干法熄焦技術具有節能、環保和改善焦炭質量的顯著優勢,近年來在我國焦化行業得到了迅速發展,受到獨立焦化企業的密切關注。截至2013年底,我國共有干熄焦裝置155套,處理能力20787t/h;此外,有22家獨立焦化企業開始應用干熄焦技術,為行業節能減排做出了突出貢獻。雖然干熄焦技術在焦化行業取得了顯著的社會和經濟效益,但干熄焦焦炭燒損率卻長期困擾著焦化企業。燒損率的常規工藝設計在0.9%以下,但從已投產的干熄焦裝置看,焦炭實際燒損率一般在1.3%左右,有的甚至高達2.5%以上,噸干熄焦炭燒損為0.025t,嚴重影響了干熄焦技術的綜合效益。
1 干熄焦焦炭燒損的機理分析
在密閉的干熄爐內,130℃的低溫惰性循環氣體N2與1000℃的熾熱紅焦進行熱交換,將紅焦冷卻到200℃以下。在干熄爐的生產操作過程中,循環氣體中O2有兩個來源。一是導入的空氣。循環氣體在循環的過程中,H2和CO等可燃成份的濃度會逐漸升高,為保證生產安全,必須將這些可燃成份的濃度控制在適當范圍內。通常采用在干熄爐環形煙道處通過導入空氣的方法,將其燃燒掉,使循環氣體中CO濃度控制在6%以下,H2在3%以下。其二是循環氣體系統大部分處于負壓狀態,很容易漏入空氣。在裝爐過程中,空氣隨焦炭進入干熄爐,與焦炭發生不完全反應生成CO等氣體。
2 循環氣體對焦炭燒損的影響
導入閥進入干熄爐環形煙道內的空氣與循環氣體混合,會首先與循環氣體內的可燃氣體CO、H2發生反應,其次才燒掉焦粉,最后為小塊焦。循環氣體中可燃氣體含量主要通過導入的空氣量來控制,當導入空氣量過大時,可燃氣體被燒完后,多余的氧就會與焦炭反應,焦炭燒損量就大;如果減小空氣導入量,氧就只與循環氣體中的可燃氣體反應。由此可見,循環氣體中CO、H2、CO2、水蒸汽含量和導入空氣量是制約焦炭燒損的關鍵因素。
2.1 CO含量對焦炭燒損的影響
由2C+O2=2CO 及 2CO+ O2=2CO2反應方程可知,反應中消耗的C與循環氣體中殘余的CO成正比,即24:32,消耗32t O2會燒損24t焦炭。
在干熄爐生產過程中,導入空氣量過大,O2與循環氣體中CO接觸,發生化學反應生成CO2,而氣體中CO2又與熾熱焦炭發生碳熔反應,生成CO導致焦炭的損耗。實際操作中很難做到循環氣體中O2含量為0,一般O2含量控制在0.2%以下,最大不超過1%;循環氣體中的CO含量應小于6%,在實際操作中,CO含量在不超過此上限的前提下,要盡量提高其含量。
2.2 CO2含量對焦炭燒損的影響
在氣體循環過程中,由于空氣導入量增加,造成循環氣體中CO及 CO2含量逐漸升高。當溫度高達900℃以上時,CO2就會與熾熱的焦炭反應生成CO,造成焦炭的燒損。
2.3水汽對焦炭燒損的影響
當干熄爐出現異常狀況時,例如水封槽腐蝕裂紋或鍋爐管爆裂等,水汽會隨循環氣體進入干熄爐。水蒸汽與熾熱的焦炭發生水煤氣反應,其反應方程為C+H2O=CO+H2,從而造成焦炭的燒損。
以140t/h干熄焦為例,循環風量約為18萬m3。O2在干熄爐入口處按1%,即每小時有約1800m3的O2進入到干熄爐內。假定導入的O2全部反應,則一天碳的消耗量為46t。焦炭的灰分按13.0%計算, 1天的焦炭燒損量為53t。
3 降低干熄焦炭燒損率的技術途徑
近年來我國焦化企業十分關注干熄焦燒損率問題,總結了多項可有效降低焦炭燒損率的方法。
3.1 控制可燃氣體成分
空氣導入量是影響焦炭燒損的重要因素。燒損率可視化實時監控系統是通過實時計算出干熄焦燒損率參數,將導入空氣量和可燃氣體成分控制在一個最優的范圍之內。適當提高H2和CO含量控制范圍,可以起到降低燒損率的作用。通過直觀的數據顯示,解決了傳統方法調節滯后的問題。把CO含量控制在4%-6%之間,將燒損率降低到了1.1%。
3.2預存段壓力的控制
裝焦時爐內氣體正壓會引起放爆,而負壓時空氣大量吸入干熄爐內,因此必須保持循環系統壓力的穩定性。干熄爐預存段壓力理論控制值為0Pa,但在實際生產中難以控制。通常將預存室壓力值控制在微正壓,既可提高鍋爐入口循環氣體溫度,降低干熄焦系統的熱損失,又提高了循環氣體可燃成分,降低焦炭燒損。
而干熄焦量身打造的斜煙道防偏流裝置(導流板),杜絕循環風量氣流不穩導致小粒徑焦炭從干熄爐中進入一次除塵器,有效阻止了焦炭漂浮的現象,同時有利于循環氣體在干熄爐中的均勻分布。
3.3確保氣體循環系統的密封性
干熄爐出口至循環風機入口的負壓段密封性欠佳,空氣就會被吸入,使循環系統內的O2含量以及水汽含量上升。
在實際生產中,為便于調節和保證系統的安全運行,加強巡檢對負壓段氣密性檢查力度,確保不在鍋爐至循環風機入口處吸入空氣,以防止空氣直接鼓入干熄爐燒損焦炭。環形風道的內環墻墻體密封性也十分重要。若出現裂縫,尤其是在180°和0°方向附近同時出現裂縫,導入的空氣會沿著裂縫穿過預存段焦炭層,與紅焦反應燃燒,造成焦炭燒損。
3.4 加強設備維護檢查
加強鍋爐表面發生穿孔、水封串漏、水蒸氣進入循環氣體管道等的監控,避免水汽進入氣體循環系統。中控作業人員在操作時嚴格監視循環系統內H2含量,對H2含量突然上升原因及時準確的分析,并對氣體循環系統內進水事故及時處理。
4 干熄焦炭燒損率的研究探索
通常焦化企業計算干熄焦炭燒損采用粗放式的方法,即焦炭燒損率=(干熄爐焦炭裝入量-排焦量-焦粉產量)/干熄爐焦炭裝入量×100%。但此公式得出的燒損率只具有參考價值,要體現干熄焦裝置的整體綜合經濟效益,必須使用更精確可靠的計算公式。
為了尋找最佳氣料比做了大量試驗,發現焦炭燒損率大致趨勢是隨著氣料比的增加而增大的線性關系。根據實際工況得出結論:氣料比為13500m3/h時最佳,此時循環風量13.5萬m3/h,排焦量100t/h左右,產汽率約為560kg/t,燒損率約為1.1%,為國內行業最好的指標。
并做了焦炭在馬弗爐中通入循環氣體模擬燒損率的試驗,按下式計算:
焦炭燒損率=100×(m-m1)/m
式中:m為焦炭試樣質量;m1為反應后殘余焦炭質量。
燒損率的最小值為1.50%,最大值為2.13%,燒損率平均值為1.80%,與150t/h干熄焦的理論焦炭燒損率2.06%接近。
研究認為循環氣體中CO2對焦炭燒損影響較大,并研究了從干熄焦循環氣體中脫除CO2的方法。在干熄爐入口處取出一部分氣體,采用洗滌脫除工藝將CO2脫除。此外,還正在研究開發一種導入空氣量與循環氣體量相對應的自動控制技術。
干熄焦系統自動化程度高,參數相互影響、相互制約。如影響CO2與C反應速率的因素有反應氣體的濃度、反應溫度,以及在干熄爐內的流動速度等。即使調節一個工藝參數也會影響到其它數據,均與焦炭燒損有關。整個系統氣體循環流程、鍋爐系統流程乃至熱交換規律、CO2與C的可逆反應機理,以及循環氣體量與排焦量的變化規律等,需要從理論上進行系統研究,循環氣體對焦炭燒損的影響也需要重新認識。
干熄焦工藝作為一個系統工程,集機械、電氣、自動控制和鍋爐等技術于一身。我國是世界上干熄焦裝置最多的國家,干熄焦炭產量居世界第一,沒有現成的經驗可借鑒,必須走產學研相結合道路,開展技術攻關,集中攻破制約干熄焦炭燒損的瓶頸難題,加快研發和推廣應用新技術,促進我國干熄焦技術的健康發展。