2016化工研究生开题报告:开题报告 研究生

  题目:

  干熄炉耐火材料劣化机理及提高寿命的研究

  一、选题背景

  1.1 课题的提出及意义

  钢铁工业迅猛发展,必然导致焦化企业迅速扩张。据统计,我国XX年焦化企业共生产焦炭33554万t[1],而80%的产量是采用湿法熄焦工艺装置。在湿法熄焦过程中产生大量的蒸汽排到大气中,其蒸汽中含有hcn、h2s、nh3、酚类及粉尘等大量有害物质[2]严重污染了环境,不仅有大量的热能被白白浪费,而且消耗了大量的熄焦水,另外对焦炭质量也有影响。随着世界能源短缺的不断加剧[3]和我国能源需求的快速增长,以及国家环保法规的不断完善,特别是对工业企业环境治理要求的不断提高,干法熄焦的节能和环保优势必然会得到充分发挥,焦化行业普及推广干熄焦技术势在必行。

  与湿法熄焦相比干熄焦的特点如下:

  (1)回收红焦显热

  采用干熄焦可回收约80%的红焦显热,平均每熄1吨焦炭可回收3.9mpa、450℃蒸汽0.5t以上[4],发达国家可产0.6t左右。日本新日铁株式会社曾对其企业内部包括干熄焦、高炉炉顶煤气压差发电等所有节能项目效果进行过分析,结果干熄焦装置节能占总节能的50%。

  (2)减少环境污染

  炼焦车间采用湿法熄焦,每熄1吨红焦炭就要将0.5t含有大量酚、氰化物、硫化物及粉尘的蒸汽抛向天空,严重地污染了大气及周围的环境[5]。这部分污染占炼焦对环境污染的三分之一。干熄焦则是利用惰性气体,在密闭系统中将红焦熄灭,并配备良好的除尘设施,基本上不污染环境。

  (3)改善焦炭质量

  干熄焦与湿熄焦相比,焦炭m40提高3-8个百分点,m10改善0.3-0.8个百分点[6]这对降低炼铁成本,提高生铁产量极为有利,尤其对采用喷煤粉技术的大型高炉效果更加明显。国际上公认: 大型高炉采用干熄焦焦炭可使其焦比降低2%,使高炉生产能力提高1%。

  干熄焦与湿熄焦相比,确实存在着投资高及本身能耗高的问题,这是制约我国干熄焦技术发展的主要因素,也是我们一直想解决的问题。但干熄焦带来的经济效益、环境效益和节能效果完全可以抵消其投资高及本身能耗高带来的不足[7]

  但近几年来,干熄焦工程推广进度并不快,全国需改造成干熄焦的焦炉约2200座左右,而至今投产的却不足100座[8]其原因虽然很多,但干熄焦的耐火材料达不到设计和使用年限,损毁严重,迫使干熄炉停产检修而造成业主经济损失是一大制约因素[9]。

  干法熄焦简称干熄焦(coke dry quenching,简称cdq)是相对于用水熄灭炽热焦炭的湿熄焦而言的,其基本原理[10]闭路的循环系统内,利用惰性的循环气体,在干熄炉内与红焦换热从而冷却焦炭。吸收了红焦热量的惰性循环气体将热量传递给干熄焦锅炉产生中压(或高压)蒸汽,用于发电或供热。被冷却的惰性循环气体再由循环风机鼓入干熄炉冷却红焦。干熄炉结构图如图1所示。

  图 1 干熄炉结构图

  干熄焦耐火材料主要用于干熄炉、一次除尘器等受冲刷和磨损的部位。初期的干熄炉和一次除尘器工作面层所采用的耐火材料仅是一种普通的耐火砖,从运行情况来看,干熄炉斜道区、冷却段耐火砖断裂、掉砖和磨损非常严重,每年的正常维修已无法保证干熄炉生产的需要,1年后就需大修更换[11],耐火材料存在的诸多问题严重影响着干熄焦后续生产的正常进行。

  1.2干熄焦技术国内外现状

  1.2.1国内干熄焦现状概述

  宝钢1985年从日本新日铁引进4套75t/h干熄焦装置用于焦化生产,这是我国首次使用干熄焦装置。经过多年使用,设备运行良好,改善了焦化厂环境,经济效益高,各项指标都超过设计水平[12]。

  鞍钢1号干熄焦系统是鞍钢1、2号焦炉的配套项目[13],也是鞍钢重点环保技改项目,采用目前国内最新型的干熄焦技术,是世界上工艺及设备最先进的干熄焦工程之一。鞍钢干熄焦工艺流程由干熄和循环气体两大部分组成,最大处理能力和排焦能力分别为140t/h 和155t/h,年处理焦炭达100万t,设备国产化率达到90%以上。

  武钢焦化公司干熄焦系统是武钢重点环保效益工程[14],焦炭干熄率达到93%以上。为使干熄焦装置尽快达产,武钢在引进先进工艺的基础上,自主开发兼容三电一体化的电器仪表控制系统,可使电机车定位精度达到±10mm水平。

  攀钢干熄焦系统是攀钢焦炉异地大修工程重要配套项目之一,其处理能力为145t/h,主要设备国产化,整体系统包括干熄炉、锅炉、除尘系统以及相配套的各种设备,XX年4月开始按干熄率为100%组织生产[15]。

  济钢6、7号焦炉150t/h干熄焦工程引进了新日铁的最新技术,国内首家采用高温高压自然循环锅炉,采用多项国内先进技术,产汽量86.3t/h,年干熄焦炭112万t,发电17600万kw•h,是目前国内规模最大的干熄焦装置之一[16]。

  另外,唐钢、包钢、沙钢、莱钢、杭钢及本钢等相应的干熄焦项目也已投产运行。

  1.2.2国外干熄焦现状概述

  工业化干熄焦装置虽然最早由乌克兰发明,但由于其设备处理能力、自动化控制水平及环境保护措施方面没有多大改进,因此其技术领先地位被在这些方面有很大突破的日本所取代。

  日本的新日铁、nkk等公司建设的干熄焦单炉处理能力均达到200t /h以上,远远超过乌克兰的70t/h。他们在装焦装置上采用料钟布料,改进了鼓风装置位置和结构,采用旋转密封阀式连续排焦和旋转焦罐接焦等措施。在循环系统增加了节能设施,使气料比由1500时/t焦降至1200m 3/t 。这不但使单炉处理能力得以提高,而且大大降低了装置运行费用。在自动控制方面,实现了三电一体化,作到了全自动无人操作。

  除尘方面采用了地面站、实现了无尘操作,日本的干熄焦技术不仅在日本被普遍采用,而且打人了德国和韩国以及我国市场。

  二十世纪80年代以来,德国tsoa公司成功地将水冷栅和水冷壁置人干熄炉,并将干熄炉断面由圆形改为方形,同时在排焦和干熄炉的出气方式上进行了根本改进,使焦炭在干熄炉中下降及气流在干熄炉中上升实现了均匀分布,大大提高了换热效率,使气料比降至1000m3/t以下,进一步降低了装置的运行费用。

  同时,传统干熄焦工艺中的一次除尘器被省去,整个循环系统大大简化并减少。自动控制方面,tsoa干熄焦同样实现了无人操作。tsoa干熄焦不仅在德国,而且在韩国和中国台湾也得到了应用。

  1.3干熄焦用耐火材料概述

  在cdq展初期,由于cdq耐火材料的使用温度不高(1000℃~1200℃),人们未对其重视,考虑到cdq用耐火材料使用环境与高炉炉身环境相似,所以采用与高炉炉身部位使用的耐火材料大致等同的材质,各国均采用了粘上质耐火材料。然而,随着焦炭高生产率的发展,冷却形式的变化和余热的回收带来的操作变化(如喷气,喷雾等增加热回收),耐火材料的使用条件变得更加苛刻,单纯的粘上制品已不能满足需要,研究cdq用专用耐火材料已成为必须。日本学者于八十年代研制出cdq车及内衬用耐火材料,并取得了专利。其运焦车用耐火材料为用硅酸盐或si3n4结合的sic火材料,主成分sic本身具有高耐磨性和高的热传导率,并且在1000℃下并不会因为氧化而降低制品的热震稳定性、耐磨性。即使高温下sic气接触氧化形成sio2降低制品的性能。

  1.4延长干熄焦耐火材料使用寿命的研究现状

  沙钢焦化厂2*140t/h干熄焦工程是焦化一期、二期1-4号jn60-6型焦炉的配套工程,其运行一年后停炉年修时对炉内进行了仔细检查,发现斜道区部分牛腿砖不同程度出现断裂、脱落、变形等现象,冷却段耐火砖存在不同程度的磨损现象,平均磨损量在40mm左右,最大为80mm。沙钢工作人员虽然对干熄炉进行了换砖修复,但是再次停炉检修时发现上述现象仍然存在,可见换砖修复未能取得良好的效果[17]。

  鞍钢化工总厂一、二、三期干熄焦工程分别于XX年10月、XX年12月和XX年10月投产运行,鞍钢在年修期间发现,干熄炉砌体和一次除尘膨胀节的实际磨损非常严重,表现为砖体损坏、塌沉、脱落等,尤其是预存段和冷却段之间的部分,几乎没有完好的调节砖。鞍钢的工作人员更换了大约三分之一的耐火材料,但实际效果并不是很好[18]。

  杭钢75t/h干熄焦工程项目于XX年5月19日竣工投产,XX年12月对干熄焦装置进行首次停产年修时发现,32个斜道牛腿砖正面及两侧面出现不同程度的裂纹,斜道牛腿侧面砖缝出现拉裂,牛腿砖两侧面因气流冲刷成坑状磨损,冷却段部分衬砖表面出现不同深度的孔洞,有层状剥落现象。杭钢工作人员对干熄炉斜道区进行换砖修复,对冷却段使用高强耐磨浇注料(as-1)进行整体浇筑,浇筑厚度100mm,浇筑高度2.8m,但并未取得良好的效果[19]。

  马钢干熄焦装置在运行投产一年后的停炉大修中发现,斜道牛腿侧面产生裂纹,正面直缝出现大的开裂,且部分耐火砖有断裂的现象。鉴于此,马钢工作人员采取了提高关键部位耐火材料强度指标,在斜道牛腿处采用整砖砌筑以加强抗拉强度等措施来延长干熄焦耐火材料的使用寿命,但效果并不明显[20]。

  武钢焦化的干熄焦装置从XX年12月投产至XX年3月,不到3年的时间进行过3次停炉检修。检修原因均为36个斜道支撑梁不同程度地存在耐火砖疏松、断裂和脱落等现象,预存段过梁砖多处出现下沉、断裂、破损。XX年3月再次检修时,采取了改进砖型结构、选用优质塞隆结合碳化硅砖、提高耐火泥浆常温黏结强度等措施,对斜道36根支撑梁和过梁进行解体重砌后投入使用。于XX年9月进行正常停炉年修时观察,尚未发现掉砖等严重现象,但依然有问题存在,检修效果一般[21]。

  耐火材料严重损坏迫使干熄焦装置频繁停产检修,造成业主成本持续增加[22]以,延长干熄焦耐火材料使用寿命的问题正受到世界各国越来越多的重视。

  以往延长干熄焦耐火材料使用寿命的研究只是针对某一方面进行,具有很大的片面性。但事实上,造成干熄焦耐火材料损坏的因素繁多,例如:(1)干熄焦装置整体结构设计不合理;(2)不能合理的选择耐火材料;(3)耐火材料及耐火泥本身的质量问题;(4)由于种种原因,不能严格按要求砌筑;(5)烘炉不当;(6)耐火材料所处的工况不稳;(7)对耐火材料维护不当等[23]火材料存在的诸多问题严重影响着干熄焦后续生产的正常进行。

  延长干熄焦耐火材料的使用寿命是一项系统工程,本文通过认真分析干熄焦各个部位耐火材料损坏的原因,制定相应的措施来延长干熄焦耐火材料使用寿命。

  二、研究方案

  2.1 主要研究内容

  找出影响干熄焦耐火材料使用寿命的因素,认真分析造成干熄焦耐火材料异常损坏的原因。对耐火材料使用前后、使用期间的物理化学性能采用电镜、xrd、抗压强度等方法进行表征,对延长干熄焦耐火材料使用寿命的方案进行优化,使其达到最优结果。

  2.2 目标

  通过认真分析宣钢焦化厂干熄焦各个部位耐火材料损坏的原因,同时借鉴以往的实践经验,结合本工程实际情况制定相应的措施来达到延长干熄焦耐火材料使用寿命的目的。

  2.3方法手段

  对耐火材料使用前后的物理化学性能采用电镜、xrd、抗压强度等方法进行表征。

  2.4改进及创新

  对于延长干熄焦耐火材料使用寿命的研究,国内对其研究的很少,国外对其研究的也不多。

  以往对延长干熄焦耐火材料使用寿命的研究只是针对某一方面进行,具有很大的片面性,而本文则是通过认真分析造成干熄焦耐火材料损坏的原因,采用电镜、xrd、抗压强度等方法对耐火材料进行表征,提出延长其使用寿命的措施。

  三、进度安排

  第1-2周:查阅国内外相关文献,熟悉课题研究背景。

  第3-4周:初步确定研究方案,完成,准备实验材料和设备。

  第5-6周:找出干熄焦耐火材料损坏的原因。

  第7-10周:采用电镜、xrd、抗压强度等方法对初装的耐火材料进行表征。

  第11-12周:采用电镜、xrd、抗压强度等方法对使用后的耐火材料进行表征。

  第13-15周:提出延长耐火材料实验寿命的措施,整理相关数据,撰写。

  第16周:准备答辩。

  四、参考文献

  [1]郑文华,史正岩.焦化企业的主要节能减排措施.山东冶金,XX,30(6):17

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  [22]伟锋,陈忠祥.干熄焦炉内衬砖的试制.耐火材料,XX,38(5):363

  [23]文忠,夏炎.干熄焦耐火材料的异常损坏的分析与改进.燃料与化工,XX,39(2):19-20