我國干法熄焦技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

摘 要

摘要：論述了我國干法熄焦技術(shù)裝備的發(fā)展?fàn)顩r、工藝流程、技術(shù)特點、節(jié)能減排效益、經(jīng)濟效益。關(guān)鍵詞：焦化；熄焦；干法熄焦；工藝流程；技術(shù)特點；經(jīng)濟效益；環(huán)境效益Development and Appl
摘要：論述了我國干法熄焦技術(shù)裝備的發(fā)展?fàn)顩r、工藝流程、技術(shù)特點、節(jié)能減排效益、經(jīng)濟效益。
關(guān)鍵詞：焦化；熄焦；干法熄焦；工藝流程；技術(shù)特點；經(jīng)濟效益；環(huán)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(chǎn)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(zhì)。濕法熄焦嚴(yán)重污染環(huán)境，浪費大量的熱能，消耗大量的水，又影響焦炭質(zhì)量。干熄焦是以惰性冷氣體氮氣為載體，通入干熄爐內(nèi)冷卻熾熱紅焦炭，使紅焦炭由1050℃冷卻至200℃以下，循環(huán)的惰性熱氣體(氮氣)熱量經(jīng)回收產(chǎn)生蒸汽和發(fā)電，氮氣循環(huán)在密閉系統(tǒng)內(nèi)完成，整個熄焦過程基本不對環(huán)境造成污染。
2 干熄焦(CDQ)技術(shù)的發(fā)展
    我國干熄焦技術(shù)的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代，當(dāng)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(guī)模為75t/h的CDQ裝置，在寶鋼共有12套焦炭處理規(guī)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(chǎn)了焦炭處理規(guī)模為70t/h的2套CDQ裝置。在2000年前我國焦化行業(yè)只有此2家企業(yè)有CDQ裝置，其余焦化廠CDQ都是空白[1]。
    隨著我國鋼鐵工業(yè)迅速發(fā)展，焦化企業(yè)快速擴張和建設(shè)，嚴(yán)格控制污染、加強環(huán)境治理被提到重要議程。國家發(fā)展和改革委員會在2004年發(fā)布了《焦化行業(yè)準(zhǔn)入條件》(國家發(fā)展改革委公告2004年第76號)，規(guī)范了焦化廠的建設(shè)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(guī)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(guī)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(guī)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(guī)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(chǎn)和在建的CDQ裝置共增加到123套，相應(yīng)干熄焦年產(chǎn)能達(dá)11448×104t/a，其中已投產(chǎn)89套，相應(yīng)干熄焦年產(chǎn)能逾7000×104t/a。在鋼鐵企業(yè)焦化廠干熄焦率(干熄焦量與總焦炭量之比)達(dá)70%。就于熄焦的規(guī)模而言，我國居世界首位。2009年5月首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司投產(chǎn)的焦炭處理規(guī)模為260t/h的CDQ裝置是世界上最先進、規(guī)模最大的第2套裝置。2004年前我國還沒有干熄焦技術(shù)設(shè)計能力。2004年以后馬鋼和通鋼CDQ裝置技術(shù)和設(shè)備國產(chǎn)化示范工程順利投運，為我國自行設(shè)計CDQ裝置奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)在我國可以設(shè)計建設(shè)焦炭處理規(guī)模為50～200t/h且與焦化生產(chǎn)規(guī)模相匹配的各種規(guī)格的CDQ裝置，并實現(xiàn)了大型化、系列化。目前我國CDQ裝置的焦炭處理規(guī)模為50～260t/h，共有16種規(guī)格。目前我國部分企業(yè)CDQ裝置情況見表1。
表1 目前我國部分企業(yè)CDQ裝置情況
企業(yè)
單套CDQ裝置的焦炭處理規(guī)模/(t·h-1)
數(shù)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(guān)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(lián)合有限責(zé)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(zé)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(zé)任公司
140
1
南京鋼鐵聯(lián)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(zé)任公司
125
3
新余鋼鐵有限責(zé)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(guī)模為140t/h的干熄焦裝置為例介紹干熄焦工藝流程及技術(shù)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(huán)風(fēng)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?fàn)t炭化室推出的紅焦經(jīng)過攔焦車后由焦罐車上的圓形旋轉(zhuǎn)焦罐接收，此時焦炭溫度達(dá)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(guān)閉。裝入干熄爐的紅焦，在于熄爐預(yù)存段(預(yù)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(yù)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(huán)氮氣進行熱交換而冷卻，再經(jīng)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(huán)氮氣工藝路線：冷卻焦炭的循環(huán)氮氣，在干熄爐冷卻段與紅焦進行熱交換后溫度升高，并經(jīng)環(huán)形煙道排出干熄爐。高溫循環(huán)氮氣經(jīng)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(chǎn)生蒸汽，循環(huán)氮氣溫度降至170～190℃。低溫循環(huán)氮氣從干熄焦余熱鍋爐出來，經(jīng)過二次除塵器進一步分離細(xì)顆粒焦粉后，由循環(huán)風(fēng)機送入給水預(yù)熱器。給水預(yù)熱器將循環(huán)氮氣的溫度從160～180℃冷卻至約130℃，再進入干熄爐循環(huán)使用。
焦粉工藝路線：一次除塵器及二次除塵器從循環(huán)氮氣中分離出來的焦粉，收集在粉焦儲槽內(nèi)，經(jīng)處理后由汽車運走。
除鹽水工藝路線：除鹽水先經(jīng)過給水預(yù)熱器與循環(huán)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(huán)氮氣進行熱交換，吸收循環(huán)氮氣中的熱量而氣化成蒸汽。干熄焦鍋爐產(chǎn)生的蒸汽主要送往干熄焦發(fā)電站，少部分蒸汽直接外供。
另外，除塵站通過除塵風(fēng)機產(chǎn)生的吸力將干熄爐爐頂裝焦處、爐頂放散閥、預(yù)存段壓力調(diào)節(jié)閥放散口等處產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱?dǎo)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(zhuǎn)運點、給水預(yù)熱器放散系統(tǒng)等處產(chǎn)生的高濃度粉塵的低溫?zé)煔鈱?dǎo)入百葉式預(yù)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(yù)除塵器出口處混合，然后導(dǎo)入布袋式除塵器進行凈化，凈化后的煙氣經(jīng)煙囪排入大氣。
3.2 干熄焦技術(shù)特點
3.2.1主要產(chǎn)品產(chǎn)量
    焦炭處理規(guī)模為140t/h的CDQ裝置可利用余熱產(chǎn)生過熱蒸汽80.5t/h，蒸汽壓力可達(dá)9.5MPa。利用CDQ裝置產(chǎn)生的高壓蒸汽，可以配1套25MW的抽凝式發(fā)電機組來發(fā)電。焦炭處理規(guī)模為140t/h的CDQ裝置的主要產(chǎn)品產(chǎn)量如下：
    過熱蒸汽：37.26×104t/a；
    發(fā)電量：125.33×106kW·h/a；
    除塵焦粉：2.1×104t/a。
3.2.2主要技術(shù)特點
    (1)干熄爐的冷卻段采用矮胖型。
    (2) 干熄爐頂設(shè)料鐘式布料器。
    (3) 在循環(huán)風(fēng)機后設(shè)置給水預(yù)熱器，使干熄爐入口處的循環(huán)氮氣溫度由約170℃降至不高于130℃。
    (4) 干熄爐采用連續(xù)排料的電磁振動給料器與旋轉(zhuǎn)密封閥組合的焦炭排出裝置。
    (5) 干熄爐爐頂水封設(shè)壓縮空氣吹掃管。
    (6) 焦罐車、電機車采用自啟?？刂葡到y(tǒng)(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(dá)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(shè)2個料位計，高料位采用電容式料位計，同時采用雷達(dá)微波料位計進行連續(xù)測量。
    (9) 焦炭裝入裝置漏斗后部設(shè)有尾焦收集裝置。
   (10) 采用具有橫移功能的旋轉(zhuǎn)焦罐。
   (11) 根據(jù)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(chǎn)操作技術(shù)要求
    (1) 焦罐內(nèi)只能接裝焦?fàn)t1孔(炭化室)的焦炭(約21.4t)，靜置時間不超過30min，焦罐內(nèi)不得裝入爐頭焦、余煤、鐵器等物料。
   (2) 干熄爐預(yù)存段壓力保持在0～-100Pa。
   (3) 嚴(yán)格控制干熄爐入口處循環(huán)氮氣的溫度在115～130℃范圍；在余熱鍋爐入口處循環(huán)氮氣溫度不高于970℃，工況正常時不得低于680℃。
    (4) 按設(shè)備運行情況及時調(diào)控除鹽水罐、除氧器、汽包的水位。
    (5) 認(rèn)真分析余熱鍋爐水質(zhì)，及時調(diào)控，使?fàn)t水達(dá)到水質(zhì)要求，主蒸汽品質(zhì)合格。鍋爐給水及鍋爐爐水基準(zhǔn)值見表2。
    (6) 嚴(yán)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(wǎng)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(jù)工況及時調(diào)整循環(huán)氮氣風(fēng)量，保證鍋爐順利運行。
    (10) 干熄焦余熱鍋爐入口循環(huán)氮氣壓力控制在-800～-200Pa范圍。
    (11) 主蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥出口蒸汽溫度為(540±10)℃，壓力為(9.5±0.2)MPa。當(dāng)汽輪發(fā)電機組運行時，可根據(jù)汽輪機進口參數(shù)對此蒸汽參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整；當(dāng)汽輪發(fā)電機組停運時，可根據(jù)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(tǒng)操作主要工藝參數(shù)見表3。
表2 鍋爐給水及鍋爐爐水基準(zhǔn)值
控制項目
單位
控制指標(biāo)
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(dǎo)率
μS/cm
<0.2
聯(lián)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(dǎo)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(tǒng)操作主要工藝參數(shù)
項目
主要工藝參數(shù)
焦?fàn)t配置(炭化室數(shù)量)/孔
2×55
焦?fàn)t炭化室高度/m
6
每孔炭化室出焦量/t
21.4
焦?fàn)t循環(huán)檢修時間/(h·d-1)
4.5
緊張操作系數(shù)
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(huán)氮氣流量/(m3·h-1)
19.9×104
循環(huán)氮氣溫度/℃
進干熄爐
115～130
出干熄爐
900～980
干熄焦單位質(zhì)量焦炭產(chǎn)汽率/(t·t-1)
0.575
干熄爐日操作制度
24h連續(xù)
干熄爐年工作時間/d
345
干熄站年工作制度
工作
345d連續(xù)
檢修
20d
4 效益分析
    ① 改善焦炭質(zhì)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(yīng)后強度提高3%～5%，焦炭反應(yīng)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(yù)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(nèi)應(yīng)力驟增的問題，減少了焦炭大量微裂紋的產(chǎn)生；另一方面是由于焦炭在干熄爐冷卻段內(nèi)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(yīng)性能的提高，有關(guān)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(yīng)性指標(biāo)要比濕熄焦焦炭低，反應(yīng)后強度也就提高。因此，焦炭微孔數(shù)量的減少和微孔比表面積的降低是CDQ焦炭強度和熱反應(yīng)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?fàn)t能耗的40%左右，這部分能量相當(dāng)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(chǎn)品成本，起到節(jié)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(huán)境污染。干熄焦產(chǎn)生的蒸汽用于發(fā)電，可以避免生產(chǎn)相同數(shù)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(zhì)量不變的條件下，采用干熄焦工藝可以增加弱粘結(jié)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(chǎn)成本。
    ④ 干熄焦節(jié)能降耗效果顯著。某企業(yè)焦炭處理規(guī)模為140t/h的CDQ裝置實際運行產(chǎn)生的效益如下：年發(fā)電量約1.25×108kW·h/a，發(fā)電后還可產(chǎn)生0.95MPa的蒸汽約37.26×104t/a，二者年創(chuàng)效益約3700×104元/a；可降低焦化工序能耗(折合成單位質(zhì)量焦炭所耗標(biāo)準(zhǔn)煤的質(zhì)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(huán)境；焦炭質(zhì)量得到提高(與濕法熄焦相比)，經(jīng)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(yīng)后強度提高了5.7%，焦炭反應(yīng)性降低了3.4%；干熄焦的焦炭用于煉鐵，產(chǎn)生延伸效益，可使入爐焦比降低2%，高爐生產(chǎn)能力提高1%。
參考文獻：
[1] 高建業(yè)，高熙熙.干熄焦技術(shù)與發(fā)展[J].煤氣與熱力，2004，24(11)：647-649.
[2] 高建業(yè).全球干熄焦裝備技術(shù)回眸與展望[J].冶金導(dǎo)刊，2004(3)：4-5.
 
(本文作者：高建業(yè) 王瑞忠 周猛 江蘇沙鋼集團有限公司 江蘇張家港 215625)