袁本雄 邵勝平 左夏青 汪 銀 徐 正

(1.銅陵泰富特種材料有限公司，2.遼寧盛焓工程技術有限公司)

干熄焦工藝運行會形成焦炭的燒損。實時計算和監(jiān)控干熄焦的焦炭燒損率，對改善干熄焦操作，降低運行成本十分重要。目前能夠實時進行干熄焦燒損率計算的方法有碳平衡、熱平衡和人工神經(jīng)網(wǎng)絡。文章就利用熱平衡計算干熄焦燒損率進行深入探討。

1 計算范圍的確定

干熄焦系統(tǒng)由許多設備組成，其中各種能量流和物料流相互交錯，十分復雜。單從干熄焦爐本體來進行熱平衡計算，會有許多不易測量和確定的參數(shù)，所以劃定一個合理的計算范圍，對獲得準確的計算結果十分必要。

劃定的熱平衡計算范圍包括：干熄爐、循環(huán)風管路及管路上的主要設備、鍋爐。鍋爐包括蒸發(fā)器(含過熱器)和省煤器兩部分。循環(huán)風與外部不存在物質和能量交換，熱平衡計算時不需要考慮很多復雜因素。

根據(jù)以上劃定范圍可以判斷系統(tǒng)與外部的物質交換，進入物質包括：入爐紅焦、省煤器給水和導入空氣；排出物質包括：冷焦、蒸汽、放散排風和除塵灰。

系統(tǒng)與外部的熱量交換，熱量收入包含：入爐紅焦顯熱Qhc、導入空氣顯熱Qia和省煤器的給水顯熱Qwa；熱量支出包含：冷焦顯熱Qcc、放散風顯熱Qoa、蒸汽帶走熱量Qst、除塵灰顯熱Qdu、干熄爐本體散熱Qcd和鍋爐本體散熱Qbd。循環(huán)風管路散熱可以折算到干熄爐本體散熱及鍋爐本體散熱中。

為了簡化計算，需假設：(1)焦炭中固定碳及揮發(fā)分的損失率相同，(2)焦炭揮發(fā)分含碳量與焦炭中固定碳含量一致，(3)燒損的產(chǎn)物是CO和CO2，(4)燒損產(chǎn)生的熱量全部供給了蒸發(fā)吸熱，(5)干熄爐和鍋爐散熱率取值為2%～5%。

2 燒損率計算

2.1 入爐紅焦顯熱計算

紅焦顯熱可以用公式(1)計算：

(1)

式中：Qhc為入爐焦炭帶入的顯熱，kJ/h；Ghc為入爐焦炭的質量，kg/h；cch(t)為焦炭的比熱,kJ/(kg·℃);thc為入爐紅焦的初始溫度，℃。

Ghc可以通過軌道秤稱量記錄，但由于干熄焦上料是斷續(xù)的，所以稱量記錄需要進行連續(xù)化處理。由于干熄焦的排風、排焦計量是連續(xù)的，因此Ghc也可以通過排焦、排風反向推斷，具體方法是：

Ghc=Goa+Gcc+Gdu

(2)

式中：Goa為隨干熄焦排風而放散掉的碳元素質量，kg/h；Gcc為從干熄爐排出的冷焦質量，kg/h；Gdu為干熄焦除塵系統(tǒng)收集的灰塵質量，可以認為這些灰塵是焦粉，kg/h。其中Gcc和Gdu可通過稱量得到，而Goa則可按公式(3)計算：

(3)

式中：Koa為系數(shù)；Voa為干熄焦排風風量，m3/h；ηCO為循環(huán)風中CO含量，%；ηCO2為循環(huán)風中CO2含量，%。

焦炭的比熱是溫度的函數(shù)，可用公式(4)表示：

cch(t)=0.836+1.53×10-3t-5.4×10-7t2(4)

式中：cch(t)為焦炭定壓比熱，kJ/(kg·℃)；t為焦炭溫度，℃。

2.2 導入空氣顯熱計算

導入空氣顯熱用公式(5)計算：

Qia=Via×cia×tia

(5)

式中：Qia為導入空氣顯熱，kJ/h；Via為導入空氣體積，m3/h；cia為空氣平均定壓比熱，kJ/(m3·℃)；tia為導入空氣的溫度，℃。

2.3 省煤器給水顯熱計算

省煤器給水的顯熱可以用公式(6)計算：

Qwa=Gst×Hwa

(6)

式中：Qwa為省煤器給水的顯熱，kJ/h；Gst為干熄焦鍋爐的蒸發(fā)量，kg/h；Hwa為干熄焦鍋爐省煤器的給水焓值，kJ/kg。

2.4 排焦顯熱計算

排焦顯熱可以用公式(7)計算：

(7)

式中：Qcc為干熄爐排出冷焦攜帶的顯熱，kJ/h；Gcc為干熄爐排出冷焦的質量，kg/h；tcc為干熄爐排出冷焦的溫度，℃；cch(t)為焦炭的比熱,kJ/(kg·℃)。Gcc和tcc由儀器測量得到。

2.5 放散風顯熱計算

放散風顯熱可以用公式(8)計算：

Qoa=Voa×coa×toa

(8)

式中：Qoa是干熄爐排風的顯熱，kJ/h；Voa是干熄爐排風量，m3/h；coa是干熄爐排風的平均定壓比熱，根據(jù)道爾頓分壓定律由循環(huán)風各成分的含量確定，kJ/m3；toa是干熄爐排風的溫度，℃。

coa與排風成分和排風溫度有關。排風成分可按干熄焦循環(huán)風成分選取，排風溫度則由儀表測量。

2.6 蒸汽排熱計算

蒸汽排熱可用公式(9)計算：

Qst=Gst×Hst

(9)

式中：Qst為干熄焦鍋爐蒸發(fā)所產(chǎn)蒸汽的顯熱，kJ/h；Gst為干熄焦鍋爐的蒸發(fā)量，kg/h；Hst為干熄焦鍋爐蒸汽焓值，kJ/kg。

2.7 除塵灰顯熱計算

除塵灰的成分可以認為是焦粉，其顯熱可用公式(10)計算：

(10)

式中：Qdu為干熄焦搜集的除塵灰?guī)С龅娘@熱，kJ/h；cch(t)為焦炭的比熱，kJ/(kg·℃)。其中，Gdu可通過稱量獲得。

2.8 散熱計算

干熄爐和鍋爐表面散熱的熱流密度受到爐體溫度、環(huán)境溫度、高度、風速、晝夜、天氣、朝向、保溫等因素影響，因此很難精確測量。通常根據(jù)爐窯情況按一定范圍取值，當保溫條件比較好的時候，散熱率取2%～5%。所以干熄爐和鍋爐的表面散熱可用公式(11)、(12)計算：

(11)

式中：Qcd為干熄爐表面的散熱，kJ/h；Qhc為進入干熄爐的紅焦顯熱，kJ/h；ηcd為干熄爐表面散熱率，%。

(12)

式中：Qbd為鍋爐表面的散熱，kJ/h；ηbd為鍋爐表面散熱率，%。

2.9 燒損量的計算

通過2.1～2.8的熱量計算，可以得到燒損產(chǎn)生的熱量：

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

(13)

式中：Qlo為干熄焦因燒損而導致的熱量損失，kJ/h。

如果知道焦炭燃燒熱值，根據(jù)燒損的熱量則可以求出燒損的焦炭質量。焦炭的燃燒值與循環(huán)風的燃燒產(chǎn)物濃度的關系為：

(14)

式中：Rck為焦炭燃燒熱值，kJ/kg；Kck為系數(shù)，ηCO為循環(huán)風中CO濃度，%；ηCO2為循環(huán)風中CO2濃度，%。

于是燒損率為：

ηlo=Qlo/Rck/Ghc×100%

(15)

式中：ηlo為干熄焦的燒損率，%。

3 計算實例

以某企業(yè)的190 t/h干熄焦的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)(表1)為例，利用前面的公式進行燒損率計算，干熄爐散熱率和鍋爐散熱率均取2%，熱平衡計算結果見表2。

表1 主要的測試數(shù)據(jù)

表2 熱平衡計算

用式(14)計算出焦炭燃燒熱值為21 498 kJ/kg，由式(15)得到燒損率為1.329%。同樣的參數(shù)數(shù)據(jù)，用碳元素平衡法進行燒損率的計算，結果為1.271%。熱平衡法和碳元素平衡法計算燒損率結果相近，證明前面的熱平衡計算燒損率結果可靠。

4 生產(chǎn)參數(shù)與燒損率的關系

當氣體成分、導入空氣流量等參數(shù)不變時，燒損率與噸焦蒸發(fā)量、紅焦溫度、排焦溫度之間的關系見表3。

表3 生產(chǎn)參數(shù)與燒損率的關系 %

由表3可知，隨著蒸發(fā)量和排焦溫度的升高，燒損率增加，即燒損率與蒸發(fā)量、排焦溫度成正比；而隨著紅焦溫度的升高，燒損率降低，即燒損率與紅焦溫度成反比。

5 用熱平衡計算干熄焦燒損率的用途

在利用熱平衡計算干熄焦燒損率時，如果計算的時間間隔足夠短，那么此時燒損率的計算結果就變成了實時燒損率，這對監(jiān)控和優(yōu)化干熄焦操作有很大作用。同時，作為可以進行燒損率實時計算的三種方法之一，用熱平衡計算實時燒損率也可以為另外兩種方法提供一定的參考和檢驗判斷。