干熄焦炉环形风道损坏原因分析与改进措施

1、节能环保工程工程管理经验交流会干熄焦炉环形风道炉墙损坏原因分析与改进 张亚林 (湖南省工业设备安装八分公司)摘 要： 本文针对干熄焦炉环形风道墙破损、垮塌原因分析和存在的问题，通过优化生产管理，改善检修中结构设计等可行性手段，提出延长干熄焦炉体内衬使用寿命处理方法和改进措施，从而实现干熄焦效能的充分发挥。关键词：干熄焦炉 环形风道 损坏 改进1、前言 干熄焦技术是利用炽热焦炭和惰性气体直接接触换热的新型熄焦工艺，相对于湿熄焦能有效地利用红焦热量，节约水资源，减少环境污染，提高焦炭品质。作为焦化工序节能减排的重要工程干熄焦，我国早在2004年就开始自主开发设计，在国内已广泛应用，随着国产大型化干

2、熄焦的推广应用，干熄焦技术的开展与研究渐成行业热点，尤其是针对干熄焦技术开展与实际应用中干熄炉内耐材的破损更是急待解决的问题，干熄焦炉体作为干熄焦的主体部位，其重要性不言而喻。但从目前国内现有干熄焦系统运行情况看，环形风道破损、垮塌现象已经严重制约干熄焦的平安运行和效能发挥。辽宁焦耐院、济钢设计院等国内几家干熄焦装置设计院设计炉形根本相似。对运行使用维护中炉内耐材砌体的管理与维护，尤其是干熄焦斜道区砌体的寿命成为影响干熄焦长期稳定运行的关键因素。斜道区砌体的损坏主要集中在牛腿柱砖砖缝开裂，局部断裂、变形、脱落，最为严重的就是环形风道损坏垮塌。本文结合四川达兴能源股份1140t/h干熄焦炉体内衬

3、环形风道炉墙垮塌损坏原因分析和检修实际情况经历，主要围绕日常生产操作、施工砌筑质量、维修保养方法、耐火材料性能、设计结构形式等方面展开的。前几年国内建成运营的干熄焦炉中，本钢140t/h、安钢140t/h、涟钢140t/h、昆钢140t/h、马钢140t/h、南钢140t/h等不少干熄焦炉均在投产后半年时间，发生过环形风道和斜道立柱碳化硅-莫来石耐火砖不同程度的受剪裂缝、断裂、损伤而被迫停产检修的情况，严重的导致斜道拱顶及环形风道内环靠炉膛内环大幅下沉而垮塌，而且垮塌部位都是处于料位计正下方位置。2、案例概况四川达兴能源股份1140t/h干熄焦工程，是与2座55孔炭化室5.5m高捣固焦炉配套使

4、用，工程于2021年8月开工，2021年12月建成投产。干熄焦投产运营半年，2021年7月8日生产工段装入一焦罐红焦于干熄焦炉，当时料位低、装焦后空气不能导入，2021年7月9日排焦皮带上出现大量耐火砖，随即停止运行，冷却炉体停炉五天，2021年7月13日从干熄焦炉人孔进入炉内，检查发现环形风道内墙损坏，偏离料位计位置3045环向向内垮塌4m3m的窟洞，环形风道内墙周长27m，垮塌面积到达1/7环向区域面积，其他区域炉墙也出现侵蚀磨损，斜道牛腿支柱砖有不同程度脱落破损，环形风道内壁存在暗灰色结瘤物，观察干熄焦炉体内壁不是正常运行使用后的红黄色。图2.1 环形风道损坏位置示意图图2.2 环形风道

5、损坏、垮塌损坏实例图图2.3 斜道牛腿支柱脱落破损实例图图2.4 干熄焦炉体内壁侵蚀结瘤实例图3、干熄焦环形风道损坏的原因分析3.1炉形结构的弊病导致风道隔墙的变形干熄炉环形风道的外墙不与焦炭接触，而内墙虽然设计时采用了热稳定性高、抗急冷急热性能好、耐冲刷磨损并带沟舌的A型莫来石砖，但单层隔墙内侧必须长时间与高温焦炭直接接触，易产生受热膨胀和磨损；而内墙外侧是直接与导入的低温空气和循环回流氮气接触，容易产生相对低温收缩，导致隔墙变形。干熄焦炉炉衬工作环境恶劣，红焦进入炉体温度1050，经过惰性气体N2换热后焦炭温度200，干熄焦预存段工作压力为负压-100Pa以内。使用过程中，环形风道的耐火材

6、料总是处于焦炭的移动和烟气的流动冲刷状态之下，而且还是气流聚集改向处，循环气体在炉内温度的变化致使耐火材料经受冷热急变，砖的内部产生温度梯度而形成热应力，导致烟道支柱的砖内部结构逐渐疏松而被破坏。所以，干熄焦炉冷却段炉形结构对物料平衡、热平衡的影响事关重大。焦炭在装焦下落和排焦下降运动的过程中，均对内墙体产生的侧压力；而隔墙在圆周的四个方向中，东、西方向在结构上是固定的，所以出现炉内径向南北方向扩大变形，俗称“鼓肚子，且位置变化逐步累积增加。详见图3.1 环形风道隔墙变化示意图图3.1 环形风道隔墙变化示意图外墙环形烟道隔墙位移固定烟道孔烟道支柱至除尘器CDQ横断面外墙西南东北3.2干熄焦炉内

7、墙的砖型设计存在缺陷原有的沟槽设计不利于阻止内墙砖向外侧的水平横移，见以下图砖与砖的咬合结构是半圆条。 图3.2环形风道内墙砖沟槽示意图3.3捣固焦密度和硬度较大对炉衬冲刷影响根据设计要求选用江苏宜兴诺明公司自主研发的干熄焦用新型耐材砖NM-SiC，此类产品高温性能稳定、线膨胀小，在稳定的高温环境中可以承受一定的热应力和压力。干熄焦炉冷却段、斜道立柱使用A级碳化硅耐火砖，环形风道段使用A级莫来石耐火砖。这样的耐火材料档次较高，工艺技术成熟，理应足以适应干熄焦炉生产环境，然而实际情况却比预想的要差，具体表现在： 冷却段每年会以60mm多的速度被磨损，三年磨损量到达200mm左右，从而必须进行大修

8、，四川达兴能源140t/h干熄焦半年不到磨损最深的部位到达40mm。图3.3 干熄焦炉体内壁侵蚀磨损3.4热负荷变化影响当随着开炉、停炉、升温、降温次数的增加，环形风道耐材受到剧烈的热负荷变化，使砖体内部温度波动频繁，导致耐材膨胀和收缩。这种“胀或缩的变化，内墙砖之间会逐渐产生缝隙，而原来粘附在砖块上的火泥也会有不同程度的剥落，当这些灰浆剥落和砖缝扩大到一定程度时，砖体的横向固定咬合作用将小于来自于环形风道内墙内侧的焦炭侧压力和粉尘气流所产生的合力，形成窜漏，最终导致内墙砖逐渐横向位移，甚至出现墙体砖层相互位移或错位松动。因此，热负荷变化是导致环形烟道耐火材料损坏原因之一。图3.4 内墙砖热负

9、荷变化作用力示意图3.5不稳定操作，加速炉墙损坏的概率分析四川达兴能源股份140t/h干熄焦炉炉墙垮塌原因：红焦装入干熄焦炉时带入了空气，可燃气体微小燃烧，炉内形成正压，产生爆鸣、爆震，对焦炭料位所在区环形风道形成热张力，这股热张力长期运作，在干熄焦炉密闭空间不断地对炉墙产生冲击，对环形风道内墙产生永久应力，因环形风道内墙耐材是舌槽咬合结构，形成一个整体，燃烧和爆震形成的旋流不断地对炉墙产生冲击，当热张力继续作用集中到一定程度，瞬间快速地传递到干熄焦炉环形风道负压气流旋涡死角处炉墙料位计正下方，致使炉墙最薄弱位置出现结构上的破坏，造成环形风道内墙局部受压垮塌。一般环形风道的耐火材料损坏先从底部

10、砖开始断裂，这与导入空气过量或负压区漏气有关，容易造成干熄焦炉入口氧含量一直处于较高水平，在“牛腿底部附近聚集大量可燃性气体，致使焦炭燃烧后底部温度偏高。因此，不稳定操作是导致环形风道耐材损坏的原因之一。4、改进措施4.1改进环形风道内墙砖型结构由于考虑到要防止内墙砖向外侧横向移动，而又不能影响砖体之间热胀冷缩的自由膨胀，所以对环形风道内墙砖与砖半圆条形的咬合结构沟舌和沟槽进行改进，将原来的半圆形沟舌改为类似直角三角形，并适当加深沟槽，这样即使出现灰浆剥落和不是非常大砖缝的情况下，砖体自身的三角形沟舌与下一块砖的沟槽就能够充分依靠自身的设计结构阻止上一块砖向内墙的外侧横向移动，同时沟舌的三角形

11、斜边和沟槽预留的空间也能够满足砖体自身的自由膨胀位移的需要。 图4.1内墙砖砖槽改进示意图4.2结构设计工艺改进在干熄焦炉环形风道内墙比较薄弱的部位通过采用通气隔墙支撑的方法，可以从根本上解决问题。针对四川达兴140t/h干熄焦炉检修技改方案为：在干熄焦炉料位下方第107层环形风道内，砌筑通气隔墙支撑拱，半径为R1600，拱高205mm，拱厚230mm，支撑拱墙高度1550mm。支撑拱墙上面采用工字砖砌筑，工字砖壁厚3540mm，高度270mm，长度230mm。支撑拱的两侧加工成拱角，对拱角加工残缺部位用耐火浇注料ZCH-027填充，在拱角面铺设发泡聚乙烯板做膨胀缓冲，支撑拱上面的工字砖两侧靠

12、墙各夹一层硅酸铝纤维压实，支撑拱墙数量为24个，位置在牛腿正上方。检修范围：第90层滑动缝以上，到第125层，内墙全部撤除重修。外墙从第115层到122层的过顶内侧第一块砖。图4.1 干熄焦炉环形风道内墙通气隔墙支撑拱墙立面图4.3严格控制砌筑质量特别是筑炉拱洞部位作为关键隐蔽部位进行施工。干熄炉砌筑是竖窑式结构，从斜道区开始就是变角度承载，充分考虑承重合理性及火泥在常温下24小时后的硬化和耐压强度。砌筑中极容易产生位移和滑动，使每个斜道牛腿受力不均匀，斜道的整体受力均匀性降低。在砌筑时，均匀分配支撑牛腿的中心及圆周分布角度。在砌筑过程中，保持泥浆饱满，合理控制好砖缝及水平度，严格控制灰缝误差

13、在。重视砌体胀缝预留，吸收耐材受热膨胀的应力，防止运行时材料挤压损毁。每24小时只能砌筑一层，及时测量每个牛腿的标高和垂直度，并确保一致，保证泥浆的冷态强度，砌完后应枯燥三天，提高结构整体严密均匀性与承受强度能力。4.4严格生产管理，保持系统状态稳定干熄焦装置运营生产是复杂的工艺技术，干熄焦生产操作，必须严格按照?干熄焦生产操作技术规程?，精心操作、稳定参数、加强维护，确保其热态平衡。干熄炉稳定运行对保证干熄焦炉斜烟道、环形风道耐材的使用寿命具有很重要的意义。因此控制相对稳定的排焦量，保证焦炭在干熄炉内以相对稳定的速度向下流动，可以减缓焦炭对炉膛内衬耐火材料的磨损，相对稳定的排焦量还有利于炉内

14、温度的稳定分布，也会减缓耐火材料因温度波动产生裂纹和剥落。4.5结构设计工艺改进的建议干熄炉各段比例结构工艺改进实行优化对冷却能力(干熄槽各部位构造、尺寸、物料平衡，热平衡)进行计算，确定干熄焦处理能力的干熄槽。干熄槽冷却段采用矮胖型。冷却段高度的进一步降低可减小干熄炉内循环气体的阻力，降低循环气体量，生产稳定运行。相应配套提升机钢桁架和一、二次除尘器钢结构高度也可降低，节省工程投资。预存段与冷却段高度之比较一般干熄焦低，预存段容积比降低可减小斜道砖承重。先进科学的应力分析设计炉体结构，使斜烟道、环形风道耐材结构的寿命延长。5、结束语我国干熄焦技术仍然存在系列技术问题及缺陷，有待于不断地改进和