在國內(nèi)能源短缺、環(huán)境污染狀態(tài)下，為響應(yīng)國家綠色生產(chǎn)政策的號召，近些年，國內(nèi)焦化廠引進多種節(jié)能環(huán)保新技術(shù)。其中，干熄焦工藝技術(shù)因具有節(jié)能、環(huán)保及提高焦炭質(zhì)量等優(yōu)點，而備受煉焦生產(chǎn)企業(yè)的青睞。

干法熄焦(cokedryquenching，CDQ)是利用惰性氣體將1000℃左右的紅焦降溫冷卻，紅焦從干熄爐頂裝入自上而下運動，低溫惰性氣體由干熄爐底部鼓入自下而上運動。在干熄爐冷卻段紅焦層內(nèi)，紅焦被惰性氣體逐漸冷卻，溫度降至250℃以下后由爐底排出。同時，惰性氣體(或廢煙氣)被加熱到800℃左右，從干熄爐斜道口經(jīng)過一次除塵器后進入干熄焦鍋爐，在鍋爐中，水被熱氣流加熱產(chǎn)生蒸汽，同時氣體被冷卻到180℃左右，再經(jīng)二次除塵器由循環(huán)風機重新送入干熄爐內(nèi)循環(huán)使用。

干熄焦工藝系統(tǒng)主要由紅焦運輸系統(tǒng)、裝入裝置、干熄爐、布風裝置、排出裝置、一次除塵器、鍋爐、二次除塵器、循環(huán)風機和熱管換熱器等組成，干熄焦工藝氣體循環(huán)系統(tǒng)的主要工業(yè)裝置如圖1所示。

系統(tǒng)阻力計算方法

系統(tǒng)阻力決定著干熄焦工藝運行各處壓力分布情況，從而影響干熄焦的運行穩(wěn)定性和生產(chǎn)經(jīng)濟性，通過阻力計算，更合理地確定循環(huán)風機型號，有利于穩(wěn)定操作和安全生產(chǎn)。干熄焦工藝系統(tǒng)采用循環(huán)氣體的閉路循環(huán)，系統(tǒng)阻力計算即為確定氣體管道各結(jié)構(gòu)單元的流體動力學阻力。按照惰性氣體進入干熄爐后的流經(jīng)順序，由干熄爐內(nèi)部(爐內(nèi)送風裝置－冷卻段焦炭層－斜道－環(huán)形風道)→一次除塵器→鍋爐→二次除塵器→循環(huán)風機→熱管換熱器進行計算。

循環(huán)氣體由干熄爐底部布風裝置分別從中央和四周進入上方冷卻區(qū)，經(jīng)過焦炭床層至斜道附近，流股分流從周圍斜道流至環(huán)形風道重新匯集，而后出環(huán)形風道離開干熄爐。此部分的阻力計算分為布風區(qū)、冷卻區(qū)、斜道和環(huán)形風道區(qū)(以下簡稱氣道區(qū))，公式計算結(jié)果單位Pa。

(1)布風區(qū)

布風裝置由中央風帽和周邊風環(huán)組成布風量依現(xiàn)場經(jīng)驗常按中央風帽：周邊風環(huán)＝6:4計算。同時，在阻力計算中，兩部分等同于并聯(lián)管路，布風裝置的總阻力等于中央風帽阻力損失亦等于周邊風環(huán)阻力損失。所以，在此僅需計算循環(huán)氣體經(jīng)過中央風帽的阻力損失，計算公式如下：

式中：ξ為風帽阻力系數(shù)，可取10~25；ρ為氣流工況平均溫度下的密度，kg/m³(按熱風溫度查取)；v為氣流工況下實際流速，m/s。其中，風帽阻力系數(shù)可通過實驗和數(shù)值模擬得到，任中等曾利用實驗裝置對集中風帽的阻力系數(shù)進行實驗研究，結(jié)果表明不同風帽的阻力系數(shù)有一定差異，宋波等曾對干熄爐內(nèi)中央布風的風帽布風采用計算流體力學商業(yè)軟件進行數(shù)值模擬，研究了橢圓、高和低三種風帽阻力系數(shù)。

(2)冷卻區(qū)

循環(huán)氣體在冷卻區(qū)內(nèi)的阻力計算，主要是求取氣體流經(jīng)每米焦炭層的壓力損失，相關(guān)經(jīng)驗公式如下：

式中：μ為氣流動力粘度，m²/s；ω為標況下氣體的空爐流速，m/s；s為料層自由流通截面積，m²；V為單位容積焦炭層內(nèi)空隙容積，m³/m³，所計算的阻力與焦塊平均直徑、填充系數(shù)和焦炭顆粒間氣道當量直徑有關(guān)，受焦炭顆粒尺寸和布料情況影響。

式中：λ為阻力系數(shù)，與雷諾數(shù)有關(guān)，湍流和層流有所不同，de為焦炭顆粒之間所形成的氣道當量直徑，m；ε為填充系數(shù)，可取0.4其中；de取決于焦塊形狀系數(shù)、填充系數(shù)和焦塊平均直徑，此公式由H.M.雅瓦良柯夫提出，計算得到的工業(yè)裝置循環(huán)氣體流經(jīng)每米焦炭層時阻力為363Pa。

式中：L為床層高度，m；A，B為Ergun常數(shù)，ε為床層填充系數(shù)；?_s為形狀系數(shù)，取0.2-0.4，d_p為顆粒直徑，Ergun常數(shù)A，B對于流體(如CO₂、N₂、CH₄和H₂等)通過各種大小的球、沙子及研磨的炭粒可分別取為150和1.75(由640次實驗總結(jié)得到)。由于Ergun公式主要適用于球形顆粒、細沙和細炭粒等，對于非球形顆粒的計算存在誤差。宋波等人運用CFD商業(yè)軟件對實驗干熄爐冷卻段焦炭床層的壓降進行了數(shù)值模擬，得出結(jié)論，當實際焦炭作為介質(zhì)時，A值的影響可以忽略，B值修正后宜取2.0-2.2。

④根據(jù)前蘇聯(lián)國立焦化設(shè)計院資料中干熄焦裝置的實際操作數(shù)據(jù)，循環(huán)氣體在焦炭層中的流動阻力系數(shù)為286，對應(yīng)的干熄爐阻力為2000~3000Pa。此經(jīng)驗數(shù)據(jù)，隨著干熄爐近幾十年的發(fā)展，應(yīng)用于目前的干熄爐工程偏低，誤差相對較大。

(3)氣道區(qū)

氣道包括斜道和環(huán)形風道兩部分，可根據(jù)流體力學在管網(wǎng)內(nèi)流動阻力計算方法，分別計算出各環(huán)節(jié)的沿程阻力損失和局部阻力損失。求沿程阻力損失時，需根據(jù)沿程阻力損失系數(shù)、流經(jīng)管程和流通截面面積來計算。求局部阻力時，需根據(jù)氣體流速、斷面情況和分流匯流等，查局部阻力系數(shù)表獲得局部阻力系數(shù)。其中，斜道區(qū)的阻力計算，需要考慮斜道入口附近的焦炭堆積，氣體通過此段焦炭層的阻力損失是斜道區(qū)氣體阻力損失的主要部分。環(huán)形氣道部分的阻力計算，可視作管路，按照氣體流經(jīng)管路的局部阻力損失計算，局部阻力系數(shù)可通過數(shù)值模擬和工業(yè)試驗獲得。

干熄焦工藝系統(tǒng)中一次除塵器主要分離粗顆粒焦粉，多采用中間擋墻的重力除塵裝置。從干熄爐出來的氣體流經(jīng)一次除塵器，氣體可繞過擋墻由一次除塵器右端流入干熄焦鍋爐內(nèi)，大顆粒焦粉則由一次除塵器底部拋出。此部分的氣體阻力計算，可將一次除塵器視為異型管路，公式如下。

式中：ξ′為一次除塵器阻力系數(shù)；L′為一次除塵器總長(橫向長度)，m；d′為一次除塵器沉降深度，m。一次除塵器阻力系數(shù)，可通過實驗和數(shù)值模擬得到，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，氣體在一次除塵器的阻力損失一般不大于300Pa。

干熄焦鍋爐、二次除塵器(主要分離細顆粒焦粉，多采用旋風除塵裝置)和熱管換熱器，可根據(jù)設(shè)計資料計算氣體阻力。一般情況下，干熄焦鍋爐氣體阻力損失不大于900Pa，二次除塵器的不大于1250Pa，熱管換熱器的不大于800Pa。

干熄焦工藝各工業(yè)裝置之間由管路進行連接，主要有鍋爐和二次除塵器之間、二次除塵器和風機之間、風機和熱管換熱器之間的管路。管路內(nèi)氣體阻力損失按照氣體流體動力學理論計算，由氣體流經(jīng)管路的具體情況確定，需要注意連接的非常規(guī)非規(guī)則的管段近似計算，計算公式如下。

式中：k為阻力系數(shù)。

根據(jù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的阻力計算結(jié)果，以預存室裝焦孔處壓力值－30~－50Pa為參考壓力，推算出系統(tǒng)各點的壓力值，獲得風機前后的壓力大小。

推算壓力大小，需要考慮上氣體流動過程和干熄爐預存段的熱浮力，即當循環(huán)氣體上升時，計算阻力減去浮力的差值，當循環(huán)氣體下降時，求取阻力和浮力的加和，浮力計算公式如下：

式中：H為高度差，m；ρ_k為氣體在大氣溫度下的密度，kg/m³；tk為大氣溫度，℃；g為重力加速度，9.8m²/s。

循環(huán)風機前后的風壓取決于系統(tǒng)阻力，風機總風壓由阻力計算得到的風機吸入口和排出口壓力來確定，其設(shè)計值可在計算基礎(chǔ)上乘以一定的富裕系數(shù)。

系統(tǒng)壓力調(diào)控方法

干熄焦工程運行中，由于焦炭質(zhì)量的差異和爐內(nèi)布料等實際情況，系統(tǒng)會出現(xiàn)預存段壓力波動、局部焦炭漂浮和排焦溫度高等問題。可以通過以下幾種方法進行調(diào)控。

(1)調(diào)換料鐘

干熄焦的裝入裝置多采用料鐘式布料器，料鐘位于裝入裝置料斗的下部。合適的料鐘規(guī)格和安設(shè)位置，有助于焦炭顆粒更均勻地進入干熄爐內(nèi)，防止裝入焦炭粒徑偏析和料位高差大，從而保證循環(huán)氣體在干熄爐內(nèi)的換熱效果和排焦溫度的均勻。同時，適合的料鐘大小及調(diào)整安設(shè)位置高度，可以改善焦炭在爐內(nèi)的分布，減少循環(huán)氣體量，尤其是在焦炭質(zhì)量較差的情況下。

(2)斜道區(qū)優(yōu)化

干熄爐內(nèi)斜道區(qū)域，循環(huán)氣體流速較大，是最容易發(fā)生焦炭浮起的地方。斜道主要是將與紅焦對流換熱后的循環(huán)氣體引入上方環(huán)型風道，斜道上設(shè)置調(diào)節(jié)磚保證氣流分流的分配均勻性。一旦斜道區(qū)出現(xiàn)浮焦，焦炭就會堵塞斜道，造成循環(huán)氣體系統(tǒng)各處壓力的異常，嚴重會影響干熄焦的正常生產(chǎn)。尤其是焦炭堵塞嚴重時，可適當調(diào)整局部調(diào)節(jié)磚數(shù)量來改善氣流的分布情況，減緩流速。同時，可采用雙斜道替代傳統(tǒng)單斜道設(shè)計，降低焦炭在斜道上的堆積高度，改善焦炭浮起的問題。

(1)調(diào)節(jié)布風

當爐內(nèi)焦炭存在偏析現(xiàn)象時，需合理調(diào)整干熄爐內(nèi)循環(huán)冷卻氣體的分配比例，可適當?shù)卣{(diào)整中央風帽和周邊風道的閥門開度，從而改善氣流的分布，當系統(tǒng)運行出現(xiàn)問題時，需調(diào)節(jié)風機以嚴格控制循環(huán)風量的增加速度，使循環(huán)風量與排焦量相匹配，改善爐內(nèi)換熱效果和系統(tǒng)壓力。

(2)調(diào)節(jié)空氣導入和放散氣體量

當系統(tǒng)出現(xiàn)壓力不穩(wěn)定時，可通過調(diào)節(jié)空氣導入量和風機后放散量，在一定時間內(nèi)調(diào)控系統(tǒng)壓力，穩(wěn)定系統(tǒng)的運行。

結(jié)語

干熄焦工藝系統(tǒng)中工業(yè)裝置管網(wǎng)的循環(huán)氣體阻力計算方法有兩種。一是基于流體力學基礎(chǔ)的阻力計算，包括沿程阻力損失和局部阻力損失，其中阻力系數(shù)的確定可根據(jù)工業(yè)試驗得到，二是結(jié)合數(shù)值模擬的仿真計算，常采用CFD等模擬軟件，依據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行工藝參數(shù)進行模擬，得到氣體的壓降和阻力結(jié)果，可利用模擬的結(jié)果。來修正通過理論計算和工業(yè)試驗得到的經(jīng)驗(計算)公式，將二種方法結(jié)合起來運用，得到更貼近實際的結(jié)果，對于干熄焦工程運行時的諸多問題，可通過調(diào)節(jié)焦炭進入爐內(nèi)的料層分布、循環(huán)氣體分配均勻性和風料比等方式(如改善料鐘和斜道設(shè)計，調(diào)節(jié)布風、空氣導入量、放散量等)，來調(diào)控系統(tǒng)壓力分布。