炼焦煤干燥预热的研究

王伟(河北旭阳能源有限公司，河北 定州 073000)

0 引言

我国是焦炭生产及需求大国，2018 年，中国的焦炭产量为4.382 亿吨，而我国用于炼焦生产所需的优质炼焦煤资源有限且不可再生[1]，同时随着我国环保形势的日益严峻，对于焦化新技术的发展需求越来越迫切。如何在炼焦生产中降低污染物的排放，减少对优质炼焦煤的依赖，成为众多研究者的课题[2-5]。预热煤炼焦技术具有改善焦炭质量或增加弱粘煤(气煤等)用量、降低炼焦耗热量、减少环境污染等优点，符合焦化行业的发展方向。

1 预热煤炼焦技术

预热煤炼焦技术开发较早，早在1922 年由美国人Parr 提出，曾一度在国外也实现了工业化，大量研究者也通过试验证明了通过预热煤炼焦能够明显改善焦炭的质量以及增加弱粘结性煤的用量。采用预热煤炼焦，装炉煤水分为零，增加了入炉煤的堆比重。传统入炉煤的水分含量为10%，煤的堆比重为750kg/m3，当入炉煤不含水分时，煤的堆比重增加到900kg/m3。堆比重的增加，使得单孔产焦量增大；随着入炉煤温度的升高，结焦时间明显缩短，即提高了焦炉的生产能力，同时入炉煤温度的升高，可以减小炉墙温度骤变，延长炉体使用寿命。

本文作为预热煤炼焦的一部分，研究开发的预热煤装置对配合煤干燥过程的影响，并分析干燥过程中配合煤状态的变化，为后续的工业化积累经验。

2 试验部分

2.1 干燥设备

结合整个工艺流程，通过物料平衡及热平衡计算所需的废气量，确定进入煤干燥预热设备废气温度为650℃，干燥设备参照焦炉加热形式，为间接加热设备，采用气道和煤道间隔排列的形式，其中气道比煤道多一个。气道内走热废气，煤道内装入需要干燥的煤料，为了防止热废气对煤的化学性质造成影响，在气道内通过隔热层厚度的不同和废气循环的形式保证干燥设备高向加热的均匀性，其中隔热材料的布置形式以及废气循环倍率通过传热模拟确定。

2.2 试验结果与讨论

2.2.1 放煤过程

试验所需装煤量按照6 m 顶装焦炉单孔炭化室装煤量的1/16 来设计，通过热风炉燃烧焦炉煤气提供热量，燃烧后的热废气进入干燥设备对配合煤进行干燥预热。换热后的废气通过引风机后经烟囱外排。试验过程中检测的数据有：气体的流量，废气出干燥设备温度，煤饼不同高度处的温度，煤道侧壁温度以及干燥试验后的煤质检测。

干燥设备内通入热废气，使入口温度达到650℃，然后将配合煤装入干燥设备，开始干燥，同时开始计时。在干燥过程前期，干燥设备废气出口温度随着干燥时间的进行逐步升高，至干燥结束时达到250℃左右；干燥设备靠近煤道侧壁面温度在干燥初始阶段变化不大，基本维持在110℃以内，随着干燥时间的进行，壁面温度逐渐升高，壁面温度并未像传热模拟那样出现温度过高的现象，煤道中心温度在干燥3h 左右即达到100℃，此后煤道中心温度大部分时间保持在100℃，分析原因：在开始加热阶段，热废气通过隔板将热量传递给与隔板接触煤料而使煤料升温，从而在壁面处的煤和中心处的煤产生温度梯度，逐渐将热量传递给中心的煤。由于煤中含有10%的水，水分在常压下的蒸发温度为100℃，因此在干燥初期，煤料的温度迅速由常温上升至100℃；随着干燥时间的进行，与气道壁接触的煤在前期率先干燥，逐渐与中心部位的配合煤水分产生浓度梯度，使得煤道中心部位配合煤的水分有向壁面干燥的煤流动的趋势。煤道内配合煤水分受热向外蒸发过程基本接近常压状态，产生的水蒸气通过煤料与壁面间的空隙和煤料之间的空隙向外逸散。因此，在前期含有大量水分的情况下，与壁面接触的煤料处于干燥与吸收水分的竞争过程中，且水分蒸发过程处于优势地位，测得的煤温基本保持在100℃，导致壁面温度不会过高，此干燥阶段可认为水分是在恒定的温度和速度下向外蒸发。

煤是一种多孔性物质，煤中的水分包括外在水分和内在水分，其中外在水分与煤以机械的方式相结合，较易蒸发，而内在水吸附在煤颗粒内部，以物理化学方式与煤相结合，较难蒸发。在配合煤水分恒速蒸发阶段，蒸发的是主要是煤料中的外在水分，煤颗粒内部的水分也逐渐向外迁移。随着干燥的进行，由于毛细管作用力的存在，位于微孔等内部的水分向外蒸发需要温度高于100℃才能实现，因此煤料温度开始上升。水的导热系数比煤料的高，在此干燥阶段，与壁面接触的煤温快速上升，在温度梯度的作用下，将热量逐步传导至煤饼中心，最终在煤饼中心温度达到110℃左右时，即可认为煤料干燥完全。其中，煤料所含化合水不属于全水分分析的范畴，而且在此干燥过程中，温度也未达到所需条件而未析出。

由于水分的蒸发，在煤粒之间产生大量空隙，煤粒之间的作用力减弱，配合煤在重力的作用下堆积更为密集。根据查阅文献介绍，煤在受热干燥后，随着水分的逸出，煤粒之间的空隙会变小，当大部分水分被脱除后，煤料的孔结构会收缩和坍塌，同样增大了煤的堆积密度。同时，在干燥过程中所测得的煤饼不同高度处的温度分布相对均匀，说明所设计的干燥设备达到了预期效果。

由于干燥后煤料流动性好，在放煤过程中，为了避免瞬间放煤速度过快而出现大量煤尘，在干燥设备的下方，设置了翻板阀和球阀。其中翻板阀用于干燥期间托住煤饼进行干燥预热，干燥结束后打开放煤；球阀通过开度的调节来控制放煤速度。

2.2.2 煤质分析

利用干燥设备，达到了对煤进行干燥预热的效果，使得入炉煤水分由11.7%降至1.5%。干燥后的煤样干基灰分含量和干燥无灰基挥发分含量基本不变，说明煤料本身在干燥过程中并未发生明显变化，但是干燥后的煤样粘结指数G 值有所降低，说明煤样部分发生了氧化，此变化与干燥过程的外部环境有关。干燥后堆密度提高了17.6%，符合上述分析情况；同时根据煤样粒级分布得出，和原煤相比，干燥后煤的小粒径更多，小颗粒的煤在水分蒸发后充填煤粒之间孔隙的作用更强，增加了煤的堆密度，与前述分析结果一致。

3 结语

本文通过对预热煤炼焦技术中煤干燥预热技术的研究，利用燃烧产生的热废气对配合煤进行干燥预热，通过设计的干燥预热设备对配合煤进行干燥预热，通过记录加热过程中温度变化以及前后的煤质分析，讨论了在配合煤干燥过程中水分的析出规律，试验的最终结果能够实现对煤的干燥预热，增加了配合煤的堆密度，对于进一步的工业化意义重大。