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2014-11-17 06:11 来源:钢联资讯 作者:徐海如

 1 CDQ技术开发应用背景

随着世界性能源短缺的不断加剧和我国能源需求的不断增加,以及国家环保法律法规的进一步完善,对钢铁企业发展提出了更高要求,具有节能、环保突出功效的干熄焦技术,成为钢铁企业发展中的一个不可缺少的重要环节。
干熄焦是使用惰性气体循环来回收热焦炭显热的设施,回收了热焦炭显热的循环气体通过余热锅炉产生高温高压(或中温中压)蒸汽,这种无需能源支出而产出的蒸汽可以用于发电,或者作为钢铁厂的蒸汽热源使用,它是一种经济性很高的节能系统。同时,它还是一种关爱地球的绿色环保系统,回收显热使用的惰性气体在冷却焦炭的“干熄槽”和“生产蒸汽的余热锅炉”之间是以密闭状态进行循环,不向外排放造成大气污染的物质。因此,干熄焦这项技术彻底改变了传统的湿法熄焦中余热资源浪费以及含有粉尘和有毒、有害物质雾气对大气环境严重污染的状况,是焦化领域中的一次重大变革。除此之外,还可提高焦炭的内在质量,降低高炉入炉焦比2%-2.5%,提高生铁产量1%。干熄焦也因此成为国家鼓励和的项目,国家有关部门特别明文规定大中型焦炉必须配置干熄焦系统。
首钢国际工程公司具有国家颁发的工程设计综合甲级和工程总承包甲级资质,最近几年积极开拓冶金环保事业,在提升焦化环保水平方面取得了令人骄傲的成绩,先后完成或正在建设首钢焦化霍州焦化新余焦化、首黔焦化、川威焦化、印度JSW焦化印度布山焦化马来西亚金狮焦化武钢干熄焦济钢干熄焦等一大批在国内外颇具影响力的工程,成为国内焦化工程设计建设的一支劲旅。
新日制铁株式会社是国际上著名的钢铁公司,其全资子公司新日铁工程公司,在冶金节能环保方面,特别是干熄焦工艺和设备上拥有国际先进的技术与经验,目前国内已建成或正在建设的干熄焦系统基本上都是采用新日铁的技术。首钢国际工程公司和新日铁工程公司通过首钢焦化干熄焦工程建立起了良好的关系,共同决定在国内具有节能与环保特性的干熄焦以及冶金环保工程工艺与成套设备的设计、制造,提供产品的安装、调试及售后服务、技术开发等。2004年2月10日,由首钢国际工程公司和新日铁工程公司合资的北京中日联公司正式宣布成立。中日联公司主要从事干熄焦(CDQ)、煤调湿(CMC)、焦炉煤气脱硫(COGD)和冶金领域其它节能环保技术的开发、工艺与成套设备的设计、制造、安装、调试及售后服务,提供技术咨询和技术培训。
中日联公司拥有多项专有技术和丰富的施工管理、操作运转业绩。设计建造出一大批高质量、长寿、高效率运行的干熄焦装备。具有设备小型紧凑、冷却性能高、冷却风量小、建设成本、运转成本低、生产稳定、干熄率高等特点。
 
2 CDQ工艺技术流程
(1) 红焦(约1000-1100℃)从焦炉推出,用焦罐在焦侧接焦,再用电机车运至CDQ;
(2) 焦罐①内的红焦被提升机②提起,通过装入装置③倒入干熄槽④内;
(3) 红焦在干熄槽内下降的同时,被从下部吹入的循环气流冷却(约200-250℃),并通过排焦装置⑥排出;
(4) 在干熄槽内经过热交换的高温循环气体(约900-950℃),通过一次除尘器⑦后,送至锅炉⑧;
(5) 在锅炉中经热交换的循环气体被冷却至约180℃。锅炉产生的蒸汽将根据工厂的能源情况作为一般蒸汽使用,或通过蒸汽发电机转换成电能;
(6) 循环气体通过二次除尘器⑨进入气体循环风机,升压后再次进行循环;
(7) 可根据需要设置给水预热器11,使循环气温度下降到约130℃,以提高干熄槽内的冷却效率;
(8) 附属设备还有除尘器、粉尘处理设备等。
  
3 中日联干熄焦技术的设计优势分析
中日联公司成立后,为推进中国干熄焦技术的发展做出了重要贡献。本着严细的工作作风和严谨的科学态度,通过试验和论证,中日联公司在国内率先设计并建造了采用压力达到9~10MPa高温高压自然循环锅炉、无挡墙一次除尘器的干熄焦装置和世界上处理能力最大的260t/h的干熄焦装置等。通过项目的执行,在多方面总结经验和教训,不断优化设计和加强管理,同时从降低投资考虑,在确保质量和性能的前提下,提高干熄焦设备的国产化率,如高温高压锅炉、旋转密封阀、防偏流装置及斜烟道耐材等。
随着干熄焦的大规模建设,经过短短十年左右的时间,在中国炼焦企业已经有19种各类型号规格的干熄焦装置149套,可以对1.45亿t焦炭进行干熄焦处理,成为世界上配套建设干熄焦装置最多的国家,钢铁联合企业的焦炉约84%以上都配备了干熄焦。但是,不容忽视的是,目前国内其他公司建设的干熄焦装置确实存在着包括排焦不均匀、排焦温度高、排焦系统除尘效果差、系统阻力大、处理能力达不到设计要求、环形烟道倒塌、循环风机磨损、热回收率低、干熄率低等问题,使得节能效果达不到预期、收益率低、设备运行稳定性不理想等,特别是干熄焦环形烟道内墙倒塌频繁出现,环形烟道一旦倒塌,不但维修成本高,且需要的维修周期为40多天至3个月,严重影响干熄焦甚至高炉的正常生产。中日联建设的干熄焦装置不存在这些问题,这主要得益于科学、严谨的态度及技术的应用。
3.1科学的计算和设计
新日铁住金工程技术株式会社在干熄焦设计和建设方面有一套完整的技术体系,并对中日联提供全面的协助和支持。在中日联承接每一套干熄焦装置时,新日铁住金工程技术株式会社都会对对应焦炉的焦炭性质、所处地区,根据其发展和开发的数学模型进行详细计算(对于新的处理能力和焦炭类型,则进行1:10和1:1模型实验),并与长期积累的数据库进行比对修正,再确定干熄焦装置各个环节的工艺参数配置,确保干熄焦装置工艺参数设置的科学性,以及以这些参数作为基础进行设计或采购的配套装置及材料的合理性。从根本上解决工艺系统设计、运行参数不合理的难题,合理选择工艺设备,为今后降低建设和运行成本提供了科学的决策依据。
表1是用于160t/h干熄焦装置的气体循环风机,中日联和其他公司的比较,从参数来看,其他公司配置的气体循环风机运行费用(电机功率)要高于中日联公司的33.1%。
表1 用于160t/h干熄焦的气体循环风机关键参数比较
 
体积流量/m3/s
总压力
/Pa
风机轴功率/kW
电机轴功率/kW
中日联公司(HY)
105.42
9100
1320
1450
其他公司(BYQ)
110.83
14110
1748
1930
注:以上参数分别摘自风机和电机的铭牌
3.2采用合理炉型及总体设计优化
对于业界来说,“矮胖”型干熄槽有以下方面优势:
1)干熄槽(冷却段)高度的降低可减小干熄槽内循环气体的阻力,降低循环气体量,使设备费、运行费及生产成本降低;
2)可使相应配套的起重机钢桁架、一次及二次除尘器钢结构、锅炉钢结构的高度降低,节省工程一次投资。这些众所周知的常识。
中日联有各种规格正在运行的干熄焦装置图纸,尤其160t/h以上处理能力的干熄焦,国内其他公司建设的干熄焦基本上是在以往新日铁140t/h干熄焦干熄槽尺寸基本上仅仅进行简单修改,这无法达到矮胖型。根据160t/h处理能力干熄焦的实际图纸尺寸进行计算,中日联公司的干熄槽高径比为2.01,其他的为2.59,说明中日联公司的干熄焦装置是真正的“矮胖”型。
3.3斜烟道、环形烟道内墙等关键部位的设计优化
从干熄焦的发展历程来看,同等规模干熄焦装置的斜烟道数量在耐火材料的不断革新下,也经历了从少到多的变迁。以往的耐火材料物理性能指标不高,只能将牛腿砖的尺寸加大以承受本身及环形烟道的重量。随着耐火材料的不断革新,可实现的物理指标也逐步提高,牛腿砖砌筑的尺寸也可以相应减小。同时,可以增加斜烟道的数量,为干熄槽在生产中降低阻力、提高焦炭冷却的均匀性带来极大好处。
但是国内其他公司的干熄焦装置,由于耐火材料以及其他原因,不能将斜烟道增加,只能通过减少下烟道的数量、增大牛腿砖砌筑的尺寸来应对,这不仅不能解决牛腿砖断裂的难题,更严重的是不但使干熄焦装置的冷却效果变差,阻力增加,无法达到设计能力,余热回收效果差,排焦皮带容易损坏,同时也对环形烟道内墙倒塌带来致命的伤害。
表2 用于140t/h干熄焦装置相同部位运行参数的比较 
 
循环风量
万m3/h
锅炉入口压力
kPa
排焦量 t/h
排焦温度 ℃
(辐射温度计检测)
中日联公司(DF)
14.1
-0.81
124.4
94.6
中日联公司(BT)
14.4
-0.54
123.2
109.8
公司A(HD-1)
14.2
-1.21
~110
196.2
公司B(HD-2)
13.5
-1.10
~104
211.5
公司C(ZR-1)
13.4
-1.32
~108
211.3
公司D(ZR-2)
17.9
-1.02
~102
216.8
从表2的实际运行参数比较,不难得出以下结论:
1)排焦温度方面,中日联的干熄焦装置至少比其他公司低100℃。说明冷却效果非常好,这也是中日联公司干熄焦吨焦蒸汽发生量比其他公司高20~30kg的根本原因;
2)在相同循环风量下(DF和HD-1)锅炉入口压力较其他公司至少高400Pa。说明系统阻力小,循环风机电机输出功率要小,同时也能印证环形烟道处的压力高。
目前,最困扰国内其他公司建设的干熄焦用户的事情是环形烟道内墙倒塌。据不完全,国内环形烟道内墙倒塌的干熄焦装置至少有40套以上。在环形烟道内墙耐火砖有准备的情况下,从干熄焦停止运行到恢复生产至少需要30~45天,即便这次修好,在未来的1年内几乎又倒塌或严重变形外鼓。最极端的是某钢铁公司的2座干熄焦装置在1年内各倒塌2次,严重影响高炉正常运行。图1和图2是环形烟道倒塌或变形外鼓的照片。
 
  图1 内墙倒塌照片                图2 内墙外鼓照片
我们对5套干熄焦环形烟道内墙倒塌案例进行了调查分析,基本上由以下原因造成。
1)环形烟道内墙设计不合理
由于环形烟道内墙不但承受焦炭静态及下落时动态下对其的压力,同时也承受着环形烟道内墙两侧压差形成的压力。由于环形烟道内墙的面积巨大,其两侧为预存室和环形烟道,这两处的压力不相同,压差形成的压力非常大,这是导致环形烟道内墙倒塌的根本原因。
经过计算,其他公司干熄焦环形烟道内墙两侧压差形成的压力比中日联公司的高78.75%。
尽管从受力上增加78.75%,其他公司设计的干熄焦装置,这个部位不但耐火砖尺寸未进行改动或结构未进行调整,且高度还增加26%,这势必会造成环形烟道内墙倒塌。
2)火泥选择不合理
火泥选择不合理,也是造成环形烟道倒塌的主要原因。从倒塌后现场采样耐火砖用火泥情况分析来看,火泥没有达到烧结状态,达不到其应起到的作用。另外,所选择的火泥没有考虑到干熄焦系统循环气体中具有弱还原性的组分存在因素,导致火泥失效。
3.4无挡墙一次除尘器的设计优化
以往的干熄焦装置一次除尘器都是采用有挡墙的形式,因此以前普遍认为有挡墙的一次除尘器除尘效果更好。但是有挡墙的一次除尘器有以下弊端:如果焦粉排出不及时,反而会导致锅炉入口的循环气体粉尘含量剧增,加剧对锅炉炉管和炉壁的磨损;挡墙在使用了2~3年后基本上需要修理或重新砌筑,甚至挡墙倒塌导致干熄焦停产;挡墙会造成系统阻力增加,增加风机的能耗。
中日联公司通过合理的工艺计算和设计,在保证除尘效果的前提下,取消了一次除尘器的挡墙。中日联公司承接的21座目前运行的干熄焦装置中使用了这项技术,其中使用时间最长的达到7年,没有出现过锅炉和风机磨损情况,这充分印证了该项技术的可靠性。
3.5高除尘效率的二次除尘器设计
随着干熄焦技术应用到捣固焦炉,由于捣固焦炉焦炭粒度密度不同,目前国内许多捣固焦炉配套干熄焦装置二次除尘器除尘效果很不理想,导致气体循环风机经常出现磨损情况,严重的每半年气体循环风机的外壳和转子就发生严重磨损。
中日联公司针对每组捣固焦炉的焦炭粒度、挥发分等特点,充分考虑建设地区的海拔高度等信息,建立数学模型进行仿真实验,对干熄槽、一次除尘器、锅炉及二次除尘器的温度场、循环气体分布及粉尘含量进行解析,根据解析结果对各关键部位进行优化设计最终确定合理的设计参数,在二次除尘器前并未前置卧式除尘器或在线调节设备情况下,循环风机也没有磨损。某焦化厂用于捣固焦炉的干熄焦装置,从2009年5月投产至今,风机未发生过磨损情况。
表3是我们委托有资质的专业部门对用于捣固焦炉干熄焦二次除尘器出口粉尘浓度检测报告截图,从中可以看到,粉尘浓度为206 mg/m3,远远低于气体循环风机入口1000mg/m3的要求。
表3 捣固焦炉干熄焦二次除尘器出口粉尘浓度检测报告截图

3.6严格的过程控制和质量管理
中日联公司对所承担的各项工程都给予了高度重视,建了强有力的项目经理部,按专业配置了有能力、有经验、责任心强的工程管理人员;设备和材料采购力争选购国内质量最好,关键设备及材料采用有长期成功使用业绩的进口品牌产品(如循环风机、电磁振动给料器等);施工过程中各专业密切配合,制订了详细周密的进场计划和施工方案,整个施工过程和施工现场井然有序。与业主友好配合,对业主提出的合理意见和要求,能及时体现在工程建设中。在全公司各个部门的通力合作和共同努力下,在业主单位大力支持和协助下,工程的进度、质量和投资都得到了很好控制。锅炉系统水压试验均一次成功,干熄焦气体循环系统的整体气密试验时间也在不断缩短,正常在2d左右即能完成(采用保压法、指系统升压到400mmH2O停止供气,15min降压在100~120mmH2O判定为合格)。投产项目通过性能测试,均达到设计保证值。
正是因为合理的设计、合格分包供应商的选择、严格的设备监制和工程管理,使得中日联公司设计建造的干熄焦装置从未出现前文提到的问题,而是以设备档次高、冷却性(最大处理能力下水当量法检测排焦温度<200℃),生产稳定(干熄率平均≥95%),热效率高(高温高压蒸汽产率≥0.56t/t焦,中温中压蒸汽产率≥0.59t/t焦),发电效率高(高温高压参数≥153kWh/t焦,中温中压参数≥143kWh/t焦),获得业界普遍认可。
随着世界性能源短缺的日益加剧和我国能源需求的不断增加,面对大气污染状况的日益严峻以及国家环保法规的不断完善,特别是对工业企业环境治理要求的不断提高,节能、降耗、环保效果显著的干熄焦技术在焦化工艺中必将成为一个不可缺少的环节,中日联公司将不遗余力在这方面做出更大的贡献。
 
(撰稿人:徐海如)
 

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