韓克明 王 奇 薛改鳳 韓 冬 徐 列

(1.華泰永創(chuàng)(北京)科技股份有限公司,2.鞍山華泰環(huán)能工程技術(shù)有限公司)

焦炭作為重要的冶金工業(yè)原燃料，在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起著重要的作用。我國煉焦工業(yè)迅速發(fā)展，目前我國焦炭產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的70%?，F(xiàn)階段焦炭生產(chǎn)常用的焦?fàn)t有三類：常規(guī)頂裝機(jī)焦?fàn)t、常規(guī)搗固機(jī)焦?fàn)t和臥式熱回收焦?fàn)t。常規(guī)機(jī)焦?fàn)t雖然在大型化、高效化、智能化以及綠色化方面有了長足的發(fā)展，但沒有從根本上解決環(huán)境污染問題；熱回收焦?fàn)t實(shí)現(xiàn)了負(fù)壓綠色生產(chǎn)，其重點(diǎn)是要提升生產(chǎn)效率和能源利用效率。為了適應(yīng)綠色及“雙碳”發(fā)展要求，開發(fā)更加清潔高效節(jié)能的新型煉焦技術(shù)成為國內(nèi)外煉焦工作者的重要研究課題，以更加環(huán)保、節(jié)能、節(jié)約優(yōu)質(zhì)資源的方式生產(chǎn)焦炭是煉焦行業(yè)發(fā)展必經(jīng)之路。

1 現(xiàn)有焦?fàn)t存在的問題

作為主流煉焦工藝，配備化產(chǎn)回收的常規(guī)機(jī)焦?fàn)t(頂裝和搗固)煉焦技術(shù)存在大量有毒有害的焦化廢水處理難度大、陣發(fā)性污染物無組織排放和VOCs排放等問題。

清潔環(huán)保的熱回收焦?fàn)t煉焦技術(shù)取消了化產(chǎn)回收工序，荒煤氣直接在爐內(nèi)燃燒為煉焦提供熱量，同時(shí)對產(chǎn)生的高溫?zé)煔庀冗M(jìn)行余熱回收，再經(jīng)脫硫除塵后達(dá)標(biāo)排放，無需脫硝處理，實(shí)現(xiàn)了煉焦過程清潔和資源節(jié)約。

但是，目前國內(nèi)外大多臥式熱回收焦?fàn)t煉焦仍存在諸多問題：①炭化室寬度超過3 m，裝煤高度在1 m左右，占地面積大，噸焦投資大、爐體表面散熱量大；②助燃空氣未經(jīng)預(yù)熱，加熱效率低，結(jié)焦時(shí)間長達(dá)48～70 h，生產(chǎn)效率低；③采用直接加熱和間接加熱方式，助燃空氣一部分直接進(jìn)入炭化室頂部與荒煤氣燃燒，焦炭燒損大；④結(jié)焦過程中荒煤氣的量和組分變化大且不可調(diào)控，焦?fàn)t加熱均勻性缺乏調(diào)節(jié)手段，煉焦煤結(jié)焦過程受熱不均；⑤焦?fàn)t底部空氣墊層為自然對流，熱損失大。

為解決臥式熱回收焦?fàn)t存在的問題，國內(nèi)從2000年開始研究并應(yīng)用立式熱回收焦?fàn)t，但是仍然存在結(jié)焦過程荒煤氣燃燒不均勻、焦?fàn)t加熱均勻性調(diào)節(jié)控制手段缺乏、空氣沒有預(yù)熱、結(jié)焦時(shí)間長和焦?fàn)t底部空氣墊層熱損失大等問題。

針對現(xiàn)有常規(guī)焦?fàn)t和熱回收焦?fàn)t存在的問題，華泰永創(chuàng)經(jīng)過三年多的研究，聯(lián)合黑龍江建龍化工有限公司和山西暢翔超工藝技術(shù)有限公司開發(fā)的“高效節(jié)能換熱立式熱回收焦?fàn)t煉焦技術(shù)”，在黑龍江建龍化工有限公司焦化廠成功投產(chǎn)。該項(xiàng)目的成功投產(chǎn)運(yùn)行對我國煉焦行業(yè)的發(fā)展意義重大，同時(shí)對煉焦工業(yè)實(shí)現(xiàn)極致綠色和極致能效有引領(lǐng)作用。

2 主要研發(fā)工作

在總結(jié)現(xiàn)有焦?fàn)t結(jié)構(gòu)及煉焦技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)出一種新型空氣預(yù)熱的立式熱回收焦?fàn)t及煉焦技術(shù)，該技術(shù)集成了傳統(tǒng)室式焦?fàn)t的高效、搗固焦?fàn)t的低資源成本和熱回收焦?fàn)t的清潔環(huán)保、本質(zhì)安全等技術(shù)優(yōu)勢，同時(shí)克服了上述焦?fàn)t存在的不足，可以更好地適應(yīng)未來綠色環(huán)保、清潔高效的發(fā)展要求。

2.1 換熱立式熱回收焦?fàn)t的研發(fā)

2.1.1 理論研究及計(jì)算模擬

以換熱立式熱回收焦?fàn)t結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以煉焦工藝學(xué)、燃燒學(xué)、化工熱力學(xué)、傳熱學(xué)等為理論依據(jù)，進(jìn)行理論研究和物料、熱量衡算，同時(shí)進(jìn)行燃燒傳熱過程的仿真模擬。通過上述計(jì)算，初步確定了：工藝系統(tǒng)各點(diǎn)溫度和壓力控制要求；焦?fàn)t區(qū)域荒煤氣不完全燃燒的程度；換熱室空氣預(yù)熱溫度控制；各燃燒室之間及換熱室等調(diào)節(jié)磚布置，確保氣量分配相對均勻。

2.1.2 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)

換熱立式熱回收焦?fàn)t結(jié)構(gòu)包括：爐頂區(qū)設(shè)置的煤氣平衡道；燃燒室—炭化室采用室式焦?fàn)t結(jié)構(gòu)，炭化室窄而高，燃燒室倒焰燃燒，在炭化室頂部增設(shè)煤氣跨越孔；斜道區(qū)在燃燒室—炭化室下部；換熱室預(yù)熱空氣，在斜道區(qū)下部；焦?fàn)t煙道在換熱室下部。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 換熱立式熱回收焦?fàn)t結(jié)構(gòu)

(1)換熱室結(jié)構(gòu)

為了減少焦?fàn)t換向操作和降低投資成本，開發(fā)了多層間接換熱的換熱室結(jié)構(gòu)，將高溫?zé)煔獾臒崃客ㄟ^爐墻間接傳給空氣，對空氣進(jìn)行預(yù)熱。

(2)焦?fàn)t加熱均勻性調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

①煤氣平衡道與跨越孔

煤氣平衡道：在壓差的作用下，炭化室多余的荒煤氣通過煤氣平衡道分配到其它處于結(jié)焦末期的炭化室。

跨越孔：每個(gè)炭化室產(chǎn)生的荒煤氣能夠通過跨越孔同時(shí)供給相鄰燃燒室的各立火道；每個(gè)燃燒室的立火道能同時(shí)接受兩側(cè)處于不同結(jié)焦時(shí)間炭化室產(chǎn)生的荒煤氣。

②分段燃燒結(jié)構(gòu)

換熱立式熱回收焦?fàn)t空氣在每個(gè)立火道高向分兩段供給，并與荒煤氣混合燃燒。

③氣體調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

空氣調(diào)節(jié)：在空氣入口設(shè)置帶刻度的空氣風(fēng)門，調(diào)節(jié)進(jìn)入各燃燒室空氣總量，在一次空氣出口設(shè)置了空氣調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，在二次空氣出口設(shè)計(jì)了空氣分配結(jié)構(gòu)。

荒煤氣調(diào)節(jié)：換熱室煙氣道設(shè)置調(diào)節(jié)不同燃燒室之間煤氣量分配的調(diào)節(jié)磚，每個(gè)立火道上部跨越孔處設(shè)置楔形掛耳式荒煤氣調(diào)節(jié)磚，調(diào)節(jié)進(jìn)入每個(gè)立火道的荒煤氣量。

回爐煙氣調(diào)節(jié)：在回爐煙氣管道上設(shè)置閥門調(diào)節(jié)回爐煙氣量；在每個(gè)換熱室空氣墊層處設(shè)置調(diào)節(jié)板，調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒室的回爐煙氣量。

(3)爐體安全技術(shù)的開發(fā)

①焦?fàn)t本體采取負(fù)壓操作，保證生產(chǎn)過程中不冒煙冒火。

②開發(fā)了一種氣體墊層保護(hù)焦?fàn)t基礎(chǔ)，同時(shí)回收熱量。

③開發(fā)了利用回爐低溫?zé)煔馕崭邷責(zé)煹纻?cè)壁和底部熱量的氣體墊層保護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)回爐低溫?zé)煔夂椭伎諝庠趽Q熱室空氣道內(nèi)混合，降低了助燃空氣中氧濃度，拉長火焰，降低實(shí)際燃燒溫度，保護(hù)爐體安全。

④焦?fàn)t區(qū)域采用控制荒煤氣燃燒程度技術(shù)，煙道設(shè)置配風(fēng)裝置，燃燒煙氣中殘余可燃?xì)怏w。

(4)高溫?zé)煔庥酂峄厥?/p>

根據(jù)爐型的結(jié)構(gòu)和煙氣特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種地下耐高溫的煙道，選擇了一種與工況相匹配的耐熱材料，通過鍋爐回收高溫?zé)煔鉄崃俊?/p>

3 工程設(shè)計(jì)

根據(jù)常規(guī)焦?fàn)t設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和新型焦?fàn)t開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，將基礎(chǔ)理論和開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)轉(zhuǎn)化成工程設(shè)計(jì)。同時(shí)根據(jù)黑龍江建龍場地限制和現(xiàn)有焦?fàn)t尺寸要求，方案采用7孔4.3 m換熱立式熱回收焦?fàn)t，焦?fàn)t設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。設(shè)計(jì)方案經(jīng)過完成單位內(nèi)部及行業(yè)專家反復(fù)討論評審，以確保方案的科學(xué)可靠。

表1 焦?fàn)t爐體主要參數(shù)

3.1 項(xiàng)目建設(shè)

項(xiàng)目于2020年3月下旬開工建設(shè)，新建煉焦車間包括7孔炭化室高度4.3 m換熱立式熱回收焦?fàn)t、余熱利用設(shè)施及其配套輔助設(shè)施；現(xiàn)場可利用原有設(shè)備包括：焦?fàn)t機(jī)械、除塵系統(tǒng)、焦處理系統(tǒng)、備煤系統(tǒng)。新建部分布置在黑龍江建龍化工有限公司焦化廠4號(hào)焦?fàn)t端臺(tái)外側(cè)，設(shè)計(jì)年產(chǎn)焦炭4.4 萬t、年產(chǎn)中溫中壓蒸汽12.1萬t。

對于焦?fàn)t部分，按照其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)編制砌筑規(guī)程，現(xiàn)場嚴(yán)格要求。爐體砌筑過程中需要對炭化室底標(biāo)高進(jìn)行嚴(yán)格控制，結(jié)合原有焦?fàn)t進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)進(jìn)行冷態(tài)和熱態(tài)的換算，確保爐體膨脹后原有焦?fàn)t機(jī)械可以正常使用。

3.2 焦?fàn)t烘爐

換熱立式熱回收焦?fàn)t烘爐原則和升溫曲線與常規(guī)焦?fàn)t相同。由于爐體結(jié)構(gòu)不同，建立了適用于該焦?fàn)t的烘爐方案，在整個(gè)烘爐期間均從爐門烘爐孔處通煤氣燃燒，不需要常規(guī)機(jī)焦?fàn)t的后期轉(zhuǎn)正常加熱操作；煙氣流動(dòng)方向與后期正常生產(chǎn)始終相同，每個(gè)立火道內(nèi)均有煙氣，烘爐溫度分布更加均勻。2020年12月份開始烘爐，2021年3月16日烘爐結(jié)束，期間由于雙鴨山天氣嚴(yán)寒，建立了保溫措施。烘爐采取控制系統(tǒng)在線監(jiān)測與聯(lián)鎖控制和現(xiàn)場測量相結(jié)合的方式，確保烘爐過程安全。

3.3 焦?fàn)t開工

換熱立式熱回收焦?fàn)t于2021年3月15日具備裝煤條件，3月17日開始裝煤投產(chǎn)。由于爐體結(jié)構(gòu)的差異性，該焦?fàn)t的開工與常規(guī)焦?fàn)t也不同，經(jīng)過完成單位內(nèi)部及行業(yè)專家反復(fù)討論，制定出符合該焦?fàn)t特點(diǎn)的開工方案，根據(jù)方案進(jìn)行開工操作。

3.4 焦?fàn)t調(diào)試與標(biāo)定

換熱立式熱回收焦?fàn)t從投產(chǎn)到穩(wěn)定生產(chǎn)共經(jīng)歷了三個(gè)階段，完成了調(diào)試及三輪標(biāo)定工作。

第一階段(3-7月)：從裝煤初期36 h到28 h；

第二階段(7-8月)：周轉(zhuǎn)時(shí)間從28 h到24 h；

第三階段(8-9月)：周轉(zhuǎn)時(shí)間從24 h到設(shè)計(jì)周轉(zhuǎn)時(shí)間22.5 h，最后經(jīng)過調(diào)試，周轉(zhuǎn)時(shí)間縮短至21 h且運(yùn)行穩(wěn)定，確定為正常生產(chǎn)周轉(zhuǎn)時(shí)間。

3.5 應(yīng)用情況及效益

換熱立式熱回收焦?fàn)t自2021年3月17日投產(chǎn)至9月30日完成生產(chǎn)調(diào)試及標(biāo)定工作，目前已進(jìn)入正常生產(chǎn)運(yùn)行階段。整個(gè)投產(chǎn)過程順利，生產(chǎn)穩(wěn)定順行。

目前，焦?fàn)t正常周轉(zhuǎn)時(shí)間21 h(設(shè)計(jì)周轉(zhuǎn)時(shí)間22.5 h)，較同類型機(jī)焦?fàn)t提高了6.7%；裝煤高度可達(dá)4.25 m(設(shè)計(jì)裝煤高度4.1 m)，較同類型機(jī)焦?fàn)t提高了3.6%，綜合生產(chǎn)效率較同類型機(jī)焦?fàn)t提高10.3%。中溫中壓蒸汽產(chǎn)量15.6 t/h，折合年產(chǎn)13.7 萬t。該項(xiàng)目使用的配煤與黑龍江建龍搗固機(jī)焦?fàn)t相同，生產(chǎn)的焦炭質(zhì)量指標(biāo)與常規(guī)焦?fàn)t一致。

按照噸焦利潤500元，周轉(zhuǎn)時(shí)間21 h計(jì)，折合每年可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益2 750萬元。

換熱立式熱回收焦?fàn)t占地面積小。在同等生產(chǎn)規(guī)模下，換熱立式熱回收焦?fàn)t系統(tǒng)占地面積為臥式熱回收焦?fàn)t系統(tǒng)占地面積的76%。

生產(chǎn)過程中，無焦化廢水產(chǎn)生，生產(chǎn)系統(tǒng)為負(fù)壓操作，對外沒有無組織排放，無VOCs等有害氣體的排放，無固廢和危廢產(chǎn)生。裝煤出焦操作采用常規(guī)除塵設(shè)施。

4 結(jié)語

高效節(jié)能換熱立式熱回收焦?fàn)t具有顯著的清潔環(huán)保、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)，投資低，占地面積小，配煤成本低，可以節(jié)約優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源，適應(yīng)焦化行業(yè)未來綠色、高效發(fā)展的要求，符合國家“雙碳”的發(fā)展理念，對引領(lǐng)焦化行業(yè)的發(fā)展有重要意義。