利用热平衡计算干熄焦的烧损率

袁本雄 邵胜平 左夏青 汪 银 徐 正

(1.铜陵泰富特种材料有限公司，2.辽宁盛焓工程技术有限公司)

干熄焦工艺运行会形成焦炭的烧损。实时计算和监控干熄焦的焦炭烧损率，对改善干熄焦操作，降低运行成本十分重要。目前能够实时进行干熄焦烧损率计算的方法有碳平衡、热平衡和人工神经网络。文章就利用热平衡计算干熄焦烧损率进行深入探讨。

1 计算范围的确定

干熄焦系统由许多设备组成，其中各种能量流和物料流相互交错，十分复杂。单从干熄焦炉本体来进行热平衡计算，会有许多不易测量和确定的参数，所以划定一个合理的计算范围，对获得准确的计算结果十分必要。

划定的热平衡计算范围包括：干熄炉、循环风管路及管路上的主要设备、锅炉。锅炉包括蒸发器(含过热器)和省煤器两部分。循环风与外部不存在物质和能量交换，热平衡计算时不需要考虑很多复杂因素。

根据以上划定范围可以判断系统与外部的物质交换，进入物质包括：入炉红焦、省煤器给水和导入空气；排出物质包括：冷焦、蒸汽、放散排风和除尘灰。

系统与外部的热量交换，热量收入包含：入炉红焦显热Qhc、导入空气显热Qia和省煤器的给水显热Qwa；热量支出包含：冷焦显热Qcc、放散风显热Qoa、蒸汽带走热量Qst、除尘灰显热Qdu、干熄炉本体散热Qcd和锅炉本体散热Qbd。循环风管路散热可以折算到干熄炉本体散热及锅炉本体散热中。

为了简化计算，需假设：(1)焦炭中固定碳及挥发分的损失率相同，(2)焦炭挥发分含碳量与焦炭中固定碳含量一致，(3)烧损的产物是CO和CO2，(4)烧损产生的热量全部供给了蒸发吸热，(5)干熄炉和锅炉散热率取值为2%～5%。

2 烧损率计算

2.1 入炉红焦显热计算

红焦显热可以用公式(1)计算：

(1)

式中：Qhc为入炉焦炭带入的显热，kJ/h；Ghc为入炉焦炭的质量，kg/h；cch(t)为焦炭的比热,kJ/(kg·℃);thc为入炉红焦的初始温度，℃。

Ghc可以通过轨道秤称量记录，但由于干熄焦上料是断续的，所以称量记录需要进行连续化处理。由于干熄焦的排风、排焦计量是连续的，因此Ghc也可以通过排焦、排风反向推断，具体方法是：

Ghc=Goa+Gcc+Gdu

(2)

式中：Goa为随干熄焦排风而放散掉的碳元素质量，kg/h；Gcc为从干熄炉排出的冷焦质量，kg/h；Gdu为干熄焦除尘系统收集的灰尘质量，可以认为这些灰尘是焦粉，kg/h。其中Gcc和Gdu可通过称量得到，而Goa则可按公式(3)计算：

(3)

式中：Koa为系数；Voa为干熄焦排风风量，m3/h；ηCO为循环风中CO含量，%；ηCO2为循环风中CO2含量，%。

焦炭的比热是温度的函数，可用公式(4)表示：

cch(t)=0.836+1.53×10-3t-5.4×10-7t2(4)

式中：cch(t)为焦炭定压比热，kJ/(kg·℃)；t为焦炭温度，℃。

2.2 导入空气显热计算

导入空气显热用公式(5)计算：

Qia=Via×cia×tia

(5)

式中：Qia为导入空气显热，kJ/h；Via为导入空气体积，m3/h；cia为空气平均定压比热，kJ/(m3·℃)；tia为导入空气的温度，℃。

2.3 省煤器给水显热计算

省煤器给水的显热可以用公式(6)计算：

Qwa=Gst×Hwa

(6)

式中：Qwa为省煤器给水的显热，kJ/h；Gst为干熄焦锅炉的蒸发量，kg/h；Hwa为干熄焦锅炉省煤器的给水焓值，kJ/kg。

2.4 排焦显热计算

排焦显热可以用公式(7)计算：

(7)

式中：Qcc为干熄炉排出冷焦携带的显热，kJ/h；Gcc为干熄炉排出冷焦的质量，kg/h；tcc为干熄炉排出冷焦的温度，℃；cch(t)为焦炭的比热,kJ/(kg·℃)。Gcc和tcc由仪器测量得到。

2.5 放散风显热计算

放散风显热可以用公式(8)计算：

Qoa=Voa×coa×toa

(8)

式中：Qoa是干熄炉排风的显热，kJ/h；Voa是干熄炉排风量，m3/h；coa是干熄炉排风的平均定压比热，根据道尔顿分压定律由循环风各成分的含量确定，kJ/m3；toa是干熄炉排风的温度，℃。

coa与排风成分和排风温度有关。排风成分可按干熄焦循环风成分选取，排风温度则由仪表测量。

2.6 蒸汽排热计算

蒸汽排热可用公式(9)计算：

Qst=Gst×Hst

(9)

式中：Qst为干熄焦锅炉蒸发所产蒸汽的显热，kJ/h；Gst为干熄焦锅炉的蒸发量，kg/h；Hst为干熄焦锅炉蒸汽焓值，kJ/kg。

2.7 除尘灰显热计算

除尘灰的成分可以认为是焦粉，其显热可用公式(10)计算：

(10)

式中：Qdu为干熄焦搜集的除尘灰带出的显热，kJ/h；cch(t)为焦炭的比热，kJ/(kg·℃)。其中，Gdu可通过称量获得。

2.8 散热计算

干熄炉和锅炉表面散热的热流密度受到炉体温度、环境温度、高度、风速、昼夜、天气、朝向、保温等因素影响，因此很难精确测量。通常根据炉窑情况按一定范围取值，当保温条件比较好的时候，散热率取2%～5%。所以干熄炉和锅炉的表面散热可用公式(11)、(12)计算：

(11)

式中：Qcd为干熄炉表面的散热，kJ/h；Qhc为进入干熄炉的红焦显热，kJ/h；ηcd为干熄炉表面散热率，%。

(12)

式中：Qbd为锅炉表面的散热，kJ/h；ηbd为锅炉表面散热率，%。

2.9 烧损量的计算

通过2.1～2.8的热量计算，可以得到烧损产生的热量：

Qlo=(Qst+Qcc+Qoa+Qdu+Qcd+Qbd)-(Qhc+Qwa+Qia)

(13)

式中：Qlo为干熄焦因烧损而导致的热量损失，kJ/h。

如果知道焦炭燃烧热值，根据烧损的热量则可以求出烧损的焦炭质量。焦炭的燃烧值与循环风的燃烧产物浓度的关系为：

(14)

式中：Rck为焦炭燃烧热值，kJ/kg；Kck为系数，ηCO为循环风中CO浓度，%；ηCO2为循环风中CO2浓度，%。

于是烧损率为：

ηlo=Qlo/Rck/Ghc×100%

(15)

式中：ηlo为干熄焦的烧损率，%。

3 计算实例

以某企业的190 t/h干熄焦的实际生产数据(表1)为例，利用前面的公式进行烧损率计算，干熄炉散热率和锅炉散热率均取2%，热平衡计算结果见表2。

表1 主要的测试数据

表2 热平衡计算

用式(14)计算出焦炭燃烧热值为21 498 kJ/kg，由式(15)得到烧损率为1.329%。同样的参数数据，用碳元素平衡法进行烧损率的计算，结果为1.271%。热平衡法和碳元素平衡法计算烧损率结果相近，证明前面的热平衡计算烧损率结果可靠。

4 生产参数与烧损率的关系

当气体成分、导入空气流量等参数不变时，烧损率与吨焦蒸发量、红焦温度、排焦温度之间的关系见表3。

表3 生产参数与烧损率的关系 %

由表3可知，随着蒸发量和排焦温度的升高，烧损率增加，即烧损率与蒸发量、排焦温度成正比；而随着红焦温度的升高，烧损率降低，即烧损率与红焦温度成反比。

5 用热平衡计算干熄焦烧损率的用途

在利用热平衡计算干熄焦烧损率时，如果计算的时间间隔足够短，那么此时烧损率的计算结果就变成了实时烧损率，这对监控和优化干熄焦操作有很大作用。同时，作为可以进行烧损率实时计算的三种方法之一，用热平衡计算实时烧损率也可以为另外两种方法提供一定的参考和检验判断。