干熄焦锅炉入口循环气体温度的理论计算

石巧囡 王欣悦 孙文彬 姜士敏 张晓光 毛 旸 韩 冬

(1.鞍山华泰环能工程技术有限公司，2.华泰永创(北京)科技股份有限公司)

干熄焦(CDQ)是利用惰性气体作为循环气体，在干熄炉内与炽热红焦直接接触换热，从而熄灭红焦的工艺过程[1]。

干熄焦锅炉入口循环气体温度是干熄焦装置最重要的参数之一，对于干熄炉，它代表着回收红焦显热的效率，直接体现了干熄焦系统的运行状况；对于干熄焦锅炉，它代表着干熄焦锅炉的换热效率，极大程度上影响着蒸汽的品质[2]。干熄焦实际生产操作中，锅炉入口循环气体温度一般控制在880～1 000 ℃，不宜过高或过低。锅炉入口循环气体温度过高，会造成高温事故，例如二次过热器炉管蠕变导致爆管；锅炉入口循环气体温度过低，相应的锅炉出口循环气体温度也低，易对锅炉及锅炉后续的管道产生腐蚀。

文章建立了物料平衡和热平衡，分析了锅炉入口循环气体温度的影响因素，简化了锅炉入口循环气体温度的计算公式，为锅炉入口循环气体温度的控制提供理论基础。

1 理论基础

1.1 物料平衡计算

(1)物料平衡计算的原则

物料平衡理论计算基于以下几条原则：

①循环气体组成稳定，理论计算取平均值：O2为0.5%，H2为1%，CO为4%，CO2为15%，H2O为6%，N2为73.5%；

②入炉气体气料比1 280 m3/t，循环气体气料比1 430 m3/t；

③焦炭析出残余挥发分为20 m3/t，其主要组成为H2占约90%、CO占约10%，析出的残余挥发分在穿过焦炭层后进入循环气体[3]；

④导入空气气料比130 m3/t；

⑤循环系统气密性良好，无泄漏；

⑥循环气体旁通管关闭；

⑦充入循环系统中的氮气量忽略不计。

(2)物料平衡理论计算

以干熄炉冷却段入口至干熄焦锅炉入口为对象进行物料平衡理论计算，物料平衡关系见图1。

图1 物料平衡关系

物料平衡表达式为：

G1+G′2+GK+GC=G2+G′1+Gk+G

(1)

式中：G1为红焦装入量，kg/h；G′2为入炉气体质量，kg/h；GK为导入空气质量，kg/h；GC为焦炭析出残余挥发分的量，kg/h；G2为冷焦排出量，kg/h；G′1为循环气体质量，kg/h；Gk为焦炭烧损量，kg/h；G为焦粉带出量，kg/h。

1.2 热平衡计算

(1)热平衡计算的原则

热平衡计算是在物料平衡计算的基础上进行的，热平衡理论计算还基于以下几条原则：

①循环系统体系中存在很多反应，既有吸热反应也有放热反应，无法对每个反应逐一进行计算，忽略对计算影响较小的次要因素，只考虑主要因素；

②熄焦过程中发生一系列反应，包括燃烧反应、碳熔反应、水煤气反应等，既有吸热反应也有放热反应，焦炭烧损产生的热量净表现为焦炭的燃烧热；

③入炉红焦温度1 000 ℃，出炉冷焦温度180 ℃，入炉循环气体温度130 ℃；

④考虑干熄炉和一次除尘器表面散热，干熄炉和一次除尘器表面温度60 ℃；

⑤焦炭中灰分含量按12%计算；

⑥焦粉带出热参与热平衡计算。

(2)热平衡理论计算

以干熄炉冷却段入口至干熄焦锅炉入口为对象进行热平衡理论计算，热平衡关系见图2。

图2 热平衡关系

热平衡表达式为：

Q1+Q2+Q3+Q4=Q5+Q6+Q7+Q8

(2)

式中：Q1为红焦带入热，kJ/h；Q2为入炉气体带入热，kJ/h；Q3为焦炭燃烧热，kJ/h；Q4为导入空气带入热，kJ/h；Q5为冷焦带出热，kJ/h；Q6为循环气体带出热，kJ/h；Q7为干熄炉和一次除尘器表面散热，kJ/h；Q8为焦粉带出热，kJ/h。

根据各个参数的具体计算公式，热平衡方程式(2)可变为实用的计算式(3)。

(3)

式中：V1为循环气体量，m3/h；V2为入炉气体量，m3/h；VK为导入空气量，m3/h；c1为红焦装炉比热容，kJ/(kg·℃)；c2为冷焦出炉比热容，kJ/(kg·℃)；c′1为循环气体比热容，kJ/(m3·℃)；c′2为入炉气体比热容，kJ/(m3·℃)；cB为室外空气比热容，kJ/(m3·℃)；c为焦粉带出比热容，kJ/(kg·℃)；t1为红焦装炉温度，℃；t2为冷焦出炉温度，℃；t′1为循环气体温度，℃；t′2为入炉气体温度，℃；tn为干熄炉和一次除尘器表面温度，℃；tB为室外空气温度，℃；t为焦粉带出温度，℃；φk为焦炭烧损率，%；QH为焦炭燃烧热，kJ/kg；απ和αk为辐射和对流传热系数，kJ/(m2·h·℃)；F为干熄炉和一次除尘器表面积，m2。

2 试差法

2.1 试差法原理

试差法是在两个未知量中，先设一个量为已知，代入方程求出另一未知量，然后进行验算，若所得的结果与所设不符，重新修正假设再进行计算，直到验算正确为止。试差法能使复杂的计算问题得以简化，从而方便求解。

2.2 试差法应用

试差法应用于干熄焦锅炉入口循环气体温度的计算步骤如下：

(1)假定锅炉入口循环气体温度t′1；

(2)在温度t′1下，查循环气体各成分的比热，然后加权平均求循环气体的比热；

(3)将原始数据、查得数据及中间计算数据，带入公式(3)，求得t′1；

(4)比较计算值与假定值，在误差范围内，计算结束，否则把计算值作为下次试差的假定值，循环上述步骤，直至计算值与假定值在误差范围内。

2.3 试差法计算举例

以190 t/h干熄焦为例，根据热平衡利用试差法进行理论计算，得出锅炉入口循环气体温度。在进行热平衡计算前，需要先进行物料平衡计算，物料平衡和热平衡计算所需主要原始参数列于表1。利用试差法原理，多次迭代试差，计算出锅炉入口循环气体温度920 ℃，将物料平衡和热平衡计算结果分别列于表2和表3。

表1 物料平衡和热平衡的主要原始参数

表2 物料平衡计算 kg/h

表3 热平衡计算 kJ/h

3 锅炉入口循环气体温度的影响因素

影响锅炉入口循环气体温度的因素有导入空气带入热、循环气体气料比和焦炭烧损率等。利用多因素分析原理，文章从理论计算角度分析各因素对锅炉入口循环气体温度的影响。

3.1 导入空气带入热的影响

忽略导入空气带入热，根据公式(3)试差计算，锅炉入口循环气体温度为919.5 ℃，降低了0.5 ℃，说明导入空气带入热对锅炉入口循环气体温度影响极小，尤其是冬季，室外大气温度低，空气带入热非常小，可忽略。

3.2 循环气体气料比的影响

循环气体气料比是循环气体气量与焦炭处理量的比值，是锅炉入口循环气体温度调整的一个重要参数[5]。循环气体气料比减小，锅炉入口循环气体温度升高，易造成锅炉高温事故；循环气体气料比增加，锅炉入口循环气体温度降低，影响锅炉产汽率。

循环气体气料比为1 400、1 430、1 470 m3/t时，根据公式(3)试差计算，锅炉入口循环气体温度分别为935.6、920、900.1 ℃。由此可知，循环气体气料比对锅炉入口循环气体温度的影响不可忽略。

3.3 焦炭烧损率的影响

焦炭烧损在干熄焦装置实际运行中是不可避免的，焦炭烧损率是评价干熄焦装置运行的重要指标，可用于指导干熄焦系统调整生产操作参数[6]。焦炭烧损率直接关系到锅炉入口循环气体温度，焦炭烧损率增大，焦炭烧损所得到的热量增多，锅炉入口循环气体温度升高。

焦炭烧损率为1%、1.5%、2%时，根据公式(3)试差计算，锅炉入口循环气体温度分别为855.5、920、984 ℃。由此可知，焦炭烧损率对锅炉入口循环气体温度有较大影响。

3.4 焦粉带出热的影响

忽略焦粉带出热，根据公式(3)试差计算，锅炉入口循环气体温度为929.7 ℃，升高9.7 ℃。

3.5 干熄炉及一次除尘器表面散热的影响

忽略干熄炉及一次除尘器表面散热，根据公式(3)试差计算，锅炉入口循环气体温度为925.7 ℃，升高5.7 ℃。

3.6 公式总结

通过对以上影响锅炉入口循环气体温度的因素进行综合分析和计算，可忽略导入空气带入热、焦粉带出热以及干熄炉和一次除尘器表面散热，对锅炉入口循环气体温度影响最大的因素就是焦炭烧损率。公式(3)可简化为：

(4)

焦炭烧损率为1.5%时，根据简化公式(4)试差计算得到锅炉入口循环气体温度为934.9 ℃，与公式(3)试差计算的结果920 ℃相比，误差为1.6%。因此，可利用简化公式(4)试差计算锅炉入口循环气体温度。

4 结语

文章建立了干熄炉冷却段入口至干熄焦锅炉入口的物料平衡和热平衡，利用试差法计算，得到了锅炉入口循环气体温度。通过多因素分析，得出对锅炉入口循环气体温度影响程度从大到小依次为焦炭烧损率、循环气体气料比，而导入空气带入热、焦粉带出热以及干熄炉和一次除尘器表面散热可忽略不计，进而得到简化的锅炉入口循环气体温度计算公式，该简化公式可以满足干熄焦工程设计的要求。