煉焦入爐煤堆密度的影響因素分析

張 勇，徐躍東，楊博超，鄭玉鳳，李 坤

（1.遷安中化煤化工有限責(zé)任公司，河北 遷安 064404；2.綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點試驗室，北京 100043）

煉焦煤的預(yù)處理技術(shù)大致可分為兩類：（1）調(diào)節(jié)煤中水分，如煤調(diào)濕、煤干燥、煤預(yù)熱等；（2）改善入爐煤堆密度，如制型煤、壓實煤、搗固煉焦等[1]。這兩類技術(shù)均可改善焦炭質(zhì)量，穩(wěn)定焦爐操作[2]，但降低入爐煤中水分能否提高入爐煤堆密度仍存疑慮。煉焦工作者對煉焦過程中影響煤料堆密度的煤中水分、粒度等因素進行了分析[3-4]，但對煤料下落過程的影響卻鮮有考慮，然而裝煤車往焦爐炭化室內(nèi)裝煤時，存在一定的下落高度，勢必會對入爐煤堆密度產(chǎn)生一定影響。為了更為接近生產(chǎn)，本文研究了焦爐裝煤過程中在一定下落高度時煤中水分及粒度對入爐煤堆密度的影響規(guī)律，為調(diào)節(jié)煤中水分技術(shù)的應(yīng)用提供支撐。

1 實 驗

1.1 實驗條件的確定

利用與40 kg 試驗焦爐配套的落下裝置模擬焦爐裝煤過程，并參照生產(chǎn)條件確定合適的下落高度。將實驗用煤晾至預(yù)定水分或調(diào)至預(yù)定水分，取40 kg煤樣置于下落裝置的料斗中，料斗正下方放置1 個鐵箱（規(guī)格為44.8 cm×30.6 cm×20.0 cm），待料斗升至預(yù)定高度時啟動料斗底面打開裝置，料斗中煤料全部下落，將鐵箱上部的多余煤料去除，然后稱重，經(jīng)過計算便可獲得入爐煤堆密度（以干燥基計）。

不同下落高度時入爐煤堆密度見表1。由表1 可知，下落高度越高，入爐煤堆密度越大。為了簡化實驗和便于對比，在后續(xù)的研究中采用的下落高度均為1.7 m。

表1 不同下落高度時入爐煤堆密度

1.2 實驗過程

取粉碎前配合煤約200 kg，調(diào)節(jié)細度至70%左右，平均粒徑為3.8 mm，平均分為5 份（其中1 份備用），取4 份分別晾至水分為5.0%、6.4%、6.9%、8.6%，為增加數(shù)據(jù)量，通過向水分為8.6%的煤樣中噴水（由于加水量不是太大，而且裝袋放置的時間較長，可以認為水分被充分吸收進煤料中），分別獲得水分為10.5%、11.8%的煤樣。

實驗過程如下：

（1）將實驗用煤裝入鐵箱，獲得堆密度記為下落高度為0 條件下的煤堆密度。

（2）煤樣于1.7 m 下落1 次，獲得堆密度記為下落高度為1.7 m 下落1 次條件下的煤堆密度。

（3）煤樣于1.7 m 下落2 次，獲得堆密度記為下落高度為1.7 m 下落2 次條件下的煤堆密度。

通過步驟（1）和（2），考察了下落高度對煤堆密度的影響；通過步驟（2）和（3），考察了上層煤對下層煤的沖擊作用，以研究炭化室內(nèi)下層煤料的堆密度情況。

為考察煤粒度對堆密度的影響，另外取粉碎后配合煤約200 kg，細度為71%，平均粒徑為3.0 mm，平均分為5 份（其中1 份備用），取4 份分別晾至水分為2.6%、6.1%、8.5%、13.1%，為增加數(shù)據(jù)量，通過向水分為8.5%的煤樣中噴水，分別獲得水分為9.5%、10.7%的煤樣，并進行下落高度為1.7 m、下落次數(shù)為1 次的實驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 水分和下落高度對入爐煤堆密度的影響

水分和下落高度對入爐煤堆密度的影響如圖1所示。由圖1 可見，隨著水分的增加，入爐煤堆密度呈先降后增的趨勢，但下落高度越高，這種變化趨勢越緩和。當(dāng)下落高度為0 時，水分約為10.5%的入爐煤堆密度最低。當(dāng)下落高度為1.7 m 時，盡管隨著水分含量提高，入爐煤堆密度依然呈先降后增的趨勢，但變化趨勢比較緩和，尤其是水分為6.0%～10.5%時。日本煤調(diào)濕水分一般控制在6.0%左右，而我國煤調(diào)濕水分一般控制在8.0%，因此煤調(diào)濕技術(shù)并不能顯著改善炭化室入爐煤堆密度。

圖1 水分和下落高度對入爐煤堆密度的影響

由圖1 還可知，當(dāng)水分相同時，下落高度為1.7 m時入爐煤堆密度遠高于下落高度為0 時的入爐煤堆密度，且隨著水分的增加，兩者的差距變大，差值由0.05 t/m3（水分為5.0%～6.0%）提高到0.15 t/m3（水分為10.5%～12.0%）。

2.2 水分和下落次數(shù)對入爐煤堆密度的影響

水分和下落次數(shù)對入爐煤堆密度的影響如圖2所示。由圖2 可見，當(dāng)下落次數(shù)相同時，隨著煤中水分含量提高，入爐煤堆密度呈先降后增趨勢。當(dāng)水分相同時，下落次數(shù)越多，入爐煤堆密度越大。當(dāng)水分約為8.6%時，入爐煤堆密度最低，下落次數(shù)為2 時較下落次數(shù)為1 時入爐煤堆密度約提高了0.05 t/m3。

圖2 水分和下落次數(shù)對入爐煤堆密度的影響

2.3 水分和粒度對入爐煤堆密度的影響

水分和粒度對入爐煤堆密度的影響如圖3 所示（粒度由煤干燥去除水分后測得）。由圖3 可見，當(dāng)粒度相同時，隨著煤中水分含量升高，入爐煤堆密度呈先降后升趨勢。當(dāng)水分相同時，粒度大的入爐煤堆密度要高于粒度小的入爐煤堆密度。因此，改善入爐煤粒度，可提高入爐煤堆密度。

圖3 水分和粒度對入爐煤堆密度的影響

2.4 煤中水分的作用機理分析

由上述研究可知，無論實驗條件如何變化，只要是同一批煤，隨著煤中水分含量升高，入爐煤堆密度均呈現(xiàn)先降后增的趨勢。為了進一步分析該原因，研究了不同水分含量時煤的粒級分布，結(jié)果見圖4。由圖4 可知，隨著煤中水分含量升高，煤的粒級分布向更大粒級區(qū)間移動，尤其當(dāng)水分為10.1%時，煤粒難以實現(xiàn)篩分分離，集中在＞5.0 mm 粒級。

圖4 不同水分含量時煤的粒級分布

之所以出現(xiàn)上述現(xiàn)象，是因為固體顆粒間存在黏附作用力[5]。黏附作用力包括靜電力、范德華力、毛細力、磁力、氫鍵和化學(xué)鍵等，但后三種力并不普遍存在。一般情況下，毛細力＞范德華力＞靜電力，黏附作用力越大，顆粒團聚現(xiàn)象越顯著。由于顆粒之間存在大量微空間或者微裂隙，當(dāng)水存在時，毛細作用力較易產(chǎn)生，且相對較大，因此大量微小煤粉吸附在大顆粒表面，造成整個粒級分布向大粒級區(qū)間移動，故煤濕度越大，煤顆粒團聚現(xiàn)象越顯著，整體粒級越大。

煤中水分還會影響煤粒的流動性。以煤的安息角來表征煤粒的流動性，隨著煤中水分升高，煤的安息角逐漸變大[6]，表明隨著煤中水分升高，煤粒的流動性變差。

綜上，煤中水分對堆密度的作用機理可從煤粒團聚和流動性兩個角度來分析。

（1）不考慮下落高度的影響。當(dāng)煤中不含外在水時，煤粒的流動度性很好，同時由圖4 可知，此時煤的粒度分布最為寬泛，大中小粒級分布合理的煤能相互填滿空隙，堆密度較大；隨著煤中水分增加，煤的安息角變大，流動性變差，同時煤粒開始團聚，造成粒級分布向大粒級區(qū)間移動，大中小粒級比例逐漸失衡，造成顆粒間的空隙較大，堆密度變小，與圖1 中下落高度為0 的情況接近。

（2）考慮下落高度的影響。當(dāng)煤中不含外在水時，煤粒的流動性很好且煤的粒度分布合理，堆密度較大。隨著煤中水分增加，煤的安息角變大，故而流動性變差，煤粒團聚造成不同粒級比例逐漸失衡，這兩點均造成堆密度降低，但大粒度的煤粒在下落過程中產(chǎn)生較大的沖擊作用，減小了堆密度降低的幅度；隨著水分進一步增大，煤粒團聚現(xiàn)象更為顯著，進一步提高了大粒級煤粒的比例，下落過程的沖擊作用抵消了流動性變差和粒級分布失衡對堆密度的不利影響，煤料的堆密度又開始增大。此時與圖1 中下落高度1.7 m的情況接近。

（3）粒度的影響。總體粒度較大的煤粒在下落過程中的沖擊力更大，因此，隨著水分增大，大粒度的煤的堆密度增幅將大于小粒度的煤的堆密度增幅，大致與圖3 中的情況類似。

3 焦爐炭化室中入爐煤堆密度分布情況推測

由于炭化室內(nèi)越往下煤的下落高度越高，故入爐煤堆密度越大。此外，當(dāng)下落2 次時，上層煤料落到下層煤料上，也會導(dǎo)致下層煤料的入爐煤堆密度增大。在炭化室同一水平面，裝煤口正下方的煤料被上層煤料砸到的概率較大，相當(dāng)于下落次數(shù)多，故推測裝煤口正下方的煤堆密度最高。綜上所述，對炭化室中入爐煤堆密度分布情況進行推測，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 焦爐炭化室中入爐煤堆密度分布情況推測

采用頂裝方式煉焦時，入爐煤堆密度越大則焦炭強度越高。日本新日鐵公司研究了沿炭化室高向和長向各部位焦炭質(zhì)量情況，結(jié)果表明上部焦炭強度比下部焦炭強度低，沿炭化室長向裝煤口正下方的焦炭質(zhì)量較高[5]，這與圖5 中對炭化室中入爐煤堆密度分布情況推測結(jié)果相吻合。

4 結(jié) 論

4.1 其他條件相同時，下落高度越高，入爐煤堆密度越高；下落高度為1.7 m 時入爐煤堆密度遠高于下落高度為0 時的入爐煤堆密度，且隨著水分的增加，兩者的差距變大。

4.2 當(dāng)下落高度和次數(shù)相同時，隨著水分增加，入爐煤堆密度呈先降后增趨勢；當(dāng)下落高度和水分相同時，下落次數(shù)越多，入爐煤堆密度越大。

4.3 當(dāng)煤中水分相同時，粒度大的入爐煤堆密度要高于粒度小的入爐煤堆密度。

4.4 煤中水分通過影響煤粒團聚和流動性，進而影響煤料堆密度。

4.5 根據(jù)實驗結(jié)果，推測炭化室內(nèi)越往下，入爐煤堆密度越高；在同一水平面，裝煤口正下方的入爐煤堆密度最高。