焦爐寬炭化室技術的研究

田海江(中鋼集團工程設計研究院有限公司大連焦化分院，遼寧 大連 116000)

0 引言

在焦爐煤炭化過程中，由于煤炭熱分解產生的氣體滲透率低，被困在煤的塑性層中，從而增加了塑性層的壓力。塑性層中的“內部氣體壓力”導致煤膨脹，因此焦爐壁受到“焦化壓力”的機械壓力。本研究中的內部氣體壓力是指焦爐焦化過程中塑性層中的氣體壓力。焦化過程中焦炭壓力的產生可能導致焦爐排焦過程中出現“重推”“粘滯”等困難，對焦爐爐壁造成嚴重破壞。因此，在煉焦行業中控制焦化壓力是非常重要的 。

結焦壓力在很大程度上取決于煤種，低揮發分(高變質程度)和低惰質組含量的煤產生較高的內部氣壓，這是結焦壓力的來源。塑性層的滲透率低，釋放的揮發物被困在層中。認為內部氣體壓力取決于氣體滲透率和塑性層的厚度以及塑性層中的氣體析出率。塑性層的透氣性取決于：(1)塑性煤材料本身的性質，如：黏度和表面張力；(2)塑性層的密度(或孔隙率)。就塑性煤材料的性質而言，認為塑性煤材料的粘度越高，塑性層的氣體滲透率越低，內部氣體壓力越高 。然而，對于碳化過程中塑性層的密度的研究卻很少。

考慮到焦爐內的炭化現象，在本研究中，焦化過程中煤的體積變化，如：膨脹、壓縮和收縮，是指在焦爐寬度方向上發生的變化。再固化層在這里被定義為塑性層的高溫部分，在這里，孔被壓縮。更不用說，煤變焦是一個連續的現象，不可能嚴格分離這些層次。塑性層夾在重固化層與焦層、煤層之間。塑性層通過壓縮煤層和重新固化層而膨脹，并且由于焦炭層的物質收縮而膨脹到空間。即，塑性層的膨脹受到煤層、再固化層和焦層的制約[1]。

1 實驗設計

1.1 夾層碳化試驗

為了研究焦化過程中煤的體積變化對瓦斯內壓的影響，進行了“夾層焦化試驗”。在這個實驗中，兩種不同的煤在一個電加熱的試驗焦爐 (400 mm高，610 mm長，420 mm寬)，一個煤在爐壁附近，另一個煤在爐中心。選擇了煤化程度(鏡質體平均反射率)在0.70%～1.58%范圍內的8種煤。將煤粉碎至質量分數80%<3 mm，水分質量分數3%。煤被裝在一個鋼制的箱子里，裝煤的體積密度為850 kg/m3。在相當于實際焦爐煙道溫度1 250 ℃的加熱條件下，在試驗焦爐中對帶電煤進行了18.5 h的炭化試驗。為了改變焦炭層的收縮程度和再固化層的壓縮程度，研究焦爐爐寬方向煤體積變化對焦爐中心內部瓦斯壓力的影響，有意地改變了焦爐爐壁附近的揮發分或煤體寬度。在裝煤過程中，用可拆卸的薄板將鋼箱分成三部分，即中心和兩側壁。然后在充電后，盤子被取出，盒子被放入烤箱。內部氣體壓力是通過連接在壓力傳感器上的一根細不銹鋼管(內徑1 mm，外徑2 mm)在離爐底120 mm處的爐中心測量的。此外，在氮氣氣氛中淬火焦炭后，測量了焦炭塊“尾部”部分的孔隙率，即焦爐中心附近一個40 mm長的焦炭塊。

1.2 焦化過程中焦爐寬度方向煤體積變化的直接測量

用X射線計算機斷層掃描儀測定焦炭中“標記物”的位置，直接測定焦化過程中煤在焦爐寬度方向上的體積變化 。 從爐底向煤中加入120 mm高的煤后，將氧化鋁球(直徑4 mm)放在煤表面，從爐中心到爐壁，放在爐子的一側，間隔20 mm 。其余的煤在與夾心炭化試驗相同的加熱條件下，從爐底加熱到400 mm 高度，炭化18.5 h。水分質量分數和容重分別為3%和850 kg/m3。用X射線計算機斷層掃描儀測定了焦炭在氮氣氣氛中淬火后與爐壁平行的長焦炭塊的橫截面，從而確定了氧化鋁球的位置。此外，測量的內部氣體壓力在6個點：20.0、62.5、105.0、147.5、190.0和210.0 mm從烤箱墻壁的高度從底部120 mm。內部氣體壓力測量探頭安裝在氧化鋁球沒有放置的另一側。將200 mm 以上的焦塊按爐寬方向分成五等份，測定了各部分的孔隙率[2]。

2 結果和討論

2.1 夾層碳化對氣體內壓的影響

爐壁附近充電的煤的揮發分與爐中心的內部氣體壓力之間的關系表明，焦爐爐壁附近煤的揮發分含量減少，焦爐中心的內部氣體壓力增大。另一方面，焦爐爐壁附近煤的揮發分增加，使焦爐中心的內部氣壓降低，而焦化壓力高、揮發分低的K-9煤(焦爐中心原有的內部氣壓=190 kPa)的內部氣壓降低。由此得出重要結論： 內部瓦斯壓力不僅取決于塑性相中煤的種類，而且還取決于再固化或焦炭相中煤的種類。此外，爐壁附近的煤的揮發分越高，爐壁附近的高揮發分煤的寬度越大，爐中心的內部氣體壓力越低。

在焦爐中，由于重新固化層(塑性層的高溫部分)被相鄰膨脹的塑性層壓縮，所產生的焦炭孔隙率不一定與產生焦炭的塑性層的密度相關。塑性層在炭化室中心重新固化后，不存在壓縮塑性層的塑性層。因此認為焦爐中心的孔隙率與再固化前焦爐中心塑性層的密度有關。 孔隙率與炭化室中心內部氣體壓力的關系表明，炭化室中心塑性層密度隨著爐壁附近高揮發分煤體寬度的增加而減小，導致塑性層透氣性增大，內部氣體壓力降低。

2.2 焦化過程中煤在焦爐寬度方向上的體積變化

煤的體積在軟化時增大，但在重新固化階段由于相鄰塑性層的膨脹而減小。在重新固化溫度以上，由于焦炭層收縮，煤的體積隨著溫度的升高而進一步減小。假設煤在最大體積后的體積變化分為兩個階段，一個是再固化層的壓縮，另一個是焦炭層的物質收縮。然后分別考慮壓縮階段接近完成和最終體積的重新固化溫度下的體積。半焦與煤的相對體積比r定義為煤的單位體積在重新固化溫度下的半焦體積 ，焦炭與煤的相對體積比RC定義為煤的單位體積在最終溫度下的焦炭體積 。對于高焦化壓力、低揮發分的K-9煤，焦炭與煤的相對體積比RC大于爐壁附近的單位體積比，并且隨著焦爐中心的接近，焦爐中心的相對體積比降低到0.7。結果表明，焦爐爐壁附近焦炭的體積比原煤大。在K-9煤的情況下，當靠近炭化室中心時，煤層受到壓縮，對塑性層膨脹的限制變得緊密，塑性層的密度增加。

2.3 焦化過程中煤體積變化對焦爐內氣壓的影響

通過分析炭化室寬度和焦爐內氣壓的變化可以得出如下結論：

(1)在爐壁附近，塑性層大幅度膨脹，壓縮煤層。因此，塑性層的密度降低，內部氣體壓力降低。(2)低密度塑性層在前一層重新固化之前，被相鄰的塑性層壓縮。然而，據報道，K-9煤塑性層中發育的大孔隙發育有一定程度的變形，K-9煤的再固化層很難被壓縮。此外，在爐壁附近的塑性層仍然可以通過壓縮煤層而在很大程度上膨脹，內部瓦斯壓力較低。因此，低密度塑性層只受到很小程度的壓縮，半焦與煤的相對體積比大于1，半焦的孔隙率較高。結果表明，生成的焦炭孔隙率保持在較高水平，焦炭與煤的相對體積 RC 也大于單位體積。(3)隨著炭化室中心的接近，煤層受到擠壓，對塑性層膨脹的限制變得緊密，塑性層密度增大。因此，內部氣體壓力增加。(4)可壓縮煤層的寬度變窄。煤層和再固化層密度增大，不易被壓縮。隨著塑性層密度的增加，內部氣壓增大，焦炭孔隙率降低。在炭化室中心，內部氣體壓力進一步增加，因為塑性層擴大，由于小溫度梯度。

重新固化階段煤種對內部氣體壓力的影響可以解釋為。爐壁附近煤的揮發分含量越高，爐壁附近高揮發分煤的寬度越大，爐壁附近焦煤的相對體積比越小。結果是，在炭化室中心，對塑性層膨脹的限制變得松散，塑性層密度減小，因此內部氣體壓力降低[3]。

3 結語

本文研究了焦化過程中煤在焦爐寬度方向上的體積變化對焦爐煤塑層內氣壓的影響，得出了以下結論：(1)在試驗焦爐爐壁中央和附近加入兩種不同煤種的夾層炭化試驗表明，內部氣壓不僅與塑性相煤種有關，而且與再固化相煤種和焦相有關。(2)利用X射線 CT 掃描儀測定了焦炭單位體積轉化成焦炭的相對體積。結果表明，焦炭單位體積轉化成焦炭的相對體積隨焦爐寬度的不同而變化很大。(3)焦化過程中煤在焦爐寬度方向上的體積變化影響塑性層的密度和內部氣體壓力。(4) K-9煤的內部瓦斯壓力隨著炭化室中心的靠近而急劇增加。這是由于焦炭單位體積在爐壁附近轉化的焦炭體積較大，造成爐膛中心塑性層密度較高。低揮發分低惰性組分的 K-9煤在炭化過程中產生危險性高的焦化壓力的主要原因是塑料煤本身的透氣性較低。另一個原因是由于單位煤體積轉化的焦炭體積較大，導致炭化室中心的塑性層密度較高。