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(1.馬鋼股份有限公司煤焦化公司,馬鞍山 243000;2.馬鋼股份有限公司,馬鞍山 243000)
摘 要:高爐的大型化改造對焦爐提出對應的保供要求,馬鋼異地大修建設4座最新的 JNX2-70-2 型7 m焦爐,實現了北區 4 700 m3高爐自產焦平衡,大幅降低了物流調度成本。介紹了馬鋼 7m焦爐工程爐體、關鍵裝備特點以及工程建設中馬鋼同步開展的綠色節能、智慧制造自主創新技術應用實踐情況, 可為合理優選焦化主力爐型與裝備提供有益的技術參考。
關鍵詞:高爐大型化;7 m焦爐;智慧制造
1 前言
馬鋼于1958年5月17日成立焦化廠,1960年6月6日第一座、國內第一版58-I型焦爐建成投產;1990年國內以第一代雙集氣管6 m焦爐(日本M式焦爐轉化設計)建成;2003年3月31日國內國產化率首次達到85%以上的國產化干熄焦示范工程在馬鋼建成投產;2007年1月13日,國內第一版Uhde7.63設計轉化焦爐建成投產。在焦爐機械化、大型化、自動化、清潔環保方面,馬鋼一直努力走在新技術探索實踐的前沿。十四五期間,馬鋼連續淘汰了4.3 m、5.0 m焦爐4座,并根據南北區高爐冶金焦需求,在與高爐配套布局方面做了優化,更新建設了最新版本的JNX2-70-2型7 m焦爐,實現北區4 700 m3高爐自產焦平衡,大幅降低了物流調度成本。馬鋼煉焦工序分為南北2個生產區域,優化后的煉焦系統擁有焦爐8座,其中南區6 m焦爐、7 m焦爐各2座,北區7.63 m焦爐、7 m焦爐各2座,配置8套干熄焦裝置及6套發電系統,焦炭產能為530萬t。表1為馬鋼 現有焦爐爐型一覽表。
自產冶金焦炭主要滿足南區2座2 500 m3 、北區2座4 700 m3 高爐,而1座3 200 m3 高爐主要使用外購焦炭一類冶金焦,自產焦缺口仍有160萬t/a。
2 馬鋼7 m焦爐工程
2.1 原料儲備
南區建設20個原料煤筒倉,儲煤能力16萬t,北區建設26個原料煤筒倉,儲煤能力20萬t。馬鋼開展了新型一體拖式定量給料機皮帶秤技術的開發與應用,實現了焦爐原料煤儲存與精確配煤一體化功能,其中小配比煤種配量精度達到小于±0.4%。
2.2 焦爐爐型選擇與產能
選擇中冶焦耐工程公司JNX2-70-2型焦爐,該爐型炭化室寬530 mm、炭化室全長18 640 mm、中心距1 500 mm、有效容積(熱)63.67 m3,單孔炭化室裝煤量(干)為47.12 t,單孔焦量增加12.5%。南北區2組4座焦爐均采用2×50孔配置,爐組產能為110~120萬t,配套采用2×140 t/h干熄焦及9.81 MPa干熄焦鍋爐,實現焦爐爐組全干熄焦作業。
2.3 焦爐爐體
蓄熱室沿焦爐機焦側方向分成18格分格、高爐煤氣及空氣下調、空氣與高爐煤氣分段供入、雙聯火道、廢氣循環、焦爐煤氣下噴的復熱下調式焦爐。立火道跨越孔采用八邊形結構,保證了跨越孔整體結構強度,增強了燃燒室的靜力強度,延長了焦爐使用壽命。煤氣與空氣道設在立火道隔墻中,高向分為二段,保證燃燒均勻,達到源頭控硝的效果。小煙道頂部設置可調箅子孔,增加了燃燒室長向的氣流分布調節的手段。第一次嘗試在炭化室爐頭及裝煤口部位采用抗氧化、高熱震穩定性能的紅柱石磚,有效延長了爐體壽命。采用厚度為95 mm的炭化室墻壁,可以提高炭化室結焦速度,降低立火道溫度,進一步降低焦爐廢氣中NOx的產生,減少對大氣的污染。
2.4 焦爐關鍵設備
裝煤采用無煙裝煤車+單孔炭化室壓力控制技術的組合方案實現無煙裝煤;焦爐設有出焦除塵地面站、機側爐頭煙塵水封式除塵地面站;采用上升管余熱回收技術回收荒煤氣部分顯熱;同步建設煙道氣脫硫脫硝裝置。焦爐機械可實現無人操作,有人值守。焦爐爐溫實現自動檢測與智能化無人化調節控制。
2.5 工程建設工期
第一座7 m焦爐(新1# 爐)2019年11月21日開始動工,4座焦爐連續動工,至2022年12月3日最后1座7 m焦爐(9# 焦爐)投產,焦爐工期:新1# 焦爐19月28天、新2# 焦爐18月26天、10# 焦爐15月10天、9# 焦爐15月16天,焦爐爐組達產86爐/日,時間為22天左右。其中以10# 焦爐為例,見圖1。
新建7 m焦爐達產后,單孔焦量達到36 t,其中北區7 m焦爐的建成實現了北區大高爐自產焦平衡,南區7 m焦爐替代原有小型焦爐,形成了重要的自產焦資源支撐。
3 馬鋼7 m焦爐工程建設中自主創新技術應用實踐
按照焦爐大型化、清潔化、智能化發展規劃,馬鋼在焦爐建設中,重點在荒煤氣余熱利用、爐溫精準調節與智能調控、車輛自動化/無人化、干熄爐爐體長壽命等多項技術方面開展了創新實踐。
3.1 荒煤氣顯熱回收利用
馬鋼與技術合作方研發一種夾套型上升管蒸發器結構系統,在7 m以上頂裝焦爐工業化試驗,實現了荒煤氣顯熱高效回收。夾套型上升管蒸發器結構見圖2。
上升管蒸發器結構為夾套型,整體合金為無縫鋼管,換熱器內管壁受熱面經過特殊工藝處理涂覆有LED保護層,內壁采用耐腐蝕和耐高溫的材料,解決了上升管內壁在耐腐蝕(氧化、還原、H2S酸化等)和耐高溫方面存在的問題;內壁表面均勻光滑,無死角,不易凝結,從而盡可能地降低了焦油在內壁的凝結;上升管換熱器進水管路采用分組、梯級管徑配置,保證了每個上升管換熱器進出水量相對平均,一定程度上均衡了上升管進出口荒煤氣的溫差。
上升管荒煤氣余熱利用技術在馬鋼投產的南北區7 m焦爐全部應用,所產蒸汽品質由0.8 MPa提高至1.4 MPa,噸焦產氣量達到100 kg,可安全并入蒸汽網為多用戶使用。
3.2 焦爐爐溫自動檢測與爐溫智能調控系統
3.2.1 紅外線測溫系統的研發
該系統通過XTIR-F915紅外光纖測溫儀準確測量焦爐立火道的溫度,并根據溫度變化趨勢,瞬時調節暫停加熱時間,從而達到精確調節燃燒室溫度,提高爐溫均勻性,并有效降低焦爐耗熱量的目的。紅外測溫系統示意圖見圖3。馬鋼7.63 m焦爐自動加熱和溫度檢測系統見圖4。
3.2.2 爐溫智能調控技術研究與應用
針對2-1串序焦爐,生產爐與檢修爐溫差很大,1個單循環周期爐溫波動大,而國內大型焦爐爐溫有自動檢測、爐溫反饋調節滯后嚴重的問題。
馬鋼在7 m焦爐建立爐溫精細化控制模型以及2-1串序焦爐溫度預先調節方法,應對環境溫度與原料水分變化、焦爐生產所處的時間段實際檢測溫度與理想曲線的滯差,預先精確調控煉焦過程暫停加熱時間幅度,實現焦爐爐溫智能預先自動調控,從而實現焦爐加熱達到最佳燃燒狀態。焦爐溫度預先調節與原反饋調節曲線效果區別見圖5。
該項技術應用后,焦爐標準溫度精確度提高1倍,焦爐立火道測溫誤差不大于±2 ℃,高向加熱改善,焦餅高向成熟均勻性提高,煉焦耗熱量下降約100 kJ/kg(干煤);同時焦爐煙道氣NOx的含量由800~1 000 mg/m3 降低到400 mg/m3 左右(焦爐煤氣加熱)。7 m焦爐最短結焦時間達到24.5 h,與寶鋼湛江基地65孔焦爐相當;K均≥0.92,煉焦耗熱量小于2 500 kJ/kg(BFG),達到同類型焦爐標桿水平。
3.3 焦爐煙氣脫硫脫硝技術
3.3.1 南區7 m焦爐采用干法脫硫+陶瓷纖維復合濾筒除塵一體化技術
干法脫硫+陶瓷纖維復合濾筒除塵一體化技術工藝流程見圖6。因南區焦爐化產單元沒有硫銨車間,為避免造成副產物處置困難,并結合工程占地、投資費用、可靠性和運行業績等因素綜合考慮,7 m焦爐最終采用干法脫硫+陶瓷纖維復合濾筒除塵一體化技術。
干法脫硫+陶瓷纖維復合濾筒除塵一體化技術脫硫效率達到85%以上,脫硝效率達到75%以上,除塵效率高達99%以上,整個系統溫降可以控制在20 ℃以內,分獨立倉室設計,可以分倉室離線檢修,避免了焦爐不能停爐、環保設施需要檢修時不達標排放的問題。
3.3.2 北區7 m焦爐配套采用活性焦脫硫脫硝一體化技術
焦爐采用活性焦脫硫脫硝工藝。馬鋼7 m焦爐后續化產單元設有硫銨車間,活性焦脫硫脫硝工藝再生過程中產生的高濃度SO2氣體(SO2含量5%~10%)可用硫銨工藝吸收產生硫酸銨溶液,脫硫脫硝副產物不產生二次污染,且活性焦脫硫脫硝工藝催化劑可循環使用,活性焦脫硫脫硝工藝流程見圖7。
馬鋼活性焦脫硫脫硝裝置能夠將焦爐煙氣中的粉塵與SO2脫除至1mg/Nm3 以下,NOx脫除至50 mg/Nm3以下,達到國家的超低排放要求。脫硫脫硝前后數據對比見表2。
3.3.3 干熄焦放散氣脫硫裝置采用碳酸氫鈉(SDS) 干法脫硫技術
目前各放散氣脫硫裝置運行穩定。SDS干法脫硫具有占地面積小、建設周期短、運行成本低等優點。干熄焦放散氣設施投用前后數據對比見表3。從表3可以看出,3# 干熄焦放散氣脫硫裝置投用以后,SO2濃度由73.36 mg/Nm3降低到21.54 mg/Nm3,能夠有效降低干熄焦煙氣中SO2濃度,達到國家的超低排放要求。
3.4 7 m焦爐機車無人化技術
3.4.1 裝煤系統無人化
馬鋼設計出一種無人精確統計平煤量的裝置、系統及方法,利用推焦機行動軌跡解決了余煤何時稱重的問題。開發了一種煤塔與裝煤車無人智能化聯鎖裝置及系統,如圖8所示,有效實現了裝煤過程無人化。
3.4.2 推焦機系統無人化
推焦機無人出焦系統見圖9。推焦機無人出焦系統包括推焦機連接的協調系統、推焦計劃系統、上升管系統、焦爐爐門服務系統、用于在接收到余煤提升信號后將余煤提升至煤塔的余煤提升系統和用于在爐門打開后進行除塵的除塵系統。推焦機無人出焦系統可以實現出焦過程的無人化及智能化控制。
3.4.3 焦爐機車自動定位系統總體設計
設計了適合馬鋼的焦爐機車自動定位系統: 旋轉編碼器、線性編碼器、讀碼頭、碼牌、高速計數器模塊、變頻器等核心部件。自動定位的工作流程如下。粗定位:旋轉編碼器;精定位:碼牌;定位交叉確認:線性編碼器。多管齊下確保機車定位的可靠性和安全性。自動定位的工作流程見圖10。
除推焦機、裝煤車外,還有其他機車及系統, 均需完成各自的單體設備及系統的無人化/智能化操作,包括確認好各自對外的通訊協議與接口,調整好無人化生產時外圍設施如機車軌道、安全防衛措施等。目前馬鋼7 m焦爐熄焦車、攔焦機已完全實現無人化,裝煤車、推焦機等車輛正在研發調試階段。
3.5 全焦集裝箱智能化環保運送
創新全焦集裝箱智能化環保運送新模式,實現全焦集裝箱運卸流程自動化運行,生產作業效率提升30%,運送過程實現全封閉,可杜絕粉塵逸散,可降低高爐槽下外排焦丁、焦粉量約10%,高爐冶金焦利用率明顯提升。
3.6 干熄焦系統爐體及關鍵設備裝置技術自主改進
3.6.1 干熄爐新型抗氧化、高強度紅柱石牛腿磚開發
紅柱石斜道支柱磚理化性能設計指標如表4所示。紅柱石斜道支柱磚主要原料品種功能:紅柱石增強了骨架強度,可有效提高熱震性能;高純電熔莫來石可有效吸收紅柱石轉化階段膨脹,提高熱震與抗折強度;板狀剛玉替代原碳化硅粉的組分,可有效提高抗氧化性能;納米級α- Al2O3材料,可有效改善高溫液相燒結過程,促進穩定晶格生成。紅柱石磚已在7 m焦爐配套140 t/h干熄焦爐體成套應用,解決了斜道支柱易損壞的難題,使用壽命由2年延長至4年以上。
3.6.2 自動化分級調節干熄爐給水預熱器開發
針對干熄爐關鍵設備給水預熱器低溫區酸露點腐蝕導致的壽命不達2.5年的問題,馬鋼根據干熄焦運行負荷的變化,設計一種與負荷自適應調節的給水預熱器,改造為3層獨立結構,采用滲鋁工藝ND耐蝕鋼,增加耐磨、抗硫化物腐蝕,改變逆流換熱流程為順流換熱流程,增加水流量自動調節,實現與負荷變動一致的換熱能力自動控制,避免了低溫腐蝕。自動化分級調節的給水預熱器管線流程見圖11。
自動化分級調節干熄爐給水預熱器設備運行穩定,主要溫度控制點抗外部干擾能力強,自動調節范圍寬,調節精度高;各主要溫度控制點達到設計的控制目標,循環氣體干熄爐入口溫度控制在130±5 ℃,給水預熱器出口水溫低于100 ℃,排焦溫度≤180 ℃。
4 結語
(1)JNX2-70-2型7 m焦爐在馬鋼南北區的運行效果表明,焦爐22天達到設計產能,單孔焦量達到36 t,實現了北區大高爐自產焦平衡,南區形成重要的自產焦資源支撐。
(2)馬鋼7 m焦爐最短結焦時間達到24.5 h,與寶鋼湛江基地65孔焦爐相當;K均≥0.92,煉焦耗熱量小于2 500 kJ/kg(BFG),達到同類爐型先進水平;焦炭強度好、塊度均勻、揮發分小。
(3)馬鋼在7 m焦爐自動化、智能化操作高水平的基礎上,堅持與建設同步開展實施新技術、新材料、新裝置、全干熄的創新實踐,實現了爐溫智能化控制調節、車輛“一鍵操作”向“無人化”轉變以及干熄焦的長周期穩定。
(4)馬鋼焦爐達標排放,達到行業創建A級企業鑒定,達到環保超低限排放標準。7 m焦爐是介于6 m與7.63 m之間的優化成熟爐型,對于比較重視高爐原料品質支持的鋼鐵聯合企業來說,該爐型是多數專家的優選主力爐型。
(5)焦化行業在主動落實“碳達峰、碳中和”要求,加快淘汰落后爐型,轉型升級大型化、智能化焦爐,探索實踐智能化煉焦新途徑,在綠色發展節能減排方面已取得新突破,不過仍然任重道遠。