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(lián)合焦化有限責任公司，湖北 武漢 430082）

武漢平煤武鋼聯(lián)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(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(zhì)量最直觀的表現(xiàn)，可以通過焦炭的直觀表現(xiàn)來指導高爐生產(chǎn)，所以在對焦炭質(zhì)量指標關(guān)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(xiàn)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(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)焦炭成焦機理，結(jié)合焦爐生產(chǎn)情況，對各類黑頭焦的產(chǎn)生原因進行了具體分析。

1.1.1 爐頭黑頭焦

焦爐機焦側(cè)爐頭部位是焦爐炭化室內(nèi)溫度最低點，這是由焦爐的工藝設(shè)計決定的。武鋼規(guī)定焦爐爐頭溫度與標準測溫火道溫度之差應(yīng)小于150℃，但在實際生產(chǎn)中5#、6#焦爐機焦側(cè)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(jīng)常導致爐頭過火垮焦，所以一直處于停用狀態(tài)。此外，為增加裝煤量，5#、6#焦爐的機焦側(cè)爐門磚厚度由原設(shè)計的470 mm減少至450 mm，進一步惡化了炭化室內(nèi)爐頭低溫區(qū)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(nèi)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(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，導致中心面焦炭發(fā)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(chǎn)過程中，為防止炭化室頂部過量生長石墨，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)焦后期會持續(xù)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(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，部分游離碳會進入靠近兩側(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型焦爐爐型參數(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(shù)A總=（6×16.78×0.5）/（0.05×0.05×0.05）=402 720

機側(cè)爐頭+焦側(cè)爐頭的黑頭焦塊數(shù)A機+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+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 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(xiàn)垮焦問題，在采用最低加熱煤氣量的基礎(chǔ)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?；謴蜖t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(diào)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(chǎn)管理規(guī)程要求的小于100℃范圍內(nèi)，但實際生產(chǎn)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(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，對機焦側(cè)煙道吸力及廢氣盤空氣風門進行了調(diào)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(jié)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(diào)整后21#、23#、25#炭化室焦餅平均溫度

2.3 降低空氣過剩系數(shù)

較低的空氣過剩系數(shù)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(shù)不低于5%的安全限值為原則，將空氣過剩系數(shù)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(diào)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(fā)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(tǒng)

推焦車平煤桿在炭化室內(nèi)存在一定程度的下?lián)希瑫斐商炕覂?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(cè)，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(jīng)過以上治理，爐頭成熟程度明顯好轉(zhuǎn)，邊火道溫度全部達到了焦爐生產(chǎn)管理規(guī)程中不低于標準溫度150℃的要求，邊火道溫度系數(shù)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(wěn)定，21#、23#、25#炭化室焦餅機側(cè)、機中、焦中、焦側(cè)平均上下部溫差分別降低至32℃、33℃、35℃和37℃。

3.3 對高爐槽下皮帶焦炭隨機取樣統(tǒng)計黑頭焦數(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算值25%比較接近。

3.4 治理后焦炭質(zhì)量指標有所好轉(zhuǎn)，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%。