張 軍 秦 云 劉 睿 黎漢琪 黃 翼

（武漢平煤武鋼聯(lián)合焦化有限責(zé)任公司，武漢 430082）

摘 要：在配煤結(jié)構(gòu)相同、焦?fàn)t生產(chǎn)穩(wěn)定的情況下，對 6 m、7 m 和 7.63 m³種爐型的焦炭質(zhì)量冷強(qiáng)度、熱強(qiáng)度及其波動(dòng)情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并從入爐煤堆密度、煤料的偏析、結(jié)焦時(shí)間、焦?fàn)t溫度等方面對 3 種爐型焦炭質(zhì)量的差異進(jìn)行了初步分析。

關(guān)鍵詞：配煤結(jié)構(gòu)；爐型；焦炭質(zhì)量；差異

1 前言

武鋼焦化公司共有7座焦?fàn)t，其中3座6 m焦?fàn)t、2座7 m焦?fàn)t、2座7.63 m焦?fàn)t。2021年前，7座焦?fàn)t配備2座露天煤場+斗槽配煤，其中一煤場供應(yīng)6 m和7 m焦?fàn)t，二煤場供應(yīng)7.63 m焦?fàn)t。7.63 m焦?fàn)t主要為武鋼最大的4 000 m³ 高爐保供焦炭，對焦炭質(zhì)量要求較高[1]，因此一、二煤場采取了差異化配煤。二煤場的配合煤結(jié)構(gòu)一直優(yōu)于一煤場，7.63 m焦?fàn)t的焦炭質(zhì)量也一直優(yōu)于其他焦?fàn)t。3種爐型的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

2021年下半年，武鋼焦化配煤改為筒倉儲(chǔ)配一體化模式，同時(shí)為降低配煤成本、優(yōu)化配煤操作，7座焦?fàn)t采用了相同的配煤結(jié)構(gòu)，各爐組配合煤質(zhì)量一致。

2 不同爐型焦炭質(zhì)量分析

在相同的配煤結(jié)構(gòu)下，3種爐型的焦炭質(zhì)量均能滿足高爐的需求，但在焦炭質(zhì)量和指標(biāo)的穩(wěn)定性上表現(xiàn)出了一定的差異。對2022年1～3月的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（期間進(jìn)行了10次配比變化），相關(guān)數(shù)據(jù)分析如表2所示。

從表2可知，6 m和7 m焦?fàn)t的實(shí)際周轉(zhuǎn)時(shí)間與設(shè)計(jì)周轉(zhuǎn)時(shí)間基本一致。7.63 m焦?fàn)t實(shí)際周轉(zhuǎn)時(shí)間長于設(shè)計(jì)周轉(zhuǎn)時(shí)間（國內(nèi)所有7.63 m焦?fàn)t的實(shí)際周轉(zhuǎn)時(shí)間均長于設(shè)計(jì)周轉(zhuǎn)時(shí)間），根據(jù)結(jié)焦時(shí)間與炭化室寬度之間的指數(shù)函數(shù)關(guān)系^[2]，即：

T₂=T₁ (B₂/B₁) ⁿ 

式中：T₁、T₂為標(biāo)準(zhǔn)炭化室和寬炭化室的結(jié)焦時(shí)間，h；B₁、B₂為標(biāo)準(zhǔn)炭化室 ( 450 mm) 和寬炭化室的寬度，mm。

可以得出，n=1.314，所以可以將7.63 m焦?fàn)t27.17 h的周轉(zhuǎn)時(shí)間視為合理周轉(zhuǎn)時(shí)間。

由3種爐型的焦炭質(zhì)量對比可知，焦炭冷強(qiáng)度M40、M10及熱強(qiáng)度CSR差異較大，7.63 m焦?fàn)t明顯優(yōu)于7 m和6 m焦?fàn)t，7 m焦?fàn)t略優(yōu)于6 m焦?fàn)t。對焦炭質(zhì)量指標(biāo)離散系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分析焦炭質(zhì)量的穩(wěn)定性，7.63 m焦?fàn)t的焦炭冷強(qiáng)度M40、M10波動(dòng)明顯比7 m和6 m焦?fàn)t大，7 m和6 m焦?fàn)t的波動(dòng)差異不大。焦炭熱強(qiáng)度CSR的穩(wěn)定性方面，7.63 m焦?fàn)t波動(dòng)小于7 m和6 m焦?fàn)t，7 m焦?fàn)t小于6 m焦?fàn)t。

3 焦炭質(zhì)量的影響因素分析

影響焦炭質(zhì)量的因素很多，主要是煉焦煤的性質(zhì)和備煤、煉焦的工藝條件^[3]。在配煤結(jié)構(gòu)相同、焦?fàn)t生產(chǎn)穩(wěn)定的前提下，針對3種爐型焦?fàn)t焦炭質(zhì)量表現(xiàn)出的差異性，結(jié)合煤的成焦機(jī)理，從入爐煤堆密度、煤料的偏析、結(jié)焦時(shí)間及焦?fàn)t溫度等方面進(jìn)行分析和探討。

3.1 入爐煤堆密度分析

堆密度的提高對焦炭質(zhì)量有比較明顯的提升^[4-5]，入爐煤堆密度取決于裝煤過程中由入爐煤動(dòng)能轉(zhuǎn)化而成的壓縮能。在配煤結(jié)構(gòu)與煉焦工藝相同的情況下，入爐煤的動(dòng)能由初始動(dòng)能、入爐煤勢能和裝煤過程中煤料受到的阻力疊加而成，即

E=E₀+ mgh- (f+v)h

式中：E為入爐煤粒的動(dòng)能，J；E₀為入爐煤粒的初始動(dòng)能，J；m為煤粒重量，kg；h為煤料下落高度，m；f為煤料間的摩擦力，N；v為煤料所受熱浮力，N。

（1）入爐煤初始動(dòng)能。3種爐型焦?fàn)t裝煤車均通過4臺(tái)螺旋給料機(jī)送料裝煤，入爐煤的初速度可以由表3中所示的入爐煤的體積、裝煤時(shí)間和導(dǎo)套下料口直徑計(jì)算得出。

由表3可知，6 m、7 m和7.63 m焦?fàn)t的入爐煤初速度依次升高，即入爐煤料的初始動(dòng)能E₀依次增大。

（2）入爐煤勢能。入爐煤的勢能與煤粒的重量和煤粒下落的高度有關(guān)，較高的炭化室其入爐煤產(chǎn)生的勢能也較高，即6 m、7 m和7.63 m焦?fàn)t入爐煤依次具有更高的勢能。

（3）入爐煤阻力。入爐煤在下降過程中的阻力主要包括煤粒間的摩擦力和受到的熱浮力，其中煤粒間的摩擦力以相互摩擦和碰撞為主^[6]。在煤粒重量相同的情況下，摩擦力主要取決于相互之間的摩擦系數(shù)，而炭化室的寬度對摩擦系數(shù)有直接影響。較寬的炭化室內(nèi)煤粒間的空隙較大，煤粒間的接觸面積較小，摩擦系數(shù)較小。同時(shí)較寬的炭化室內(nèi)煤料顆粒的相互碰撞減少，所以較寬炭化室內(nèi)煤料間的摩擦力f亦較小。煤料在炭化室內(nèi)下降過程中荒煤氣的產(chǎn)生主要發(fā)生在兩側(cè)爐墻的高溫區(qū)域，同時(shí)高溫爐墻側(cè)的煤料對中間煤料起到了隔熱作用，所以更多的中間煤料受熱產(chǎn)生的荒煤氣少，或未受熱產(chǎn)生荒煤氣，從而受到的熱浮力v較小。所以6 m、7 m和7.63 m焦?fàn)t入爐煤在炭化室內(nèi)受到的摩擦力和熱浮力依次減小。

跟蹤了2022年2月7日至2月12日的裝煤量數(shù)據(jù)，并測量了煤線，分別計(jì)算出了3種爐型焦?fàn)t的入爐煤平均堆密度，如表4所示。

通過以上分析得知，6 m、7 m和7.63 m焦?fàn)t的入爐煤動(dòng)能依次增加，動(dòng)能最終轉(zhuǎn)換成壓縮能，體現(xiàn)在了入爐煤的堆密度上，所以6 m、7 m和7.63 m焦?fàn)t入爐煤的堆密度依次增加，表4的測量數(shù)據(jù)亦驗(yàn)證了該分析。

堆密度的提高對焦炭冷強(qiáng)度M40、M10和熱強(qiáng)度CSR都有良好的提升作用^[7]。尤其是隨著堆密度的提高，煤粒間的間隙變小，煤粒受熱過程中的膠質(zhì)體液態(tài)產(chǎn)物能更好地對弱黏結(jié)性煤粒進(jìn)行浸潤包裹，使煤粒間形成更強(qiáng)的界面結(jié)合。同時(shí)煤粒間間隙的減小，對膠質(zhì)體熱解產(chǎn)生的氣體組分的逸出產(chǎn)生了更大的阻力，使膠質(zhì)體產(chǎn)生更大的膨脹壓力，促進(jìn)了膠質(zhì)體中有機(jī)大分子物質(zhì)的熱縮聚發(fā)生，使焦炭氣孔率降低，氣孔壁變厚，提高了焦炭熱反應(yīng)后強(qiáng)度^[8]。這可能是7.63 m焦?fàn)t冷強(qiáng)度波動(dòng)較大，而熱強(qiáng)度波動(dòng)最小的原因。

3.2 煤料的偏析

煤料從筒倉配煤至裝入爐的過程中會(huì)發(fā)生煤粒偏析，尤其近幾年隨著礦山來煤細(xì)度的升高，為使配合煤細(xì)度符合生產(chǎn)要求，對粉碎機(jī)的錘頭數(shù)量進(jìn)行了較大幅度的削減，導(dǎo)致配合煤粉碎的均勻性降低，加重了煤料輸送過程中的偏析。影響煤料偏析的因素主要有粒級分布、物料輸送落差^[9]、物料輸送中的振動(dòng)、煤塔的布料等。

（1）粒級分布。細(xì)度是配煤質(zhì)量控制指標(biāo)之一，對焦炭質(zhì)量及產(chǎn)量有著直接影響^[10]，相同細(xì)度下的不同粒級分布也對配合煤煉焦有重要影響^[11-12]，尤其大粒度煤比例增加或細(xì)粉煤量的增加會(huì)加重煤料輸送過程中的偏析，從而導(dǎo)致入爐煤不均勻。

表5為配合煤粉碎后取樣的粒度分布，從表中看出雖然粉碎后煤的細(xì)度（≤3 mm）為74.25%，滿足指標(biāo)要求，但其中0～1 mm的粒級分布占到了53.50%，1～3 mm粒級只占20.75%，明顯細(xì)粉煤過多。且＞5 mm粒級占到了總量的15.40%，配合煤各粒級分布不均勻。

（2）煤料輸送中的落差。煤料經(jīng)過筒倉配煤粉碎后需要經(jīng)過多個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)站輸送至焦?fàn)t煤塔，期間經(jīng)過的幾十米至上百米高度落差，在煤料的下落過程中會(huì)因?yàn)榱６鹊牟痪鶆虬l(fā)生偏析現(xiàn)象。

（3）煤料輸送中的振動(dòng)。煤料在通過皮帶式輸送機(jī)輸送過程中，會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)作用產(chǎn)生偏析，與煤料輸送中經(jīng)過落差產(chǎn)生的正偏析不同，振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生負(fù)偏析，即粒度大的煤粒會(huì)向皮帶機(jī)中間聚集，這在一定程度上可以抵消煤料輸送中因落差產(chǎn)生的正偏析帶來的負(fù)面影響。

（4）煤塔布料。筒倉儲(chǔ)配一體的設(shè)計(jì)缺少配合煤混勻的過程，而煤塔的旋轉(zhuǎn)布料機(jī)除往煤塔儲(chǔ)煤槽中布料作用外，合理的操作也可以在一定程度上對煤料進(jìn)行混勻，對入爐煤的均勻性可以產(chǎn)生有利影響。

在配合煤粒級分布一致、布料模式相同的情況下，影響煤料偏析的主要因素在于煤料輸送過程中的落差和煤料輸送的距離。表6為分別在粉碎機(jī)后和裝煤車中所取煤樣的細(xì)度分析。

從表6中可以看出，0～1 mm和大于5 mm兩個(gè)粒級煤粒在粉碎機(jī)后和裝煤車中占比均出現(xiàn)了差異，且兩個(gè)粒級的占比最大差異均出現(xiàn)在7.63 m焦?fàn)t，其中裝煤車中大于5 mm粒級占比達(dá)到了粉碎機(jī)后的2.62倍，說明7.63 m焦?fàn)t煤料的偏析最嚴(yán)重，其原因?yàn)槲滗?.63 m焦?fàn)t更短的煤料輸送距離和因煤塔最高而產(chǎn)生的更大落差。

煤料的偏析嚴(yán)重，導(dǎo)致入爐煤的不均勻，可能是7.63 m焦?fàn)t焦炭冷強(qiáng)度波動(dòng)最大的原因。

3.3 結(jié)焦時(shí)間和焦?fàn)t溫度的影響

（1）結(jié)焦時(shí)間。結(jié)焦時(shí)間對焦炭冷強(qiáng)度和熱強(qiáng)度均有影響，適當(dāng)延長結(jié)焦時(shí)間對焦炭質(zhì)量有一定的提升作用^[13-14]。對2022年1～3月3種爐型焦?fàn)t的平均結(jié)焦時(shí)間、冷強(qiáng)度及熱強(qiáng)度指標(biāo)的離散性進(jìn)行了分析，結(jié)果如表7所示。

從表7看出，3種爐型焦炭的冷強(qiáng)度和熱強(qiáng)度波動(dòng)情況與結(jié)焦時(shí)間的波動(dòng)沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系，說明結(jié)焦時(shí)間不是造成不同爐型焦炭質(zhì)量差異的主要原因。

（2）焦?fàn)t溫度。焦?fàn)t溫度直接影響煤料的成焦過程^[15]，煤料在炭化室內(nèi)的結(jié)焦過程分為黏結(jié)階段和半焦收縮成焦炭2個(gè)階段，膠質(zhì)體的快速形成和半焦的緩慢收縮對焦炭質(zhì)量的提升是有利的。在黏結(jié)階段，較高的溫度可以提高炭化室爐墻兩側(cè)煤料的碳化速度，提高膠質(zhì)體的流動(dòng)性，增強(qiáng)煤料的黏結(jié)性。7.63 m焦?fàn)t的標(biāo)準(zhǔn)溫度相較6 m和7 m焦?fàn)t 大幅提高到了1 300 ℃以上（焦?fàn)t中心溫度），使得入爐煤能快速形成流動(dòng)性良好的膠質(zhì)體。另一方面，在更寬的炭化室內(nèi)，由于堆密度的增加，使得荒煤氣經(jīng)過煤層沿徑向向上逸出的阻力增大，更多的荒煤氣突破膠質(zhì)層的阻力，高溫爐墻側(cè)的半焦層逸出^[16]，并大量吸收了爐墻熱量，使得炭化室中心的膠質(zhì)體熱解和縮聚變慢，膠質(zhì)體中的液態(tài)產(chǎn)物得到積累，黏結(jié)性進(jìn)一步增強(qiáng)，同時(shí)隨著半焦收縮過程的減緩，收縮產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力降低，焦炭的裂紋減少，強(qiáng)度提高。這應(yīng)該是7.63 m焦?fàn)t焦炭質(zhì)量最好，而熱強(qiáng)度波動(dòng)最小的原因。

4 結(jié)論

（1）在配煤結(jié)構(gòu)相同的情況下，6 m、7 m、7.63 m焦?fàn)t的焦炭在質(zhì)量指標(biāo)和質(zhì)量的穩(wěn)定性上表現(xiàn)出了差異，總體上6 m、7 m、7.63 m焦?fàn)t焦炭質(zhì)量依次更優(yōu)。在質(zhì)量穩(wěn)定性上，7.63 m焦?fàn)t的冷強(qiáng)度波動(dòng)較大，熱強(qiáng)度波動(dòng)最小，一方面反映出焦炭冷強(qiáng)度與熱強(qiáng)度之間沒有明顯的相關(guān)性，另一方面說明7.63 m焦?fàn)t對焦?fàn)t入爐煤的適應(yīng)性最強(qiáng)。

（2）3種爐型焦?fàn)t焦炭質(zhì)量的差異性應(yīng)該是由入爐煤的堆密度不同、煤料輸送過程中偏析程度不同以及焦?fàn)t溫度的差異共同造成的，具體各影響因子的影響度需要進(jìn)一步分析。

（3）通過提高裝煤速度、降低配合煤細(xì)度來提高入爐煤堆密度，提高配合煤粒度均勻性、優(yōu)化煤塔布料操作、保持煤塔儲(chǔ)煤槽較高料位、降低煤料輸送落差等來減小煤料偏析，采用寬炭化室焦?fàn)t提高配合煤的結(jié)焦性能等系列措施可以改善焦炭質(zhì)量。

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