传统湿法熄焦改为低水分熄焦的生产实践
张 建 石正国 薛利山（内蒙古包钢钢联股份有限公司焦化厂，包头014010)
1 传统熄焦工艺存在的问题
我厂现有10座焦炉，其中5～10号焦炉均已配套干熄焦，而1～4号焦炉仍然沿用开孔管直喷水的湿法熄焦方式，大量的水通过数百个开孔呈柱状喷出，虽然也加有挡板，但熄焦效果依然不好，水量在空间的分布难以达到均匀，更主要的是喷淋水打击力很小，而水与高温焦炭接触后产生大量的蒸汽，一方面造成水的蒸发量大，并带有大量焦粉，污染环境；另一方面使焦炭的水含量和强度不稳定。熄焦时间短时有红焦，长时含水量较高、强度降低，喷孔堵塞也时有发生，给生产操作带来极大不便。
随着熄焦技术的不断发展，低水分熄焦逐渐成为湿法熄焦改进的新型熄焦工艺。针对我厂湿法熄焦的现状，我们对1～4号焦炉进行了低水分熄焦的改造，改造后的系统运行近一年来，效果良好。
2 喷雾低水分熄焦原理
为了减少改造的投资，降低改造的难度，根据1～4号焦炉的具体情况，我厂引用了喷雾低水分熄焦技术，此技术的关键是用美国进口的低压大流量实心喷嘴代替原来管子上的开孔进行喷水熄焦。其熄焦原理是：虽然喷嘴的孔径达50mm，是原管子上开孔孔径的2倍，但总通水面积仅为原来的约1/10。因而在相同的操作条件下，不仅喷水均匀，而且喷水的冲击力大，可以迅速（理论上为10s）实现窒息熄火，然后通过控制喷水量进行降温；同时由于喷水的冲击力大，与蒸汽混合冷却好，使溢出的蒸汽量大为减少，相应减少了补水量。
3 喷淋系统改造与熄焦泵的工艺设计
3.1 喷淋系统的改造
(1) 喷嘴的选择与技术要求。喷嘴是实现喷洒效果的关键。我们根据1、2号熄焦塔的实际情况，通过对喷嘴喷雾中的流量、管道中的摩擦损失、不同管道的水流量与压力降低的对应关系、喷雾角度和覆盖范围、喷雾液滴的大小、冲击力等参数进行了综合分析，并结合影响喷雾喷嘴性能的因素，最终选择5HF-I280型号的实心锥形喷雾喷嘴（见图1)。这种喷嘴属美国Spraying System Co．拥有的专利Spray Quenching（即喷雾熄焦）技术，其技术参数列于表1。
图1 5HF-I280型喷嘴
表1 5HF-I280型喷嘴的参数
|
入口压力
MPa |
喷嘴直径
mm |
总通水面积
m2 |
最大畅通直径
mm |
喷射角度 |
|
0.15 |
52.8 |
0.035 |
28.6 |
84°～96° |
(2) 喷嘴的布置。喷嘴的布置是否合理直接关系到熄焦的效果。我厂1～4号焦炉每炉出焦约12. 6吨，根据熄焦车车体的结构，通过可行性分析，决定在保留原有喷水管不动的前提下，通过采用喷雾系统公司的低压大流量实心喷嘴双排布置进行熄焦。采用16个喷嘴，每排Φ200mm的喷洒支管上布置8个喷嘴，两排喷洒支管的距离为1800mm，喷嘴之间的距离为1700mm，具体情况见图2。
图2 喷嘴布置示意图
(3) 喷洒管道的安装。喷洒管道的安装主要决定于熄焦车体的高度、喷嘴出口水的冲击力度、喷嘴出口水的喷射角度等因素。根据喷嘴合理布置的情况，我们对喷洒管道实施了改造。在保持原有喷洒管道不动的前提下，采用旁路结构布置一条Φ400mm的主管，经原主管的下方700mm处进入熄焦塔，与熄焦塔内的喷洒主管道用法兰对接。这样，在能保证入口压力的前提下，熄焦水通过16个喷嘴以28.64m3/min流量均匀向下喷出，覆盖了熄焦车的上部，喷洒力度大幅提高，最大限度地减少焦炭与空气的接触，压制了焦炭粉尘，同时实现不堵塞、无亮点，达到稳定、降低焦炭水分的目的。
3.2 消火泵管道工艺的设计
(1) 主要参数的确定。根据5HF-I280型喷嘴的技术参数知，喷嘴的入口压力要求大于0.15MPa。在此压力下，单个喷嘴流量为1.79m3/min, 16个共计28. 64m3/min，合计1718m3/h。显然水泵的流量参数应参照1718m3/h而选定。
根据喷洒管道的具体布置，熄焦喷洒总管距泵出口的距离为10580mm。因此熄焦水位能的损失为：
hf1 = 10. 580m
熄焦喷洒总管为Φ400mm的新制作焊接钢管（流体在管道中的摩擦系数为0.016)，由水泵出口至喷洒支管的全长50m，则流体在直管中流动的阻力损失为：
hf2 ＝λ(l /d)(u2/2g) = 0. 016×(50/0.4)(3.82/2×9.81) =2. 944 m
式中的λ为流体在管道中的摩擦系数；l为流体流经管道的总长，m; d为管道的直径，m; u为流体在管路中的流速，m/s; g为重力加速度，m/s2。
熄焦水从水泵出口在主管内共流经3道Φ400mm的逆止阀（每道逆止阀的当量长度为35m),5个Φ400mm的焊接弯头（局部阻力系数为0.175)，它们共产生的局部阻力损失为：
hf3 ＝ λ(3le /d)(u2/2g) +5ζ(u2/2g)
= 0. 016×(3×35/0.4)(3.82/2×9.81)+5×0.175(3.82/2×9.81) = 3.735 m
式中的le为逆止阀的当量长度，m; ζ为管件和阀件的局部阻力系数。
因熄焦水流经Φ200mm的支管距离较短，其产生的阻力损失很小，在此设计中可忽略不计。因此，熄焦水从水泵的出口到熄焦喷洒喷嘴入口的阻力损失总值为：
hf = hfl+hf2+hf3 ＝10.580+2. 944+3.735=17. 259m
(2) 消火泵的选定。参照以上各参数的分析，应用流体力学的基本知识可知，要想满足喷嘴入口的压力达到0.15MPa，则选定水泵的理论扬程为：
H=(P/ρg) +hf =［0.15×106/(1.0×103×9.81)］+17.259 = 32.550m
式中的ρ为熄焦水的密度，kg/m3 。
所以，水泵的扬程最小也得33m。但是考虑工程中存在其他不利因素，按照工程设计的规程，在此次改造中，以扬程为36m作为选取水泵的主要参数。
4 应用效果
通过对传统湿法熄焦的改造，2套喷雾式低水分熄焦工艺陆续在1、2号熄焦塔投入使用。经过近一年的使用，生产实践证明，该技术具有节省投资、改造时间短、效果好、经济效益和社会效益显著等优点。
(1) 焦炭水分的质量分数约3%～4%，比原来的降低了1%～2%，与引进美国的专利技术持平。计算表明，焦炭含水量每降低1%，炼铁焦比就可以降低约1.2%，吨铁成本可降低约6元，具有显著的节能和经济效益。
(2) 熄焦打水时间由130s降低到l00s，缓解了熄焦车的紧张作业情况，为安全、稳定生产提供了保障。
(3) 由于没有焦车底部进水引起的高温焦炭剧烈搅动，焦炭机械损坏少。
(4) 由于喷水既均匀又有力，且可将焦车全覆盖，因此蒸汽中所夹带的焦粉显著减少，既减少了浪费，又控制了粉尘污染，有效改善了附近的操作环境。
(5) 熄焦放散的水蒸汽明显减少，新水的补充量相应可减少20%～40%。
