在國(guó)內(nèi)能源短缺、環(huán)境污染狀態(tài)下，為響應(yīng)國(guó)家綠色生產(chǎn)政策的號(hào)召，近些年，國(guó)內(nèi)焦化廠(chǎng)引進(jìn)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(diǎn)，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(yùn)動(dòng)，低溫惰性氣體由干熄爐底部鼓入自下而上運(yùn)動(dòng)。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(shí)，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(guò)一次除塵器后進(jìn)入干熄焦鍋爐，在鍋爐中，水被熱氣流加熱產(chǎn)生蒸汽，同時(shí)氣體被冷卻到180℃左右，再經(jīng)二次除塵器由循環(huán)風(fēng)機(jī)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(yùn)輸系統(tǒng)、裝入裝置、干熄爐、布風(fēng)裝置、排出裝置、一次除塵器、鍋爐、二次除塵器、循環(huán)風(fēng)機(jī)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(jì)算方法

系統(tǒng)阻力決定著干熄焦工藝運(yùn)行各處壓力分布情況，從而影響干熄焦的運(yùn)行穩(wěn)定性和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)阻力計(jì)算，更合理地確定循環(huán)風(fēng)機(jī)型號(hào)，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(jì)算即為確定氣體管道各結(jié)構(gòu)單元的流體動(dòng)力學(xué)阻力。按照惰性氣體進(jìn)入干熄爐后的流經(jīng)順序，由干熄爐內(nèi)部(爐內(nèi)送風(fēng)裝置－冷卻段焦炭層－斜道－環(huán)形風(fēng)道)→一次除塵器→鍋爐→二次除塵器→循環(huán)風(fēng)機(jī)→熱管換熱器進(jìn)行計(jì)算。

循環(huán)氣體由干熄爐底部布風(fēng)裝置分別從中央和四周進(jìn)入上方冷卻區(qū)，經(jīng)過(guò)焦炭床層至斜道附近，流股分流從周?chē)钡懒髦镰h(huán)形風(fēng)道重新匯集，而后出環(huán)形風(fēng)道離開(kāi)干熄爐。此部分的阻力計(jì)算分為布風(fēng)區(qū)、冷卻區(qū)、斜道和環(huán)形風(fēng)道區(qū)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)氣道區(qū))，公式計(jì)算結(jié)果單位Pa。

(1)布風(fēng)區(qū)

布風(fēng)裝置由中央風(fēng)帽和周邊風(fēng)環(huán)組成布風(fēng)量依現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)常按中央風(fēng)帽：周邊風(fēng)環(huán)＝6:4計(jì)算。同時(shí)，在阻力計(jì)算中，兩部分等同于并聯(lián)管路，布風(fēng)裝置的總阻力等于中央風(fēng)帽阻力損失亦等于周邊風(fēng)環(huán)阻力損失。所以，在此僅需計(jì)算循環(huán)氣體經(jīng)過(guò)中央風(fēng)帽的阻力損失，計(jì)算公式如下：

式中：ξ為風(fēng)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(fēng)溫度查取)；v為氣流工況下實(shí)際流速，m/s。其中，風(fēng)帽阻力系數(shù)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得到，任中等曾利用實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)集中風(fēng)帽的阻力系數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明不同風(fēng)帽的阻力系數(shù)有一定差異，宋波等曾對(duì)干熄爐內(nèi)中央布風(fēng)的風(fēng)帽布風(fēng)采用計(jì)算流體力學(xué)商業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了橢圓、高和低三種風(fēng)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(jì)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(yàn)公式如下：

式中：μ為氣流動(dòng)力粘度，m²/s；ω為標(biāo)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(jì)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(dāng)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(dāng)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(jì)算得到的工業(yè)裝置循環(huán)氣體流經(jīng)每米焦炭層時(shí)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(duì)于流體(如CO₂、N₂、CH₄和H₂等)通過(guò)各種大小的球、沙子及研磨的炭?？煞謩e取為150和1.75(由640次實(shí)驗(yàn)總結(jié)得到)。由于Ergun公式主要適用于球形顆粒、細(xì)沙和細(xì)炭粒等，對(duì)于非球形顆粒的計(jì)算存在誤差。宋波等人運(yùn)用CFD商業(yè)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)干熄爐冷卻段焦炭床層的壓降進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出結(jié)論，當(dāng)實(shí)際焦炭作為介質(zhì)時(shí)，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(guó)立焦化設(shè)計(jì)院資料中干熄焦裝置的實(shí)際操作數(shù)據(jù)，循環(huán)氣體在焦炭層中的流動(dòng)阻力系數(shù)為286，對(duì)應(yīng)的干熄爐阻力為2000~3000Pa。此經(jīng)驗(yàn)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(duì)較大。

(3)氣道區(qū)

氣道包括斜道和環(huán)形風(fēng)道兩部分，可根據(jù)流體力學(xué)在管網(wǎng)內(nèi)流動(dòng)阻力計(jì)算方法，分別計(jì)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(shí)，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(lái)計(jì)算。求局部阻力時(shí)，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(jì)算，需要考慮斜道入口附近的焦炭堆積，氣體通過(guò)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(jì)算，可視作管路，按照氣體流經(jīng)管路的局部阻力損失計(jì)算，局部阻力系數(shù)可通過(guò)數(shù)值模擬和工業(yè)試驗(yàn)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(lái)的氣體流經(jīng)一次除塵器，氣體可繞過(guò)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(jì)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(zhǎng)(橫向長(zhǎng)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(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得到，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，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(xì)顆粒焦粉，多采用旋風(fēng)除塵裝置)和熱管換熱器，可根據(jù)設(shè)計(jì)資料計(jì)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(jìn)行連接，主要有鍋爐和二次除塵器之間、二次除塵器和風(fēng)機(jī)之間、風(fēng)機(jī)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(dòng)力學(xué)理論計(jì)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(jì)算，計(jì)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(jì)算結(jié)果，以預(yù)存室裝焦孔處壓力值－30~－50Pa為參考?jí)毫Γ扑愠鱿到y(tǒng)各點(diǎn)的壓力值，獲得風(fēng)機(jī)前后的壓力大小。

推算壓力大小，需要考慮上氣體流動(dòng)過(guò)程和干熄爐預(yù)存段的熱浮力，即當(dāng)循環(huán)氣體上升時(shí)，計(jì)算阻力減去浮力的差值，當(dāng)循環(huán)氣體下降時(shí)，求取阻力和浮力的加和，浮力計(jì)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(fēng)機(jī)前后的風(fēng)壓取決于系統(tǒng)阻力，風(fēng)機(jī)總風(fēng)壓由阻力計(jì)算得到的風(fēng)機(jī)吸入口和排出口壓力來(lái)確定，其設(shè)計(jì)值可在計(jì)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(yùn)行中，由于焦炭質(zhì)量的差異和爐內(nèi)布料等實(shí)際情況，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)預(yù)存段壓力波動(dòng)、局部焦炭漂浮和排焦溫度高等問(wèn)題?？梢酝ㄟ^(guò)以下幾種方法進(jìn)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(jìn)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(shí)，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(duì)流換熱后的循環(huán)氣體引入上方環(huán)型風(fēng)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(huì)堵塞斜道，造成循環(huán)氣體系統(tǒng)各處壓力的異常，嚴(yán)重會(huì)影響干熄焦的正常生產(chǎn)。尤其是焦炭堵塞嚴(yán)重時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整局部調(diào)節(jié)磚數(shù)量來(lái)改善氣流的分布情況，減緩流速。同時(shí)，可采用雙斜道替代傳統(tǒng)單斜道設(shè)計(jì)，降低焦炭在斜道上的堆積高度，改善焦炭浮起的問(wèn)題。

(1)調(diào)節(jié)布風(fēng)

當(dāng)爐內(nèi)焦炭存在偏析現(xiàn)象時(shí)，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(dāng)?shù)卣{(diào)整中央風(fēng)帽和周邊風(fēng)道的閥門(mén)開(kāi)度，從而改善氣流的分布，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，需調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)以嚴(yán)格控制循環(huán)風(fēng)量的增加速度，使循環(huán)風(fēng)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(dǎo)入和放散氣體量

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)壓力不穩(wěn)定時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)空氣導(dǎo)入量和風(fēng)機(jī)后放散量，在一定時(shí)間內(nèi)調(diào)控系統(tǒng)壓力，穩(wěn)定系統(tǒng)的運(yùn)行。

結(jié)語(yǔ)

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(jì)算方法有兩種。一是基于流體力學(xué)基礎(chǔ)的阻力計(jì)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(yàn)得到，二是結(jié)合數(shù)值模擬的仿真計(jì)算，常采用CFD等模擬軟件，依據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行工藝參數(shù)進(jìn)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(lái)修正通過(guò)理論計(jì)算和工業(yè)試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)(計(jì)算)公式，將二種方法結(jié)合起來(lái)運(yùn)用，得到更貼近實(shí)際的結(jié)果，對(duì)于干熄焦工程運(yùn)行時(shí)的諸多問(wèn)題，可通過(guò)調(diào)節(jié)焦炭進(jìn)入爐內(nèi)的料層分布、循環(huán)氣體分配均勻性和風(fēng)料比等方式(如改善料鐘和斜道設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)布風(fēng)、空氣導(dǎo)入量、放散量等)，來(lái)調(diào)控系統(tǒng)壓力分布。