張 軍,嚴(yán)鐵軍,席瑋城
(武漢平煤武鋼聯(lián)合焦化有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430082)
武漢平煤武鋼聯(lián)合焦化有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱武鋼)5#、6#焦?fàn)t為JNX3-70-1型7 m焦?fàn)t,主要為煉鐵廠5#高爐提供焦炭,從2021年7月中旬開(kāi)始,生產(chǎn)的焦炭中黑頭焦增多,黑頭焦量占總焦炭量的40%左右,同時(shí)焦炭的M40、M10、CSR等指標(biāo)也有不同程度的下降。焦炭外觀是焦炭質(zhì)量最直觀的表現(xiàn),可以通過(guò)焦炭的直觀表現(xiàn)來(lái)指導(dǎo)高爐生產(chǎn),所以在對(duì)焦炭質(zhì)量指標(biāo)關(guān)注之余,對(duì)焦炭外觀進(jìn)行分析,尤其對(duì)黑頭焦問(wèn)題進(jìn)行分析有比較現(xiàn)實(shí)的意義。
從高爐槽下皮帶隨機(jī)選取的黑頭焦分四類:第一類焦炭發(fā)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(fā)黑面不規(guī)則,判斷為爐頂焦;第四類塊度較小,發(fā)黑面明顯,為薄薄一層,呈現(xiàn)吸附炭黑現(xiàn)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(jù)焦炭成焦機(jī)理,結(jié)合焦?fàn)t生產(chǎn)情況,對(duì)各類黑頭焦的產(chǎn)生原因進(jìn)行了具體分析。
1.1.1 爐頭黑頭焦
焦?fàn)t機(jī)焦側(cè)爐頭部位是焦?fàn)t炭化室內(nèi)溫度最低點(diǎn),這是由焦?fàn)t的工藝設(shè)計(jì)決定的。武鋼規(guī)定焦?fàn)t爐頭溫度與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫火道溫度之差應(yīng)小于150℃,但在實(shí)際生產(chǎn)中5#、6#焦?fàn)t機(jī)焦側(cè)爐頭平均溫度均低于下限值。焦?fàn)t雖然有爐頭補(bǔ)充加熱措施,但由于爐頭補(bǔ)充加熱經(jīng)常導(dǎo)致?tīng)t頭過(guò)火垮焦,所以一直處于停用狀態(tài)。此外,為增加裝煤量,5#、6#焦?fàn)t的機(jī)焦側(cè)爐門磚厚度由原設(shè)計(jì)的470 mm減少至450 mm,進(jìn)一步惡化了炭化室內(nèi)爐頭低溫區(qū)溫度,導(dǎo)致?tīng)t頭焦炭成熟較差。
1.1.2 焦餅中心黑頭焦
炭化室內(nèi)配合煤的成焦過(guò)程是由兩邊爐墻逐層往炭化室中心擴(kuò)展的,靠近爐墻的焦炭因溫度高傳熱快,故熔融良好,結(jié)構(gòu)致密。而炭化室中心部位的焦炭因結(jié)焦前期受熱速度較慢、結(jié)焦后期快速結(jié)焦,故焦炭黏結(jié)熔融較差,甚至中心位置有少量揮發(fā)分殘余,導(dǎo)致中心面焦炭發(fā)黑。
1.1.3 焦餅頂部黑頭焦
焦炭成熟時(shí)焦餅的溫度需要達(dá)到1 000℃±50℃,而在焦?fàn)t生產(chǎn)過(guò)程中,為防止炭化室頂部過(guò)量生長(zhǎng)石墨,影響生產(chǎn)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(jié)焦后期會(huì)持續(xù)向爐頂空間放熱,無(wú)法達(dá)到焦炭成熟所需要的溫度,導(dǎo)致焦炭成熟不良,出現(xiàn)發(fā)黑、疏松。
1.1.4 附著碳黑頭焦
成焦中后期,半焦縮聚反應(yīng)產(chǎn)生的揮發(fā)分主要是煤氣,其中的CH4及其他不穩(wěn)定脂肪烴化合物在逸出過(guò)程中遇到熾熱的焦炭后可發(fā)生裂解反應(yīng),產(chǎn)生游離碳,部分游離碳會(huì)進(jìn)入靠近兩側(cè)爐墻的高溫焦炭縫隙并被吸附,造成焦炭表面出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象。
1.2 各類黑頭焦的占比
根據(jù)武鋼JNX3-70-1型焦?fàn)t爐型參數(shù),可以分別估算前三類黑頭焦的理論比例。
假設(shè)炭化室內(nèi)高度6 m,焦餅中間寬度0.5 m,炭化室長(zhǎng)度16.78 m,焦炭的塊度近似為50 mm×50 mm×50 mm。則:
每個(gè)炭化室的總焦炭塊數(shù)A總=(6×16.78×0.5)/(0.05×0.05×0.05)=402 720
機(jī)側(cè)爐頭+焦側(cè)爐頭的黑頭焦塊數(shù)A機(jī)+焦=(6×0.5)/(0.05×0.05)×2=2 400
爐頂黑頭焦塊數(shù)A爐頂=(0.5×16.78)/(0.05×0.05)=3 356
焦餅中心黑頭焦塊數(shù)A焦餅中心=(6×16.78)/(0.05×0.05)×2=80 544
黑頭焦比例N=(A機(jī)+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(shù)量應(yīng)占全部焦炭的25%左右。
2.1 恢復(fù)爐頭補(bǔ)充加熱
為防止恢復(fù)爐頭補(bǔ)充加熱后爐頭出現(xiàn)垮焦問(wèn)題,在采用最低加熱煤氣量的基礎(chǔ)上采取了間斷性補(bǔ)充加熱方式,每天8點(diǎn)至16點(diǎn)開(kāi)爐頭補(bǔ)充加熱,16點(diǎn)至次日8點(diǎn)停用補(bǔ)充加熱。恢復(fù)爐頭補(bǔ)充加熱后效果良好,爐頭焦炭成熟明顯好于以往,達(dá)到了既改善爐頭焦炭成熟度又不垮焦的目的。
2.2 調(diào)整焦餅高向溫度分布
前期測(cè)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?fàn)t炭化室上下部溫差在焦?fàn)t生產(chǎn)管理規(guī)程要求的小于100℃范圍內(nèi),但實(shí)際生產(chǎn)中爐頂黑頭焦較多,說(shuō)明上下部溫差仍然偏大,爐頂空間溫度偏低。
表1 調(diào)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(duì)機(jī)焦側(cè)煙道吸力及廢氣盤空氣風(fēng)門進(jìn)行了調(diào)整,同時(shí)因恢復(fù)了爐頭補(bǔ)充加熱,對(duì)前期為提高爐頭溫度增加的焦?fàn)t煤氣使用量進(jìn)行了恢復(fù),共同促進(jìn)高向加熱的均衡性。采取這些措施后,再次測(cè)量相同炭化室號(hào)的焦餅溫度,結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,炭化室上下部溫差明顯縮小,說(shuō)明焦?fàn)t高向加熱均勻性增強(qiáng)。
表2 調(diào)整后21#、23#、25#炭化室焦餅平均溫度
2.3 降低空氣過(guò)剩系數(shù)
較低的空氣過(guò)剩系數(shù)既可以提高看火孔壓力和爐頭溫度,也可以促進(jìn)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?jǐn)?shù)不低于5%的安全限值為原則,將空氣過(guò)剩系數(shù)由原來(lái)的1.30降低至1.22,燃燒室煤氣燃燒情況良好。
2.4 調(diào)整配煤比
將配煤中氣煤配比增加了2個(gè)百分點(diǎn),某較高揮發(fā)分進(jìn)口煤配比增加了1個(gè)百分點(diǎn),瘦煤配比降低了3個(gè)百分點(diǎn),提高了配合煤炭化過(guò)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(jìn)平煤系統(tǒng)
推焦車平煤桿在炭化室內(nèi)存在一定程度的下?lián)?,?huì)造成炭化室內(nèi)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(chǎn)生黑頭焦。針對(duì)該問(wèn)題,一方面對(duì)平煤桿標(biāo)高及平煤桿彎曲度進(jìn)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(dòng)式擋煤板,既防止平煤桿前進(jìn)時(shí)將煤大量推向焦側(cè),又可以在平煤桿后退時(shí)將煤峰刮平,保證了爐頂裝煤平整,有利于爐頂焦的成熟。
3.1 經(jīng)過(guò)以上治理,爐頭成熟程度明顯好轉(zhuǎn),邊火道溫度全部達(dá)到了焦?fàn)t生產(chǎn)管理規(guī)程中不低于標(biāo)準(zhǔn)溫度150℃的要求,邊火道溫度系數(shù)達(dá)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(wěn)定,21#、23#、25#炭化室焦餅機(jī)側(cè)、機(jī)中、焦中、焦側(cè)平均上下部溫差分別降低至32℃、33℃、35℃和37℃。
3.3 對(duì)高爐槽下皮帶焦炭隨機(jī)取樣統(tǒng)計(jì)黑頭焦數(shù)量,發(fā)現(xiàn)治理后黑頭焦比例降至24.8%,黑頭焦占比與理論計(jì)算值25%比較接近。
3.4 治理后焦炭質(zhì)量指標(biāo)有所好轉(zhuǎn),熱強(qiáng)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%。