影響搗固煤餅質量的全因素數字化定量研究

郝瑛軒,王 起,關俊果,王建斌

(1.河南神馬減碳技術有限責任公司,河南 平頂山 467000 ; 2.河南中鴻集團煤化有限公司,河南 平頂山 467045)

某公司現有兩座搗固焦爐,為1#、2#焦爐,兩座焦爐爐型為WKD6050D,為全國首座固定型6 m搗固焦爐,搗固焦爐為雙聯火道、廢氣循環、焦爐煤氣下噴的單熱式焦爐。焦爐主要生產設備有五大車,生產任務的編排由集中控制室電腦獨立完成,生產工段組織按計劃實施。6 m搗固站1#站全部設備由德國進口,屬于自動定位、自動給煤、自動搗打的全自動程序。2#搗固站則是江蘇長力機械獨自設計的固定式搗固機。將煤塔內混和成的煤料落至加煤車后經過搗打,由機側裝入炭化室進行干餾、溶解、熔融固化、收縮成焦餅,焦側由攔焦車、熄焦車、熄焦塔、干熄焦系統組成。搗固焦爐適用煤種范圍廣,多采用高揮發分弱黏結性或中等黏結性煤作為煉焦的主要配煤組分。將煤粉碎到比普通煉焦要細的細度,并用機械搗固成煤餅以提高裝爐煤堆相對密度,煉出質量更好的焦炭,并擴大煉焦的煤資源。受市場行情及原料煤的影響,需要調節配比來滿足焦炭質量和降低配煤成本,會造成焦爐單孔焦炭產量波動。為有效控制單孔產量,現從入爐煤密度(以下簡稱堆密度)、入爐煤細度、搗固錘數進行分析研究,進而穩定焦爐單孔產量,降低焦爐生產過程中的環保壓力,使焦爐生產更加穩定高效。

1 堆密度與單孔產量的關系

搗固煉焦是將入爐煤用搗固機搗實成體積小于炭化室的煤餅后,推入炭化室煉焦稱為搗固煉焦。隨著煤料堆密度的增大,煤料顆粒間距縮小,空隙也減小,減小了結焦過程中為填充空隙所需的膠質體液相產物的數量,可以多配入高揮發分弱黏結性煤,也能改善焦炭質量,并擴大煉焦煤資源[1]。因此入爐煤的堆密度不僅能夠決定焦爐單孔產量,更能增大入爐煤的選用種類。

而傳統對搗固煤餅取樣時是在煤餅搗打成型后,在加煤車煤餅上部挖取等體積的煤餅,然后稱取質量計算堆密度。該方法得出的堆密度較實際堆密度偏低,因煤餅上部搗打次數少,堆密度較中下部偏低,無法測得真實數據。

采用自制的煤餅穩定性實驗平臺,主要由煤餅搗固機和電子式萬能實驗儀組成[2]。詳細步驟為:煤餅搗固機將煤料裝入內底面規格為100 mm×100 mm的煤餅模具中。模具的上面有一個底面為100 mm×100 mm,質量10 kg的方形錘頭,可按需要調節錘頭高度,從而控制搗固所需的搗固功,搗制出符合實驗所要求的密度、體積的煤餅。該方法投資相對大、操作復雜,能夠模擬出煤餅的堆密度,但是無法代表真實的數據。為追求真實的堆密度數據,經過多次探討分析,特發明了以下方法。

1.1 堆密度的取樣過程

設計專用取樣工具,在水鉆鉆頭上焊接一個半徑0.038 m,長0.067 m的圓筒用于取樣。裝煤車按照正常流程搗打煤餅,搗打完成后到計劃爐號進行加煤,加煤車加煤至8 m行程時(煤餅約6 m),從煤餅兩側約60 cm高的位置,采用水鉆打洞取樣,然后計算堆密度。該方法可以在煤餅的不同高度上進行取樣,能夠直觀地獲得煤餅垂直方向的堆密度,反映出煤餅的整體性堆密度,對焦爐生產有極大的幫助。

1.2 堆密度與相關數據的關系

通過對2座焦爐煤餅堆密度的多次取樣并結合單孔產量及煤餅高度后,得出以下數據,見表1。

表1 1#焦爐的統計表

由表1、表2可知,1#爐入爐煤堆密度平均為1.287 t/m3,平均單孔焦炭產量29.865 t,平均推焦電流328 A。2#爐煤堆密度平均1.25 t/m3,平均單孔焦炭產量29.774 t,平均推焦電流315 A。說明入爐煤堆密度升高,單孔焦炭產量有提升情況,推焦電流的數據也表明堆密度提高,推焦電流有相應的上漲,也佐證了單孔產量的提高。

表2 2#焦爐的統計表

2 入爐煤細度與單孔產量的關系

搗固煉焦主要配煤組分是高揮發分弱黏結性或中等黏結性煤,將煤粉碎到比普通煉焦更高的細度。配合煤細度是入爐煤細度的一項指標,用≤3 mm粒級占全部煤料的質量分數來表示。同行業的入爐煤<3 mm細度約88%,其中粒度<0.5 mm的企業占40%～50%。受市場行情及原料煤影響,公司使用的瘦煤庫存緊張,造成入爐煤揮發分維持在27.5%以上,對單孔焦炭產量的穩定產生了不利影響。為穩定單孔焦炭的產量,結合公司的實際情況,將入爐煤細度控制在85%～88%。

2.1 細度與單孔產量的關系

在對1#、2#焦爐的生產數據進行匯總后,得出的數據見表3。

表3 入爐煤細度及單孔產量

由表3可知,在一定范圍內,入爐煤細度與單孔產量成反比關系。入爐煤細度提高,單孔產量呈現降低的趨勢;入爐煤細度降低,則單孔產量呈現一定的增長。

2.2 細度與單孔產量趨勢圖關系

1#、2#焦爐入爐煤細度與單孔產量趨勢圖見圖1、圖2。

圖1 1#焦爐入爐煤細度與單孔產量趨勢圖

圖2 2#焦爐入爐煤細度與單孔產量趨勢圖

由圖1、圖2可看出,入爐煤細度與單孔產量呈現函數關系,反映出趨勢線的估計值與對應的實際數據之間擬合程度較高,可信度較強,入爐煤細度與單孔產量關聯性極大。

細度增加,入爐煤質量的均勻性提高,焦炭結構的均勻性增加,可提高焦炭強度。但細度增加,堆密度降低,也會降低煤粒間的黏結融熔,從而降低焦炭強度;細度太高,煤的黏結性降低,焦炭強度降低。所以需要結合單孔產量將入爐煤細度控制在合適的范圍內,在結合推焦電流后最佳的入爐煤細度應控制在86%～87%。

3 搗固錘數與單孔產量的關系

搗固焦爐在煤餅進入煤箱后,通過搗固錘的搗打,通過給煤機的給煤,將煤餅搗打成需要的高度后加入炭化室內。每孔煤餅的搗打次數與單孔產量也有一定的關系,隨著搗固錘數的增多,相應的煤餅堆密度也高,但是單孔操作時間也相應增長。借助現有的搗固錘計數器及干熄焦系統記錄的每班單孔產量,得出數據見圖3、圖4。

圖3 1#焦爐搗固錘數與單孔產量趨勢圖

圖4 2#焦爐搗固錘數與單孔產量趨勢圖

由圖3、圖4可以看出,搗固錘數與單孔產量在一定范圍內呈對數關系。由于1#、2#焦爐未排除入爐煤細度、煤餅高度的影響,所以R2偏低。但趨勢線的估計值與對應的實際數據之間擬合程度較高,可信度較強,說明搗固錘數與單孔產量關聯性極大。

4 結論

通過對堆密度、入爐煤細度、搗固錘數的研究,發現堆密度與單孔產量呈線性關系,入爐煤細度與單孔產量呈現函數關系,搗固錘數與單孔產量在一定的范圍內呈對數關系。通過對三項關系比對得出:最佳控制范圍為堆密度1.25～1.3 t/m3,入爐煤細度86%～87%,搗固錘數660～700次。生產過程中應嚴格控制這三項數值能夠將單孔產量維持在穩定的水平上,達到穩定焦炭產量的目的。

搗固煉焦生產中入爐煤的細度、堆密度、搗固錘數與焦爐的單孔產量在一定范圍內呈現線性關系。通過對三項生產數據數字化研究,有效地穩定了焦爐的生產操作,提升焦爐的經濟效益,對同行業的搗固焦爐生產有指導意義。