利用熱平衡計(jì)算干熄焦的燒損率

袁本雄 邵勝平 左夏青 汪 銀 徐 正

(1.銅陵泰富特種材料有限公司，2.遼寧盛焓工程技術(shù)有限公司)

干熄焦工藝運(yùn)行會(huì)形成焦炭的燒損。實(shí)時(shí)計(jì)算和監(jiān)控干熄焦的焦炭燒損率，對(duì)改善干熄焦操作，降低運(yùn)行成本十分重要。目前能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行干熄焦燒損率計(jì)算的方法有碳平衡、熱平衡和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。文章就利用熱平衡計(jì)算干熄焦燒損率進(jìn)行深入探討。

1 計(jì)算范圍的確定

干熄焦系統(tǒng)由許多設(shè)備組成，其中各種能量流和物料流相互交錯(cuò)，十分復(fù)雜。單從干熄焦?fàn)t本體來進(jìn)行熱平衡計(jì)算，會(huì)有許多不易測量和確定的參數(shù)，所以劃定一個(gè)合理的計(jì)算范圍，對(duì)獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果十分必要。

劃定的熱平衡計(jì)算范圍包括：干熄爐、循環(huán)風(fēng)管路及管路上的主要設(shè)備、鍋爐。鍋爐包括蒸發(fā)器(含過熱器)和省煤器兩部分。循環(huán)風(fēng)與外部不存在物質(zhì)和能量交換，熱平衡計(jì)算時(shí)不需要考慮很多復(fù)雜因素。

根據(jù)以上劃定范圍可以判斷系統(tǒng)與外部的物質(zhì)交換，進(jìn)入物質(zhì)包括：入爐紅焦、省煤器給水和導(dǎo)入空氣；排出物質(zhì)包括：冷焦、蒸汽、放散排風(fēng)和除塵灰。

系統(tǒng)與外部的熱量交換，熱量收入包含：入爐紅焦顯熱Qhc、導(dǎo)入空氣顯熱Qia和省煤器的給水顯熱Qwa；熱量支出包含：冷焦顯熱Qcc、放散風(fēng)顯熱Qoa、蒸汽帶走熱量Qst、除塵灰顯熱Qdu、干熄爐本體散熱Qcd和鍋爐本體散熱Qbd。循環(huán)風(fēng)管路散熱可以折算到干熄爐本體散熱及鍋爐本體散熱中。

為了簡化計(jì)算，需假設(shè)：(1)焦炭中固定碳及揮發(fā)分的損失率相同，(2)焦炭揮發(fā)分含碳量與焦炭中固定碳含量一致，(3)燒損的產(chǎn)物是CO和CO2，(4)燒損產(chǎn)生的熱量全部供給了蒸發(fā)吸熱，(5)干熄爐和鍋爐散熱率取值為2%～5%。

2 燒損率計(jì)算

2.1 入爐紅焦顯熱計(jì)算

紅焦顯熱可以用公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Qhc為入爐焦炭帶入的顯熱，kJ/h；Ghc為入爐焦炭的質(zhì)量，kg/h；cch(t)為焦炭的比熱,kJ/(kg·℃);thc為入爐紅焦的初始溫度，℃。

Ghc可以通過軌道秤稱量記錄，但由于干熄焦上料是斷續(xù)的，所以稱量記錄需要進(jìn)行連續(xù)化處理。由于干熄焦的排風(fēng)、排焦計(jì)量是連續(xù)的，因此Ghc也可以通過排焦、排風(fēng)反向推斷，具體方法是：

Ghc=Goa+Gcc+Gdu

(2)

式中：Goa為隨干熄焦排風(fēng)而放散掉的碳元素質(zhì)量，kg/h；Gcc為從干熄爐排出的冷焦質(zhì)量，kg/h；Gdu為干熄焦除塵系統(tǒng)收集的灰塵質(zhì)量，可以認(rèn)為這些灰塵是焦粉，kg/h。其中Gcc和Gdu可通過稱量得到，而Goa則可按公式(3)計(jì)算：

(3)

式中：Koa為系數(shù)；Voa為干熄焦排風(fēng)風(fēng)量，m3/h；ηCO為循環(huán)風(fēng)中CO含量，%；ηCO2為循環(huán)風(fēng)中CO2含量，%。

焦炭的比熱是溫度的函數(shù)，可用公式(4)表示：

cch(t)=0.836+1.53×10-3t-5.4×10-7t2(4)

式中：cch(t)為焦炭定壓比熱，kJ/(kg·℃)；t為焦炭溫度，℃。

2.2 導(dǎo)入空氣顯熱計(jì)算

導(dǎo)入空氣顯熱用公式(5)計(jì)算：

Qia=Via×cia×tia

(5)

式中：Qia為導(dǎo)入空氣顯熱，kJ/h；Via為導(dǎo)入空氣體積，m3/h；cia為空氣平均定壓比熱，kJ/(m3·℃)；tia為導(dǎo)入空氣的溫度，℃。

2.3 省煤器給水顯熱計(jì)算

省煤器給水的顯熱可以用公式(6)計(jì)算：

Qwa=Gst×Hwa

(6)

式中：Qwa為省煤器給水的顯熱，kJ/h；Gst為干熄焦鍋爐的蒸發(fā)量，kg/h；Hwa為干熄焦鍋爐省煤器的給水焓值，kJ/kg。

2.4 排焦顯熱計(jì)算

排焦顯熱可以用公式(7)計(jì)算：

(7)

式中：Qcc為干熄爐排出冷焦攜帶的顯熱，kJ/h；Gcc為干熄爐排出冷焦的質(zhì)量，kg/h；tcc為干熄爐排出冷焦的溫度，℃；cch(t)為焦炭的比熱,kJ/(kg·℃)。Gcc和tcc由儀器測量得到。

2.5 放散風(fēng)顯熱計(jì)算

放散風(fēng)顯熱可以用公式(8)計(jì)算：

Qoa=Voa×coa×toa

(8)

式中：Qoa是干熄爐排風(fēng)的顯熱，kJ/h；Voa是干熄爐排風(fēng)量，m3/h；coa是干熄爐排風(fēng)的平均定壓比熱，根據(jù)道爾頓分壓定律由循環(huán)風(fēng)各成分的含量確定，kJ/m3；toa是干熄爐排風(fēng)的溫度，℃。

coa與排風(fēng)成分和排風(fēng)溫度有關(guān)。排風(fēng)成分可按干熄焦循環(huán)風(fēng)成分選取，排風(fēng)溫度則由儀表測量。

2.6 蒸汽排熱計(jì)算

蒸汽排熱可用公式(9)計(jì)算：

Qst=Gst×Hst

(9)

式中：Qst為干熄焦鍋爐蒸發(fā)所產(chǎn)蒸汽的顯熱，kJ/h；Gst為干熄焦鍋爐的蒸發(fā)量，kg/h；Hst為干熄焦鍋爐蒸汽焓值，kJ/kg。

2.7 除塵灰顯熱計(jì)算

除塵灰的成分可以認(rèn)為是焦粉，其顯熱可用公式(10)計(jì)算：

(10)

式中：Qdu為干熄焦搜集的除塵灰?guī)С龅娘@熱，kJ/h；cch(t)為焦炭的比熱，kJ/(kg·℃)。其中，Gdu可通過稱量獲得。

2.8 散熱計(jì)算

干熄爐和鍋爐表面散熱的熱流密度受到爐體溫度、環(huán)境溫度、高度、風(fēng)速、晝夜、天氣、朝向、保溫等因素影響，因此很難精確測量。通常根據(jù)爐窯情況按一定范圍取值，當(dāng)保溫條件比較好的時(shí)候，散熱率取2%～5%。所以干熄爐和鍋爐的表面散熱可用公式(11)、(12)計(jì)算：

(11)

式中：Qcd為干熄爐表面的散熱，kJ/h；Qhc為進(jìn)入干熄爐的紅焦顯熱，kJ/h；ηcd為干熄爐表面散熱率，%。

(12)

式中：Qbd為鍋爐表面的散熱，kJ/h；ηbd為鍋爐表面散熱率，%。

2.9 燒損量的計(jì)算

通過2.1～2.8的熱量計(jì)算，可以得到燒損產(chǎn)生的熱量：

Qlo=(Qst+Qcc+Qoa+Qdu+Qcd+Qbd)-(Qhc+Qwa+Qia)

(13)

式中：Qlo為干熄焦因燒損而導(dǎo)致的熱量損失，kJ/h。

如果知道焦炭燃燒熱值，根據(jù)燒損的熱量則可以求出燒損的焦炭質(zhì)量。焦炭的燃燒值與循環(huán)風(fēng)的燃燒產(chǎn)物濃度的關(guān)系為：

(14)

式中：Rck為焦炭燃燒熱值，kJ/kg；Kck為系數(shù)，ηCO為循環(huán)風(fēng)中CO濃度，%；ηCO2為循環(huán)風(fēng)中CO2濃度，%。

于是燒損率為：

ηlo=Qlo/Rck/Ghc×100%

(15)

式中：ηlo為干熄焦的燒損率，%。

3 計(jì)算實(shí)例

以某企業(yè)的190 t/h干熄焦的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)(表1)為例，利用前面的公式進(jìn)行燒損率計(jì)算，干熄爐散熱率和鍋爐散熱率均取2%，熱平衡計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 主要的測試數(shù)據(jù)

表2 熱平衡計(jì)算

用式(14)計(jì)算出焦炭燃燒熱值為21 498 kJ/kg，由式(15)得到燒損率為1.329%。同樣的參數(shù)數(shù)據(jù)，用碳元素平衡法進(jìn)行燒損率的計(jì)算，結(jié)果為1.271%。熱平衡法和碳元素平衡法計(jì)算燒損率結(jié)果相近，證明前面的熱平衡計(jì)算燒損率結(jié)果可靠。

4 生產(chǎn)參數(shù)與燒損率的關(guān)系

當(dāng)氣體成分、導(dǎo)入空氣流量等參數(shù)不變時(shí)，燒損率與噸焦蒸發(fā)量、紅焦溫度、排焦溫度之間的關(guān)系見表3。

表3 生產(chǎn)參數(shù)與燒損率的關(guān)系 %

由表3可知，隨著蒸發(fā)量和排焦溫度的升高，燒損率增加，即燒損率與蒸發(fā)量、排焦溫度成正比；而隨著紅焦溫度的升高，燒損率降低，即燒損率與紅焦溫度成反比。

5 用熱平衡計(jì)算干熄焦燒損率的用途

在利用熱平衡計(jì)算干熄焦燒損率時(shí)，如果計(jì)算的時(shí)間間隔足夠短，那么此時(shí)燒損率的計(jì)算結(jié)果就變成了實(shí)時(shí)燒損率，這對(duì)監(jiān)控和優(yōu)化干熄焦操作有很大作用。同時(shí)，作為可以進(jìn)行燒損率實(shí)時(shí)計(jì)算的三種方法之一，用熱平衡計(jì)算實(shí)時(shí)燒損率也可以為另外兩種方法提供一定的參考和檢驗(yàn)判斷。