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大型焦炉生产技术管理实践

摘要:大型焦炉在稳定焦炭质量、节能环保方面具有不可替代的优势。针对国内7.63m焦炉热工及操作指标偏低、炉顶空间温度过高、化产品收率低的技术管理难题,总结了在炉况稳定、热工指标调节及智能控制系统等方面进行的改进与优化成果,以及大型焦炉稳产长寿的有益经验。建议对大型焦炉现有技术管理规程进行系统修订,以建立适应我国大型焦炉生产技术管理的相关制度。

关键词:大型焦炉;生产;技术;管理;实践;探讨

0引言

焦炉大型化是炼焦技术发展的总趋势,大型焦炉在稳定焦炭质量、节能环保等方面具有不可取代的优势。十多年来,我国在大型焦炉运用和改造过程中,解决了诸多技术管理难题,积累了丰富的实践经验。

1我国大型焦炉的发展历程

大型焦炉的定义是随着炼焦技术的进步、焦炉炭化室容积的增加而变化的,上世纪70年代攀钢建成投产的炭化室高5.5m顶装焦炉,是中国大焦炉的雏形;1985年宝钢引进炭化室高6m的焦炉,促进了焦炉大型化发展的进度。我国自行设计建设的炭化室高6mJN60型焦炉在北焦投产后,6m焦炉逐步成为我国焦炉的主力炉型。2006年6月山东兖矿国际焦化公司引进德国7.63m顶装焦炉投产,拉开了中国焦炉大型化发展的序幕。此后中冶焦耐公司开发推出的7m顶装、唐山佳华的6.25m捣固焦炉,以及目前已研发出炭化室高8m特大型焦炉,实现沿燃烧室高度方向的贫氧低温均匀供热,达到均匀加热和降低NOx生成的目的,标志着我国大型焦炉炼焦技术的成熟。2014年重新修订的《焦化行业准入条件》规定,顶装焦炉准入的最低门槛是炭化室高6m,捣固焦炉炭化室高5.5m。业内人士普遍认为,把炭化室高6m以上的7m及7.63m顶装焦炉以及5.5m以上的捣固焦炉界定为大型焦炉。截至2016年底,我国正常运行的7m顶装焦炉有66座,7.63m顶装焦炉有17座,6.0m及以上捣固焦炉有22座,其焦炭的总产能占2016年全国焦炭总产量的15.8%。

2大型焦炉生产技术管理的难点

以炭化室高7.63m焦炉为例,从目前生产技术管理、四大机车运行状况来看,均不同程度的存在需要改进完善的技术难点:炉顶空间温度过高、部分热工及操作指标偏低、PROven系统不稳定、四大机车控制系统故障多、化产品收率低等。

2.1炉顶空间温度偏高

武钢、马钢、太钢的7.63m焦炉燃烧室加热水平均为1210mm,可调节跨越孔导致炭化室炉顶空间温度偏高。焦炉技术操作规程规定,炉顶空间温度为(800±30)℃,而7.63m焦炉普遍高达900℃。由此带来两个严重后果:一是炉顶及上升管荒煤气裂解积碳,挂结石墨;二是荒煤气中宝贵的苯类化合物分解,回收率低。7.63m焦炉对配合煤挥发分要求在(24±1)%,而我国7.63m焦炉厂家实际配合煤挥发分普遍在26%以上,由此更增加了炉顶挂结石墨的机会。

2.2热工指标系数偏低

大型焦炉是炉体结构最为复杂的热工炉窑,7.63m焦炉还采用了多段燃烧工艺,蓄热室分格、单侧小烟道,蓄热室顶部吸力不能测量,只能改变小烟道顶部的金属喷射板孔尺寸来调节燃烧室立火道温度。这种粗调的方式及2-1推焦串序,使得7.63m焦炉的直行温度均匀系数Kb及燃烧室横墙温度均匀系数K横墙较低。(1)Kb系数焦炉的2-1推焦串序,使得焦炭已经成熟的炭化室与刚装煤的炭化室间隔距离变小。对于1座70孔的7.63m焦炉来说,前半部分炉室可能刚刚装煤,燃烧室需要大量供热,立火道温度相对偏低;而后半部分炉室内焦饼处于半焦或接近成熟,立火道温度相对偏高一些,直行温度Kb产生不均匀现象无法难免。(2)K横墙系数7.63m焦炉蓄热室顶部无测温孔,蓄顶温度及吸力均无法测量,影响了立火道温度的微调,制约着燃烧室横墙温度由机侧向焦侧的有序递增。横墙曲线产生“锯齿型”、“多峰型”,K横墙<0.85。

2.3自控系统缺陷多

大型焦炉的四大机车采用炉号自动识别、对位联锁技术,各个动作之间关联性极强,一个微小偏差也会导致四大车全部“停摆”,无线通讯系统受作业环境、建筑物、管道的影响时而掉线。炭化室负压无烟装煤的PROven系统,因动作复杂、压力调节灵敏,导致维护检修难度较高。

2.4化产品收率较低

从运行的7.63m焦炉可以看出,由于炉顶空间温度高导致化产品质量不稳定,煤气成分也呈现一定幅度波动,粗苯和焦油产率明显较低。生产实践表明,焦油产率低于3.5%,粗苯产率低于0.8%,而且焦油质量差,其粉尘及甲苯不溶物含量明显增加。

3大型焦炉技术管理的改进

近年来我国科研院校在大型焦炉的炉体构造、传热机理、热工理论方面进行了大量深入研究,各焦化企业在稳定炉况、精调热工指标及提高智能控制系统稳定性等进行了改进与优化,积累了大型焦炉稳产、长寿的实践经验。

3.1炉况管控操作的稳定

现代大型焦炉的炉况,对配合煤指标波动、热工制度变动、结焦时间变更以及大气环境变化等因素造成的影响反应十分敏感,必须确保这些外部因素条件的稳定性。马钢焦化公司应用统计技术对7.63m焦炉实施流程管控,过程中的各个阶段均实施评估和监控。对焦炉主要运行技术参数进行检查评分,准确判断焦炉运行状况,有效地对焦炉工况进行多层次、全方面监控;同时强化标准化作业,控制配合煤细度在(73.5±0.5)%,保证焦炉的顺产稳产和焦炭质量稳定。首钢京唐焦化公司开展单因子结焦时间方差分析,以最佳结焦时间来改善焦炭的冷热性能。三年来焦炭的抗碎强度保持在90%以上,耐磨强度在5.8%以下,焦炭热强度也处于较好状态沙钢焦化公司严格按照结焦曲线进行操作,确保稳定的结焦时间,合理编排出炉计划、减少非正常检修时间,规范热工管理。针对炼焦煤中水分偏高的难题,该公司投巨资修建64个贮煤筒仓,完善电子秤自动化配煤工艺,配煤准确率明显提高,焦炭质量得以改善,近三年来焦炭抗碎强度由88.0%提高到89.2%。平煤神马集团首山焦化公司借鉴6.25m捣固焦炉的运行实践,攻破煤饼密度和装煤烟尘治理两大瓶颈:研发出高效弹性轮和摩擦板,采用固定小间距的捣固锤及低噪音、抗磨损导向技术,对煤饼稳定性做了深入研究,将饼密度提高到1.1t/m3,煤饼的高宽比达13.5,煤饼的技术参数见表2。装煤车上设置可靠密封框,并借助相邻炭化室上升管Prove系统产生的负压,把烟气导入相邻炭化室,成功将7.63m顶装焦炉改造为捣固焦炉,并于2013年10月投产,该焦炉也成为世界上第一座特大型捣固炼焦炉,其成焦率达75%,单孔产焦在50t以上,实现了煤源的多元化,降低了炼焦成本。

3.2热工指标的优化调节

焦炉热工管理包括压力和温度调节,焦炉压力制度和温度制度是热工管理的重要内容,压力制度和温度制度两者之间具有紧密的关系,对压力和温度各项参数指标必须勤测细调,并且做到实时监控、随时分析、及时调节,以压力制度的稳定性来保障温度制度的均匀性。以7.63m焦炉为例,由于其加热水平低、三段空气加热及单个炭化室压力调节系统,导致炉顶空间温度>850℃,焦炭过火,直立砖煤气道窜漏。为解决此类问题,焦化企业均不同程度地进行了有益探索。首钢京唐公司把7.63m焦炉加热水平调为1440mm,沙钢公司调为1500mm,首山公司调为1416mm。马钢公司坚持装满煤,将煤线控制在500mm以内;适当降低标准温度,通过增大孔板直径降低加热煤气压力,减小煤气的喷射力、增大风门来加大空气过剩系数α,炉顶空间温度降低到860℃以下。由此,三年来煤焦油平均收率达2.847%,粗苯收率达0.960%,该指标是国内同类型焦炉最好水平。武钢公司焦化在热工调节中,关闭了部分二三段空气口,稳定配合煤的水分、挥发分,适当扩大喷射板尺寸。对20多个窜漏砖煤气道进行灌浆密封,用半干法喷补技术做喷补处理。通过采用这些技术措施,焦炉的直行温度均匀系数Kb达到0.88。

3.3控制系统的可靠“智能”

大型焦炉各移动机车之间联锁性强,热工程序关联因素多,单台设备操作时间即使推迟几秒钟,也会导致下一工序设备被锁定,机车作业和焦炉加热“智能化”系统的可靠性为焦炉的正常生产提供了可靠保障。武钢公司为提高大型焦炉无线通讯质量,对天线的安装和调试都做了改进。将原来的天线高度降低,将双天线之间的距离加大,全向天线改为定向天线,开发出光电地址译码器。该脉冲编码器用于检测机车在两个码牌之间的绝对地址,实现自动走行定位。首钢京唐公司焦炉在横向加热温度调节上,辅以“火落”智能化专家控制系统,自动判定焦炉火落温度,提高了焦炉日常生产及管理效率,相应的炼焦能耗降低2.91%。河南中鸿煤化公司6m捣固焦炉的自动化加热控制系统(图1),建立多模式模糊控制模型。将“火落时间”作为焦炉加热的主要控制指标,立火道温度实现自动检测,其烟道吸力关系模型Y=aX+b(Y为烟道吸力,X为煤气压力,a为系数0.04,b为可调常数,单位Pa),稳定调节煤气压力、烟道吸力、立火道温度等,压力温度控制稳定,提高了大型焦炉的自动化水平。PROven系统的关键介质是循环氨水,必须保持其洁净,为此,生产中除了加强管道清扫外,首钢京唐公司、太钢焦化公司还为循环氨水安装了过滤器,确保炭化室底部在结焦过程中保持微正压状态。对大型焦炉来说,安全技术措施至关重要。太钢公司对焦炉加热设备的煤气短缺进行自动充氮、煤气超压自动放散、地下室光栅检测、CO在线检测,以及焦炉四大车网络信号确认、速度自动调节。对这些本质化安全技术措施进行再优化,其可靠性在生产实践中得到充分检验,三年来冶金焦率由89.80%提高到90.40%。

4结语

(1)大型焦炉在煤源利用、焦炭质量、节能减排等方面具有不可替代的优势,焦炉大型化也是必由之路。(2)我国在大型焦炉管理实践中,总结积累了有益的技术管理经验,使其综合优势得到了充分体现。但是,7.63m焦炉存在作业系数低、粗苯及煤焦油收率低的难题,需要业内下一步进行研究交流解决。(3)大型焦炉的测量及调节方法,完全颠覆了传统4.3m、6m焦炉的管理规定。7.63m焦炉部分热工系数与传统计算方法相悖,亟需对现有技术管理规程进行系统修订,以建立适应我国大型焦炉生产技术管理的相关制度,促进大型焦炉技术管理的规范化。

作者:丰恒夫 杨庆彬 彭军山 单位:武汉钢铁集团焦化有限公司 首钢京唐西山焦化有限责任公司

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