焦炉黑头焦增多的原因分析及解决措施

张 军，严铁军，席玮城

（武汉平煤武钢联合焦化有限责任公司，湖北 武汉 430082）

武汉平煤武钢联合焦化有限责任公司（以下简称武钢）5#、6#焦炉为JNX3-70-1型7 m焦炉，主要为炼铁厂5#高炉提供焦炭，从2021年7月中旬开始，生产的焦炭中黑头焦增多，黑头焦量占总焦炭量的40%左右，同时焦炭的M40、M10、CSR等指标也有不同程度的下降。焦炭外观是焦炭质量最直观的表现，可以通过焦炭的直观表现来指导高炉生产，所以在对焦炭质量指标关注之余，对焦炭外观进行分析，尤其对黑头焦问题进行分析有比较现实的意义。

1 黑头焦的成因及占比

从高炉槽下皮带随机选取的黑头焦分四类：第一类焦炭发黑面平整，气孔较多，判断为炉头焦；第二类焦炭偏黑，比较平整，气孔不多，判断为焦饼中心焦；第三类焦炭偏黑，发黑面不规则，判断为炉顶焦；第四类块度较小，发黑面明显，为薄薄一层，呈现吸附炭黑现象，判断为焦炭吸附游离碳，该黑头焦量比较少。

1.1 黑头焦的成因

根据焦炭成焦机理，结合焦炉生产情况，对各类黑头焦的产生原因进行了具体分析。

1.1.1 炉头黑头焦

焦炉机焦侧炉头部位是焦炉炭化室内温度最低点，这是由焦炉的工艺设计决定的。武钢规定焦炉炉头温度与标准测温火道温度之差应小于150℃，但在实际生产中5#、6#焦炉机焦侧炉头平均温度均低于下限值。焦炉虽然有炉头补充加热措施，但由于炉头补充加热经常导致炉头过火垮焦，所以一直处于停用状态。此外，为增加装煤量，5#、6#焦炉的机焦侧炉门砖厚度由原设计的470 mm减少至450 mm，进一步恶化了炭化室内炉头低温区温度，导致炉头焦炭成熟较差。

1.1.2 焦饼中心黑头焦

炭化室内配合煤的成焦过程是由两边炉墙逐层往炭化室中心扩展的，靠近炉墙的焦炭因温度高传热快，故熔融良好，结构致密。而炭化室中心部位的焦炭因结焦前期受热速度较慢、结焦后期快速结焦，故焦炭黏结熔融较差，甚至中心位置有少量挥发分残余，导致中心面焦炭发黑。

1.1.3 焦饼顶部黑头焦

焦炭成熟时焦饼的温度需要达到1 000℃±50℃，而在焦炉生产过程中，为防止炭化室顶部过量生长石墨，影响生产顺行，故需要控制炭化室炉顶空间温度在800℃±50℃，所以焦饼顶部焦炭层在结焦后期会持续向炉顶空间放热，无法达到焦炭成熟所需要的温度，导致焦炭成熟不良，出现发黑、疏松。

1.1.4 附着碳黑头焦

成焦中后期，半焦缩聚反应产生的挥发分主要是煤气，其中的CH4及其他不稳定脂肪烃化合物在逸出过程中遇到炽热的焦炭后可发生裂解反应，产生游离碳，部分游离碳会进入靠近两侧炉墙的高温焦炭缝隙并被吸附，造成焦炭表面出现发黑现象。

1.2 各类黑头焦的占比

根据武钢JNX3-70-1型焦炉炉型参数，可以分别估算前三类黑头焦的理论比例。

假设炭化室内高度6 m，焦饼中间宽度0.5 m，炭化室长度16.78 m，焦炭的块度近似为50 mm×50 mm×50 mm。则：

每个炭化室的总焦炭块数A总=（6×16.78×0.5）/（0.05×0.05×0.05）=402 720

机侧炉头+焦侧炉头的黑头焦块数A机+焦=（6×0.5）/(0.05×0.05)×2=2 400

炉顶黑头焦块数A炉顶=（0.5×16.78）/（0.05×0.05）=3 356

焦饼中心黑头焦块数A焦饼中心=（6×16.78）/（0.05×0.05）×2=80 544

黑头焦比例N=（A机+焦+A炉顶+A焦饼中心）/A总×100%=（2 400+3 356+80 544）/402 720×100%=21.4%

加上少量第四类黑头焦，正常情况下黑头焦数量应占全部焦炭的25%左右。

2 黑头焦的主要治理措施

2.1 恢复炉头补充加热

为防止恢复炉头补充加热后炉头出现垮焦问题，在采用最低加热煤气量的基础上采取了间断性补充加热方式，每天8点至16点开炉头补充加热，16点至次日8点停用补充加热。恢复炉头补充加热后效果良好，炉头焦炭成熟明显好于以往，达到了既改善炉头焦炭成熟度又不垮焦的目的。

2.2 调整焦饼高向温度分布

前期测量的21#、23#、25#炭化室焦饼中心温度如表1所示。由表1可知，焦炉炭化室上下部温差在焦炉生产管理规程要求的小于100℃范围内，但实际生产中炉顶黑头焦较多，说明上下部温差仍然偏大，炉顶空间温度偏低。

表1 调整前21#、23#、25#炭化室焦饼平均温度

为缩小上下部焦饼中心温差，对机焦侧烟道吸力及废气盘空气风门进行了调整，同时因恢复了炉头补充加热，对前期为提高炉头温度增加的焦炉煤气使用量进行了恢复，共同促进高向加热的均衡性。采取这些措施后，再次测量相同炭化室号的焦饼温度，结果见表2。由表2可知，炭化室上下部温差明显缩小，说明焦炉高向加热均匀性增强。

表2 调整后21#、23#、25#炭化室焦饼平均温度

2.3 降低空气过剩系数

较低的空气过剩系数既可以提高看火孔压力和炉头温度，也可以促进焦饼高向温度的均匀性。以看火孔压力10 Pa～20 Pa、烟道废气含氧体积分数不低于5%的安全限值为原则，将空气过剩系数由原来的1.30降低至1.22，燃烧室煤气燃烧情况良好。

2.4 调整配煤比

将配煤中气煤配比增加了2个百分点，某较高挥发分进口煤配比增加了1个百分点，瘦煤配比降低了3个百分点，提高了配合煤炭化过程的收缩性，减少焦饼中心裂缝，有利于减少黑头焦。

2.5 改进平煤系统

推焦车平煤杆在炭化室内存在一定程度的下挠，会造成炭化室内装煤不平，使焦饼顶部横向加热温度不均匀，造成顶部焦炭成熟不均匀，产生黑头焦。针对该问题，一方面对平煤杆标高及平煤杆弯曲度进行了校正，另一方面将平煤杆前部固定挡煤板改为单向活动式挡煤板，既防止平煤杆前进时将煤大量推向焦侧，又可以在平煤杆后退时将煤峰刮平，保证了炉顶装煤平整，有利于炉顶焦的成熟。

3 治理效果

3.1 经过以上治理，炉头成熟程度明显好转，边火道温度全部达到了焦炉生产管理规程中不低于标准温度150℃的要求，边火道温度系数达到了0.90以上。

3.2 焦饼中心温度高向温差更加合理并趋于稳定，21#、23#、25#炭化室焦饼机侧、机中、焦中、焦侧平均上下部温差分别降低至32℃、33℃、35℃和37℃。

3.3 对高炉槽下皮带焦炭随机取样统计黑头焦数量，发现治理后黑头焦比例降至24.8%，黑头焦占比与理论计算值25%比较接近。

3.4 治理后焦炭质量指标有所好转，热强度得到改善，M40、CSR由治理前的平均88.80%、69.19%上升为88.89%、70.76%，M10由5.82%改善至5.79%。