鞍钢190 t/h干熄焦系统热平衡诊断与分析

甘秀石 ，李卫东 ，郝博 ，边子峰 ，王磊

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009；2.鞍钢股份有限公司炼焦总厂，辽宁鞍山114021）

干熄焦工艺是相对于湿焦而言的［1］，其基本原理是利用惰性循环气体与炽热红焦直接接触换热从而冷却红焦，冷却后的焦炭由排焦装置排出，干熄后的焦炭质量大大提高，有利于高炉的冶炼［2］。吸收了红焦热量的循环气体在循环风机的作用下经一次除尘器除尘后，在余热锅炉内释放热量，产生蒸汽用于发电。循环气体经二次除尘后通过换热器与除盐水进行热交换，然后再由风机鼓入干熄炉循环使用，具有节能和环保双重效益［3］。

鞍钢股份有限公司炼焦总厂西部炼焦 （以下简称“鞍钢”）190 t/h干熄焦系统于2012年4月建成投产，为了更好地掌握干熄焦系统的热能利用及分配状况，对干熄炉、干熄焦锅炉及整体干熄焦系统进行了热平衡测试及计算，并针对分析发现的问题提出了干熄焦的热工参数优化建议。

1 热平衡模型

干熄焦系统由干熄炉、干熄焦余热锅炉、除尘器、循环风机及热管换热器等设备组成，干熄焦热平衡包括干熄炉热平衡、干熄焦余热锅炉热平衡和干熄焦系统热平衡三个部分，其中干熄焦系统热平衡是在干熄炉热平衡和干熄焦余热锅炉热平衡的基础上进行的系统热平衡。

1.1 干熄炉热平衡模型

干熄炉的热收入项包括红焦、入炉气体、导入空气带入的物理热，以及焦炭及其挥发分燃烧的化学热；热支出项为冷焦、循环气体、焦粉带出热量和水封水热损失及干熄炉表面散热。干熄炉热量收入支出情况如图1所示。

图1 干熄炉热量收入支出情况Fig.1 Heat Income and Expenditure on CDQ Furnace

（1）热收入项

（2） 热支出项

1.2 干熄焦余热锅炉热平衡模型

干熄焦余热锅炉系统热收入项为循环气体、除氧水、焦粉带入热量，热支出项为污水、锅炉蒸汽、循环气体、焦粉带出热量以及余热锅炉表面散热。干熄焦余热锅炉热量收入支出情况如图2所示。

图2 干熄焦余热锅炉热量收入支出情况Fig.2 Heat Income and Expenditure on CDQ Waste Heat Boiler

（1） 热收入项

Q锅炉热收入=Q循环气体带入热+Q焦粉带入热+Q除氧水带入热

（2） 热支出项

Q锅炉热支出=Q污水带出热+Q锅炉蒸汽带出热+Q锅炉表面散热+Q循环气体带出热+Q焦粉带入热+Q其他热损失

1.3 干熄焦系统热平衡模型

干熄焦系统热平衡是将干熄炉和干熄焦余热锅炉作为整体考虑，由于干熄焦热平衡系统循环气体的收支处于系统内，因此不予考虑。干熄焦系统热量收入支出情况如图3所示。

图3 干熄焦系统热量收入支出情况Fig.3 Heat Income and Expenditure on CDQ System

（1） 热收入项

（2） 热支出项

2 干熄焦热平衡测试及计算

按照上述热平衡模型，在正常生产情况下，对鞍钢190 t/h干熄焦系统进行热平衡测试，并结合现场生产实际，通过测试校对现场运行数据并纠正偏差，收集、整理后分析。

2.1 干熄炉热平衡

干熄炉热平衡测试及计算结果如图4所示。从图4可以看出：①热收入项中，主要为红焦带入热，占75.96%；其次是导入空气带入热和焦炭燃烧热，分别占11.48%和11.60%。②热支出项中，循环气体带出热占比最大，为86.19%；其次是冷焦带出热，占7.79%；干熄炉表面散热占0.87%。③干熄炉热平衡其他热损失∣ΔQ∣=4.53%＜5%，符合国家计算标准。

2.2 余热锅炉热平衡

余热锅炉热平衡测试及计算结果如图5所示。从图5可以看出：①热收入项中，主要为循环气体带入热，占88.94%；其次是除氧器水带入热，占10.74%；而循环气体中的焦粉带入热最少，仅占0.32%。②热支出项中，蒸汽带出热占比最大，为80.30%；其次是循环气体带出热，占16.49%；锅炉表面散热占0.84%。③余热锅炉热平衡其他热损失∣ΔQ∣=0.80%＜5%，符合国家计算标准。

图4 干熄炉热平衡测试及计算结果Fig.4 Test Data and Calculation Results for Heat Balance of CDQ Furnace

图5 干熄焦余热锅炉热平衡测试及计算结果Fig.5 Test Data and Calculation Results for Heat Balance of CDQ Waste Heat Boiler

2.3 干熄焦系统热平衡

干熄焦系统热平衡测试及计算结果如图6所示。从图6可以看出：① 热收入项中，主要为红焦带入热，占81.51%；其次是焦炭燃烧热，占12.46%；而热管换热器水带入热和低压蒸汽带入热分别占3.15%和1.85%。② 热支出项中，锅炉蒸汽带出热最大，占81.81%；其次是冷焦带出热，占8.37%；放散气体带出热占0.65%。③ 干熄焦系统热平衡其他热损失∣ΔQ∣=0.49%<5%，符合国家计算标准。

图6 干熄焦系统热平衡测试及计算结果Fig.6 Test Data and Calculation Results for Heat Balance of CDQ System

3 测试结果分析及优化建议

3.1 主要经济指标

鞍钢西部炼焦190 t/h干熄焦系统运行参数和主要经济指标如表1所示。

3.2 测试结果分析

经上述分析，此次测试的干熄焦系统各其他热损失均在5%以内，符合国家工业炉窑设备测试相关标准，因此测试数据可靠，可以进行相关技术分析。

表1 鞍钢西部炼焦190 t/h干熄焦系统运行参数及主要经济指标Table 1 Operating Parameters and Main Economic Indicators for CDQ System with Capacity of 190 t/h in Western Part of Anshan of Ansteel

（1）鞍钢西部炼焦190 t/h干熄焦系统的干熄炉、余热锅炉、系统热效率分别为86.19%、80.30%、81.81%，效率较高。

（2）气料比对锅炉循环气体入口温度影响较大。气料比过大，则入口温度低，同时会增加循环风机负荷，浪费电能；气料比过小，则锅炉入口温度高，对锅炉本体不利。已知气料比设计值为1 300 m3/t，测试过程中的气料比虽然小于设计值，但相对于国内其它干熄焦装置气料比（普遍在1 240～1 250 m3/t）偏大。尽管红焦装入温度高达1 082℃，但锅炉入口温度为861℃，相对过低，处于设计低值（850～960℃），究其原因是气料比过大，导致锅炉入口温度低。

（3）余热锅炉实际蒸汽产生量为90.3 t/h，产汽率为470 kg/t，参照《干熄焦节能技术规范YB/T4255-2012》的指标值≥530 kg/t还有较大的提升空间，这是因为气料比偏大，导致锅炉入口温度较低，影响了余热锅炉的蒸汽量。

（4）本次测量的导入空气量为9 696 m3/h，设计值为12 000 m3/h。导入空气量和炉内可燃气体的含量有关，导入空气量过大，则烧损偏高；导入空气量过低，则会造成可燃成份偏高，发生安全事故。测试过程循环气体中 CO占4.4%、H2占1.18%、O2占0.16%，导入空气量较为合理，因此，西部炼焦干熄焦的焦炭烧损率较低，为0.82%。

（5）预存室装料和非装料时的压力分别为-150 Pa和-74 Pa，均为负压，空气会随焦炭一起进入炉内，且若炉内密封不严，外界空气亦会被吸入炉内，增加焦炭的烧损。

（6）热管换热器散热损失较大，为3.90%，热效率较低，仅为21%，因此造成锅炉除盐水预热温度较低，仅为66℃，导致低压蒸汽补充量较大，占1.85%。

3.3 优化建议

（1）适当降低气料比。将气料比控制在1 240～1 250 m3/t范围，提高锅炉入口的循环气体温度，增加锅炉的蒸汽产量，从而提高余热锅炉的热效率和整个干熄焦系统的热效率。

（2）在调整气料比的同时，控制导入空气量和放散气体量，使循环气体中CO≤6%、H2≤1%、O2≤0.5%，将预存室压力控制在-50～0 Pa，尽可能降低焦炭烧损率。同时，也可根据焦炭和蒸汽的价格，依据干熄焦焦炭烧损率和锅炉产汽量间的关系，合理确定焦炭烧损率，保证经济效益的最大化。

（3）对热管换热器进行密封、清灰、优化，提高换热器热效率，降低低压蒸汽的消耗。

4 结语

热平衡是评价干熄焦系统热工运行状况的有效手段。通过对鞍钢股份有限公司炼焦总厂西部炼焦190 t/h干熄焦系统的热平衡诊断与分析，发现了干熄炉、干熄焦余热锅炉及干熄焦系统存在的诸如气料比过大、预存室压力低、热管换热器效率低等问题。针对存在问题，提出降低气料比并控制在1 240～1 250 m3/t范围；同时控制导入空气量和放散气体量，将循环气体中可燃气体控制在安全范围内，预存室压力控制在-50～0 Pa，进而降低焦炭烧损率；另外，对热管换热器进行密封、清灰、优化，提高换热器热效率，降低低压蒸汽的消耗。以上建议的提出对提高干熄焦系统的工艺控制水平、改善干熄焦生产技术经济指标等具有重要意义，值得推广和借鉴。