(PLC，英文全稱：programmable logic controller)控制。
    (8) 干熄爐冷卻段設2個料位計，高料位采用電容式料位計，同時采用雷達微波料位計進行連續測量。
    (9) 焦炭裝入裝置漏斗后部設有尾焦收集裝置。
   (10) 采用具有橫移功能的旋轉焦罐。
   (11) 根據干熄爐冷卻段各部位的操作溫度和工作特點，采用性能不同的耐火材料。
3.3 生產操作技術要求
    (1) 焦罐內只能接裝焦爐1孔(炭化室)的焦炭(約21.4t)，靜置時間不超過30min，焦罐內不得裝入爐頭焦、余煤、鐵器等物料。
   (2) 干熄爐預存段壓力保持在0～-100Pa。
   (3) 嚴格控制干熄爐入口處循環氮氣的溫度在115～130℃范圍；在余熱鍋爐入口處循環氮氣溫度不高于970℃，工況正常時不得低于680℃。
    (4) 按設備運行情況及時調控除鹽水罐、除氧器、汽包的水位。
    (5) 認真分析余熱鍋爐水質，及時調控，使爐水達到水質要求，主蒸汽品質合格。鍋爐給水及鍋爐爐水基準值見表2。
    (6) 嚴格控制干熄焦余熱鍋爐副省煤器的入口水溫，不低于60℃；除氧器入口水溫不高于85℃。
    (7) 控制除氧器壓力保持在0.02MPa以上，確保除氧效果。
    (8) 控制外部管網送來的壓縮空氣、儀表用壓縮空氣及N2壓力在0.4MPa以上，低壓蒸汽壓力在0.6MPa以上，滿足使用要求。
    (9) 根據工況及時調整循環氮氣風量，保證鍋爐順利運行。
    (10) 干熄焦余熱鍋爐入口循環氮氣壓力控制在-800～-200Pa范圍。
    (11) 主蒸汽壓力調節閥出口蒸汽溫度為(540±10)℃，壓力為(9.5±0.2)MPa。當汽輪發電機組運行時，可根據汽輪機進口參數對此蒸汽參數進行適當調整；當汽輪發電機組停運時，可根據蒸汽用戶的要求酌情降低蒸汽溫度和壓力。
(12) 鍋爐給水溫度為104℃。
(13) 干熄焦系統操作主要工藝參數見表3。
表2 鍋爐給水及鍋爐爐水基準值
控制項目
單位
控制指標
鍋爐給水
硬度
μmol/L
≤2.0
鐵含量
μg/L
≤30
銅含量
μg/L
≤5
二氧化硅含量
μg/L
≤20
pH值(25℃)
—
8.8～9.5
油含量
mg/L
≤0.3
電導率
μS/cm
<0.2
聯氨含量
μg/L
10～50
氧含量
μg/L
≤15
鍋爐爐水
pH值(25℃)
—
9.0～10.5
總含鹽量
mg/L
≤100
電導率
mS/cm
＜150
磷酸根離子含量
mg/L
2～10
二氧化硅含量
mg/L
≤2
表3 干熄焦系統操作主要工藝參數
項目
主要工藝參數
焦爐配置(炭化室數量)/孔
2×55
焦爐炭化室高度/m
6
每孔炭化室出焦量/t
21.4
焦爐循環檢修時間/(h·d-1)
4.5
緊張操作系數
1.07
干熄焦處理能力/(t·h-1)
140
焦炭溫度/℃
干熄爐前
950～1050
干熄爐后
＜200
循環氮氣流量/(m3·h-1)
19.9×104
循環氮氣溫度/℃
進干熄爐
115～130
出干熄爐
900～980
干熄焦單位質量焦炭產汽率/(t·t-1)
0.575
干熄爐日操作制度
24h連續
干熄爐年工作時間/d
345
干熄站年工作制度
工作
345d連續
檢修
20d
4 效益分析
    ① 改善焦炭質量。與濕法熄焦相比，采用干法熄焦可以使焦炭抗碎強度M40提高3%～4%，耐磨強度M10降低0.3%～0.8%，反應后強度提高3%～5%，焦炭反應性降低1%～5%。分析其原因如下：焦炭冷強度的提高一方面是由于紅焦在干熄爐預存室向干熄焦槽下移過程中緩慢冷卻，避免了濕法熄焦過程中內應力驟增的問題，減少了焦炭大量微裂紋的產生；另一方面是由于焦炭在干熄爐冷卻段內由上而下運動并進行碰撞和摩擦，使焦炭得到了充分的機械“整粒”作用。對于焦炭熱反應性能的提高，有關資料表明：CDQ焦炭的總比表面積特別是微孔的比表面積顯著小于濕法熄焦的焦炭，故CDQ焦炭的C02反應性指標要比濕熄焦焦炭低，反應后強度也就提高。因此，焦炭微孔數量的減少和微孔比表面積的降低是CDQ焦炭強度和熱反應性能提高的主要原因[2]。
    ② 回收紅焦顯熱。出爐的紅焦顯熱約占焦爐能耗的40%左右，這部分能量相當于煉焦煤能量的5%，如果將其回收和利用，則可以大大降低冶金產品成本，起到節能降耗的作用。采用干熄焦可以回收紅焦顯熱的80%，干熄焦平均每1t焦炭可回收3.9MPa、450℃的蒸汽0.45～0.69t。
    ③ 減少環境污染。干熄焦產生的蒸汽用于發電，可以避免生產相同數量蒸汽的鍋爐燃煤時對大氣的污染，尤其可以減少SO2、H2S等污染物向大氣的排放量。另外，在保持焦炭質量不變的條件下，采用干熄焦工藝可以增加弱粘結性煤用量，減少10%～20%的焦煤、肥煤的配入量，可以緩解煉焦煤短缺的狀況，有利于保護資源和降低焦炭生產成本。
    ④ 干熄焦節能降耗效果顯著。某企業焦炭處理規模為140t/h的CDQ裝置實際運行產生的效益如下：年發電量約1.25×108kW·h/a，發電后還可產生0.95MPa的蒸汽約37.26×104t/a，二者年創效益約3700×104元/a；可降低焦化工序能耗(折合成單位質量焦炭所耗標準煤的質量)40kg/t；減少向大氣排放污染物(HCN、H2S、NH3、酚類、粉塵等)36.96×104t/a，改善了焦化廠周邊環境；焦炭質量得到提高(與濕法熄焦相比)，經實測，焦炭抗碎強度M40提高了4%，耐磨強度M10降低了0.9%；焦炭熱性能得到改善，反應后強度提高了5.7%，焦炭反應性降低了3.4%；干熄焦的焦炭用于煉鐵，產生延伸效益，可使入爐焦比降低2%，高爐生產能力提高1%。
參考文獻：
[1] 高建業，高熙熙.干熄焦技術與發展[J].煤氣與熱力，2004，24(11)：647-649.
[2] 高建業.全球干熄焦裝備技術回眸與展望[J].冶金導刊，2004(3)：4-5.
 
(本文作者：高建業 王瑞忠 周猛 江蘇沙鋼集團有限公司 江蘇張家港 215625)