煉焦過程溫度變化的控制研究與實(shí)踐

保德山，陳 舉，任 梵

(1.云南大為制焦有限公司,云南 曲靖 655338；2.云南煤化工集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650231)

煉焦生產(chǎn)中，燃燒室的溫度控制是確保煉焦正常運(yùn)行的關(guān)鍵。煉焦配合煤在炭化室內(nèi)經(jīng)歷了干燥、熱解、熔融、固化、收縮等階段，再通過高溫干餾最終形成了焦炭。在整個(gè)煉焦過程中，所需的熱量來自于燃燒室燃料氣燃燒所產(chǎn)生的熱量。在從燃燒室到炭化室的熱傳遞過程中，輻射傳熱占90%以上。生產(chǎn)中，同一燃燒室兩側(cè)煤餅處于不同的結(jié)焦周期，尤其是新裝配合煤，使得炭化室周邊的燃燒室溫度產(chǎn)生大幅波動(dòng)。如果沒有掌握其變化規(guī)律，而僅僅通過測(cè)定燃燒室溫度就簡(jiǎn)單地對(duì)燃料氣進(jìn)行頻繁的調(diào)整，反而會(huì)加劇溫度持續(xù)的波動(dòng)，極不利于生產(chǎn)控制。

對(duì)于煉焦過程中溫度的控制，無論是便于精細(xì)化管理，還是針對(duì)后續(xù)煙氣的成分變化，都有必要對(duì)爐溫變化情況進(jìn)行深入分析和研究。煉焦行業(yè)內(nèi)普遍采用的K均、K安、K爐、K橫等爐溫系數(shù)，能夠從不同維度反應(yīng)爐溫調(diào)控的精準(zhǔn)性。但生產(chǎn)過程中存在由于爐溫測(cè)量時(shí)間等差異，會(huì)嚴(yán)重影響各個(gè)系數(shù)。究其原因，主要是由于測(cè)定過程中各炭化室結(jié)焦周期差異造成的。因此通過掌控因煤的不同結(jié)焦周期對(duì)爐溫的變化規(guī)律尤為重要，明確此影響并給予實(shí)施更加精準(zhǔn)的前置調(diào)控有利于生產(chǎn)控制。

1 煉焦過程煤餅溫度變化

在煉焦過程中，煤餅在炭化室內(nèi)的整體溫度是逐步上升的，但在不同階段會(huì)出現(xiàn)短期下降和迅速上升的趨勢(shì)。這是由于物理變化和化學(xué)變化引起的溫度波動(dòng)。通過焦煤的差熱分析(DTA)數(shù)據(jù)[1]充分說明了煤餅在干餾過程中的吸熱和放熱現(xiàn)象。如圖1所示。

圖1 焦煤干餾過程中DTA曲線

煤餅在 150 ℃ 附近出現(xiàn)第一個(gè)吸熱峰，此過程是煤析出水分和吸附氣體的過程，即煤的干燥過程；450 ℃ 附近出現(xiàn)第二個(gè)吸熱峰，此過程是煤發(fā)生解聚、分解生成氣體和煤焦油等低分子化合物的過程，即膠質(zhì)體形成階段；750℃溫度整體上升過程中出現(xiàn)一個(gè)放熱峰，表明此階段為放熱效應(yīng)，是煤熱解殘留物互相縮聚，生成半焦的過程，相當(dāng)于熱化學(xué)分析的半焦生成階段。

2 煉焦過程燃燒室溫度變化

在一個(gè)結(jié)焦周期內(nèi)，燃燒室燃?xì)饬?、吸力等一定的情況下，以新裝煤號(hào)n為例(配合煤水分Mt=10.5%，煉焦按照9-2串序裝煤)，考察了裝煤號(hào)燃燒室溫度(該溫度采用燃燒室各立火道平均溫度)的變化情況，具體如圖2所示。

圖2 結(jié)焦周期內(nèi)新裝煤號(hào)燃燒室溫度變化情況

由圖2清晰反應(yīng)出，在一個(gè)結(jié)焦周期，燃燒室溫度呈現(xiàn)出“W”形。其中，n號(hào)炭化室裝煤后燃燒室溫度在前 5 h 溫度整體呈下降趨勢(shì)，并在4～5 h 時(shí)迅速下降后緩慢上升；在9～10 h 出現(xiàn)迅速下降后快速上升，并在 14 h 左右達(dá)到頂點(diǎn)，在 19 h 左右又出現(xiàn)一個(gè)峰值。從新裝煤到焦炭的成熟溫度變化趨勢(shì)，與配合煤的DTA曲線具有一致性。主要原因是由于炭化室內(nèi)煤料經(jīng)歷了不同的階段，由于煤料的吸熱和放熱傳熱變化所致。

從溫度變化趨勢(shì)對(duì)應(yīng)到結(jié)焦機(jī)理，0～5 h 溫度持續(xù)下降,煤料處于干燥脫水階段；6～10 h 煤料逐步升溫，并達(dá)到煤的熱解溫度，煤料熱解生成氣體；11～14 h 隨著煤料溫度的持續(xù)升高，發(fā)生縮聚等放熱反應(yīng)；從15～18 h 半焦收縮，到 19 h 左右焦炭收縮基本結(jié)束，對(duì)流傳熱轉(zhuǎn)為輻射傳熱，致使溫度迅速上漲；之后，隨著周邊炭化室煤料進(jìn)入脫水階段，焦炭趨于成熟，溫度緩慢下降。

從上述對(duì)結(jié)焦周期內(nèi)燃燒室的溫度變化，間接反應(yīng)出煤的結(jié)焦特性。目前結(jié)焦指數(shù)能夠很好地反應(yīng)出焦炭的成熟情況。從燃燒室溫度變化情況看，采用焦炭收縮結(jié)束時(shí)間，作為結(jié)焦指數(shù)計(jì)算點(diǎn)。結(jié)焦指數(shù)CI=24/19=1.26,這與同等焦?fàn)t采用火落管理測(cè)定的結(jié)焦指數(shù)[2-3](CI=Tcoking/Tmax)以及推演公式[4]CI=0.037Tmax+0.356基本一致。

對(duì)于單個(gè)燃燒室而言，在一個(gè)結(jié)焦周期內(nèi)，溫度波幅達(dá)到 50 ℃，尤其是在焦?fàn)t高負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)下，個(gè)別火道溫度還會(huì)進(jìn)一步上升，并可能達(dá)到硅磚極限溫度 1450 ℃，從而引發(fā)事故。同時(shí)會(huì)造成焦炭過火或難推焦。另一方面，焦?fàn)t煙氣中氮氧化物的(NOx)高低與溫度密切相關(guān)，因溫度變化會(huì)使NOx發(fā)生變化。尤其是，在高溫條件下，NOx的生成量大幅增加，極不利于污染物的源頭控制。

全爐溫度均勻性和穩(wěn)定性是考察煉焦水平的重要參數(shù)。為此，按照一定的裝煤、推焦次序，考察了全爐溫度趨勢(shì)，具體如圖3。

注：各燃燒室溫度為火道溫度的平均值，選取了過程中較為理想的工況，K均=1。圖3 正常生產(chǎn)過程中全爐燃燒室某一時(shí)刻溫度情況

焦?fàn)t溫度雖是一個(gè)受多因素干擾的復(fù)雜熱工過程，但通過對(duì)全爐溫度的長(zhǎng)期測(cè)定和匯總，全爐按9-2串序生產(chǎn)，未刻意對(duì)單孔溫度進(jìn)行調(diào)整的情況下，全爐溫度呈現(xiàn)出規(guī)律的周期性變化。這一變化與各炭化室所處結(jié)焦階段密切關(guān)聯(lián)，充分體現(xiàn)了結(jié)焦過程對(duì)燃燒室溫度的影響程度之大，以及對(duì)整體溫度的高度關(guān)聯(lián)性。這一影響和關(guān)聯(lián)性為生產(chǎn)控制和指標(biāo)預(yù)判提供了依據(jù)。

從前述燃燒室溫度與煤的結(jié)焦過程溫度變化的密切線性關(guān)系，可從源頭(即結(jié)焦過程本身溫度變化特性)實(shí)現(xiàn)各階段的溫度預(yù)判，并在此條件下實(shí)現(xiàn)溫度的前置調(diào)控。就此進(jìn)行了嘗試，通過預(yù)判性的調(diào)控取得了良好效果。如圖4所示。

圖4 基于結(jié)焦過程溫度特性預(yù)調(diào)控的燃燒室溫度情況

穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)下，基于溫度周期性變化，對(duì)燃燒室溫度進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，使得焦?fàn)t整體溫度更加平穩(wěn)，全爐整體溫度波幅大幅減小，K均、K安實(shí)質(zhì)品質(zhì)得到明顯提升，總體實(shí)現(xiàn)提谷壓峰?；诮?jīng)濟(jì)性考量，生產(chǎn)中僅對(duì)高峰值進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，能夠更大限度地降低能耗，并且也能保證焦炭質(zhì)量。由于高溫得到壓制，焦?fàn)t煙氣中的NOx有所下降，實(shí)現(xiàn)了源頭控硝的目的。

3 實(shí)踐與應(yīng)用

近年來，火落管理得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)主要從上升管溫度或荒煤氣成分變化方面對(duì)燃料氣進(jìn)行調(diào)節(jié)，并達(dá)到了一定的節(jié)能減排效果。但其技術(shù)的本源是對(duì)煉焦過程特性的應(yīng)用。

燃燒室溫度測(cè)定和控制是指導(dǎo)煉焦生產(chǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)，但在煉焦過程中燃燒室溫度受結(jié)焦周期的影響出現(xiàn)大幅的變化，這一變化是有規(guī)律可循的，居于這一規(guī)律可更好地指導(dǎo)生產(chǎn)控制。

3.1 爐溫調(diào)控

煉焦?fàn)t溫是一個(gè)多因素影響的復(fù)雜熱工過程，K均、K安是評(píng)定爐溫的均勻性和穩(wěn)定性的慣用指標(biāo)。通過對(duì)不同結(jié)焦階段內(nèi)爐溫趨勢(shì)的變化能夠?qū)t溫作出預(yù)判，并選擇合理的窗口期進(jìn)行調(diào)控，能夠提升爐溫均勻性，提升焦?fàn)t各系數(shù)水平。

3.2 焦?fàn)t煙氣NOx調(diào)控

焦?fàn)t煙氣中NOx的生成以熱力型為主，燃燒溫度高低直接影響焦?fàn)t煙氣NOx的濃度。通過對(duì)煉焦過程中結(jié)焦中后期溫度的有效控制，能夠降低NOx的生成。

3.3 新技術(shù)擬合

常規(guī)條件下，對(duì)于爐溫的測(cè)定多數(shù)依靠人工間斷性測(cè)定。目前在線爐溫測(cè)量技術(shù)得到逐步推廣，諸如基于上升管溫度測(cè)定的火落管理，以及燃燒室溫度測(cè)定的自動(dòng)加熱等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了溫度的連續(xù)測(cè)定，但無論是火落管理，還是基于燃燒室溫度測(cè)定的自動(dòng)加熱，其本源是對(duì)煉焦過程各階段特性的檢測(cè)和判斷。對(duì)于生產(chǎn)控制和操作，燃燒室溫度能夠很好地反應(yīng)煉焦特性，同時(shí)提倡源頭把控并實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù)的深度融合。

4 結(jié)論

煉焦生產(chǎn)過程中，不同煉焦階段的物理和化學(xué)變化是引起溫度波動(dòng)的主要因素。測(cè)定燃燒室的溫度變化是調(diào)控?zé)捊範(fàn)t溫度最直接而有效的方法。針對(duì)生產(chǎn)中呈現(xiàn)出的爐溫周期性變化規(guī)律，以K均、K安、K爐、K橫等控制系數(shù)為指導(dǎo)，通過對(duì)燃燒室溫度的變化的控制，以此判斷結(jié)焦所處階段的結(jié)焦指數(shù)?；诖艘?guī)律，選擇合適的窗口期，實(shí)施爐溫前置調(diào)控，實(shí)現(xiàn)降低能耗和源頭控硝，同時(shí)也進(jìn)一步提升了K均、K安控制系數(shù)的精準(zhǔn)性，對(duì)煉焦生產(chǎn)的溫度控制具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。