煉焦煤干燥預(yù)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(chǎn)及需求大國，2018 年，中國的焦炭產(chǎn)量為4.382 億噸，而我國用于煉焦生產(chǎn)所需的優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源有限且不可再生[1]，同時隨著我國環(huán)保形勢的日益嚴(yán)峻，對于焦化新技術(shù)的發(fā)展需求越來越迫切。如何在煉焦生產(chǎn)中降低污染物的排放，減少對優(yōu)質(zhì)煉焦煤的依賴，成為眾多研究者的課題[2-5]。預(yù)熱煤煉焦技術(shù)具有改善焦炭質(zhì)量或增加弱粘煤(氣煤等)用量、降低煉焦耗熱量、減少環(huán)境污染等優(yōu)點，符合焦化行業(yè)的發(fā)展方向。

1 預(yù)熱煤煉焦技術(shù)

預(yù)熱煤煉焦技術(shù)開發(fā)較早，早在1922 年由美國人Parr 提出，曾一度在國外也實現(xiàn)了工業(yè)化，大量研究者也通過試驗證明了通過預(yù)熱煤煉焦能夠明顯改善焦炭的質(zhì)量以及增加弱粘結(jié)性煤的用量。采用預(yù)熱煤煉焦，裝爐煤水分為零，增加了入爐煤的堆比重。傳統(tǒng)入爐煤的水分含量為10%，煤的堆比重為750kg/m3，當(dāng)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(chǎn)焦量增大；隨著入爐煤溫度的升高，結(jié)焦時間明顯縮短，即提高了焦?fàn)t的生產(chǎn)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(yù)熱煤煉焦的一部分，研究開發(fā)的預(yù)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(tài)的變化，為后續(xù)的工業(yè)化積累經(jīng)驗。

2 試驗部分

2.1 干燥設(shè)備

結(jié)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(yù)熱設(shè)備廢氣溫度為650℃，干燥設(shè)備參照焦?fàn)t加熱形式，為間接加熱設(shè)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(nèi)走熱廢氣，煤道內(nèi)裝入需要干燥的煤料，為了防止熱廢氣對煤的化學(xué)性質(zhì)造成影響，在氣道內(nèi)通過隔熱層厚度的不同和廢氣循環(huán)的形式保證干燥設(shè)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(huán)倍率通過傳熱模擬確定。

2.2 試驗結(jié)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?fàn)t單孔炭化室裝煤量的1/16 來設(shè)計，通過熱風(fēng)爐燃燒焦?fàn)t煤氣提供熱量，燃燒后的熱廢氣進入干燥設(shè)備對配合煤進行干燥預(yù)熱。換熱后的廢氣通過引風(fēng)機后經(jīng)煙囪外排。試驗過程中檢測的數(shù)據(jù)有：氣體的流量，廢氣出干燥設(shè)備溫度，煤餅不同高度處的溫度，煤道側(cè)壁溫度以及干燥試驗后的煤質(zhì)檢測。

干燥設(shè)備內(nèi)通入熱廢氣，使入口溫度達(dá)到650℃，然后將配合煤裝入干燥設(shè)備，開始干燥，同時開始計時。在干燥過程前期，干燥設(shè)備廢氣出口溫度隨著干燥時間的進行逐步升高，至干燥結(jié)束時達(dá)到250℃左右；干燥設(shè)備靠近煤道側(cè)壁面溫度在干燥初始階段變化不大，基本維持在110℃以內(nèi)，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(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象，煤道中心溫度在干燥3h 左右即達(dá)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(chǎn)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(fā)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(chǎn)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(nèi)配合煤水分受熱向外蒸發(fā)過程基本接近常壓狀態(tài)，產(chǎn)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(fā)過程處于優(yōu)勢地位，測得的煤溫基本保持在100℃，導(dǎo)致壁面溫度不會過高，此干燥階段可認(rèn)為水分是在恒定的溫度和速度下向外蒸發(fā)。

煤是一種多孔性物質(zhì)，煤中的水分包括外在水分和內(nèi)在水分，其中外在水分與煤以機械的方式相結(jié)合，較易蒸發(fā)，而內(nèi)在水吸附在煤顆粒內(nèi)部，以物理化學(xué)方式與煤相結(jié)合，較難蒸發(fā)。在配合煤水分恒速蒸發(fā)階段，蒸發(fā)的是主要是煤料中的外在水分，煤顆粒內(nèi)部的水分也逐漸向外遷移。隨著干燥的進行，由于毛細(xì)管作用力的存在，位于微孔等內(nèi)部的水分向外蒸發(fā)需要溫度高于100℃才能實現(xiàn)，因此煤料溫度開始上升。水的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)至煤餅中心，最終在煤餅中心溫度達(dá)到110℃左右時，即可認(rèn)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(dá)到所需條件而未析出。

由于水分的蒸發(fā)，在煤粒之間產(chǎn)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(jù)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(dāng)大部分水分被脫除后，煤料的孔結(jié)構(gòu)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(shè)計的干燥設(shè)備達(dá)到了預(yù)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(xiàn)大量煤塵，在干燥設(shè)備的下方，設(shè)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(yù)熱，干燥結(jié)束后打開放煤；球閥通過開度的調(diào)節(jié)來控制放煤速度。

2.2.2 煤質(zhì)分析

利用干燥設(shè)備，達(dá)到了對煤進行干燥預(yù)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(fā)分含量基本不變，說明煤料本身在干燥過程中并未發(fā)生明顯變化，但是干燥后的煤樣粘結(jié)指數(shù)G 值有所降低，說明煤樣部分發(fā)生了氧化，此變化與干燥過程的外部環(huán)境有關(guān)。干燥后堆密度提高了17.6%，符合上述分析情況；同時根據(jù)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(fā)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(jié)果一致。

3 結(jié)語

本文通過對預(yù)熱煤煉焦技術(shù)中煤干燥預(yù)熱技術(shù)的研究，利用燃燒產(chǎn)生的熱廢氣對配合煤進行干燥預(yù)熱，通過設(shè)計的干燥預(yù)熱設(shè)備對配合煤進行干燥預(yù)熱，通過記錄加熱過程中溫度變化以及前后的煤質(zhì)分析，討論了在配合煤干燥過程中水分的析出規(guī)律，試驗的最終結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)對煤的干燥預(yù)熱，增加了配合煤的堆密度，對于進一步的工業(yè)化意義重大。