焦炭燒損控制措施與二氧化碳的炭熔反應(yīng)

冶金焦化

2022年7月25日 13:37

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焦炭燒損控制措施與二氧化碳的炭熔反應(yīng)的圖1

干熄焦燒損問題在行業(yè)內(nèi)是普遍關(guān)注的問題，多年來很多技術(shù)人員及專家也做了大量試驗(yàn)和研究，力求找出降低焦炭燒損的經(jīng)濟(jì)途徑，目前主要措施有以下幾點(diǎn)。

（1）控制適當(dāng)?shù)臍饬媳取?/span>

在保證排焦溫度滿足工藝要求的前提下，盡量降低氣料比。開工初期，考慮運(yùn)焦線上大部分皮帶為普通皮帶，且對皮帶的耐熱性能沒有把握，將正常生產(chǎn)時(shí)的排焦溫度控制在 120℃以下。此后根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，在保證皮帶接口強(qiáng)度的前提下，將正常生產(chǎn)時(shí)排焦溫度的控制值提高到140--160℃，從而降低了氣料比，減少了焦炭燒損。

（2）控制循環(huán)氣體中的可燃成分。

理論上循環(huán)氣體中的可燃成分控制越低越好，但這樣必須加大空氣導(dǎo)入量。盡管目前干熄焦系統(tǒng)采取了氫氣在線自動分析，來盡量實(shí)現(xiàn)空氣導(dǎo)入量的精確控制，但系統(tǒng)中存在殘余氧是難以避免的。而減少空氣導(dǎo)入量，保持合理的可燃成分含量，降低系統(tǒng)氧含量對控制燒損率是有益的。為此在實(shí)際生產(chǎn)中將 3％作為 H2 含量的控制上限，CO 含量控制 5％一 6％。

（3）確保氣體循環(huán)系統(tǒng)的密封性

干熄爐出口至循環(huán)風(fēng)機(jī)入口的負(fù)壓段密封性欠佳，空氣就會被吸入，使循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的 O2 含量以及水汽含量上升。在實(shí)際生產(chǎn)中，為便于調(diào)節(jié)和保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，加強(qiáng)對負(fù)壓段氣密性檢查力度，確保不在鍋爐至循環(huán)風(fēng)機(jī)入口處吸入空氣，以防止空氣直接鼓入干熄爐燒損焦炭。環(huán)形風(fēng)道的內(nèi)環(huán)墻墻體密封性也十分重要。若出現(xiàn)裂縫，尤其是在 180°和 0°方向附近同時(shí)出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)入的空氣會沿著裂縫穿過預(yù)存段焦炭層，與紅焦反應(yīng)燃燒，造成焦炭燒損。（4）加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)檢查。

加強(qiáng)對鍋爐表面發(fā)生穿孔、水封串漏、水蒸氣進(jìn)入循環(huán)氣體管道等情況的監(jiān)控，避免水汽進(jìn)入氣體循環(huán)系統(tǒng)。中控作業(yè)人員在操作時(shí)嚴(yán)格監(jiān)視循環(huán)系統(tǒng)內(nèi) H2 含量，對 H2 含量突然上升原因及時(shí)準(zhǔn)確的分析，并對氣體循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)水事故及時(shí)處理。

（5）避免預(yù)存室壓力負(fù)壓太大裝焦時(shí)爐內(nèi)氣體正壓會引起放爆，而負(fù)壓時(shí)空氣大量吸入干熄爐內(nèi)，因此必須保持循環(huán)系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性。

干熄爐預(yù)存段壓力理論控制值為 0Pa，但在實(shí)際生產(chǎn)中難以控制。通常將預(yù)存室壓力值控制在微正壓（0—50Pa），既可提高鍋爐入口循環(huán)氣體溫度，降低干熄焦系統(tǒng)的熱損失，又提高了循環(huán)氣體可燃成分，降低焦炭燒損，保證安全生產(chǎn)。

（6）加強(qiáng)工藝控制，保持排焦溫度的穩(wěn)定

首先是做好與煉焦工序的生產(chǎn)協(xié)調(diào)，盡可能保證生產(chǎn)穩(wěn)定，均勻裝焦，減少趕爐；其次是安排好煉焦、運(yùn)焦系統(tǒng)的檢修計(jì)劃，提前調(diào)節(jié)干熄爐料位，避免排焦溫度短時(shí)間內(nèi)急劇升高。（7）控制焦炭成熟度控制

相對較低的焦炭成熟度，充分利用干熄爐預(yù)存室的燜爐效果，在保證焦炭質(zhì)量的前提下，降低煉焦工序能耗是可行的，但由于揮發(fā)分的析出，卻會對干熄焦系統(tǒng)帶來一定影響。焦炭燒損率的增加就是影響之一，為此有必要在降低煉焦工序能耗和減少焦炭燒損率之間尋找平衡點(diǎn)。干熄焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)裝焦溫度為 950～1050℃，考慮測溫的偏差等因素，焦餅中心溫度應(yīng)控制在 1000℃以上。

通過上述治理措施，會部分減少焦炭的燒損，但是要達(dá)到控制焦炭燒損，還是不能解決主要問題。我們認(rèn)為，在系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行、操作以及工藝指標(biāo)控制等正常的情況下，焦炭燒損的反應(yīng)主要還是與二氧化碳的炭熔反應(yīng)，即 C + CO2 = 2CO。

在氣體循環(huán)過程中，由于焦炭揮發(fā)分的不斷析出和空氣導(dǎo)入量增加，造成循環(huán)氣體中 CO 及CO2 含量逐漸升高，CO 經(jīng)過燃燒也轉(zhuǎn)化為 CO2，由于二氧化碳相對來講是惰性氣體，故造成循環(huán)系統(tǒng)中二氧化碳的逐漸升高。

C02 與焦炭在高溫下也會發(fā)生反應(yīng)，下表列出了不同溫度下 C02 反應(yīng)的吉布斯自由能。C02 反應(yīng)的吉布斯自由能在 730℃時(shí)為-6.6kJ／mol，即在此溫度下就可以與焦炭自發(fā)進(jìn)行反應(yīng)。在干熄焦的生產(chǎn)運(yùn)行過程中，循環(huán)氣體從干熄爐底部進(jìn)入，與自上而下的熾熱焦炭進(jìn)行逆流接觸和換熱，在此過程中當(dāng)溫度達(dá)到 730℃以上時(shí)，C02 就會與熾熱的 C 反應(yīng)生成 CO，造成焦炭質(zhì)量的燒損，隨著溫度的升高，反應(yīng)會逐漸劇烈。而正常生產(chǎn)時(shí)，干熄焦循環(huán)氣體中 C02 體積百分比很大，因此該反應(yīng)是影響干熄焦炭燒損的重要因素。

焦炭燒損控制措施與二氧化碳的炭熔反應(yīng)的圖2

根據(jù)以上分析，為從根本上減少焦炭的燒損，必須降低循環(huán)氣體中二氧化碳的含量，控制燒損在可控范圍內(nèi)，是必須采取的重要措施。降低循環(huán)氣體中二氧化碳的含量可以采取多種手段，譬如變壓吸附法、本菲爾法、有機(jī)胺吸收法等。經(jīng)過分析對比，考慮投資、運(yùn)行成本、操作等各方面因素，我們建議采用有機(jī)胺吸收法比較經(jīng)濟(jì)合理。

（1）基本工藝流程及參數(shù)

按照干熄焦循環(huán)氣量 150000m3/h，系統(tǒng)新增 980m3/h 二氧化碳（前述）、設(shè)計(jì) 1200m3/h 計(jì)算，最終控制系統(tǒng)二氧化碳含量不大于 4% ，則需要抽出 40000m3/h 循環(huán)氣進(jìn)行脫碳。工藝流程見圖 1。

焦炭燒損控制措施與二氧化碳的炭熔反應(yīng)的圖3

設(shè)計(jì)參數(shù)：

1）干熄焦循環(huán)氣參數(shù)

干熄焦循環(huán)氣量：150000Nm3/h

溫度：180~200℃

生成 CO2 量：980Nm3/h

在設(shè)計(jì)中 CO2 的生產(chǎn)量取 1200Nm3/h，采用胺法脫碳，暫定循環(huán)氣中 CO2 控制為 4%，抽出40000Nm3/h 循環(huán)氣脫碳，CO2 由 4%脫除到 1%。

2）循環(huán)氮?dú)?/span>

處理量：≧40000Nm3/h

CO2 含量:4%

溫度：～250℃

3）脫碳氮?dú)?/span>

CO2 含量：≦1%

4）消耗蒸汽：≦4.6 噸/小時(shí)

飽和蒸汽規(guī)格：≧0.3Mpa

循環(huán)水：≦240 噸/小時(shí)

電：180Kwh/小時(shí)

有機(jī)胺損耗（100%）≦1.8kg/h

（2）焦炭燒損計(jì)算

新增措施運(yùn)行后，系統(tǒng)二氧化碳含量控制 4%，反應(yīng)二氧化碳量：150000×4%×10%=600 （m3/h）

則炭損反應(yīng)：(600/22.4) ×12=321.43(Kg/h)=0.32t/h

折焦炭 0.36t/h，即 8.64 噸/天，燒損率 0.35%。

每天燒損價(jià)值：14688 元。

（3）處理措施運(yùn)行成本

蒸汽：4.6 噸/小時(shí)×24h×120 元/噸=13248 元

循環(huán)水：240 噸/小時(shí)×0.2 元/噸×24h=1152 元

耗電：180Kwh/小時(shí)×24h×0.75 元/ Kwh=3240 元

有機(jī)胺損耗（100%）：1.8kg/h×24h×20 元/kg=864 元

其他費(fèi)用（工資、維修等）：2000 元合計(jì)：20504 元

（4）效益對比根據(jù)以上計(jì)算，新上處理措施后，每天運(yùn)行費(fèi)用 20504 元，焦炭燒損為 14688 元。對比未上處理措施前每天燒損 63240 元，每天節(jié)約 28048 元，全年節(jié)約 1023.75 萬元。

干熄焦系統(tǒng)運(yùn)行較為復(fù)雜，引起焦炭燒損的原因和反應(yīng)機(jī)理也在不斷研究證實(shí)中，有些因素本處理方案沒有考慮，譬如由于水蒸氣的存在引起焦炭的燒損；由于過量的空氣導(dǎo)致的焦炭的直接燒損等。這也是實(shí)際焦炭燒損比計(jì)算結(jié)果還要偏大的原因。

本文僅是提供一種降低干熄焦工藝焦炭燒損的辦法或措施，并經(jīng)理論和計(jì)算說明，僅供參考。