頂裝焦爐石墨生長原因分析及對策

孫 兵

(攀枝花鋼釩有限公司煉鐵廠,四川攀枝花 617000)

頂裝焦爐石墨生長原因分析及對策

孫 兵

(攀枝花鋼釩有限公司煉鐵廠,四川攀枝花 617000)

主要闡述了6米頂裝焦爐石墨生長的機理,從配合煤、加熱制度、焦爐操作等環節分析了影響焦爐石墨生長的因素,并提出控制石墨生長的方法。

石墨;加熱制度;空間溫度

1 石墨對焦爐生產的影響

配合煤在炭化室內隔絕空氣加熱(干餾)時產生大量的荒煤氣,荒煤氣流經炭化室墻表面、爐頂空間和上升管、橋管內壁時,其中的CH4和C2H4在高溫下發生二次裂解反應生成石墨。

炭化室墻面上生成的石墨可以密封爐墻面,避免荒煤氣和煤料中的部分成分在一定溫度下剝蝕墻面,也可以避免炭化室內荒煤氣竄漏到燃燒室內;可以增加爐墻面的光滑度,減小推焦阻力。沉積在爐墻磚縫隙中的石墨可以起到加固爐體的作用,這對延長焦爐壽命起到很大作用。

當焦爐生產比較緊張,結焦時間較短時,石墨的生成速度明顯加快,若爐墻石墨沉積過厚,就會減小炭化室的有效空間,推焦時焦餅和爐墻間的擠壓力增大,導致推焦困難。另外爐墻上沉積的石墨厚薄不均勻,將導致炭化室內部加熱不均,焦炭成熟出現不均,甚至出現焦炭偏生或過火現象,引起推焦困難。同時大塊的石墨被裝入干熄爐后,很有可能堵卡旋轉密封閥或皮帶溜槽,長時間處理不好將導致蒸汽解聯,焦爐生產和干熄率受到較大的影響。石墨堵塞上升管和橋管后會導致荒煤氣導出困難而造成爐門框、小爐門和裝煤孔泄漏荒煤氣,泄漏的荒煤氣燃燒會損壞護爐鐵件和爐門。另外石墨的增多導致裝煤量下降,反過來又造成爐頂空間增大,造成荒煤氣導出緩慢,在炭化室內停留時間偏長,二次裂解現象劇增,進一步加劇炭化室石墨生長,形成惡性循環,增加石墨治理難度。

2 石墨生長的機理及規律

2.1 石墨生長的機理

煉焦過程中產生的荒煤氣在高溫作用下,大分子碳氫化合物不斷分解,產生一定數量的CH4,CH4繼續受高溫作用最終裂解析出游離碳和氫氣,游離碳附著在炭化室和荒煤氣通道中,最終形成石墨,其主要裂解反應方程式如下:

2.2 石墨生長的規律

房永征等人通過實驗得出石墨的沉積過程可以分為3個階段:第一階段為煤軟化分解生成少量揮發分,焦油等重質組分開始凝聚;第二階段為石墨沉積量快速增加的階段,揮發分大量生成,并進一步分解生成石墨;第三階段為石墨的生成量趨緩至平衡的階段,該過程處于煤炭化后期,揮發分生成量減少,石墨沉積量相應降低。

一般來講,石墨生長速度最快在煉焦初期200 min內,隨后發生遞減,在結焦時間達到1/2周期后,石墨的沉積量基本恒定。

3 石墨生長的影響因素

3.1 配合煤水分的影響

煉焦過程中水分對石墨生成量的影響分為兩個方面:①抑制石墨的生成,水分在高溫下可以與沉積石墨反應,減少了石墨沉積量;②促進石墨的生成,由于煤中水分的增加促進了荒煤氣中焦油生成量的提高,因而爐墻及爐頂的焦油吸附量增加,炭化后導致沉積石墨量增加。

石墨的生成同時受到以上兩個方面的作用。同一煤種,當水分小于7%時,石墨沉積量隨著原料煤水分增加而逐漸減少,在水分為7%時達到最小值;當水分超過7%時,石墨沉積量隨原料煤水分增加而有所增加,見圖1、圖2。

圖1 配煤水分與石墨沉積量

圖2 不同配煤水分與石墨沉積量

3.2 配煤比的影響

由于各種煤的揮發分和膠質體的數量、性質不同,不同的配煤比對石墨生成的影響有明顯的差異,配合煤揮發分越高,同樣條件下產生的石墨量就會越多。這是因為煤的揮發分越高,所產生的凈煤氣量越多,其中的C2H4和CH4就越多,其在高溫下分解產生的沉積碳越多。

炭化室內煤料形成焦碳的過程,從炭化室墻到煤料中心方向,分焦碳層、半焦層膠質體、干煤層、濕煤層幾個階段。煉焦產生的荒煤氣通過焦碳收縮形成的裂縫和焦碳與爐墻間的間隙流向爐頂空間導出,當膠質體液相數量較少時,液相膠質體不能充分填滿煤顆粒之間的間隙,分解的氣體易于析出;當膠質體液相數量較多時,煤粒間的間隙被充分填充,產生的氣體不易析出,并增加了焦碳的氣孔率。通常情況下膠質體的形成是在450～600℃,在此階段及其以前產生的氣體中含有的CH4和氣態烴較多,如果不能充分析出,對石墨的產生有很大的影響。如果膠質體的固化效果好,即形成半膠和焦碳的收縮性好,焦碳層和半焦層產生的裂紋多而且深,故而外行氣增多,在爐墻上產生的石墨量增多;反之如果膠質體的固化效果不好,產生的里行氣增多,則在爐頂空間產生的石墨量增多。另外如果產生的膠質體的透氣性好,分解的氣體易透過膠質體,那么煤氣量也會增加,從而產生的石墨也增多。

配合煤中硫含量影響焦爐石墨的生長速度,含硫量越高,石墨的沉積速度也越快。硫的存在導致小分子揮發物的交聯,生成重質焦油進而生成石墨。煤中含氧也對焦爐石墨生長有一定的影響,煤中含氧越高,石墨生長越快,反之煤中含氧越低,石墨生長越慢,主要原因是煤中的氧可以促進原料煤網絡結構的解聚,使揮發分升高,同時在煉焦過程中初焦油發生氧化熱解,少量的氧也能急劇強化熱解過程,形成高分散碳,造成沉積碳的增加,見表1。

表1 原煤與氧化煤石墨沉積量

3.3 加熱制度的影響

3.3.1 結焦時間的影響

結焦時間越短,炭化室墻溫、爐頂空間溫度等升溫速度越快,短時間內炭化室墻和爐頂空間溫度迅速達到CH4和C2H4發生二次裂解反應條件,大量荒煤氣中的CH4和C2H4流經爐墻和爐頂空間時發生二次裂解反應產生石墨。相反,結焦時間越長,各項溫度相對較低,爐墻和爐頂空間升溫較慢,相對來說發生二次裂解反應的CH4和C2H4量較少,產生的石墨就減少。

3.3.2 加熱煤氣種類的影響

用焦爐煤氣加熱時,因其中的不可燃成分很少,發熱值高,理論燃燒溫度高,熱輻射能力強,增減煤氣流量時對焦爐燃燒室溫度的變化反應靈敏,不僅處于高溫下的磚煤氣道和噴嘴等處會沉積石墨,而且因為加熱溫度變化快,炭化室墻和爐頂空間溫度很快達到二次熱裂解條件。但是,用焦爐煤氣加熱時,燃燒火焰短,高向加熱效果差,不但炭化室墻溫上下溫差大,炭化室墻面生成石墨不均勻,而且爐頂空間溫度相對較低,荒煤氣在流經爐頂空間時產生的石墨較少。用高爐煤氣加熱時情況正好與用焦爐煤氣加熱時相反。

3.3.3 溫度制度的影響

3.3.3.1 爐頂空間溫度的影響

如果爐頂空間溫度達到并超過了荒煤氣發生二次熱裂解反應溫度,其中CH4和C2H4就會發生反應產生大量的石墨。如果爐頂空間溫度不高,則產生的荒煤氣在導出過程中發生二次熱分解的量就少,產生的石墨的量也就減少。通常情況下,爐頂空間溫度要求在(810±10)℃。

據相關實驗研究得出,在同一配比情況下,石墨沉積量與溫度的關系分為兩段,石墨沉積量在某一溫度范圍內可達到最小,見圖3。溫度小于該值時,石墨沉積量隨溫度增加而降低;溫度高于該值時石墨沉積量隨溫度升高而增加。這是因為在較低溫度下,溫度降低時石墨生成量減少,但焦油等重質成分凝聚量增加。在較高溫度下,溫度升高導致揮發分分解為石墨的速度加快,因而隨著溫度的升高沉積石墨的量也有所升高。在實際生產中,爐墻溫度及爐頂空間溫度較高,處于第二段,溫度的升高對石墨的沉積速率影響很大,溫度稍有升高,焦爐石墨的沉積量即明顯增加。

圖3 溫度與石墨生長速度

3.3.3.2 炭化室墻溫的影響

荒煤氣(準確地說是外行氣)在導向爐頂空間時,與炭化室墻面接觸,如果炭化室墻溫達到810℃及其以上,大量荒煤氣中的CH4和C2H4就會發生二次熱裂解反應產生石墨。溫度越高,產生石墨的速度越快。墻面溫度越均勻,生成的石墨越均勻。

3.3.4 集氣管壓力控制的影響

集氣管的壓力大,則荒煤氣不容易導出,在炭化室內特別是爐頂空間停留的時間長,沉積在爐頂空間的荒煤氣在高溫下就會發生二次裂解反應生成大量的石墨。如果集氣管的壓力控制低,炭化室內的壓力小,產生的荒煤氣極易被導出,在炭化室內停留的時間短,產生的石墨量相對就減少了。

3.4 生產操作狀況的影響

3.4.1 裝煤、平煤狀況的影響

裝煤操作主要對炭化室內煤線和煤的堆密度有影響,裝煤不滿,煤線過低時,焦餅上部過熱,爐頂空間溫度過高,生成石墨的速度就快。裝煤過滿或平煤不均,就會使荒煤氣導出困難,從而延長荒煤氣在炭化室內的停留時間,導致大量石墨的產生。若裝煤孔或上升管堵塞,也會導致荒煤氣導出困難,使荒煤氣在炭化室停留的時間加長,導致石墨的大量產生。

3.4.2 推焦操作的影響

推焦時要求每次打開爐門的時間不提前或落后推焦計劃時間5 min,炭化室開爐門后敞開時間不超過7 min。焦餅推出到裝煤開始的空爐時間不超過8 min,推焦桿要求對正,推焦速度要求首先將推焦桿輕貼焦餅正面,開始推焦時的速度要慢。但是往往因為推焦桿對不正、推焦桿伸出就直接以一定的速度推,焦餅不成熟或焦餅過火時沒有嚴格按照要求推焦,造成推焦困難,強大的焦餅和爐墻間的摩擦力使墻面變得粗糙。實踐表明,爐墻越粗糙產生石墨的速度越快。

4 控制石墨生長速度的措施

4.1 合理的配合煤

4.1.1 配合煤水分

由于配煤水分對石墨生長速度的影響很大,平時就要對外來煤的配煤水分嚴加控制和監督,要求水分盡可能控制在7%左右,控制石墨生長。

4.1.2 合理的配煤比

不同的配煤比產生的膠質層的厚度、透氣性不一樣,產生的荒煤氣被導出的難易程度就不一樣,在相同條件下,產生石墨的速度和量也就不一樣,配煤中多選擇低硫分煤。

4.2 加熱制度的控制

4.2.1 穩定結焦時間

結焦時間越短,標準溫度越高,對應的各項溫度均越高,產生石墨的速度越快。相反,結焦時間越長,各項溫度相對較低,炭化室內升溫較慢,相對來說產生的石墨就減少。

4.2.2 爐頂空間溫度的控制

合理的爐頂空間溫度不但可以控制石墨的生長速度,而且可以提高化工產品的質量。通常情況下,爐頂空間溫度要求810℃左右為好,在現有的爐體結構和加熱制度的條件下,要控制好爐頂空間溫度主要從以下幾個方面入手:

(1)過剩系數的控制

空氣過剩系數較小時火焰較長,反之則較短。適當的空氣過剩系數可以控制好高向加熱,從而控制爐頂空間溫度。

(2)換向時間的控制

換向時間內,火道中氣流與爐墻之間形成溫度差,在上升氣流換向后,初期墻壁吸熱較多,末期較少;在下降氣流換向后,初期爐墻是放熱的而末期轉為吸熱的。在換向后初期,爐墻壁下部大量吸熱,而上部吸熱較少;在換向末期,爐墻壁上下吸熱相近,即增加了上部的吸熱。故在延長換向周期時,可以增加爐墻上部的供熱,因而可以改進焦餅上部的加熱程度。

(3)提高裝煤、平煤操作水平

要求裝煤要裝實,即炭化室內煤料要密實,盡量增加堆積比重;如裝煤不實,致使爐頂空間增大,會使爐頂空間溫度升高。對于6米頂裝焦爐,單孔裝干煤量不少于28.5 t,煤線保持在300～350 mm范圍。

4.3 炭化室爐前溫度的控制

4.3.1 蓄頂吸力控制

當用高爐煤氣加熱時,各火道的煤氣量是由斜道口開度來分配的,因此要穩定上升氣流蓄頂吸力,由此可以很好地控制橫排溫度。當調節磚一致,結焦時間一定和進入燃燒室的氣體量一定時,要控制好蓄頂吸力,保證廢氣盤翻板開度、進風口開度和煙道翻板開度不變。

4.3.2 降低爐體漏氣率

對于爐齡較長的焦爐,由于爐體、設備可能出現各種缺陷,影響橫排溫度,故要保持爐體完好。

因高爐煤氣灰塵或荒煤氣竄漏帶來的炭沉積格子磚造成蓄熱室阻力增大和堵塞時,或是由于高溫,漏荒煤氣下火等原因將格子磚燒熔而造成堵塞;或是由于從立火道中掉入磚塊和其他物體造成堵塞,因此要求瓦工和調火人員加強爐體檢查力度,并采取措施排除堵塞以保持蓄熱室頂部吸力正常。

斜道堵塞使火道得不到燃燒室所需的煤氣和空氣,使相連火道造成低溫,應采取措施清理暢通。斜道竄漏時,由于煤氣漏到空氣斜道中提前燃燒,使斜道溫度很高而火道溫度降低。對此要進行噴補或改變斜道或調節蓄頂吸力。

4.4 合理控制集氣管壓力

集氣管壓力的大小是導出荒煤氣難易的關鍵,如果集氣管壓力大,荒煤氣導出就困難,其在炭化室內停留的時間就長,相同條件下生長石墨量就多,而且因產生的荒煤氣量的不斷增加,炭化室內的壓力不斷增大,會導致大量的荒煤氣從爐門框、小爐門和橋管交叉口等處溢出,從而影響了焦炭質量和化工產品的質量,也使石墨的生成速度加快。如果集氣管的壓力太小,荒煤氣就以很快的速度被導出。集氣管壓力控制在100 Pa的情況下,即可保證焦爐不冒煙冒火,從而控制石墨生長。

5 建立合理的石墨清掃制度

合理的石墨清掃制度,不但可以除去大部分的石墨,而且可以減少對爐墻和裝煤孔的損害,避免因爐墻和裝煤孔的損傷而使石墨長得更快。傳統除石墨的方法有在推焦桿頭裝刮刀強制清除石墨、燒空爐除石墨法。但以上方法都存在一定的缺陷,刮刀法無法徹底清除墻面石墨,易引起難推焦,且對爐頂損害大,燒空爐法是靠上升管的熱浮力從裝煤口抽吸空氣進入炭化室燒石墨,此法不但會影響K3系數,而且對結焦時間比較緊張的焦爐較難把握,對爐內結有較多石墨時清除效果不明顯,在日常工作中清除石墨的時候要根據各爐生成石墨的多少來合理使用除去石墨的方法,在通常條件下,根據石墨生成量的實際情況,聯合使用上述清除石墨的方法更為有效。

6 結論

(1)在煉焦初期200 min以內焦爐生成石墨最快,其后逐漸穩定。

(2)影響石墨生長的配合煤因素包括水分、揮發分、含硫量及含氧量。配合煤水分在7%時石墨生長最慢,高于7%或低于7%都將促進石墨生長,配合煤中含硫量和含氧量偏高都會促進石墨生長。

(3)爐頂空間溫度在810℃時石墨生長最慢,高于或低于810℃時石墨生長較快。集氣管壓力偏高將促進石墨生長,考慮到控制焦爐冒煙冒火,集氣管壓力控制在100 Pa最合適。

(4)裝煤操作水平也是影響焦爐石墨生長的一個原因。煤線過高或過低都會促進石墨生長。一般情況下,6 m焦爐的煤線控制為300～350 mm。

(5)采用刮刀和燒空爐的方法可以有效的消除焦爐內石墨,建立長期有效的檢查制度、操作制度是治理爐內石墨的關鍵。

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The Analysis and Countermeasures of Coke Graphite’s Growth Cause

SUN Bing
(Panzhihua Steel and Vanadium Co.,Ironworks,Panzhihua 617000,Sichuan,China)

This paper describes the mechanism of 6m meters coke graphite’s growth,analysed factors that influence the growth of coke graphite from blended coal,heating system,coke oven operation and other reasons,and proposed methods of controlling graphite’s growth.

graphite,space temperature,heating system

TQ523

A

孫兵,助理工程師,從事煉焦生產管理工作。

1001-5108(2016)06-0062-05