鞍鋼干熄焦預(yù)存段壓力波動問題分析與改進(jìn)

朱慶廟 ， 龐克亮 ，王超 ，譚嘯 ，蔡秋野

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司煉焦總廠，遼寧 鞍山114021）

鞍鋼股份有限公司煉焦項(xiàng)目現(xiàn)有8套干熄焦裝置，其中干熄焦裝置以生產(chǎn)能力為140 t/h較為普遍和典型。3#140 t/h干熄焦裝置平穩(wěn)運(yùn)行2年，年修后出現(xiàn)預(yù)存段壓力波動劇烈的問題，導(dǎo)致干熄焦系統(tǒng)不能滿足焦?fàn)t焦炭全部干熄需求，影響生產(chǎn)效率。通過對3#干熄焦預(yù)存段壓力波動問題的分析，找出了導(dǎo)致預(yù)存段壓力波動的根本原因，并改進(jìn)解決，效果明顯。

1 3#干熄焦預(yù)存段壓力波動情況

3#干熄焦干熄爐上部為預(yù)存段，中間是斜道區(qū)，下部為冷卻段。年修后，當(dāng)干熄爐打開爐蓋時，預(yù)存段壓力由-30 Pa波動至-300 Pa（要求控制范圍為-100～0 Pa），由于該段壓力波動大，導(dǎo)致從爐口吸入的空氣增多，在焦?fàn)t生產(chǎn)每段的末期，排焦溫度超過規(guī)定值，存在重大潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，必須減負(fù)荷生產(chǎn)。

3#干熄焦循環(huán)氣體系統(tǒng)各部分阻力變化如圖1所示。由圖1可以看出，循環(huán)風(fēng)機(jī)出口段阻力呈增大趨勢，入口端阻力呈減小趨勢，干熄爐入口部位負(fù)壓呈增大趨勢。預(yù)存段壓力波動導(dǎo)致循環(huán)氣體在每一個測量點(diǎn)的壓力均發(fā)生變化，加劇了鍋爐入口負(fù)壓的波動，從而使得干熄焦生產(chǎn)系統(tǒng)不能滿足焦?fàn)t全部干熄的生產(chǎn)要求。

圖1 3#干熄焦氣體系統(tǒng)各部分阻力變化示意圖

2 影響3#干熄焦預(yù)存段壓力波動因素

為解決3#干熄焦預(yù)存段壓力波動大，造成焦炭不能實(shí)現(xiàn)全部干熄的生產(chǎn)難題，采用QC法，從人、機(jī)、料、法、測、環(huán)6個方面對影響干熄焦預(yù)存段壓力波動的末端因素進(jìn)行分析確認(rèn)，以找出影響預(yù)存段壓力波動的根本原因。3#干熄焦預(yù)存段壓力波動因素如圖2所示。根據(jù)圖2，采取現(xiàn)場調(diào)查、測試、討論和分析等方法，對各個末端因素進(jìn)行確認(rèn)，認(rèn)為人員和環(huán)境對預(yù)存段壓力產(chǎn)生的影響較小，不是造成預(yù)存段壓力波動大的根本原因，因此不做分析，只對主要因素進(jìn)行分析確認(rèn)。

圖2 3#干熄焦預(yù)存段壓力波動因素

2.1 干熄焦冷卻段新澆筑料

干熄焦年修期間對冷卻段的內(nèi)環(huán)5環(huán)、6環(huán)進(jìn)行澆筑，為確定新澆筑料是否對干熄爐下焦速度造成影響，從而影響風(fēng)量分配，造成干熄焦生產(chǎn)不順利，對干熄焦冷卻段上部T3及冷卻段下部T4的圓周四周A、B、C、D各點(diǎn)溫度進(jìn)行了觀察和測量，同時應(yīng)用調(diào)節(jié)棒操作，保證了干熄爐內(nèi)焦炭沿圓周方向均勻下料。

經(jīng)過調(diào)整， 干熄焦冷卻段T3、T4的 A、B、C、D各點(diǎn)溫度相差較小，但預(yù)存段壓力波動問題仍存在，由此確定年修期間冷卻段新澆筑料不是造成預(yù)存段壓力波動的根本原因。

2.2 干熄焦循環(huán)系統(tǒng)氣密性

干熄焦循環(huán)系統(tǒng)在正壓區(qū)的泄漏會造成CO的泄漏，較易檢查；而負(fù)壓區(qū)的泄漏會使系統(tǒng)內(nèi)部吸入空氣，增加焦炭的燃燒，需通過系統(tǒng)氣體平衡來判定。

2.2.1 預(yù)存段壓力調(diào)節(jié)閥和空氣導(dǎo)入閥開度

預(yù)存段壓力調(diào)節(jié)閥是調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)進(jìn)入干熄爐風(fēng)量的控制裝置，閥門開度表示從循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)出的氣體量；而空氣導(dǎo)入閥門開度則表示從空氣中進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)的氣體量。通過對比同等生產(chǎn)能力的干熄焦系統(tǒng)，可以看出3#干熄焦預(yù)存段壓力管道、空氣導(dǎo)入管道的截面積的設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)際都與1#、2#干熄焦一致，調(diào)節(jié)手法和控制結(jié)果相同（滿負(fù)荷生產(chǎn)時CO含量都在3%～6%之間）。分別從1#、2#、3#干熄焦現(xiàn)場采集5組空氣導(dǎo)入調(diào)節(jié)閥與預(yù)存段壓力調(diào)節(jié)閥開度數(shù)據(jù)，見表1。

表1 空氣導(dǎo)入調(diào)節(jié)閥與預(yù)存段壓力調(diào)節(jié)閥開度 %

由表1可以看出，3#干熄焦正常生產(chǎn)時的空氣導(dǎo)入調(diào)節(jié)閥開度小于預(yù)存段壓力調(diào)節(jié)閥開度，而1#、2#干熄焦系統(tǒng)正常生產(chǎn)時的空氣導(dǎo)入調(diào)節(jié)閥開度大于預(yù)存段壓力調(diào)節(jié)閥開度，說明3#干熄焦空氣導(dǎo)入量與循環(huán)氣體放散量（僅從開度上講）的比率要比1#、2#干熄焦系統(tǒng)低，循環(huán)系統(tǒng)負(fù)壓段存在漏空氣的情況。

2.2.2 預(yù)存段壓力調(diào)節(jié)閥開度的影響因素

為了判定在開爐蓋時預(yù)存段壓力波動到-300 Pa是否與氣體泄漏有關(guān)，設(shè)計(jì)了工業(yè)試驗(yàn)方案：在正常生產(chǎn)狀態(tài)下，空氣導(dǎo)入調(diào)節(jié)閥開度保持28%不變，打開中栓層觀察孔，通過讓大量空氣泄漏至干熄爐內(nèi)部，觀察系統(tǒng)漏入大量空氣的狀態(tài)下預(yù)存段壓力和壓力調(diào)節(jié)閥開度變化情況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 預(yù)存段壓力和壓力調(diào)節(jié)閥開度變化情況

由表2可以看出，當(dāng)干熄爐負(fù)壓段不嚴(yán)密時，空氣會漏入干熄爐內(nèi)，干熄爐預(yù)存段負(fù)壓減小22 Pa；同時，干熄爐負(fù)壓段有空氣漏入會導(dǎo)致預(yù)存段壓力調(diào)節(jié)閥開度增大 （保持空氣導(dǎo)入調(diào)節(jié)閥開度不變）。由此確定3#干熄焦循環(huán)氣體系統(tǒng)在負(fù)壓區(qū)是不嚴(yán)密的。

通過排查發(fā)現(xiàn)三處漏點(diǎn)，分別為中栓箱體、鍋爐人孔、一次除塵法蘭口。經(jīng)密封處理后，空氣導(dǎo)入閥開度增大并大于預(yù)存段壓力調(diào)節(jié)閥開度，干熄焦開關(guān)爐蓋時預(yù)存段壓力波動仍劇烈，因此循環(huán)系統(tǒng)負(fù)壓段漏入空氣不是預(yù)存段壓力波動的根本原因。

2.3 焦?fàn)t加熱制度

焦炭溫度對干熄焦的生產(chǎn)至關(guān)重要。溫度過高，耗費(fèi)的循環(huán)風(fēng)量多；風(fēng)量一定時，則排焦溫度升高。溫度過低，焦炭成熟不好、揮發(fā)份大、焦油含量高，容易粘住干熄焦焦罐底閘門而影響生產(chǎn)；同時，還會導(dǎo)致干熄爐入口阻力增大，使實(shí)際進(jìn)入干熄爐的冷卻風(fēng)量減少。

通過觀察焦餅、測量焦餅中心溫度等方式，優(yōu)化加熱制度，確定合理的標(biāo)準(zhǔn)溫度，將標(biāo)準(zhǔn)溫度降低5℃，在一定程度上穩(wěn)定了干熄焦生產(chǎn)。采取降低焦?fàn)t溫度措施后，預(yù)存段壓力波動問題在一定程度上減輕了，但是仍無法使預(yù)存段壓力恢復(fù)到生產(chǎn)要求控制范圍內(nèi)，因此，焦炭溫度不是造成預(yù)存段壓力波動的根本原因。

2.4 干熄爐爐蓋開關(guān)前后各部位壓力變化

由于干熄爐開關(guān)爐蓋前后，測量儀表所顯示的各部位壓力及吸力數(shù)據(jù)變化較大。開關(guān)干熄爐爐蓋前后系統(tǒng)阻力及流量變化見表3。

由表3可以看出，干熄爐開蓋后系統(tǒng)壓力相比開蓋之前減小了約350 Pa，系統(tǒng)里空氣導(dǎo)入量和旁通風(fēng)量共增加了1 832 m3/h，而循環(huán)系統(tǒng)總風(fēng)量減少了987 m3/h。說明在開爐蓋過程中有1 832＋987＝2 819 m3/h的氣體逸出干熄爐。

2.5 干熄爐放散管處壓力

為了驗(yàn)證干熄爐爐蓋打開時，循環(huán)氣體是由爐蓋噴出而不是吸入干熄爐內(nèi)后再逸出，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案：在干熄爐放散管處測量預(yù)存段壓力，試驗(yàn)時停止干熄焦的生產(chǎn)，保持預(yù)存段壓力在-50 Pa左右，打開放散管，模仿爐蓋打開狀態(tài)。當(dāng)放散管打開時，觀察到有大量的循環(huán)氣體逸出，中控室顯示預(yù)存段壓力突然下降，每30 s讀取一次數(shù)據(jù)，標(biāo)定3組數(shù)據(jù)，在此期間放散管不停地冒出煙氣。預(yù)存段壓力與放散管出口壓力見表4。

表3 開關(guān)干熄爐爐蓋前后系統(tǒng)阻力及流量變化對照表

表4 預(yù)存段壓力與放散管出口壓力對照表

經(jīng)過測量放散管處的壓力，打開干熄爐爐蓋瞬間測量時，預(yù)存段壓力實(shí)際為+240 Pa，證明了在打開爐蓋的瞬間不停地有氣體逸出，可以判定雖然預(yù)存段在正常生產(chǎn)時顯示為-30 Pa，實(shí)際壓力為正壓。

2.6 干熄爐預(yù)存段四周各點(diǎn)壓力

由于干熄爐預(yù)存段不僅有預(yù)存段壓力測量孔，還有高料位測量裝置、預(yù)存段溫度測量裝置、預(yù)存段壓力放散管。因此，利用斜型表測量這幾個部位的壓力并進(jìn)行對比分析。預(yù)存段內(nèi)部各測量部位相對位置如圖3所示。

圖3 預(yù)存段內(nèi)部各測量部位相對位置示意圖

干熄爐不開蓋時控制預(yù)存段壓力P1在干熄焦中控室顯示在-50 Pa左右波動，用斜型表現(xiàn)場測量此點(diǎn)的壓力同樣為-50 Pa左右，而用斜型表測量預(yù)存段其他部位壓力時均為正壓。測量預(yù)存段頂部T5溫度計(jì)處 （圖中顯示為P2）壓力為+63 Pa，此點(diǎn)在預(yù)存段南側(cè)，按垂直距離在預(yù)存段測壓點(diǎn)下方1.5 m處。測量預(yù)存段高料位計(jì)處（圖中顯示為P3）壓力為+52 Pa，此點(diǎn)在干熄爐預(yù)存段北側(cè)，按垂直距離在預(yù)存段測壓點(diǎn)下方 1.5 m處。測量干熄爐放散管處 （圖中顯示為P4）壓力為+95 Pa，此點(diǎn)在預(yù)存段壓力測點(diǎn)對面且與預(yù)存段壓力測量點(diǎn)在同一水平位置。

從預(yù)存段各部位壓力測量結(jié)果來看，除預(yù)存段壓力測量點(diǎn)測量時為負(fù)壓，其他三點(diǎn)預(yù)存段內(nèi)部壓力均為正壓，而預(yù)存段壓力測量裝置與現(xiàn)場斜型表的測量結(jié)果一致，可以判定預(yù)存段壓力測量儀表測量系統(tǒng)沒有問題，但是此點(diǎn)測量的數(shù)據(jù)不能代表預(yù)存段的實(shí)際壓力。因此將問題集中在預(yù)存段壓力取出導(dǎo)管上。將預(yù)存段壓力取出點(diǎn)導(dǎo)管拆下發(fā)現(xiàn)兩個壓力導(dǎo)管（一開一備）前端已經(jīng)燒損70 mm（查圖紙核對）且在壓力取出導(dǎo)管中間有裂紋。將壓力取出導(dǎo)管按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)恢復(fù)后，預(yù)存段壓力在開關(guān)爐蓋時得以恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，解決了困擾干熄焦生產(chǎn)的難題。由此判定預(yù)存段壓力取出口處內(nèi)部導(dǎo)出管損壞是造成壓力波動的根本原因。

3 預(yù)存段壓力波動原因分析

3.1 爐口噴火及系統(tǒng)壓力波動

由于預(yù)存段壓力測點(diǎn)顯示-50 Pa時實(shí)際壓力為正壓（見表4所示），造成生產(chǎn)崗位按照錯誤的預(yù)存段壓力顯示進(jìn)行調(diào)節(jié)。在裝焦時爐蓋打開，預(yù)存段內(nèi)部熱氣體逸散，出現(xiàn)開爐蓋噴火現(xiàn)象，形成預(yù)存段壓力顯示值為-180 Pa～-90 Pa的假象。干熄焦循環(huán)氣體系統(tǒng)是密閉循環(huán)的，其動力源是風(fēng)機(jī)總壓頭，因此打開爐蓋瞬間氣體大量外逸，使得干熄爐內(nèi)零壓面下移并造成系統(tǒng)的劇烈波動。由爐口上方下降至爐口（負(fù)壓區(qū)在循環(huán)氣體系統(tǒng)中由風(fēng)機(jī)后向干熄爐方向移動），使原負(fù)壓區(qū)鍋爐入口壓力、風(fēng)機(jī)入口壓力、風(fēng)機(jī)出口壓力降低，系統(tǒng)壓力再次達(dá)到平衡，開蓋前后各點(diǎn)壓力變化見表5。

表5 開蓋前后各點(diǎn)壓力變化

3.2 預(yù)存段壓力測點(diǎn)顯示錯誤

結(jié)合預(yù)存段壓力取出口處內(nèi)部導(dǎo)出管的破損狀況及干熄爐現(xiàn)場實(shí)際條件進(jìn)行分析，壓力測量導(dǎo)出裝置所測數(shù)據(jù)不能代表預(yù)存段實(shí)際壓力。預(yù)存段壓力取出口處內(nèi)部導(dǎo)出管如圖4所示。

圖4 預(yù)存段壓力取出口處內(nèi)部導(dǎo)出管示意圖

預(yù)存段壓力取出口處內(nèi)部導(dǎo)出管前端燒損70 mm，并且爐墻與導(dǎo)管之間填充的陶瓷纖維散裝料脫落，造成氣流在此處夾層短路。而預(yù)存段內(nèi)部在高度上存在壓差，氣流在預(yù)存段密閉空間內(nèi)部一直處于相對流動狀態(tài)。由于燒損部位在爐墻內(nèi)部，形成了一個相對不流動或氣流相對流動較小的空間，導(dǎo)出管前端燒損后實(shí)際測量的是此空間內(nèi)部的壓力，即測量孔內(nèi)部流動氣流的壓差，而不是干熄爐預(yù)存段的空間壓力。同時，預(yù)存段壓力取出口處內(nèi)部導(dǎo)出管未燒損部分的前端變形嚴(yán)重并有大量裂紋，壓力取出裝置管內(nèi)外存在的壓差也會影響測量的準(zhǔn)確度。

3.3 預(yù)存段壓力測點(diǎn)顯示錯誤對操作的影響

干熄焦氣體循環(huán)系統(tǒng)流程如圖5所示。圖中所標(biāo)示點(diǎn)P1為預(yù)存段壓力顯示，由于此處的取出點(diǎn)損壞造成此點(diǎn)壓力顯示值比實(shí)際壓力小145 Pa左右，實(shí)際操作時崗位按照此點(diǎn)爐蓋打開前顯示-50 Pa（爐蓋打開后為-180 Pa）進(jìn)行控制。利用在開蓋前增加正壓的方式來減小系統(tǒng)的波動，實(shí)際上增加了預(yù)存段正壓，造成開蓋期間系統(tǒng)壓力波動，極易造成斜道口浮起，使得鍋爐入口負(fù)壓增大，惡化干熄焦生產(chǎn)工況，形成干熄焦生產(chǎn)操作的惡性循環(huán)。

4 改進(jìn)措施和效果

為了解決干熄焦預(yù)存段壓力波動問題，通過分析影響預(yù)存段壓力波動的因素，找到了預(yù)存段壓力取出口處內(nèi)部導(dǎo)出管破損是預(yù)存段壓力波動的根本原因。對于損壞的預(yù)存段壓力導(dǎo)管進(jìn)行重新制作并更換，更換后預(yù)存段壓力波動范圍由-300～-30 Pa恢復(fù)到-100～0 Pa。保證了循環(huán)氣體系統(tǒng)的穩(wěn)定，干熄焦生產(chǎn)效率由84.90%提升至97.89%。

圖5 干熄焦氣體循環(huán)系統(tǒng)流程示意圖

5 結(jié)語

鞍鋼3#干熄焦由于預(yù)存段壓力取出口處內(nèi)部導(dǎo)出管的損壞導(dǎo)致此點(diǎn)取出的數(shù)據(jù)控制為-50 Pa時，預(yù)存段實(shí)際壓力為+95 Pa，造成在裝焦時爐蓋打開，預(yù)存段內(nèi)部正壓降低、熱氣體逸散、開爐蓋噴火現(xiàn)象，同時導(dǎo)致預(yù)存段壓力劇烈波動。通過重新制作、更換預(yù)存段壓力取出導(dǎo)管，不僅解決了干熄焦預(yù)存段壓力波動問題，而且干熄焦生產(chǎn)效率由84.90%提升至97.89%，減少了干熄焦的熱損失，提高了干熄焦的熱效率。