干熄焦烧损率的探讨与管控

李国善，蔡文佳(河钢集团邯钢公司焦化厂，河北 邯郸 056015)

0 引言

干熄焦是利用循环气体对红焦显热进行回收利用熄焦工艺，具有资源消耗少、污染排放小、能源回收高和焦炭质量好的诸多优点，是当前节能减排和发展绿色焦化形势下，被各焦化企业大力推广应用的环保型熄焦工艺。干熄焦系统通过循环气体与红焦显热的热交换，既可以产生大量蒸汽用于发电和取暖供热；同时也没有熄焦水的消耗，焦炭质量也更好。与传统的湿熄焦工艺相比，干熄焦焦炭中的水分、灰分等指标更低，市场价格和市场需求量更大，可为企业带来显著的经济效益和环保效益。由于干熄焦系统中循环气体水分、含氧量、预存段压力控制等工艺因素的影响，一些焦化企业的干熄焦系统较为普遍地存在着烧损率偏高的问题，导致焦炭灰分增加，质量和产量下降。以某焦化厂干熄焦系统为例，有些干熄焦实际的焦炭烧损率在0.95%左右，要高于烧损率设计值(0.9%)，因焦炭烧损而带来的成本消耗也占到了0.95%，140 t/h的干熄焦装置的焦炭消耗量达到了13 t/h。这对于企业来说无疑是巨大的能源浪费与成本增加，因此降低干熄焦烧损率已成为焦化企业技术攻关的重点方向。本文对干熄焦烧损率较大的原因进行了分析，从技术工艺角度提出了控制和降低干熄焦烧损率的有效措施。

1 干熄焦工艺流程

干熄焦工艺运行的基本原理为循环气体与水的热交换，在将焦炉推出的红焦由干熄焦罐送入干熄炉内后，干熄焦的循环气体即开始对炉内的红焦显热进行热交换和回收。热交换的过程中，首先经过给水预热后升温至120 ℃左右，惰性气体会在循环风机的吸力作用下被抽送至干熄炉的底部；然后，该循环气体会在鼓风机的推送下进入干熄炉内，与炉内红焦进行充分的接触，并吸收其热量。循环气体在吸收红焦显热之后，其温度会升高到900 ℃以上成为高温烟气，同时其中还会夹杂一些焦粉和其他一些烟尘颗粒物。吸收热量的高温烟气在经过除尘和焦粉分离后，进入余热锅炉并与锅炉软水进行热交换。经过热交换和冷却后的循环气体温度会再次降低至120 ℃左右，由循环风机送入干熄炉进行下一次的热交换；而在余热锅炉内吸收了循环气体热量的软水则会变为高温高压的蒸汽进入厂区蒸汽管网，供汽轮机发电和厂区供暖使用。

2 干熄焦烧损问题的基本原理及其中涉及到的化学反应

干熄焦烧损问题的实质就是焦炭与氧气混合所发生的燃烧反应，是焦炭中碳的消耗，会导致焦炭中灰分的增加和焦炭产量的下降。在干法熄焦工艺中，循环冷却气体的成分以热传递效率较高、化学形态较为稳定且成分低廉的氮气为主，此外还含有少量的一氧化碳、二氧化碳、氧气、氢气和水等物质。当循环气体在经过一系列的吸热与放热过程时，炉内热传递以及循环气体组分会受到影响，继而使碳的状态也发生变化。干熄焦热传递的过程中，从化学反应的原理来看主要包括非均相反应和均相反应两种，非均相反应是固体焦炭与气态反应物的反应；均相反应则是炉内氢气、氧气、一氧化碳等气态物质之间的相互反应。从干熄焦化学反应中不同物质参与的先后顺序来看，又可分为一次反应和二次反应。其中由碳直接参与的化学反应称为一次反应，反应方程式主要有：

由干熄焦一次反应的化学方程式来看，主要为碳的燃烧反应，反应产物为干熄焦循环气体组分，其中包括了CO2和化学性质较为活泼的CO和H2，这也为二次反应创造了条件。二次反应主要是一次反应的产物在允许条件下发生的反应，可以不需要碳的直接参与，且均为放热反应。反应化学方程式主要有：

从上述反应可以看出，经过二次反应之后，干熄焦循环系统的气氛组成主要变为了二氧化碳和水。而在一定条件下，二氧化碳和水可再次与红焦反应生成一氧化碳和氢气，再次加入到一次反应中增加碳的消耗。焦炭残存的挥发分始终在析出，并继续与红焦反应形成一次反应与二次反应的循环，因此干熄焦系统中焦炭的烧损是不可避免的。

3 干熄焦焦炭烧损的影响因素分析

由上述一系列反应式我们可知，干熄焦烧损问题是各种复杂化学反应综合作用的结果，各反应之间存在一定关联，并且有些反应是可逆的[1]。总体而言，碳的消耗主要来自于碳与氧气、二氧化碳和水等物质发生的化学反应。而从干熄焦工艺的角度来具体分析，干熄焦焦炭烧损的影响因素主要如下：

(1)循环气体中水分的影响。由反应式可知，当水蒸汽与红焦接触时会生成水煤气，主要为一氧化碳和水。因此可以肯定的是，循环气体中水的存在会导致焦炭的烧损。正常情况下，外部水分主要由装入装置和空气导入阀进入循环系统；而在锅炉水封串漏、受热面穿孔等设备故障的非正常情况下，也会导致大量水蒸汽进入循环气体管道，造成焦炭烧损。

(2)气料比的影响。气料比是干熄焦循环气体量与排焦量的比值，一定的排焦量必须对应一定的循环风量。如果气料比较小的话，那么循环系统就没有足够的风量进行换热，排焦温度也会偏高；而气料比过大的话，会有更多的循环气体参与到与红焦的反应当中，继而导致焦炭烧损增加。

(3)氧气对烧损率的影响。在干熄焦操作过程中，控制空气导入量是控制可燃气体含量的重要措施。但如果空气导入量偏大时，则容易造成循环气体中氧含量过剩，使更多的氧气参与到焦炭烧损的一次和二次反应中，导致焦炭烧损量增加。理论上来讲，循环气体中氧含量为0是最为理想的，但是这在实际操作中是几乎不可能实现的。因此，我们需要在生产操作中将循环气体氧含量控制在一定范围内，并与可燃气体量相匹配，才能尽可能地降低烧损率。导致循环气体氧含量超标的因素主要有两方面：一是循环系统气密性不良，特别是循环系统负压段管路破损泄漏后，大量的空气会被吸入到循环系统，造成预存段压力升高和系统内氧含量、水含量的快速升高。过多的氧气与水参与到与红焦的反应当中，造成焦炭烧损。二是预存段压力控制不当。为了防止干熄焦装焦时吸入空气和烟尘外泄，工艺要求预存段压力保持在0 Pa或是微正压状态。如果预存段压力控制不当出现负压的话，外界的空气就会被吸入干熄炉内造成焦炭烧损增加。

(4)可燃性气体的影响。在干熄炉内化学反应中，首先被烧掉的是循环气体中的可燃性气体成分，其次是焦粉，最后是小块的焦炭。因此，可通过适当增加循环气体中一氧化碳等可燃性气体的含量来减少焦炭的烧损。但是应特别注意的是要严格控制一氧化碳在循环气体中的浓度指标，否则会有发生爆炸和一氧化碳泄漏中毒的可能。

(5)二氧化碳对烧损率的影响。二氧化碳在730 ℃以上高温条件下与焦炭充分接触会生成一氧化碳，造成焦炭的烧损。由于循环气体中二氧化碳含量较高，因此其造成的焦炭烧损量也是很大的。

(6)排焦温度的影响。排焦温度较高时，干熄炉内红焦层会下移，导致循环气体中一氧化碳含量增加，增加了反应物与反应条件的范围，因此而增加焦炭的烧损。

4 降低焦炭烧损率的措施

(1)合理控制气料比。要求在保证排焦温度和满足排焦生产的前提下，尽可能地降低气料比，以减少循环气体中氧含量的过剩。

(2)合理控制循环气体中可燃性气体的含量。循环气体中合理的可燃性气体含量有助于降低焦炭的烧损率[2]。但是要注意可燃物气体含量必须要严格控制在爆炸极限的范围内，在安全的前提下尽量提高可燃物气体含量，以同时兼顾系统的安全性和焦炭的烧损率。根据生产经验，将循环气体中的氢气含量控制在3%以下，一氧化碳控制在5%～6%是比较理想和安全的。如果出现循环系统可燃性气体浓度较大的情况时，则要通过导入氮气来对其进行稀释。

(3)最大限度地保证系统的严密性。这就要求干熄焦岗位人员在日常工作中要加强对干熄焦设备的巡检[3]，发现漏点及时处理，并对一些容易出现泄漏的位置做好预防性的密封和加固。避免出现水封窜漏、加热面穿孔等循环系统事故。在日常操作中，岗位人员还要密切注意循环气体的各项指标，严格监视系统中氢气、氧气等气体的变化情况，对氢氧气体浓度快速升高的异常情况，应认真分析原因并及时妥善解决。一般情况下，循环气体中的氧含量控制在0.2%以下是比较理想的。

(4)避免预存室压力过度负压。为了兼顾环保与控制焦炭烧损率，操作中要保持预存室的微正压状态，严禁长时间和较大的负压操作。根据生产实践认为预存室压力保持在0～50 Pa是比较理想的。

(5)加强与干熄焦前后工序的生产联络，保持排焦温度的稳定。首要的是要做好与炼焦工序和皮带转运工序的联系，尽量保持干熄炉装焦的均匀性；同时根据运焦系统的运行情况，合理调整干熄炉料位，避免短时间内排焦温度的快速升高。

(6)合理控制循环气体温度。干熄炉入口循环气体温度应控制在130 ℃左右。如果循环气体温度过高的话，则有可能导致风机送风量增加，导致循环气体中氧含量的过剩和焦炭烧损率的增加。