高辐射覆层技术在焦炉的应用与节能分析

周惠敏1，严文福2，李亮1，刘再亮2，刘常富1，张绍强1，翟延飞1

(1．山东慧敏科技开发有限公司济南250100；2．安徽工业大学马鞍山243002)

摘 要：高辐射覆层技术是由山东慧敏科技开发有限公司自主研发的一项节能减排新技术，在焦炉燃烧室和蓄热室应用该技术可以起到节能减排增效的作用。济钢焦化厂8#焦炉采用了高辐射覆层技术，与未采用高技术的9#焦炉进行比较，热效率提高4．07％，焦饼中心温度提高63℃，炼焦耗热量降低了121．8kJ／kg湿煤(7％H2O)，节能率达到5％，有利于改善焦炭质量，获得了较为明显的经济效益和社会效益，并且该技术已经通过省级科技成果鉴定。

关 键 词：高辐射覆层技术；节能增效；焦炭质量；炼焦耗热量

1 序言

焦化行业不仅消耗钢铁工业10％的一次能源，而且提供钢铁工业70％的二次优质能源，对能源、资源的消耗较大。随着行业的发展和优化升级，焦化行业会在现有的基础上，不断的加大淘汰落后产能和技术改造工作力度，因此节能降耗也将是焦化行业的一个大趋势，会是未来一项十分重要的任务[1-3]。

纳微米高辐射覆层技术是在蓄热体表面涂覆一层具有高发射率的材料，使蓄热体表面具有更强的吸收和辐射热量的能力，提高物体传热效率的节能减排降耗新技术。该技术应用于立火道与炭化室隔墙时，可以提高隔墙表面的发射率，增强隔墙的吸热速度和吸热能力，增加立火道与炭化室的温度梯度，加强立火道向炭化室的热传导，使标准立火道温度下降，节约能源，也可缩短结焦时间；当该技术应用于立火道之间的隔墙时，由于大量吸收的热量不能及时向外传递，能量会改变为1—5μm的波长向内辐射，而鞋一波段的能量极易被立火道与炭化室的隔墙吸收，进一步提高立火道向炭化室的传热。该技术应用于焦炉蓄热室格子砖，提高了蓄热室格子砖的辐射换热效率，从而提高窑炉的统一工作效率。目前，该技术已在济钢和酒钢焦炉进行了工业应用，取得了良好的节能效果，并通过了由山东省科技厅组织的省级科技成果鉴定，得到了与会专家的一致肯定。

2 济钢焦炉节能效果分析

测定过程中要做到二不变、二稳定、二正常，即：结焦时间和配煤比不变；8#炉与9#炉加热制度均相对稳定；炼焦生产和配煤、化产生产均需正常生产。

测试项目。物流：湿煤与焦炭、煤气、各化工产品，漏气率与空气系数。热流：加热煤气量与各物流温度、炉体表面温度。

2．1．2 物料衡算中主要参数测定

①大批量物料煤、焦、煤气等主要物料以实际计量为主。

②小批量物料焦油、粗苯、氨以统计数据为主。

③化合水采用化验分析法。

④采用回归计算式核实成焦率。

K1=94．884－0．7015Vm．d=94．884－0．7015×27．49=75．60％

K2=98．947－0．7159Vm．d－0．0032tk=98．9417－0．7159×27．49－0．0032×1071=75．83％

K3=103．19－0．75Vm．d－0．0067tk=103．19－0．75×27．49×0．0067×1071=75．4％

故成焦率取K=75．61％

⑤物料平衡表以1000kg干煤为计算基准(略)

2．1．3 焦炉热量衡算

 

式中：g—单孔装煤量，t湿／孔；τ—结焦时间，h；N—炉孔数，孔[4-5]

热量入方：加热煤气燃烧热与显热、空气显热、干煤料显热、配煤水显热与不可见耗热量；热量出方：焦炭显热、净煤气显热、焦油潜显热、粗苯潜显热、氨的显热、水的潜显热、废气显热、不完全燃烧热与炉体散热。热量平衡表(略)

2．1．4 焦炉热功评价指标

焦炉测试与计算结果，主要参数比较见表1

 

2．2 焦炉的煤气用量标定

2．2．1 测定概况

2010年10~11月，济钢规划处组织济钢计量处、炼铁厂炼焦车间、山东慧敏科技公司共同对8#焦炉应用高辐射覆层技术的情况进行了标定。

标定期间，加热温度和煤气流量稳定、生产负荷基本接近设计节焦时间，标定准确、有效。

2．2．2 焦炉煤气用量原始数据

 

3 节能诊断分析与讨论

3．1 节能诊断评价

对应用涂覆有高辐射层的“杰能王”节能涂料的8#焦炉和未采用该项技术的9#焦炉，进行全面、科学、细致、认真的对比检测，是成功、有效的。主要技术经济指标比较如下：

①节能效果和节能率

从现场收集的33组班平均数据中可明显看到8#焦炉加热煤气用量明显要低于9#焦炉煤气用量，同时煤气主管压力也符合这一规律。

节能量11620．8－11045．6=575．2m3／h；

节能率575．2／11620．8=4．95％

②热效率与炼焦耗热量的指标比较

炉窑统一效率  8#焦炉η统=70．4％，9#焦炉η统=66．4％，提高了4．0％。

炼焦耗热量  8#焦炉q湿换=2263．0kJ／kg湿煤(7％H2O)  达到特级炉水平

9#焦炉q湿换=2384．8kJ／kg湿煤(7％H2O)  达到二级炉水平

8#焦炉比9#焦炉炼焦耗热量降低了121．8kJ／kg湿煤(7％H2O)，且提高了二个等级，效果十分明显。

③焦炭质量得到提高

在同样的工艺条件下，对8#、9#焦炉分别测定了5孔焦饼中心温度和炭化室墙面温度。

焦饼中心温度提高ΔtJ=1071－1008=63℃

炭化室墙面温度提高ΔtQ=1062－1003=59℃

且两者提高的程度相一致。从肉眼也可看到8#焦炉的焦炭成熟度优于9#焦炉，且肉眼观察炭化室墙面也较亮。这有利于焦炭质量的提高[6]。

3．2 高辐射覆层技术应用分析

3．2．1 焦炉立火道应用高辐射覆层

焦炉燃烧室沿立火道高向四面涂覆了高辐射覆层，焦炉立火道内煤气燃烧是典型同轴流扩散燃烧，传热方式是90%热量以高温辐射为主，10％热量以对流形式，并以传导传热方式通过炉墙将热量传给煤料。

由于涂料发射率提高、耐材表面气孔率降低，使吸热快提高了炉墙吸热能力，故增加了蓄热量与传热量，提高传热推动力。同时两个立火道之间的隔墙涂覆高辐射覆层后，同样增加了炉墙吸热能力，由于热量不能向炉外传递，会以1～5μm的波长向炉内辐射，有利于立火道与炭化室的炉墙吸热。立火道与炭化室隔墙涂覆高辐射覆层后，由于材料的吸收率提高即黑度由普通耐火材料ε固=0．6～0．8增加到ε固=0．9以上，故强化辐射传热，提高燃烧室的表面温度，增加了燃烧室与炭化室的温度梯度，加强了燃烧室与炭化室的热传导。从测定数据可看到：焦饼中心温度与炭化室墙面温度均提高，焦炉加热煤气用量降低，节能率达到5％，效果明显。同时可取得降低标准火道温度和缩短结焦时间的效果，提高了产量，达到了节能降耗目的。

3．2．2 焦炉蓄热室格子砖应用高辐射覆层

焦炉蓄热室格子砖内传热过程是：加热期即下降气流，废气放热给格子砖蓄热；冷却期即上升气流，格子砖放热给冷煤气或空气吸热。格子砖传热上部以辐射为主，对流为辅；中部两者并重；下部以对流为主，辐射为辅。由液压交换机进行蓄热室换向操作，每隔20分钟一次。蓄热室格子砖高辐射覆层涂覆在上部格子砖，使用后强化辐射换热，提高了格子砖表面温度，增加了格子砖内外温度梯度，加强了格子砖内部—表面—气体间的热传导。从而使格子砖在加热期即下降气流时，废气放热速度、放热量增加；冷却期即上升气流时，冷煤气或空气吸热速度、吸热量增加。

总之，从测定数据可明显看到：8#焦炉比9#焦炉废气温度降低了16℃，炉窑统一效率提高4％。同时由于提高了传热量与传热速度，故使空气预热温度提高，焦炉加热煤气用量降低，即降低了炼焦耗热量。

3．3 效益估算

(1)直接经济效益，按节能诊断数据计算

节能量  11620．8－11045．6=575．2m3/h，煤气价格按照天然气比价进行计算

 

年经济效益575．2×24×365×1．24=6248052．48元=624．8万元

因此采用“杰能王”节能涂料后焦炉的投资回收期为5—7个月。

(2)间接经济效益

由于焦炭质量的提高，因此高炉的焦比下降，利用系数提高。

(3)降低CO2排放量

由燃烧反应表可知：1m3焦炉煤气燃烧产生CO2=0．359m3，CO2密度1．96kg／m3

8#焦炉比9#焦炉每小时CO2排放量减少575．2×0．359=206．5m3 CO2／h

则一年CO2排放量减少206．5×1．96×24×365／1000=3546t/年

4 结论

(1)高辐射覆层技术在焦炉上应用后的节能减排效果十分明显，能够产生可观的经济效益和社会效益。

(2)济钢8#号焦炉与9#焦炉相比，热效率提高4．07％，焦饼中心温度提高63℃，炼焦耗热量降低了121．8kJ／kg湿煤(70／H2O)，节能率达到5％。

(3)在济钢焦炉上应用后可产生直接经济效益624．8万元，减少CO2排放量达到3546t／年。

5 技术鉴定

2012年10月，“高辐射覆层技术在焦炉上的应用研究”通过了省级科技成果鉴定。专家组一致认为：高辐射覆层应用于焦炉上，是该技术在工业窑炉应用的进一步延伸和发展，是提高焦炉节能减排增效的一项重要途径，具有较高的推广应用价值。该技术在国内外首次应用于焦炉上，处于国际领先水平。

参 考 文 献：

[1]   严文福，郑明东．焦炉加热调节与节能[M]．合肥：合肥工业出版社出版2005．

[2]   姚昭章，郑明东．炼焦学[M]．北京：冶金工业出版社出版2005．

[3]   Jürgen Kasperczyk．结焦时间和有效炼焦耗热量的估算[J]．1975．60(5)．

[4]   彭荣华，杨明平，李国斌．提高焦炭质量及降低炼焦生产成本的有效途径[J]．煤化工，2002，6(3)．

[5]   中国金属学会．焦炉热平衡测定与计算标准[M]．2007．

[6]   周惠敏，罗时政，严文福．焦炉应用高辐射覆层节能涂料的研究[C]．第十五届焦化学术年会，2010，192—196．