石巧囡 王欣悅 孫文彬 姜士敏 張曉光 毛 旸 韓 冬

(1.鞍山華泰環(huán)能工程技術(shù)有限公司，2.華泰永創(chuàng)(北京)科技股份有限公司)

干熄焦(CDQ)是利用惰性氣體作為循環(huán)氣體，在干熄爐內(nèi)與熾熱紅焦直接接觸換熱，從而熄滅紅焦的工藝過程[1]。

干熄焦鍋爐入口循環(huán)氣體溫度是干熄焦裝置最重要的參數(shù)之一，對(duì)于干熄爐，它代表著回收紅焦顯熱的效率，直接體現(xiàn)了干熄焦系統(tǒng)的運(yùn)行狀況；對(duì)于干熄焦鍋爐，它代表著干熄焦鍋爐的換熱效率，極大程度上影響著蒸汽的品質(zhì)[2]。干熄焦實(shí)際生產(chǎn)操作中，鍋爐入口循環(huán)氣體溫度一般控制在880～1 000 ℃，不宜過高或過低。鍋爐入口循環(huán)氣體溫度過高，會(huì)造成高溫事故，例如二次過熱器爐管蠕變導(dǎo)致爆管；鍋爐入口循環(huán)氣體溫度過低，相應(yīng)的鍋爐出口循環(huán)氣體溫度也低，易對(duì)鍋爐及鍋爐后續(xù)的管道產(chǎn)生腐蝕。

文章建立了物料平衡和熱平衡，分析了鍋爐入口循環(huán)氣體溫度的影響因素，簡(jiǎn)化了鍋爐入口循環(huán)氣體溫度的計(jì)算公式，為鍋爐入口循環(huán)氣體溫度的控制提供理論基礎(chǔ)。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 物料平衡計(jì)算

(1)物料平衡計(jì)算的原則

物料平衡理論計(jì)算基于以下幾條原則：

①循環(huán)氣體組成穩(wěn)定，理論計(jì)算取平均值：O2為0.5%，H2為1%，CO為4%，CO2為15%，H2O為6%，N2為73.5%；

②入爐氣體氣料比1 280 m3/t，循環(huán)氣體氣料比1 430 m3/t；

③焦炭析出殘余揮發(fā)分為20 m3/t，其主要組成為H2占約90%、CO占約10%，析出的殘余揮發(fā)分在穿過焦炭層后進(jìn)入循環(huán)氣體[3]；

④導(dǎo)入空氣氣料比130 m3/t；

⑤循環(huán)系統(tǒng)氣密性良好，無泄漏；

⑥循環(huán)氣體旁通管關(guān)閉；

⑦充入循環(huán)系統(tǒng)中的氮?dú)饬亢雎圆挥?jì)。

(2)物料平衡理論計(jì)算

以干熄爐冷卻段入口至干熄焦鍋爐入口為對(duì)象進(jìn)行物料平衡理論計(jì)算，物料平衡關(guān)系見圖1。

圖1 物料平衡關(guān)系

物料平衡表達(dá)式為：

G1+G′2+GK+GC=G2+G′1+Gk+G

(1)

式中：G1為紅焦裝入量，kg/h；G′2為入爐氣體質(zhì)量，kg/h；GK為導(dǎo)入空氣質(zhì)量，kg/h；GC為焦炭析出殘余揮發(fā)分的量，kg/h；G2為冷焦排出量，kg/h；G′1為循環(huán)氣體質(zhì)量，kg/h；Gk為焦炭燒損量，kg/h；G為焦粉帶出量，kg/h。

1.2 熱平衡計(jì)算

(1)熱平衡計(jì)算的原則

熱平衡計(jì)算是在物料平衡計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，熱平衡理論計(jì)算還基于以下幾條原則：

①循環(huán)系統(tǒng)體系中存在很多反應(yīng)，既有吸熱反應(yīng)也有放熱反應(yīng)，無法對(duì)每個(gè)反應(yīng)逐一進(jìn)行計(jì)算，忽略對(duì)計(jì)算影響較小的次要因素，只考慮主要因素；

②熄焦過程中發(fā)生一系列反應(yīng)，包括燃燒反應(yīng)、碳熔反應(yīng)、水煤氣反應(yīng)等，既有吸熱反應(yīng)也有放熱反應(yīng)，焦炭燒損產(chǎn)生的熱量?jī)舯憩F(xiàn)為焦炭的燃燒熱；

③入爐紅焦溫度1 000 ℃，出爐冷焦溫度180 ℃，入爐循環(huán)氣體溫度130 ℃；

④考慮干熄爐和一次除塵器表面散熱，干熄爐和一次除塵器表面溫度60 ℃；

⑤焦炭中灰分含量按12%計(jì)算；

⑥焦粉帶出熱參與熱平衡計(jì)算。

(2)熱平衡理論計(jì)算

以干熄爐冷卻段入口至干熄焦鍋爐入口為對(duì)象進(jìn)行熱平衡理論計(jì)算，熱平衡關(guān)系見圖2。

圖2 熱平衡關(guān)系

熱平衡表達(dá)式為：

Q1+Q2+Q3+Q4=Q5+Q6+Q7+Q8

(2)

式中：Q1為紅焦帶入熱，kJ/h；Q2為入爐氣體帶入熱，kJ/h；Q3為焦炭燃燒熱，kJ/h；Q4為導(dǎo)入空氣帶入熱，kJ/h；Q5為冷焦帶出熱，kJ/h；Q6為循環(huán)氣體帶出熱，kJ/h；Q7為干熄爐和一次除塵器表面散熱，kJ/h；Q8為焦粉帶出熱，kJ/h。

根據(jù)各個(gè)參數(shù)的具體計(jì)算公式，熱平衡方程式(2)可變?yōu)閷?shí)用的計(jì)算式(3)。

(3)

式中：V1為循環(huán)氣體量，m3/h；V2為入爐氣體量，m3/h；VK為導(dǎo)入空氣量，m3/h；c1為紅焦裝爐比熱容，kJ/(kg·℃)；c2為冷焦出爐比熱容，kJ/(kg·℃)；c′1為循環(huán)氣體比熱容，kJ/(m3·℃)；c′2為入爐氣體比熱容，kJ/(m3·℃)；cB為室外空氣比熱容，kJ/(m3·℃)；c為焦粉帶出比熱容，kJ/(kg·℃)；t1為紅焦裝爐溫度，℃；t2為冷焦出爐溫度，℃；t′1為循環(huán)氣體溫度，℃；t′2為入爐氣體溫度，℃；tn為干熄爐和一次除塵器表面溫度，℃；tB為室外空氣溫度，℃；t為焦粉帶出溫度，℃；φk為焦炭燒損率，%；QH為焦炭燃燒熱，kJ/kg；απ和αk為輻射和對(duì)流傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)；F為干熄爐和一次除塵器表面積，m2。

2 試差法

2.1 試差法原理

試差法是在兩個(gè)未知量中，先設(shè)一個(gè)量為已知，代入方程求出另一未知量，然后進(jìn)行驗(yàn)算，若所得的結(jié)果與所設(shè)不符，重新修正假設(shè)再進(jìn)行計(jì)算，直到驗(yàn)算正確為止。試差法能使復(fù)雜的計(jì)算問題得以簡(jiǎn)化，從而方便求解。

2.2 試差法應(yīng)用

試差法應(yīng)用于干熄焦鍋爐入口循環(huán)氣體溫度的計(jì)算步驟如下：

(1)假定鍋爐入口循環(huán)氣體溫度t′1；

(2)在溫度t′1下，查循環(huán)氣體各成分的比熱，然后加權(quán)平均求循環(huán)氣體的比熱；

(3)將原始數(shù)據(jù)、查得數(shù)據(jù)及中間計(jì)算數(shù)據(jù)，帶入公式(3)，求得t′1；

(4)比較計(jì)算值與假定值，在誤差范圍內(nèi)，計(jì)算結(jié)束，否則把計(jì)算值作為下次試差的假定值，循環(huán)上述步驟，直至計(jì)算值與假定值在誤差范圍內(nèi)。

2.3 試差法計(jì)算舉例

以190 t/h干熄焦為例，根據(jù)熱平衡利用試差法進(jìn)行理論計(jì)算，得出鍋爐入口循環(huán)氣體溫度。在進(jìn)行熱平衡計(jì)算前，需要先進(jìn)行物料平衡計(jì)算，物料平衡和熱平衡計(jì)算所需主要原始參數(shù)列于表1。利用試差法原理，多次迭代試差，計(jì)算出鍋爐入口循環(huán)氣體溫度920 ℃，將物料平衡和熱平衡計(jì)算結(jié)果分別列于表2和表3。

表1 物料平衡和熱平衡的主要原始參數(shù)

表2 物料平衡計(jì)算 kg/h

表3 熱平衡計(jì)算 kJ/h

3 鍋爐入口循環(huán)氣體溫度的影響因素

影響鍋爐入口循環(huán)氣體溫度的因素有導(dǎo)入空氣帶入熱、循環(huán)氣體氣料比和焦炭燒損率等。利用多因素分析原理，文章從理論計(jì)算角度分析各因素對(duì)鍋爐入口循環(huán)氣體溫度的影響。

3.1 導(dǎo)入空氣帶入熱的影響

忽略導(dǎo)入空氣帶入熱，根據(jù)公式(3)試差計(jì)算，鍋爐入口循環(huán)氣體溫度為919.5 ℃，降低了0.5 ℃，說明導(dǎo)入空氣帶入熱對(duì)鍋爐入口循環(huán)氣體溫度影響極小，尤其是冬季，室外大氣溫度低，空氣帶入熱非常小，可忽略。

3.2 循環(huán)氣體氣料比的影響

循環(huán)氣體氣料比是循環(huán)氣體氣量與焦炭處理量的比值，是鍋爐入口循環(huán)氣體溫度調(diào)整的一個(gè)重要參數(shù)[5]。循環(huán)氣體氣料比減小，鍋爐入口循環(huán)氣體溫度升高，易造成鍋爐高溫事故；循環(huán)氣體氣料比增加，鍋爐入口循環(huán)氣體溫度降低，影響鍋爐產(chǎn)汽率。

循環(huán)氣體氣料比為1 400、1 430、1 470 m3/t時(shí)，根據(jù)公式(3)試差計(jì)算，鍋爐入口循環(huán)氣體溫度分別為935.6、920、900.1 ℃。由此可知，循環(huán)氣體氣料比對(duì)鍋爐入口循環(huán)氣體溫度的影響不可忽略。

3.3 焦炭燒損率的影響

焦炭燒損在干熄焦裝置實(shí)際運(yùn)行中是不可避免的，焦炭燒損率是評(píng)價(jià)干熄焦裝置運(yùn)行的重要指標(biāo)，可用于指導(dǎo)干熄焦系統(tǒng)調(diào)整生產(chǎn)操作參數(shù)[6]。焦炭燒損率直接關(guān)系到鍋爐入口循環(huán)氣體溫度，焦炭燒損率增大，焦炭燒損所得到的熱量增多，鍋爐入口循環(huán)氣體溫度升高。

焦炭燒損率為1%、1.5%、2%時(shí)，根據(jù)公式(3)試差計(jì)算，鍋爐入口循環(huán)氣體溫度分別為855.5、920、984 ℃。由此可知，焦炭燒損率對(duì)鍋爐入口循環(huán)氣體溫度有較大影響。

3.4 焦粉帶出熱的影響

忽略焦粉帶出熱，根據(jù)公式(3)試差計(jì)算，鍋爐入口循環(huán)氣體溫度為929.7 ℃，升高9.7 ℃。

3.5 干熄爐及一次除塵器表面散熱的影響

忽略干熄爐及一次除塵器表面散熱，根據(jù)公式(3)試差計(jì)算，鍋爐入口循環(huán)氣體溫度為925.7 ℃，升高5.7 ℃。

3.6 公式總結(jié)

通過對(duì)以上影響鍋爐入口循環(huán)氣體溫度的因素進(jìn)行綜合分析和計(jì)算，可忽略導(dǎo)入空氣帶入熱、焦粉帶出熱以及干熄爐和一次除塵器表面散熱，對(duì)鍋爐入口循環(huán)氣體溫度影響最大的因素就是焦炭燒損率。公式(3)可簡(jiǎn)化為：

(4)

焦炭燒損率為1.5%時(shí)，根據(jù)簡(jiǎn)化公式(4)試差計(jì)算得到鍋爐入口循環(huán)氣體溫度為934.9 ℃，與公式(3)試差計(jì)算的結(jié)果920 ℃相比，誤差為1.6%。因此，可利用簡(jiǎn)化公式(4)試差計(jì)算鍋爐入口循環(huán)氣體溫度。

4 結(jié)語

文章建立了干熄爐冷卻段入口至干熄焦鍋爐入口的物料平衡和熱平衡，利用試差法計(jì)算，得到了鍋爐入口循環(huán)氣體溫度。通過多因素分析，得出對(duì)鍋爐入口循環(huán)氣體溫度影響程度從大到小依次為焦炭燒損率、循環(huán)氣體氣料比，而導(dǎo)入空氣帶入熱、焦粉帶出熱以及干熄爐和一次除塵器表面散熱可忽略不計(jì)，進(jìn)而得到簡(jiǎn)化的鍋爐入口循環(huán)氣體溫度計(jì)算公式，該簡(jiǎn)化公式可以滿足干熄焦工程設(shè)計(jì)的要求。