徐愛祥,劉志強,曹小林,羅國民,龍兵

(1.中南大學能源科學與工程學院,湖南長沙410083;2.廣東松山職業(yè)技術學院,廣東曲江512126)

煉鐵系統(tǒng)包括焦化、燒結、球團、煉鐵等工序,煉鐵的能耗在鋼鐵企業(yè)能耗中約占70%,而焦化工序又是煉鐵系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié),提高焦爐能源利用率對于我國的節(jié)能減排工作非常重要。煉焦爐是復雜的熱工設備,在煉焦過程中煤在外部供熱條件下經高溫干熘發(fā)生著錯綜復雜的物理變化和化學變化,同時耗用熱能、電能等多種不同能級的能量,所有的工藝環(huán)節(jié)都伴隨著不可逆損失[1]。本文將結合某鋼鐵集團焦化廠55孔JNK 60-6F焦爐的實際運行情況,應用分析診斷出焦爐用能薄弱環(huán)節(jié),用于評價煉焦工藝,為提高該爐的熱效率提高依據(jù)。

1 分析對象

某鋼鐵集團焦化廠55孔JNK 60-6F焦爐,主要包括備煤、煉焦、化產回收及給排水、廢水處理等系統(tǒng);焦爐的主要產品為焦炭、煤氣、焦油、粗苯、硫銨,其中焦炭的設計年產量為106.8萬t,外供煤氣年產量38 762m3,粗苯年產量10 930 t,焦油年產量42 370 t,硫銨年產量12 980 t。該爐所用的燃料以高爐煤氣為主、焦爐煤氣為輔,煤氣加熱的參數(shù)與結焦時間見表1。計算所需的入爐煤與焦炭的工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)見表2。

表1 結焦時間與加熱煤氣參數(shù)

表2 a 入爐煤與焦炭的工業(yè)分析 %

表2 b 入爐煤與焦炭的元素分析 %

2.1 煉焦工藝的綜合

根據(jù)文獻[3]所介紹的計算方法,結合焦化廠55孔JNK 60-6F焦爐用能數(shù)據(jù)計算出焦爐綜合平衡,見表3和表4。

表3 焦爐綜合平衡表(入方)

表3 焦爐綜合平衡表(入方)

項目化學火用 物理火用k J·t-1 % kJ·t-1 %加熱煤氣 2 602 765 8.881 1 390 0.005入爐煤 26 580 088 90.695 43 0空氣帶入 0 0 650 0.002泄漏煤氣 122 137 100 0 0

表4 焦爐綜合平衡表(出方)

表4 焦爐綜合平衡表(出方)

項目化學火用 物理火用kJ·t-1 % kJ·t-1 %焦炭 18 533 078 63.238 571 206 1.949焦油 1 220 754 4.165 28 277 0.096粗苯 393 996 1.344 5 771 0.02凈煤氣 5 129 187 17.502 150 402 0.513氨40 330 0.138 403 0.001廢氣 162 465 0.554 0 0汽0 0 150 824 0.515

2.2 焦爐分析平衡

表5 焦爐分析平衡表(入方)

表5 焦爐分析平衡表(入方)

項目化學火用 物理火用kJ·t-1 % k J·t-1 %加熱煤氣 2 602 765 95.445 1 390 0.051入爐煤 0 `0 44 0.002空氣帶入 0 0 650 .0.024泄漏煤氣 0 0 122 137 4.479

表6 焦爐分析平衡表(出方)

表6 焦爐分析平衡表(出方)

項目化學火用 物理火用kJ·t-1 % k J·t-1 %焦炭 0 0 571 206 20.946焦油 0 0 28 277 1.037粗苯 0 0 5 771 0.212凈煤氣 0 0 150 402 5.515氨 196 152 7.193 403 0.015廢氣 0 0 14 239 5.326汽0 0 150 824 5.531

2.3 焦爐效率

圖1 焦化過程的流分配

表7 焦爐效率 %

表7 焦爐效率 %

類別 ηe ηe1 ηe2綜合火用 90.931 89.651 89.481分析火用 47.011 34.492 33.256

3 能級分析

能級[2]是一定狀態(tài)下某種形式的能量中含有的量的,是能量品位的反映,其數(shù)學表述為能流量(E XP)與能流總量(E F)之比,即:

能級匹配[4]就是指過程中支付部分的能級與收益部分的能級應完全相同。焦化工藝能量系統(tǒng)中涉及多種級別的能源,如煉焦煤、加熱煤氣、焦炭等,對于焦化工藝能量系統(tǒng)進行能級分析及優(yōu)化匹配可以清晰系統(tǒng)能流流向及使用程序,為焦化系統(tǒng)合理用能提供依據(jù)。

楊東華[5]在能級分析中提出,評價能量利用合理性的質量指標為能級差或能級平衡系統(tǒng)。以焦化系統(tǒng)輸入的能量能級(ΩF)與用戶所需能量的能級(ΩP)的差值作為能級差ΔΩ:

或者兩者相對差值作為能級平衡系數(shù)εΩ:

由式(3)和式(4)看出,完成焦化過程能量的轉換與傳遞,焦化爐輸入與輸出的能級差ΔΩ是直接與過程的推動力相聯(lián)系的物理量,而損D是推動過程所付出的代價。因此,能級差是一個合理用能的評價指標,ΔΩ越小越合理,其極限值是零。分析評價的是節(jié)約用能,能級分析評價的是合理用能,從某種意義上說,合理用能比節(jié)約用能更有價值[6]。

圖2 煉焦產物的熱值與值

圖3 煉焦產物的能級

4 改進建議

根據(jù)以上分析,結合焦化廠的實際情況,建議如下。

(2)煤調濕技術 當入爐煤水分由10.5%減少到6%時,理論上煉焦耗熱量可以降低505 k J/kg,內部損降低約5.5%。運行數(shù)據(jù)顯示,2008年上半年焦爐入爐煤水分均超過設計值(10%)近兩個百分點,若采用煤調濕技術減少入爐煤水分,那么表2中所水汽物理項、廢氣項及內部損項就可以得到有效控制,結焦時間因此可以縮短。

(3)能級匹配 根據(jù)能級相近最大化相供原則,對不同能流進行能級匹配,降低輸入能量的能級或者提高輸出能量的能級,將平衡系數(shù)控制在0.5以內,減少焦化過程的總損,以減小不同流之間的推動力的差,從而可以減小系統(tǒng)的總損,可以解決能量輸入與輸出間的能級對應問題。

5 結論

本文對焦化廠實際運行的2×55孔JN 60-6F焦爐分別進行了測試及用能計算。根據(jù)測試與計算結果,對煉焦爐進行綜合平衡及分析平衡計算分析并對煉焦產物的進行能級分析,從能質與能量兩個方面對焦化過程進行評價,全面地分析焦爐用能情況,為焦爐的節(jié)能技改提供可靠依據(jù)?；诜治鼋Y果,結合焦化廠的實際運行情況提出可行改進建議。

[1] 陸鐘武.冶金熱能工程導論[M].沈陽:東北工學院出版社,1990.

[2] 嚴文福,鄭則東.焦爐加熱調節(jié)與節(jié)能[M].合肥:合肥工業(yè)大學出版社,2005.

[4] 戴蘇明.淺析衡量用能水平的經濟指標[J].能源研究與利用,1989(4):39-43.

[6] 陸曉初.能級分析初探[J].能源研究與利用,1992(2): 9-12.