我国干法熄焦技术发展与应用

摘 要

摘要：论述了我国干法熄焦技术装备的发展状况、工艺流程、技术特点、节能减排效益、经济效益。关键词：焦化；熄焦；干法熄焦；工艺流程；技术特点；经济效益；环境效益Development and Appl
摘要：论述了我国干法熄焦技术装备的发展状况、工艺流程、技术特点、节能减排效益、经济效益。
关键词：焦化；熄焦；干法熄焦；工艺流程；技术特点；经济效益；环境效益
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)，简称干熄焦是相对于湿法熄焦而言的一种新型熄焦方法。湿法熄焦在我国焦化厂普遍使用，但在湿法熄焦过程中产生大量的含污染物的湿蒸汽排入大气中，其中含有HCN、H2S、NH3、酚类、粉尘等有害物质。湿法熄焦严重污染环境，浪费大量的热能，消耗大量的水，又影响焦炭质量。干熄焦是以惰性冷气体氮气为载体，通入干熄炉内冷却炽热红焦炭，使红焦炭由1050℃冷却至200℃以下，循环的惰性热气体(氮气)热量经回收产生蒸汽和发电，氮气循环在密闭系统内完成，整个熄焦过程基本不对环境造成污染。
2 干熄焦(CDQ)技术的发展
    我国干熄焦技术的应用始于20世纪80年代，当时宝山钢铁股份有限公司(以下简称宝钢)从日本引进焦炭处理规模为75t/h的CDQ装置，在宝钢共有12套焦炭处理规模为75t/h的CDQ装置。1996年济钢集团有限公司(以下简称济钢)投产了焦炭处理规模为70t/h的2套CDQ装置。在2000年前我国焦化行业只有此2家企业有CDQ装置，其余焦化厂CDQ都是空白[1]。
    随着我国钢铁工业迅速发展，焦化企业快速扩张和建设，严格控制污染、加强环境治理被提到重要议程。国家发展和改革委员会在2004年发布了《焦化行业准入条件》(国家发展改革委公告2004年第76号)，规范了焦化厂的建设条件。2001年北京首钢股份有限公司(简称首钢)投运1套焦炭处理规模为65t/h的CDQ装置，2003年12月武汉钢铁(集团)公司(以下简称武钢)投运1套焦炭处理规模为140t/h的CDQ装置，2004年4月马钢(集团)控股有限公司(以下简称马钢)投运1套焦炭处理规模为125t/h的CDQ装置，2004年4月通化钢铁集团股份有限公司(以下简称通钢)投运1套焦炭处理规模为90t/h的CDQ装置。2001年—2004年我国共增加了4套CDQ装置。截至2009年10月，我国投产和在建的CDQ装置共增加到123套，相应干熄焦年产能达11448×104t/a，其中已投产89套，相应干熄焦年产能逾7000×104t/a。在钢铁企业焦化厂干熄焦率(干熄焦量与总焦炭量之比)达70%。就于熄焦的规模而言，我国居世界首位。2009年5月首钢京唐钢铁联合有限责任公司投产的焦炭处理规模为260t/h的CDQ装置是世界上最先进、规模最大的第2套装置。2004年前我国还没有干熄焦技术设计能力。2004年以后马钢和通钢CDQ装置技术和设备国产化示范工程顺利投运，为我国自行设计CDQ装置奠定了基础。现在我国可以设计建设焦炭处理规模为50～200t/h且与焦化生产规模相匹配的各种规格的CDQ装置，并实现了大型化、系列化。目前我国CDQ装置的焦炭处理规模为50～260t/h，共有16种规格。目前我国部分企业CDQ装置情况见表1。
表1 目前我国部分企业CDQ装置情况
企业
单套CDQ装置的焦炭处理规模/(t·h-1)
数量/套
宝钢钢铁股份有限公司
75
12
鞍钢股份有限公司
140
4
160
2
武汉钢铁(集团)公司
140
2
140
2
北京首钢股份有限公司
65
1
广东省韶关钢铁集团有限公司
95
2
140
2
唐山钢铁股份有限公司
150
1
180
1
济钢集团有限公司
70
2
150
2
江苏沙钢集团有限公司
140
5
莱钢集团有限公司
140
2
马钢(集团)控股有限公司
125
3
130
2
首钢京唐钢铁联合有限责任公司
260
1
260
1
山东石横特钢集团有限公司
95
1
攀枝花钢铁(集团)公司
145
1
145
1
涟源钢铁集团有限公司
150
1
杭州钢铁集团公司
75
1
鄂城钢铁集团有限责任公司
140
1
通化钢铁集团股份有限公司
90
2
昆明钢铁集团有限责任公司
140
1
南京钢铁联合有限公司
140
2
广西柳州钢铁(集团)公司
150
1
160
1
宁波钢铁有限公司
140
1
太原钢铁(集团)有限公司
150
2
本溪钢铁(集团)公司
150
2
宝钢集团上海梅山有限公司
140
1
包头钢铁(集团)有限责任公司
125
3
新余钢铁有限责任公司
90
2
155
1
唐山中润煤化工有限公司
140
1
天铁集团
190
1
3 干熄焦工艺及特点
    本文以某厂焦炭处理规模为140t/h的干熄焦装置为例介绍干熄焦工艺流程及技术特点。
3.1 干熄焦工艺流程
    干熄焦装置主要由于熄炉、装入装置、排焦装置、提升机、电机车、焦罐车、一次除尘器、二次除尘器、干熄焦余热锅炉、循环风机、除尘站、水处理单元、自动控制部分等组成。干熄焦工艺流程见图1。
    焦炭工艺路线：从焦炉炭化室推出的红焦经过拦焦车后由焦罐车上的圆形旋转焦罐接收，此时焦炭温度达950～1050℃。焦罐车由电机车牵引至干熄焦提升井架底部，由提升机将焦罐提升至提升井架顶部。提升机挂着焦罐向干熄炉中心平移的过程中，与装入装置连为一体的炉盖由电动缸自动打开，装焦漏斗自动放到干熄炉上部。提升机放下的焦罐由装入装置的焦罐台接收，在提升机下降的过程中，焦罐底闸门自动打开，开始装入红焦。红焦装完后，提升机自动提起，将焦罐送往提升井架底部的空焦罐车上，在此期间装入装置自动运行将炉盖关闭。装入干熄炉的红焦，在于熄炉预存段(预存段的一个重要作用，就是用来缓解因干熄炉装焦的不均匀而对均匀排焦的影响)预存一段时间后，随着排焦的进行逐渐下降到干熄炉冷却段，在冷却段通过与循环氮气进行热交换而冷却，再经排焦装置排出，排出的焦炭温度在200℃以下。然后焦炭由专用皮带运输机运出，去焦炭处理工段。
    循环氮气工艺路线：冷却焦炭的循环氮气，在干熄炉冷却段与红焦进行热交换后温度升高，并经环形烟道排出干熄炉。高温循环氮气经过一次除尘器分离粗颗粒焦粉后进入干熄焦余热锅炉进行热交换，锅炉产生蒸汽，循环氮气温度降至170～190℃。低温循环氮气从干熄焦余热锅炉出来，经过二次除尘器进一步分离细颗粒焦粉后，由循环风机送入给水预热器。给水预热器将循环氮气的温度从160～180℃冷却至约130℃，再进入干熄炉循环使用。
焦粉工艺路线：一次除尘器及二次除尘器从循环氮气中分离出来的焦粉，收集在粉焦储槽内，经处理后由汽车运走。
除盐水工艺路线：除盐水先经过给水预热器与循环氮气换热升温，进而减少除氧器所用的蒸汽量。升温后的除盐水再使用蒸汽除氧，得到约104℃的锅炉给水，由锅炉给水泵送往干熄焦余热锅炉，与循环氮气进行热交换，吸收循环氮气中的热量而气化成蒸汽。干熄焦锅炉产生的蒸汽主要送往干熄焦发电站，少部分蒸汽直接外供。
另外，除尘站通过除尘风机产生的吸力将干熄炉炉顶装焦处、炉顶放散阀、预存段压力调节阀放散口等处产生的高温烟气导入管式冷却器冷却；将干熄炉底部排焦部位、炉前焦库及各皮带转运点、给水预热器放散系统等处产生的高浓度粉尘的低温烟气导入百叶式预除尘器进行粗分离处理；两部分烟气在管式冷却器和百叶式预除尘器出口处混合，然后导入布袋式除尘器进行净化，净化后的烟气经烟囱排入大气。
3.2 干熄焦技术特点
3.2.1主要产品产量
    焦炭处理规模为140t/h的CDQ装置可利用余热产生过热蒸汽80.5t/h，蒸汽压力可达9.5MPa。利用CDQ装置产生的高压蒸汽，可以配1套25MW的抽凝式发电机组来发电。焦炭处理规模为140t/h的CDQ装置的主要产品产量如下：
    过热蒸汽：37.26×104t/a；
    发电量：125.33×106kW·h/a；
    除尘焦粉：2.1×104t/a。
3.2.2主要技术特点
    (1)干熄炉的冷却段采用矮胖型。
    (2) 干熄炉顶设料钟式布料器。
    (3) 在循环风机后设置给水预热器，使干熄炉入口处的循环氮气温度由约170℃降至不高于130℃。
    (4) 干熄炉采用连续排料的电磁振动给料器与旋转密封阀组合的焦炭排出装置。
    (5) 干熄炉炉顶水封设压缩空气吹扫管。
    (6) 焦罐车、电机车采用自启停控制系统(APS)强制对位装置，使焦罐车在提升塔下的对位修正范围控制在100mm，对位精度达10mm。
    (7) 提升机使用可编程控制器(PLC，英文全称：programmable logic controller)控制。
    (8) 干熄炉冷却段设2个料位计，高料位采用电容式料位计，同时采用雷达微波料位计进行连续测量。
    (9) 焦炭装入装置漏斗后部设有尾焦收集装置。
   (10) 采用具有横移功能的旋转焦罐。
   (11) 根据干熄炉冷却段各部位的操作温度和工作特点，采用性能不同的耐火材料。
3.3 生产操作技术要求
    (1) 焦罐内只能接装焦炉1孔(炭化室)的焦炭(约21.4t)，静置时间不超过30min，焦罐内不得装入炉头焦、余煤、铁器等物料。
   (2) 干熄炉预存段压力保持在0～-100Pa。
   (3) 严格控制干熄炉入口处循环氮气的温度在115～130℃范围；在余热锅炉入口处循环氮气温度不高于970℃，工况正常时不得低于680℃。
    (4) 按设备运行情况及时调控除盐水罐、除氧器、汽包的水位。
    (5) 认真分析余热锅炉水质，及时调控，使炉水达到水质要求，主蒸汽品质合格。锅炉给水及锅炉炉水基准值见表2。
    (6) 严格控制干熄焦余热锅炉副省煤器的入口水温，不低于60℃；除氧器入口水温不高于85℃。
    (7) 控制除氧器压力保持在0.02MPa以上，确保除氧效果。
    (8) 控制外部管网送来的压缩空气、仪表用压缩空气及N2压力在0.4MPa以上，低压蒸汽压力在0.6MPa以上，满足使用要求。
    (9) 根据工况及时调整循环氮气风量，保证锅炉顺利运行。
    (10) 干熄焦余热锅炉入口循环氮气压力控制在-800～-200Pa范围。
    (11) 主蒸汽压力调节阀出口蒸汽温度为(540±10)℃，压力为(9.5±0.2)MPa。当汽轮发电机组运行时，可根据汽轮机进口参数对此蒸汽参数进行适当调整；当汽轮发电机组停运时，可根据蒸汽用户的要求酌情降低蒸汽温度和压力。
(12) 锅炉给水温度为104℃。
(13) 干熄焦系统操作主要工艺参数见表3。
表2 锅炉给水及锅炉炉水基准值
控制项目
单位
控制指标
锅炉给水
硬度
μmol/L
≤2.0
铁含量
μg/L
≤30
铜含量
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
电导率
μS/cm
<0.2
联氨含量
μg/L
10～50
氧含量
μg/L
≤15
锅炉炉水
pH值(25℃)
—
9.0～10.5
总含盐量
mg/L
≤100
电导率
mS/cm
＜150
磷酸根离子含量
mg/L
2～10
二氧化硅含量
mg/L
≤2
表3 干熄焦系统操作主要工艺参数
项目
主要工艺参数
焦炉配置(炭化室数量)/孔
2×55
焦炉炭化室高度/m
6
每孔炭化室出焦量/t
21.4
焦炉循环检修时间/(h·d-1)
4.5
紧张操作系数
1.07
干熄焦处理能力/(t·h-1)
140
焦炭温度/℃
干熄炉前
950～1050
干熄炉后
＜200
循环氮气流量/(m3·h-1)
19.9×104
循环氮气温度/℃
进干熄炉
115～130
出干熄炉
900～980
干熄焦单位质量焦炭产汽率/(t·t-1)
0.575
干熄炉日操作制度
24h连续
干熄炉年工作时间/d
345
干熄站年工作制度
工作
345d连续
检修
20d
4 效益分析
    ① 改善焦炭质量。与湿法熄焦相比，采用干法熄焦可以使焦炭抗碎强度M40提高3%～4%，耐磨强度M10降低0.3%～0.8%，反应后强度提高3%～5%，焦炭反应性降低1%～5%。分析其原因如下：焦炭冷强度的提高一方面是由于红焦在干熄炉预存室向干熄焦槽下移过程中缓慢冷却，避免了湿法熄焦过程中内应力骤增的问题，减少了焦炭大量微裂纹的产生；另一方面是由于焦炭在干熄炉冷却段内由上而下运动并进行碰撞和摩擦，使焦炭得到了充分的机械“整粒”作用。对于焦炭热反应性能的提高，有关资料表明：CDQ焦炭的总比表面积特别是微孔的比表面积显著小于湿法熄焦的焦炭，故CDQ焦炭的C02反应性指标要比湿熄焦焦炭低，反应后强度也就提高。因此，焦炭微孔数量的减少和微孔比表面积的降低是CDQ焦炭强度和热反应性能提高的主要原因[2]。
    ② 回收红焦显热。出炉的红焦显热约占焦炉能耗的40%左右，这部分能量相当于炼焦煤能量的5%，如果将其回收和利用，则可以大大降低冶金产品成本，起到节能降耗的作用。采用干熄焦可以回收红焦显热的80%，干熄焦平均每1t焦炭可回收3.9MPa、450℃的蒸汽0.45～0.69t。
    ③ 减少环境污染。干熄焦产生的蒸汽用于发电，可以避免生产相同数量蒸汽的锅炉燃煤时对大气的污染，尤其可以减少SO2、H2S等污染物向大气的排放量。另外，在保持焦炭质量不变的条件下，采用干熄焦工艺可以增加弱粘结性煤用量，减少10%～20%的焦煤、肥煤的配入量，可以缓解炼焦煤短缺的状况，有利于保护资源和降低焦炭生产成本。
    ④ 干熄焦节能降耗效果显著。某企业焦炭处理规模为140t/h的CDQ装置实际运行产生的效益如下：年发电量约1.25×108kW·h/a，发电后还可产生0.95MPa的蒸汽约37.26×104t/a，二者年创效益约3700×104元/a；可降低焦化工序能耗(折合成单位质量焦炭所耗标准煤的质量)40kg/t；减少向大气排放污染物(HCN、H2S、NH3、酚类、粉尘等)36.96×104t/a，改善了焦化厂周边环境；焦炭质量得到提高(与湿法熄焦相比)，经实测，焦炭抗碎强度M40提高了4%，耐磨强度M10降低了0.9%；焦炭热性能得到改善，反应后强度提高了5.7%，焦炭反应性降低了3.4%；干熄焦的焦炭用于炼铁，产生延伸效益，可使入炉焦比降低2%，高炉生产能力提高1%。
参考文献：
[1] 高建业，高熙熙.干熄焦技术与发展[J].煤气与热力，2004，24(11)：647-649.
[2] 高建业.全球干熄焦装备技术回眸与展望[J].冶金导刊，2004(3)：4-5.
 
(本文作者：高建业 王瑞忠 周猛 江苏沙钢集团有限公司 江苏张家港 215625)