張 軍 秦 云 劉 睿 黎漢琪 黃 翼

（武漢平煤武鋼聯合焦化有限責任公司，武漢 430082）

摘 要：在配煤結構相同、焦爐生產穩定的情況下，對 6 m、7 m 和 7.63 m³種爐型的焦炭質量冷強度、熱強度及其波動情況進行了統計分析，并從入爐煤堆密度、煤料的偏析、結焦時間、焦爐溫度等方面對 3 種爐型焦炭質量的差異進行了初步分析。

關鍵詞：配煤結構；爐型；焦炭質量；差異

1 前言

武鋼焦化公司共有7座焦爐，其中3座6 m焦爐、2座7 m焦爐、2座7.63 m焦爐。2021年前，7座焦爐配備2座露天煤場+斗槽配煤，其中一煤場供應6 m和7 m焦爐，二煤場供應7.63 m焦爐。7.63 m焦爐主要為武鋼最大的4 000 m³ 高爐保供焦炭，對焦炭質量要求較高[1]，因此一、二煤場采取了差異化配煤。二煤場的配合煤結構一直優于一煤場，7.63 m焦爐的焦炭質量也一直優于其他焦爐。3種爐型的相關參數如表1所示。

2021年下半年，武鋼焦化配煤改為筒倉儲配一體化模式，同時為降低配煤成本、優化配煤操作，7座焦爐采用了相同的配煤結構，各爐組配合煤質量一致。

2 不同爐型焦炭質量分析

在相同的配煤結構下，3種爐型的焦炭質量均能滿足高爐的需求，但在焦炭質量和指標的穩定性上表現出了一定的差異。對2022年1～3月的質量數據進行了統計（期間進行了10次配比變化），相關數據分析如表2所示。

從表2可知，6 m和7 m焦爐的實際周轉時間與設計周轉時間基本一致。7.63 m焦爐實際周轉時間長于設計周轉時間（國內所有7.63 m焦爐的實際周轉時間均長于設計周轉時間），根據結焦時間與炭化室寬度之間的指數函數關系^[2]，即：

T₂=T₁ (B₂/B₁) ⁿ 

式中：T₁、T₂為標準炭化室和寬炭化室的結焦時間，h；B₁、B₂為標準炭化室 ( 450 mm) 和寬炭化室的寬度，mm。

可以得出，n=1.314，所以可以將7.63 m焦爐27.17 h的周轉時間視為合理周轉時間。

由3種爐型的焦炭質量對比可知，焦炭冷強度M40、M10及熱強度CSR差異較大，7.63 m焦爐明顯優于7 m和6 m焦爐，7 m焦爐略優于6 m焦爐。對焦炭質量指標離散系數進行計算，分析焦炭質量的穩定性，7.63 m焦爐的焦炭冷強度M40、M10波動明顯比7 m和6 m焦爐大，7 m和6 m焦爐的波動差異不大。焦炭熱強度CSR的穩定性方面，7.63 m焦爐波動小于7 m和6 m焦爐，7 m焦爐小于6 m焦爐。

3 焦炭質量的影響因素分析

影響焦炭質量的因素很多，主要是煉焦煤的性質和備煤、煉焦的工藝條件^[3]。在配煤結構相同、焦爐生產穩定的前提下，針對3種爐型焦爐焦炭質量表現出的差異性，結合煤的成焦機理，從入爐煤堆密度、煤料的偏析、結焦時間及焦爐溫度等方面進行分析和探討。

3.1 入爐煤堆密度分析

堆密度的提高對焦炭質量有比較明顯的提升^[4-5]，入爐煤堆密度取決于裝煤過程中由入爐煤動能轉化而成的壓縮能。在配煤結構與煉焦工藝相同的情況下，入爐煤的動能由初始動能、入爐煤勢能和裝煤過程中煤料受到的阻力疊加而成，即

E=E₀+ mgh- (f+v)h

式中：E為入爐煤粒的動能，J；E₀為入爐煤粒的初始動能，J；m為煤粒重量，kg；h為煤料下落高度，m；f為煤料間的摩擦力，N；v為煤料所受熱浮力，N。

（1）入爐煤初始動能。3種爐型焦爐裝煤車均通過4臺螺旋給料機送料裝煤，入爐煤的初速度可以由表3中所示的入爐煤的體積、裝煤時間和導套下料口直徑計算得出。

由表3可知，6 m、7 m和7.63 m焦爐的入爐煤初速度依次升高，即入爐煤料的初始動能E₀依次增大。

（2）入爐煤勢能。入爐煤的勢能與煤粒的重量和煤粒下落的高度有關，較高的炭化室其入爐煤產生的勢能也較高，即6 m、7 m和7.63 m焦爐入爐煤依次具有更高的勢能。

（3）入爐煤阻力。入爐煤在下降過程中的阻力主要包括煤粒間的摩擦力和受到的熱浮力，其中煤粒間的摩擦力以相互摩擦和碰撞為主^[6]。在煤粒重量相同的情況下，摩擦力主要取決于相互之間的摩擦系數，而炭化室的寬度對摩擦系數有直接影響。較寬的炭化室內煤粒間的空隙較大，煤粒間的接觸面積較小，摩擦系數較小。同時較寬的炭化室內煤料顆粒的相互碰撞減少，所以較寬炭化室內煤料間的摩擦力f亦較小。煤料在炭化室內下降過程中荒煤氣的產生主要發生在兩側爐墻的高溫區域，同時高溫爐墻側的煤料對中間煤料起到了隔熱作用，所以更多的中間煤料受熱產生的荒煤氣少，或未受熱產生荒煤氣，從而受到的熱浮力v較小。所以6 m、7 m和7.63 m焦爐入爐煤在炭化室內受到的摩擦力和熱浮力依次減小。

跟蹤了2022年2月7日至2月12日的裝煤量數據，并測量了煤線，分別計算出了3種爐型焦爐的入爐煤平均堆密度，如表4所示。

通過以上分析得知，6 m、7 m和7.63 m焦爐的入爐煤動能依次增加，動能最終轉換成壓縮能，體現在了入爐煤的堆密度上，所以6 m、7 m和7.63 m焦爐入爐煤的堆密度依次增加，表4的測量數據亦驗證了該分析。

堆密度的提高對焦炭冷強度M40、M10和熱強度CSR都有良好的提升作用^[7]。尤其是隨著堆密度的提高，煤粒間的間隙變小，煤粒受熱過程中的膠質體液態產物能更好地對弱黏結性煤粒進行浸潤包裹，使煤粒間形成更強的界面結合。同時煤粒間間隙的減小，對膠質體熱解產生的氣體組分的逸出產生了更大的阻力，使膠質體產生更大的膨脹壓力，促進了膠質體中有機大分子物質的熱縮聚發生，使焦炭氣孔率降低，氣孔壁變厚，提高了焦炭熱反應后強度^[8]。這可能是7.63 m焦爐冷強度波動較大，而熱強度波動最小的原因。

3.2 煤料的偏析

煤料從筒倉配煤至裝入爐的過程中會發生煤粒偏析，尤其近幾年隨著礦山來煤細度的升高，為使配合煤細度符合生產要求，對粉碎機的錘頭數量進行了較大幅度的削減，導致配合煤粉碎的均勻性降低，加重了煤料輸送過程中的偏析。影響煤料偏析的因素主要有粒級分布、物料輸送落差^[9]、物料輸送中的振動、煤塔的布料等。

（1）粒級分布。細度是配煤質量控制指標之一，對焦炭質量及產量有著直接影響^[10]，相同細度下的不同粒級分布也對配合煤煉焦有重要影響^[11-12]，尤其大粒度煤比例增加或細粉煤量的增加會加重煤料輸送過程中的偏析，從而導致入爐煤不均勻。

表5為配合煤粉碎后取樣的粒度分布，從表中看出雖然粉碎后煤的細度（≤3 mm）為74.25%，滿足指標要求，但其中0～1 mm的粒級分布占到了53.50%，1～3 mm粒級只占20.75%，明顯細粉煤過多。且＞5 mm粒級占到了總量的15.40%，配合煤各粒級分布不均勻。

（2）煤料輸送中的落差。煤料經過筒倉配煤粉碎后需要經過多個轉運站輸送至焦爐煤塔，期間經過的幾十米至上百米高度落差，在煤料的下落過程中會因為粒度的不均勻發生偏析現象。

（3）煤料輸送中的振動。煤料在通過皮帶式輸送機輸送過程中，會因為振動作用產生偏析，與煤料輸送中經過落差產生的正偏析不同，振動會產生負偏析，即粒度大的煤粒會向皮帶機中間聚集，這在一定程度上可以抵消煤料輸送中因落差產生的正偏析帶來的負面影響。

（4）煤塔布料。筒倉儲配一體的設計缺少配合煤混勻的過程，而煤塔的旋轉布料機除往煤塔儲煤槽中布料作用外，合理的操作也可以在一定程度上對煤料進行混勻，對入爐煤的均勻性可以產生有利影響。

在配合煤粒級分布一致、布料模式相同的情況下，影響煤料偏析的主要因素在于煤料輸送過程中的落差和煤料輸送的距離。表6為分別在粉碎機后和裝煤車中所取煤樣的細度分析。

從表6中可以看出，0～1 mm和大于5 mm兩個粒級煤粒在粉碎機后和裝煤車中占比均出現了差異，且兩個粒級的占比最大差異均出現在7.63 m焦爐，其中裝煤車中大于5 mm粒級占比達到了粉碎機后的2.62倍，說明7.63 m焦爐煤料的偏析最嚴重，其原因為武鋼7.63 m焦爐更短的煤料輸送距離和因煤塔最高而產生的更大落差。

煤料的偏析嚴重，導致入爐煤的不均勻，可能是7.63 m焦爐焦炭冷強度波動最大的原因。

3.3 結焦時間和焦爐溫度的影響

（1）結焦時間。結焦時間對焦炭冷強度和熱強度均有影響，適當延長結焦時間對焦炭質量有一定的提升作用^[13-14]。對2022年1～3月3種爐型焦爐的平均結焦時間、冷強度及熱強度指標的離散性進行了分析，結果如表7所示。

從表7看出，3種爐型焦炭的冷強度和熱強度波動情況與結焦時間的波動沒有明顯的對應關系，說明結焦時間不是造成不同爐型焦炭質量差異的主要原因。

（2）焦爐溫度。焦爐溫度直接影響煤料的成焦過程^[15]，煤料在炭化室內的結焦過程分為黏結階段和半焦收縮成焦炭2個階段，膠質體的快速形成和半焦的緩慢收縮對焦炭質量的提升是有利的。在黏結階段，較高的溫度可以提高炭化室爐墻兩側煤料的碳化速度，提高膠質體的流動性，增強煤料的黏結性。7.63 m焦爐的標準溫度相較6 m和7 m焦爐 大幅提高到了1 300 ℃以上（焦爐中心溫度），使得入爐煤能快速形成流動性良好的膠質體。另一方面，在更寬的炭化室內，由于堆密度的增加，使得荒煤氣經過煤層沿徑向向上逸出的阻力增大，更多的荒煤氣突破膠質層的阻力，高溫爐墻側的半焦層逸出^[16]，并大量吸收了爐墻熱量，使得炭化室中心的膠質體熱解和縮聚變慢，膠質體中的液態產物得到積累，黏結性進一步增強，同時隨著半焦收縮過程的減緩，收縮產生內應力降低，焦炭的裂紋減少，強度提高。這應該是7.63 m焦爐焦炭質量最好，而熱強度波動最小的原因。

4 結論

（1）在配煤結構相同的情況下，6 m、7 m、7.63 m焦爐的焦炭在質量指標和質量的穩定性上表現出了差異，總體上6 m、7 m、7.63 m焦爐焦炭質量依次更優。在質量穩定性上，7.63 m焦爐的冷強度波動較大，熱強度波動最小，一方面反映出焦炭冷強度與熱強度之間沒有明顯的相關性，另一方面說明7.63 m焦爐對焦爐入爐煤的適應性最強。

（2）3種爐型焦爐焦炭質量的差異性應該是由入爐煤的堆密度不同、煤料輸送過程中偏析程度不同以及焦爐溫度的差異共同造成的，具體各影響因子的影響度需要進一步分析。

（3）通過提高裝煤速度、降低配合煤細度來提高入爐煤堆密度，提高配合煤粒度均勻性、優化煤塔布料操作、保持煤塔儲煤槽較高料位、降低煤料輸送落差等來減小煤料偏析，采用寬炭化室焦爐提高配合煤的結焦性能等系列措施可以改善焦炭質量。

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