氣煤焦在干熄焦試生產中存在的問題及解決辦法

氣煤焦在干熄焦試生產中存在的問題及解決辦法干法熄焦簡稱“干熄焦”，是相對于用水熄滅熾熱焦炭的濕熄焦而言的。其基本原理是利用冷的惰性氣體(燃燒后的廢氣)，在干熄爐中與赤熱紅焦換熱從而冷卻紅焦。吸收了紅焦熱量的惰性氣體將熱量傳給干熄焦鍋爐產生蒸汽，被冷卻的惰性氣體再由循環(huán)風機鼓入干熄爐冷卻紅焦。隨著干熄焦技術及國產設備日漸成熟，干熄焦作為焦化企業(yè)的配套項目，對產品延伸及環(huán)保有積極作用。干熄焦裝置具有工藝先進、環(huán)保、節(jié)能效益顯著的特點，在鋼鐵聯合企業(yè)中應用可提高焦炭質量和高爐生產能力，降低入爐焦比和鋼鐵生產中的成本；還能從熾熱的焦炭中回收熱能產生蒸汽從而獲得直接經濟效益。從環(huán)保角度看，建設干熄焦裝置，可減少因濕法熄焦排放大氣中的水蒸氣夾帶酚氰等有害物質和粉塵污染，大大提高周邊地區(qū)空氣質量。干熄焦具有回收紅焦顯熱、減少環(huán)境污染和改善焦炭質量三大優(yōu)點。但相對濕法熄焦，其投資較大，工藝復雜，工藝參數控制嚴格，大型設備多，自動化程度高，存在高溫高壓介質、可燃氣體等，需嚴格管理維護和操作要求，以保證運行安全。1干熄焦裝置工藝流程裝滿紅焦的焦罐車由電機車牽引至提升井架底部。起重機將焦罐提升并送至干熄爐爐頂，通過帶布料器的裝入裝置將焦炭裝入干熄爐內。在干熄爐中，焦炭與惰性氣體直接進行熱交換，冷卻至200℃以下，經排出裝置平板閘門、振動給料器、旋轉密封閥、排焦溜槽卸到帶式輸送機上，送往焦處理系統(tǒng)。循環(huán)風機將冷卻焦炭的惰性氣體（主要是氮氣）從干熄爐底部的供氣裝置鼓入干熄爐內，與紅熱焦炭逆流換熱。自干熄爐排出的熱循環(huán)氣體溫度為880～960℃，經一次除塵器除塵后進入干熄焦鍋爐換熱，溫度降至160～180℃。鍋爐出來的冷循環(huán)氣體經二次除塵器除塵后，由循環(huán)風機加壓，再經熱管換熱器冷卻至130℃左右進入干熄爐循環(huán)使用。干熄焦主要包括干熄焦本體和干熄焦鍋爐兩部分。其中，干熄焦本體是由紅焦輸送系統(tǒng)、裝入裝置、干熄爐、爐頂水密封、供氣裝置、排焦裝置、氣體循環(huán)系統(tǒng)等組成；干熄焦鍋爐是由省煤器、蒸發(fā)器、過熱器、汽包、吊頂管、上升管、下降管、膜式水冷壁聯箱及附屬設備等組成。2干熄焦裝置可燃氣體危害及成分控制干熄焦循環(huán)氣體成分有氮氣、二氧化碳、水蒸氣、氫氣、一氧化碳、氧氣及微量甲烷、不飽和碳氫化合物和硫化物等。其中含有少量氫氣、一氧化碳等成分，這類混合氣體在一定條件下會發(fā)生爆炸。氫氣的爆炸極限為4%～75％，一氧化碳的爆炸極限為12.5%～74.2％，均為易燃易爆氣體。循環(huán)氣體負壓段發(fā)生空氣漏入，與可燃氣體混合，可能會發(fā)生燃燒和爆炸事故；易爆氣體泄漏會造成人員中毒，若區(qū)域有明火，也會發(fā)生燃燒和爆炸。在干熄焦操作中，為確保安全，設置了報警值，氧氣含量高報2%，高高報4.5%；氫氣含量高報3%，高高報5%；一氧化碳含量高報6%，高高報8%。在實際生產中，為保證安全操作氧氣不過量，氫氣含量一般小于3%，一氧化碳含量小于6%，氧氣含量小于1%。具體見表1。干熄焦循環(huán)氣體主要成分來源如下。1）氮氣。由干熄焦工藝介紹可知，干熄焦循環(huán)氣體主要成分為惰性氣體氮氣，其來源于干熄焦外界管網從循環(huán)風機進口、出口、導入裝置處等部位補入的氮氣；正常生產期間78%的氮氣主要來自空氣中和導入系統(tǒng)后燃燒剩余的氮氣。2）氧氣。主要來源于干熄焦循環(huán)系統(tǒng)負壓段從干熄爐出口到循環(huán)風機進口泄漏漏入的空氣；一次除塵、二次除塵底部漏入的空氣；從常用放散、爐口處漏入的空氣；正常操作期間導入空氣過多；氮氣不合格而帶入的少量空氣等。3）氫氣。氫氣正常狀態(tài)下來源于預存室焦炭析出；異常狀態(tài)下來源于鍋爐各換熱管、熱管換熱器泄漏的水與焦炭反應生成。4）一氧化碳。正常狀態(tài)下來源于預存室焦炭析出；異常狀態(tài)下來源于鍋爐各換熱管、熱管換熱器泄漏的水與焦炭反應生成；漏入空氣與焦炭反應生成；二氧化碳與焦炭反應生成。5）二氧化碳。來源于泄漏空氣和正常導入空氣中氧氣與一氧化碳燃燒生成；焦炭與循環(huán)氣體中氧氣反應生成；導入空氣中含有的微量二氧化碳。6）水蒸氣。正常狀態(tài)下來源于導入空氣的氧氣與系統(tǒng)氫氣燃燒生成；異常狀態(tài)下來源于鍋爐各換熱管的泄漏、熱管換熱器泄漏；氮氣不合格帶入；空氣中帶入等。將可燃氣體控制在安全范圍內有兩種方法。一種是在鍋爐入口T6溫度小于600℃時，通過采用加入氮氣、暫停排出或減少排焦量的方法控制可燃氣體及氧氣的濃度，或通過進行氮氣稀釋置換和減少可燃氣體組分等方法。另一種是T6溫度在600℃以上時，可通過導入空氣與可燃氣體氫氣、一氧化碳反應來降低含量，達到安全操作目的。3干熄焦試生產中出現的問題因干熄焦工藝主要適用于冶金焦生產，目前國內運行中的干熄焦裝置均生產冶金焦。據了解，行業(yè)上暫無生產氣煤焦期間進行干熄焦試生產升溫及氣煤焦生產的運行經驗。根據市場需求及價格情況分析，氣煤焦生產比例較大，揮發(fā)分在38%，比冶金焦高10%，揮發(fā)分偏高。在干熄焦試生產過程中，根據干熄爐烘爐曲線要求，分為溫風干燥、煤氣烘爐與裝入紅焦三個階段。在煤氣烘爐后，用氣煤焦按升溫曲線對干熄爐進行升溫，裝入紅焦后，T6溫度升至600℃以上，在可燃氣體不高的情況下進行導入空氣操作。干熄焦裝置在2021年10月19日~31日試車期間，T5溫度最高升至993℃，T6溫度最高升至531℃。在10月29日21:30時，循環(huán)氣體中氫氣含量上升至4.36%,平均值為4.13%，后期最高升至7.89%，超過高限報警值3%；一氧化碳含量在6.46%~20.00%之間波動，平均值為10.81%，超過高限報警值8%。因可燃氣體含量較高，必須使用大量氮氣置換。安排空分裝置向焦化供應氮氣最大量達到3100Nm3/h，氫氣、一氧化碳含量仍然超標，部分數據見表2。4干熄焦試生產循環(huán)氣體中可燃氣體高的原因分析4.1水進入干熄焦系統(tǒng)內，水與紅焦炭反應生成氫氣和一氧化碳1）水隨空氣進入循環(huán)氣體內。由于在北方冬季試車，溫度為-3~4℃，干燥無雨，周圍無水泄漏，不存在水隨空氣進入干熄爐內發(fā)生反應現象。2）爐頂水封槽、緊急放散閥、爐頂氣體放散閥的水封槽漏水。經過多次查看水封水位情況，各水封水位正常，無下降，確認水封無泄漏。3）鍋爐爐管破裂、熱管換熱器漏水。當爐管或熱管換熱器破損后，漏出的水或汽隨循環(huán)氣體進入干熄爐內，與紅焦發(fā)生水煤氣反應，造成循環(huán)氣體中的氫氣和一氧化碳含量急劇上升，達到爆炸極限后，若空氣漏入，就會發(fā)生爆炸等安全事故。經運行觀察，數據無異常增加現象。在短停過程中打開鍋爐對省煤器、光管換熱器、翅片換熱器、一次過熱器、二次過熱器等進行檢查，發(fā)現無泄漏。4）氮氣帶水。通過對進入系統(tǒng)的氮氣進行分析，氮氣露點合格，未帶水。4.2空氣進入循環(huán)氣體，空氣中的氧氣與焦炭反應生成一氧化碳1）循環(huán)氣體系統(tǒng)負壓段出現泄露，氣密性差，吸入空氣，導致系統(tǒng)中氧氣含量升高。氧氣在干熄爐內與焦炭發(fā)生燃燒反應，造成焦炭燒損，同時會使部分已熄滅的焦炭復燃，致使紅焦層下移，從而降低干熄爐的生產能力[1]，導致一氧化碳含量升高。經檢查，系統(tǒng)負壓區(qū)管線、設備法蘭及安全附件等密封良好，無空氣吸入。2）干熄焦的焦炭處理量增加，循環(huán)氣體增大，氣體循環(huán)系統(tǒng)負壓段負壓增大，漏入負壓段的空氣及空氣中的水分與焦炭反應，生成更多的氫氣和一氧化碳，使氫氣和一氧化碳濃度增高。經確認，試車中盡量減少排焦量，無負壓增大現象。3）一次除塵與二次除塵器中焦粉料位計失靈，控制不當，焦粉料位達到下限時未停止排灰動作，造成空氣從負壓排灰口進入循環(huán)氣體系統(tǒng)。經確認，一次除塵與二次除塵料位計正常，未達到下限，未造成空氣進入。4）頂部水封槽高度低造成空氣漏入。經檢查，現場設備和水封液位未發(fā)現空氣泄漏吸入情況。4.3試生產升溫期間，焦化生產氣煤焦焦炭反應活性大，造成干熄爐循環(huán)氣體氫氣、一氧化碳含量高。裝入干熄爐內紅熱焦炭將在預存室析出殘余揮發(fā)分，主要產物為氫氣和一氧化碳。其影響因素是焦爐推出焦炭的成熟程度和紅焦在預存室的駐留時間。一般來說，焦炭析出殘余揮發(fā)分的量可按10~20m3/t焦來計算，其主要組成氫氣約占90%，一氧化碳約占10%。預存室析出的殘余揮發(fā)分在穿過焦炭層后進入循環(huán)氣體中[2]。為減少氣煤焦影響，準備更換冶金焦進行升溫試生產，以降低焦炭中的殘余揮發(fā)分。4.4焦炭在干熄爐內冷卻過程中會與循環(huán)氣體發(fā)生化學反應化學反應造成焦炭燒損，紅熱焦炭在干熄爐內與氣體逆流換熱時，還與循環(huán)氣體發(fā)生化學反應，化學式為：C+CO2=2CO。通過運行數據觀察，二氧化碳含量為0%，不存在與焦炭發(fā)生反應。4.5氮氣量偏小干熄焦裝置設計的事故狀態(tài)氮氣補充量為2160Nm3/h，目前試生產階段等同于事故狀態(tài)，氮氣置換量穩(wěn)定控制在2500Nm3/h以上，最大達到3100Nm3/h。5干熄焦試生產后期優(yōu)化處理及成分控制1）采購冶金焦用煤，后期組織生產冶金焦配合干熄焦試生產升溫。采取提高焦爐標準溫度至1280℃（高出正常值20℃），提高焦爐加熱均勻性，控制焦炭揮發(fā)分在1.0%以下，11月13日~16日，實際焦炭揮發(fā)分最低達到0.7%。2）控制好排焦過程，在保持溫度的同時，適當減少排焦及裝爐次數，減少可燃氣體生成。3）保持系統(tǒng)氮氣加入量，開啟系統(tǒng)各部位臨時充氮點，氮氣加入3000Nm3/h以上，對系統(tǒng)進行置換，嚴格控制系統(tǒng)氧氣含量小于1%。氫氣、一氧化碳在氮氣輸送環(huán)境下，可能引起燃燒或爆炸的最小氧含量分別為5.0%、5.5%[3]，控制低于1%，可遠離燃燒或爆炸范圍。4）將上述情況及當地各煤種、配合煤、焦炭進行理化分析數據，前期運行的數據反饋中冶焦耐。通過研究，在可燃氣體數據偏高時，可先用一次除塵器頂部入口預留的DN25管線少量補入空氣，降低氫氣及一氧化碳含量后，再緩慢導