干熄焦炉系统优化改进延长炉龄的研发与应用

2022-07-06朱振军

中国钢铁业 2022年3期

吴杰朱振军

1.前言

传统钢铁流程焦化湿熄焦工艺能耗高、焦炭品质低，目前已逐渐被符合节能减排绿色发展的干熄焦工艺替代。干熄焦相对于湿熄焦，其主要是利用惰性气体（氮气）将红焦降温冷却的熄焦方式和方法，英文Coke Dry Quenching（简称CDQ）。在干熄焦过程中，1000℃的红焦从干熄炉顶部装入，130℃的低温惰性循环气体由循环风机鼓入干熄炉冷却段红焦层内，吸收红焦显热，冷却后的焦炭(低于200℃ )从干熄炉底部排出，从干熄炉环形烟道出来的高温惰性气体，流经干熄焦锅炉进行热交换。锅炉产生蒸汽，冷却后的惰性气体由循环风机重新鼓入干熄炉，惰性气体在封闭的系统内循环使用。干熄焦工艺采用惰性循环气体，在密闭的干熄炉内对红焦进行冷却，可以免除对周围设备的腐蚀和对大气的污染。

首钢长治钢铁有限公司（简称首钢长钢）焦炭干熄焦工艺采用新日铁公司的干熄焦技术，该装置在节能、环保和自动化控制等方面，达到了国内干熄焦装置的先进水平。技术指标为：干熄红焦系统能力170t/h，配套高温高压余热锅炉所产蒸汽压9.5MPa，蒸汽温度540℃，正常蒸汽产量92.76t/h，全部用于发电。汽轮发电机组采用30MW抽凝式汽轮发电机组，年发电量为2.07亿kW h，配套焦炉为2×65孔6m捣固焦炉。

2.干熄焦工艺设备的主要参数和结构

首钢长钢焦炭干熄焦装置主要设备、设施有：170t/h干熄焦槽（含锅炉）1 套、CDQ 运焦系统、CDQ 主控、CDQ环境除尘、CDQ热电站、CDQ循环水泵站、装入装置、排出装置、提升机、供配电设施、自动化控制及仪表设施、通讯设施、给排水设施、综合管网等（见图1）。主要工艺和设备参数如下：

图1 首钢长钢干熄焦炉系统工艺流程图

装入焦炭平均温度：1020℃；

焦炭冷却时间：约2h；

单炉焦炭产量：30t;

氮气循环风机风量：240000Nm3/h；

氮气循环风机全压力：12.9kPa；

焦炭处理能力：170t/h；

干熄炉入口气体温度：约130℃；

锅炉入口气体温度：约980℃；

冷却后焦炭温度：≤200℃；

吨焦产汽率：0.58；

产生蒸汽压力：9.5MPa；

产生蒸汽温度：540℃；

配套发电机组容量30MW×1台；产生蒸汽设计流量：抽汽压力0.98MPa，抽汽量0～40t/h，焦炭处理量时为170t/h。

3.运行状态及优化改进

3.1 周期炉役内运行状态及问题

首钢长钢焦炭干熄焦炉系统由于在第一个炉役内衬部分砖出现磨损、开裂、脱落，加上炉口砖磨损，因此除尘效果差，高温氮气中含焦尘大，导致配套光管蒸发器、鳍片蒸发器、省煤器锅炉管被气流冲刷严重，造成蒸汽泄漏。通过对现场管道检查，发现损坏的炉管均发生在炉管中心线上层，泄漏点均在锅炉炉墙护板外100mm～300mm之间，周边管道无明显异常。通过对破损炉管进一步检查，发现破损部位鳍片脱落且炉管迎风面钢管厚度明显减薄，断面呈抛物线状。

3.2 改进部分

3.2.1 锅炉管

针对干熄焦炉锅炉过热器、省煤器磨损导致的爆管机理，通过对管道垂直切口观察分析发现，断面切口内壁光滑无结垢。经过对水质和管样的化验，排除了水质的原因，也确定管道材质没有发生化学变化。

由此分析出，炉管破损的主要原因是循环气体在锅炉内流动分布不均匀，含尘气体对管道长期冲刷，逐渐使锅炉炉管变薄发生破损泄漏。经过对故障部位认真确认，确定了增加保护套，即在省煤器上层炉管两端，量身定制安装了长500mm、厚3mm的310S不锈钢半圆护管，对蒸发器和省煤器锅炉管选用TP347H(1Cr19Ni11Nb)高碳奥氏体不锈钢进行更新，从而解决了省煤器管破损的问题。同时要求岗位操作人员严格按规程操作，均衡装焦、排焦，稳定负荷，加强除尘系统排灰管理，保障锅炉平稳安全运行。

3.2.2 干熄槽

干熄炉冷却段内径有10.25m，共70层，材质为莫来石耐火砖。通过用高温内窥镜探视，发现干熄炉内部分炉砖开裂，干熄炉部分牛腿砖脱落。脱落的莫来石砖块经常卡阻在旋转密封阀内，没有脱落的有不同程度裂纹，环梁下层砖下部破损较多、裂纹大（有的裂缝宽度约有60mm，长度约2m）。分析原因是莫来石砖指标与干熄炉运行匹配不够。改选用新材料的SCBM莫来石砖，改善了干熄炉系统性能，满足了焦炭降温的要求。

从干熄焦工艺过程分析，首先，炉内耐材要承受向下运动焦炭粉尘的强烈冲击和磨损，以及逆向粉尘、循环气体气流的冲刷，这对耐火砖的面层产生直接的磨损。其次，由于干熄炉耐材一直处于长期高温负荷，炉内耐材每年要经受几万次的温度变化，排焦不均匀所产生温差变化会造成炉墙剥裂。由于在实际生产中圆周方向因焦炭流速不同，引起炉墙温差不断变化，加之低温循环气体快速流动，急冷巨热现象引起炉墙膨胀收缩不匀而产生诸多裂缝。最后，作为化学侵蚀，焦炭夹带的有害介质、冷却产生的还原性气体、粉尘等与炉衬材料之间发生化学作用，在长期高温CO、H2等气体的侵蚀，最终导致耐材熔解、侵蚀。另外，在氧含量很低的还原性气氛下，还会缓慢发生莫来石晶相的分解，使砖的结构强度下降，产生裂纹、剥落等损蚀。

通过上述分析表明，作为干熄焦炉用的耐材，除要有一般耐火材料的性能外，还要有突出的耐急冷急热性能和高温抗化学侵蚀能力。通过指标对比选用了新型SCBM莫来石砖，其氧化铝含量指标和砖致密度有所提高，常温耐压和热态抗折指标也有大幅提高，新型耐材的总体性能明显提升，延长了干熄炉的使用寿命（见表1）。

表1 干熄炉采用新型SCBM莫来石砖性能指标

3.2.3 循环风机

低温惰性气体由循环风机鼓入干熄炉冷却段红焦层内吸收红焦显热，从干熄炉环形烟道出来的高温惰性气体，流经干熄焦锅炉进行热交换，锅炉吸收热量后产生蒸汽，冷却后的惰性气体由循环风机重新鼓入干熄炉，形成惰性气体封闭循环使用。由于惰性气体中带有少量焦粉尘，在气流的带动下，焦粉尘会冲刷分机壳与转子，经过一定时间后，机壳被磨损变薄，局部破损漏气，影响了换热效率。

在维修周期内，拆除转子返厂修理，并针对焦粉尘冲刷风机内壳的现象，采用瓷片贴敷新技术，即在风机壳内表面一次性贴敷耐磨瓷片内衬，取得了良好的效果，节约了后期的维修费用。

3.2.4 其他

增加了一次重力除尘器水冷管的长度，优化了焦粉尘的冷却效果；二次除尘采用多管旋风分离除尘器，使进入循环风机的气体粉尘含量减少到1g/m3，且小于0.25mm的粒度粉尘占比95%以上，除尘效果良好，降低了焦粉尘对循环风机叶轮、机壳和管道的磨损，延长了干熄炉的使用寿命。