焦爐黑頭焦增多的原因分析及解決措施

張 軍，嚴鐵軍，席瑋城

（武漢平煤武鋼聯合焦化有限責任公司，湖北 武漢 430082）

武漢平煤武鋼聯合焦化有限責任公司（以下簡稱武鋼）5#、6#焦爐為JNX3-70-1型7 m焦爐，主要為煉鐵廠5#高爐提供焦炭，從2021年7月中旬開始，生產的焦炭中黑頭焦增多，黑頭焦量占總焦炭量的40%左右，同時焦炭的M40、M10、CSR等指標也有不同程度的下降。焦炭外觀是焦炭質量最直觀的表現，可以通過焦炭的直觀表現來指導高爐生產，所以在對焦炭質量指標關注之余，對焦炭外觀進行分析，尤其對黑頭焦問題進行分析有比較現實的意義。

1 黑頭焦的成因及占比

從高爐槽下皮帶隨機選取的黑頭焦分四類：第一類焦炭發黑面平整，氣孔較多，判斷為爐頭焦；第二類焦炭偏黑，比較平整，氣孔不多，判斷為焦餅中心焦；第三類焦炭偏黑，發黑面不規則，判斷為爐頂焦；第四類塊度較小，發黑面明顯，為薄薄一層，呈現吸附炭黑現象，判斷為焦炭吸附游離碳，該黑頭焦量比較少。

1.1 黑頭焦的成因

根據焦炭成焦機理，結合焦爐生產情況，對各類黑頭焦的產生原因進行了具體分析。

1.1.1 爐頭黑頭焦

焦爐機焦側爐頭部位是焦爐炭化室內溫度最低點，這是由焦爐的工藝設計決定的。武鋼規定焦爐爐頭溫度與標準測溫火道溫度之差應小于150℃，但在實際生產中5#、6#焦爐機焦側爐頭平均溫度均低于下限值。焦爐雖然有爐頭補充加熱措施，但由于爐頭補充加熱經常導致爐頭過火垮焦，所以一直處于停用狀態。此外，為增加裝煤量，5#、6#焦爐的機焦側爐門磚厚度由原設計的470 mm減少至450 mm，進一步惡化了炭化室內爐頭低溫區溫度，導致爐頭焦炭成熟較差。

1.1.2 焦餅中心黑頭焦

炭化室內配合煤的成焦過程是由兩邊爐墻逐層往炭化室中心擴展的，靠近爐墻的焦炭因溫度高傳熱快，故熔融良好，結構致密。而炭化室中心部位的焦炭因結焦前期受熱速度較慢、結焦后期快速結焦，故焦炭黏結熔融較差，甚至中心位置有少量揮發分殘余，導致中心面焦炭發黑。

1.1.3 焦餅頂部黑頭焦

焦炭成熟時焦餅的溫度需要達到1 000℃±50℃，而在焦爐生產過程中，為防止炭化室頂部過量生長石墨，影響生產順行，故需要控制炭化室爐頂空間溫度在800℃±50℃，所以焦餅頂部焦炭層在結焦后期會持續向爐頂空間放熱，無法達到焦炭成熟所需要的溫度，導致焦炭成熟不良，出現發黑、疏松。

1.1.4 附著碳黑頭焦

成焦中后期，半焦縮聚反應產生的揮發分主要是煤氣，其中的CH4及其他不穩定脂肪烴化合物在逸出過程中遇到熾熱的焦炭后可發生裂解反應，產生游離碳，部分游離碳會進入靠近兩側爐墻的高溫焦炭縫隙并被吸附，造成焦炭表面出現發黑現象。

1.2 各類黑頭焦的占比

根據武鋼JNX3-70-1型焦爐爐型參數，可以分別估算前三類黑頭焦的理論比例。

假設炭化室內高度6 m，焦餅中間寬度0.5 m，炭化室長度16.78 m，焦炭的塊度近似為50 mm×50 mm×50 mm。則：

每個炭化室的總焦炭塊數A總=（6×16.78×0.5）/（0.05×0.05×0.05）=402 720

機側爐頭+焦側爐頭的黑頭焦塊數A機+焦=（6×0.5）/(0.05×0.05)×2=2 400

爐頂黑頭焦塊數A爐頂=（0.5×16.78）/（0.05×0.05）=3 356

焦餅中心黑頭焦塊數A焦餅中心=（6×16.78）/（0.05×0.05）×2=80 544

黑頭焦比例N=（A機+焦+A爐頂+A焦餅中心）/A總×100%=（2 400+3 356+80 544）/402 720×100%=21.4%

加上少量第四類黑頭焦，正常情況下黑頭焦數量應占全部焦炭的25%左右。

2 黑頭焦的主要治理措施

2.1 恢復爐頭補充加熱

為防止恢復爐頭補充加熱后爐頭出現垮焦問題，在采用最低加熱煤氣量的基礎上采取了間斷性補充加熱方式，每天8點至16點開爐頭補充加熱，16點至次日8點停用補充加熱。恢復爐頭補充加熱后效果良好，爐頭焦炭成熟明顯好于以往，達到了既改善爐頭焦炭成熟度又不垮焦的目的。

2.2 調整焦餅高向溫度分布

前期測量的21#、23#、25#炭化室焦餅中心溫度如表1所示。由表1可知，焦爐炭化室上下部溫差在焦爐生產管理規程要求的小于100℃范圍內，但實際生產中爐頂黑頭焦較多，說明上下部溫差仍然偏大，爐頂空間溫度偏低。

表1 調整前21#、23#、25#炭化室焦餅平均溫度

為縮小上下部焦餅中心溫差，對機焦側煙道吸力及廢氣盤空氣風門進行了調整，同時因恢復了爐頭補充加熱，對前期為提高爐頭溫度增加的焦爐煤氣使用量進行了恢復，共同促進高向加熱的均衡性。采取這些措施后，再次測量相同炭化室號的焦餅溫度，結果見表2。由表2可知，炭化室上下部溫差明顯縮小，說明焦爐高向加熱均勻性增強。

表2 調整后21#、23#、25#炭化室焦餅平均溫度

2.3 降低空氣過剩系數

較低的空氣過剩系數既可以提高看火孔壓力和爐頭溫度，也可以促進焦餅高向溫度的均勻性。以看火孔壓力10 Pa～20 Pa、煙道廢氣含氧體積分數不低于5%的安全限值為原則，將空氣過剩系數由原來的1.30降低至1.22，燃燒室煤氣燃燒情況良好。

2.4 調整配煤比

將配煤中氣煤配比增加了2個百分點，某較高揮發分進口煤配比增加了1個百分點，瘦煤配比降低了3個百分點，提高了配合煤炭化過程的收縮性，減少焦餅中心裂縫，有利于減少黑頭焦。

2.5 改進平煤系統

推焦車平煤桿在炭化室內存在一定程度的下撓，會造成炭化室內裝煤不平，使焦餅頂部橫向加熱溫度不均勻，造成頂部焦炭成熟不均勻，產生黑頭焦。針對該問題，一方面對平煤桿標高及平煤桿彎曲度進行了校正，另一方面將平煤桿前部固定擋煤板改為單向活動式擋煤板，既防止平煤桿前進時將煤大量推向焦側，又可以在平煤桿后退時將煤峰刮平，保證了爐頂裝煤平整，有利于爐頂焦的成熟。

3 治理效果

3.1 經過以上治理，爐頭成熟程度明顯好轉，邊火道溫度全部達到了焦爐生產管理規程中不低于標準溫度150℃的要求，邊火道溫度系數達到了0.90以上。

3.2 焦餅中心溫度高向溫差更加合理并趨于穩定，21#、23#、25#炭化室焦餅機側、機中、焦中、焦側平均上下部溫差分別降低至32℃、33℃、35℃和37℃。

3.3 對高爐槽下皮帶焦炭隨機取樣統計黑頭焦數量，發現治理后黑頭焦比例降至24.8%，黑頭焦占比與理論計算值25%比較接近。

3.4 治理后焦炭質量指標有所好轉，熱強度得到改善，M40、CSR由治理前的平均88.80%、69.19%上升為88.89%、70.76%，M10由5.82%改善至5.79%。