焦炉宽炭化室技术的研究

田海江(中钢集团工程设计研究院有限公司大连焦化分院，辽宁 大连 116000)

0 引言

在焦炉煤炭化过程中，由于煤炭热分解产生的气体渗透率低，被困在煤的塑性层中，从而增加了塑性层的压力。塑性层中的“内部气体压力”导致煤膨胀，因此焦炉壁受到“焦化压力”的机械压力。本研究中的内部气体压力是指焦炉焦化过程中塑性层中的气体压力。焦化过程中焦炭压力的产生可能导致焦炉排焦过程中出现“重推”“粘滞”等困难，对焦炉炉壁造成严重破坏。因此，在炼焦行业中控制焦化压力是非常重要的 。

结焦压力在很大程度上取决于煤种，低挥发分(高变质程度)和低惰质组含量的煤产生较高的内部气压，这是结焦压力的来源。塑性层的渗透率低，释放的挥发物被困在层中。认为内部气体压力取决于气体渗透率和塑性层的厚度以及塑性层中的气体析出率。塑性层的透气性取决于：(1)塑性煤材料本身的性质，如：黏度和表面张力；(2)塑性层的密度(或孔隙率)。就塑性煤材料的性质而言，认为塑性煤材料的粘度越高，塑性层的气体渗透率越低，内部气体压力越高 。然而，对于碳化过程中塑性层的密度的研究却很少。

考虑到焦炉内的炭化现象，在本研究中，焦化过程中煤的体积变化，如：膨胀、压缩和收缩，是指在焦炉宽度方向上发生的变化。再固化层在这里被定义为塑性层的高温部分，在这里，孔被压缩。更不用说，煤变焦是一个连续的现象，不可能严格分离这些层次。塑性层夹在重固化层与焦层、煤层之间。塑性层通过压缩煤层和重新固化层而膨胀，并且由于焦炭层的物质收缩而膨胀到空间。即，塑性层的膨胀受到煤层、再固化层和焦层的制约[1]。

1 实验设计

1.1 夹层碳化试验

为了研究焦化过程中煤的体积变化对瓦斯内压的影响，进行了“夹层焦化试验”。在这个实验中，两种不同的煤在一个电加热的试验焦炉 (400 mm高，610 mm长，420 mm宽)，一个煤在炉壁附近，另一个煤在炉中心。选择了煤化程度(镜质体平均反射率)在0.70%～1.58%范围内的8种煤。将煤粉碎至质量分数80%<3 mm，水分质量分数3%。煤被装在一个钢制的箱子里，装煤的体积密度为850 kg/m3。在相当于实际焦炉烟道温度1 250 ℃的加热条件下，在试验焦炉中对带电煤进行了18.5 h的炭化试验。为了改变焦炭层的收缩程度和再固化层的压缩程度，研究焦炉炉宽方向煤体积变化对焦炉中心内部瓦斯压力的影响，有意地改变了焦炉炉壁附近的挥发分或煤体宽度。在装煤过程中，用可拆卸的薄板将钢箱分成三部分，即中心和两侧壁。然后在充电后，盘子被取出，盒子被放入烤箱。内部气体压力是通过连接在压力传感器上的一根细不锈钢管(内径1 mm，外径2 mm)在离炉底120 mm处的炉中心测量的。此外，在氮气气氛中淬火焦炭后，测量了焦炭块“尾部”部分的孔隙率，即焦炉中心附近一个40 mm长的焦炭块。

1.2 焦化过程中焦炉宽度方向煤体积变化的直接测量

用X射线计算机断层扫描仪测定焦炭中“标记物”的位置，直接测定焦化过程中煤在焦炉宽度方向上的体积变化 。 从炉底向煤中加入120 mm高的煤后，将氧化铝球(直径4 mm)放在煤表面，从炉中心到炉壁，放在炉子的一侧，间隔20 mm 。其余的煤在与夹心炭化试验相同的加热条件下，从炉底加热到400 mm 高度，炭化18.5 h。水分质量分数和容重分别为3%和850 kg/m3。用X射线计算机断层扫描仪测定了焦炭在氮气气氛中淬火后与炉壁平行的长焦炭块的横截面，从而确定了氧化铝球的位置。此外，测量的内部气体压力在6个点：20.0、62.5、105.0、147.5、190.0和210.0 mm从烤箱墙壁的高度从底部120 mm。内部气体压力测量探头安装在氧化铝球没有放置的另一侧。将200 mm 以上的焦块按炉宽方向分成五等份，测定了各部分的孔隙率[2]。

2 结果和讨论

2.1 夹层碳化对气体内压的影响

炉壁附近充电的煤的挥发分与炉中心的内部气体压力之间的关系表明，焦炉炉壁附近煤的挥发分含量减少，焦炉中心的内部气体压力增大。另一方面，焦炉炉壁附近煤的挥发分增加，使焦炉中心的内部气压降低，而焦化压力高、挥发分低的K-9煤(焦炉中心原有的内部气压=190 kPa)的内部气压降低。由此得出重要结论： 内部瓦斯压力不仅取决于塑性相中煤的种类，而且还取决于再固化或焦炭相中煤的种类。此外，炉壁附近的煤的挥发分越高，炉壁附近的高挥发分煤的宽度越大，炉中心的内部气体压力越低。

在焦炉中，由于重新固化层(塑性层的高温部分)被相邻膨胀的塑性层压缩，所产生的焦炭孔隙率不一定与产生焦炭的塑性层的密度相关。塑性层在炭化室中心重新固化后，不存在压缩塑性层的塑性层。因此认为焦炉中心的孔隙率与再固化前焦炉中心塑性层的密度有关。 孔隙率与炭化室中心内部气体压力的关系表明，炭化室中心塑性层密度随着炉壁附近高挥发分煤体宽度的增加而减小，导致塑性层透气性增大，内部气体压力降低。

2.2 焦化过程中煤在焦炉宽度方向上的体积变化

煤的体积在软化时增大，但在重新固化阶段由于相邻塑性层的膨胀而减小。在重新固化温度以上，由于焦炭层收缩，煤的体积随着温度的升高而进一步减小。假设煤在最大体积后的体积变化分为两个阶段，一个是再固化层的压缩，另一个是焦炭层的物质收缩。然后分别考虑压缩阶段接近完成和最终体积的重新固化温度下的体积。半焦与煤的相对体积比r定义为煤的单位体积在重新固化温度下的半焦体积 ，焦炭与煤的相对体积比RC定义为煤的单位体积在最终温度下的焦炭体积 。对于高焦化压力、低挥发分的K-9煤，焦炭与煤的相对体积比RC大于炉壁附近的单位体积比，并且随着焦炉中心的接近，焦炉中心的相对体积比降低到0.7。结果表明，焦炉炉壁附近焦炭的体积比原煤大。在K-9煤的情况下，当靠近炭化室中心时，煤层受到压缩，对塑性层膨胀的限制变得紧密，塑性层的密度增加。

2.3 焦化过程中煤体积变化对焦炉内气压的影响

通过分析炭化室宽度和焦炉内气压的变化可以得出如下结论：

(1)在炉壁附近，塑性层大幅度膨胀，压缩煤层。因此，塑性层的密度降低，内部气体压力降低。(2)低密度塑性层在前一层重新固化之前，被相邻的塑性层压缩。然而，据报道，K-9煤塑性层中发育的大孔隙发育有一定程度的变形，K-9煤的再固化层很难被压缩。此外，在炉壁附近的塑性层仍然可以通过压缩煤层而在很大程度上膨胀，内部瓦斯压力较低。因此，低密度塑性层只受到很小程度的压缩，半焦与煤的相对体积比大于1，半焦的孔隙率较高。结果表明，生成的焦炭孔隙率保持在较高水平，焦炭与煤的相对体积 RC 也大于单位体积。(3)随着炭化室中心的接近，煤层受到挤压，对塑性层膨胀的限制变得紧密，塑性层密度增大。因此，内部气体压力增加。(4)可压缩煤层的宽度变窄。煤层和再固化层密度增大，不易被压缩。随着塑性层密度的增加，内部气压增大，焦炭孔隙率降低。在炭化室中心，内部气体压力进一步增加，因为塑性层扩大，由于小温度梯度。

重新固化阶段煤种对内部气体压力的影响可以解释为。炉壁附近煤的挥发分含量越高，炉壁附近高挥发分煤的宽度越大，炉壁附近焦煤的相对体积比越小。结果是，在炭化室中心，对塑性层膨胀的限制变得松散，塑性层密度减小，因此内部气体压力降低[3]。

3 结语

本文研究了焦化过程中煤在焦炉宽度方向上的体积变化对焦炉煤塑层内气压的影响，得出了以下结论：(1)在试验焦炉炉壁中央和附近加入两种不同煤种的夹层炭化试验表明，内部气压不仅与塑性相煤种有关，而且与再固化相煤种和焦相有关。(2)利用X射线 CT 扫描仪测定了焦炭单位体积转化成焦炭的相对体积。结果表明，焦炭单位体积转化成焦炭的相对体积随焦炉宽度的不同而变化很大。(3)焦化过程中煤在焦炉宽度方向上的体积变化影响塑性层的密度和内部气体压力。(4) K-9煤的内部瓦斯压力随着炭化室中心的靠近而急剧增加。这是由于焦炭单位体积在炉壁附近转化的焦炭体积较大，造成炉膛中心塑性层密度较高。低挥发分低惰性组分的 K-9煤在炭化过程中产生危险性高的焦化压力的主要原因是塑料煤本身的透气性较低。另一个原因是由于单位煤体积转化的焦炭体积较大，导致炭化室中心的塑性层密度较高。