煉焦煤干燥預熱的研究

王偉(河北旭陽能源有限公司，河北 定州 073000)

0 引言

我國是焦炭生產及需求大國，2018 年，中國的焦炭產量為4.382 億噸，而我國用于煉焦生產所需的優質煉焦煤資源有限且不可再生[1]，同時隨著我國環保形勢的日益嚴峻，對于焦化新技術的發展需求越來越迫切。如何在煉焦生產中降低污染物的排放，減少對優質煉焦煤的依賴，成為眾多研究者的課題[2-5]。預熱煤煉焦技術具有改善焦炭質量或增加弱粘煤(氣煤等)用量、降低煉焦耗熱量、減少環境污染等優點，符合焦化行業的發展方向。

1 預熱煤煉焦技術

預熱煤煉焦技術開發較早，早在1922 年由美國人Parr 提出，曾一度在國外也實現了工業化，大量研究者也通過試驗證明了通過預熱煤煉焦能夠明顯改善焦炭的質量以及增加弱粘結性煤的用量。采用預熱煤煉焦，裝爐煤水分為零，增加了入爐煤的堆比重。傳統入爐煤的水分含量為10%，煤的堆比重為750kg/m3，當入爐煤不含水分時，煤的堆比重增加到900kg/m3。堆比重的增加，使得單孔產焦量增大；隨著入爐煤溫度的升高，結焦時間明顯縮短，即提高了焦爐的生產能力，同時入爐煤溫度的升高，可以減小爐墻溫度驟變，延長爐體使用壽命。

本文作為預熱煤煉焦的一部分，研究開發的預熱煤裝置對配合煤干燥過程的影響，并分析干燥過程中配合煤狀態的變化，為后續的工業化積累經驗。

2 試驗部分

2.1 干燥設備

結合整個工藝流程，通過物料平衡及熱平衡計算所需的廢氣量，確定進入煤干燥預熱設備廢氣溫度為650℃，干燥設備參照焦爐加熱形式，為間接加熱設備，采用氣道和煤道間隔排列的形式，其中氣道比煤道多一個。氣道內走熱廢氣，煤道內裝入需要干燥的煤料，為了防止熱廢氣對煤的化學性質造成影響，在氣道內通過隔熱層厚度的不同和廢氣循環的形式保證干燥設備高向加熱的均勻性，其中隔熱材料的布置形式以及廢氣循環倍率通過傳熱模擬確定。

2.2 試驗結果與討論

2.2.1 放煤過程

試驗所需裝煤量按照6 m 頂裝焦爐單孔炭化室裝煤量的1/16 來設計，通過熱風爐燃燒焦爐煤氣提供熱量，燃燒后的熱廢氣進入干燥設備對配合煤進行干燥預熱。換熱后的廢氣通過引風機后經煙囪外排。試驗過程中檢測的數據有：氣體的流量，廢氣出干燥設備溫度，煤餅不同高度處的溫度，煤道側壁溫度以及干燥試驗后的煤質檢測。

干燥設備內通入熱廢氣，使入口溫度達到650℃，然后將配合煤裝入干燥設備，開始干燥，同時開始計時。在干燥過程前期，干燥設備廢氣出口溫度隨著干燥時間的進行逐步升高，至干燥結束時達到250℃左右；干燥設備靠近煤道側壁面溫度在干燥初始階段變化不大，基本維持在110℃以內，隨著干燥時間的進行，壁面溫度逐漸升高，壁面溫度并未像傳熱模擬那樣出現溫度過高的現象，煤道中心溫度在干燥3h 左右即達到100℃，此后煤道中心溫度大部分時間保持在100℃，分析原因：在開始加熱階段，熱廢氣通過隔板將熱量傳遞給與隔板接觸煤料而使煤料升溫，從而在壁面處的煤和中心處的煤產生溫度梯度，逐漸將熱量傳遞給中心的煤。由于煤中含有10%的水，水分在常壓下的蒸發溫度為100℃，因此在干燥初期，煤料的溫度迅速由常溫上升至100℃；隨著干燥時間的進行，與氣道壁接觸的煤在前期率先干燥，逐漸與中心部位的配合煤水分產生濃度梯度，使得煤道中心部位配合煤的水分有向壁面干燥的煤流動的趨勢。煤道內配合煤水分受熱向外蒸發過程基本接近常壓狀態，產生的水蒸氣通過煤料與壁面間的空隙和煤料之間的空隙向外逸散。因此，在前期含有大量水分的情況下，與壁面接觸的煤料處于干燥與吸收水分的競爭過程中，且水分蒸發過程處于優勢地位，測得的煤溫基本保持在100℃，導致壁面溫度不會過高，此干燥階段可認為水分是在恒定的溫度和速度下向外蒸發。

煤是一種多孔性物質，煤中的水分包括外在水分和內在水分，其中外在水分與煤以機械的方式相結合，較易蒸發，而內在水吸附在煤顆粒內部，以物理化學方式與煤相結合，較難蒸發。在配合煤水分恒速蒸發階段，蒸發的是主要是煤料中的外在水分，煤顆粒內部的水分也逐漸向外遷移。隨著干燥的進行，由于毛細管作用力的存在，位于微孔等內部的水分向外蒸發需要溫度高于100℃才能實現，因此煤料溫度開始上升。水的導熱系數比煤料的高，在此干燥階段，與壁面接觸的煤溫快速上升，在溫度梯度的作用下，將熱量逐步傳導至煤餅中心，最終在煤餅中心溫度達到110℃左右時，即可認為煤料干燥完全。其中，煤料所含化合水不屬于全水分分析的范疇，而且在此干燥過程中，溫度也未達到所需條件而未析出。

由于水分的蒸發，在煤粒之間產生大量空隙，煤粒之間的作用力減弱，配合煤在重力的作用下堆積更為密集。根據查閱文獻介紹，煤在受熱干燥后，隨著水分的逸出，煤粒之間的空隙會變小，當大部分水分被脫除后，煤料的孔結構會收縮和坍塌，同樣增大了煤的堆積密度。同時，在干燥過程中所測得的煤餅不同高度處的溫度分布相對均勻，說明所設計的干燥設備達到了預期效果。

由于干燥后煤料流動性好，在放煤過程中，為了避免瞬間放煤速度過快而出現大量煤塵，在干燥設備的下方，設置了翻板閥和球閥。其中翻板閥用于干燥期間托住煤餅進行干燥預熱，干燥結束后打開放煤；球閥通過開度的調節來控制放煤速度。

2.2.2 煤質分析

利用干燥設備，達到了對煤進行干燥預熱的效果，使得入爐煤水分由11.7%降至1.5%。干燥后的煤樣干基灰分含量和干燥無灰基揮發分含量基本不變，說明煤料本身在干燥過程中并未發生明顯變化，但是干燥后的煤樣粘結指數G 值有所降低，說明煤樣部分發生了氧化，此變化與干燥過程的外部環境有關。干燥后堆密度提高了17.6%，符合上述分析情況；同時根據煤樣粒級分布得出，和原煤相比，干燥后煤的小粒徑更多，小顆粒的煤在水分蒸發后充填煤粒之間孔隙的作用更強，增加了煤的堆密度，與前述分析結果一致。

3 結語

本文通過對預熱煤煉焦技術中煤干燥預熱技術的研究，利用燃燒產生的熱廢氣對配合煤進行干燥預熱，通過設計的干燥預熱設備對配合煤進行干燥預熱，通過記錄加熱過程中溫度變化以及前后的煤質分析，討論了在配合煤干燥過程中水分的析出規律，試驗的最終結果能夠實現對煤的干燥預熱，增加了配合煤的堆密度，對于進一步的工業化意義重大。