焦炉上升管结渣现象与原因分析

武 吉 甘秀石 陆 云 朱庆庙 张其峰 肖泽坚

(1.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，2.鞍钢集团钢铁研究院，3.鞍钢股份有限公司制造管理部，4.鞍钢股份有限公司炼焦总厂)

炼焦生产过程中产生的煤气由上升管引出，然后经桥管、集气管循环氨水冷却后实现粗煤气和焦油的分离。由于荒煤气中含有大量的碳，长期运转的焦炉上升管内壁会结有石墨，造成上升管堵塞、荒煤气流通不畅，炉门、炉框冒烟冒火，严重会影响焦炉正常的生产操作，现场环境恶化，增加劳动强度[1]。文章结合鞍钢某焦炉炭化室部分上升管根部位置发生大面积堵塞现象，分析了焦炉上升管堵塞物的形成原因，给出了减少该类堵塞物生成的建议。

1 上升管堵塞物成分分析

1.1 上升管堵塞现象及取样

以往石墨堵塞上升管，一般利用铁钎上下通透，堵塞的石墨会落至炭化室内，并随焦炭一同从炭化室推出。此次上升管堵塞物在高温下呈黏稠状，铁钎通透时堵塞物不易从管壁脱落，当铁钎从堵塞物中抽出后，抽离缝隙迅速被堵塞物黏结密实。为避免影响后续炼焦生产，在结焦末期，将焦炉堵塞的上升管全部拆卸换新，利用外力将内部堵塞物取出，如图1所示。冷却后的堵塞物质地坚硬，形貌结构不均匀，呈高温熔融反应后的渣状，黏结有少量煤粉。根据样品表观形貌将样品分为三个部分：1号样呈白色镶嵌状，质重，内部呈多孔状；2号样黑灰色，与1号样比质稍轻，有少量煤粉颗粒黏结；3号样有明显的熔融凝结现象，呈高炉玻璃渣状。

图1 上升管内堵塞物

1.2 化学成分分析

分别对堵塞物与常规石墨结垢进行化学成分分析，见表1。4号为上升管常规石墨结垢试样。

表1 焦炉上升管堵塞物与石墨结垢化学成分分析 %

从表1中可以看出，上升管堵塞物中SiO2含量较高，占比达到45.04%以上，Fe2O3含量为8.80%～10.06%，Al2O3含量为9.47%～13.49%，碱金属氧化物含量为5.72%～8.45%。另外，2号样C含量达到28.10%，主要是因为该试样包裹、黏附煤粉颗粒所致，可以得出1～3号堵塞物是以SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O为主要成分的无机矿物组成，不均匀包裹煤粉颗粒。4号常规石墨结垢中的C含量达到92.40%，分析认为主要成分是石墨。说明此次上升管堵塞与上升管结石墨明显不同。

1.3 物相成分分析

焦炉炉顶空间温度达到800～900 ℃，该温度条件下硅、铝、钙、镁类无机矿物一般不会发生渣相转变。将焦炉上升管堵塞物与常规石墨结垢进行XRD分析，如图2所示。1～3号样虽然表观形貌具有一定差异，但主要矿物组成相似，主要为石英SiO2、钙长石CaAl2Si2O8、钠长石NaAlSi3O8、铁橄榄石Fe2SiO4，2号试样还含有一定量C，4号样主要为石墨和少量的钙长石。石英是炼焦煤灰的主要成分，而煤灰中钙长石、钠长石、铁橄榄石的含量很低[2]，说明煤灰中的无机矿物或煤中夹杂的无机矿物可能在焦炉炭化室高温条件下发生了渣相熔融反应，生成相变点较低的钠长石、钙长石、铁橄榄石。

图2 不同形貌堵塞物与石墨结垢XRD分析

另外，钠长石是一种常见的长石类矿物，高温时对石英、粘土、莫来石的熔解快，溶解度大。钠长石更易于与炼焦煤灰分中的SiO2熔融渣化。铁橄榄石常见于烧结矿的粘结相中，铁橄榄石开始形成温度为990 ℃，钙长石开始生成温度为900 ℃[3]，煤灰中的主要无机矿物为石英、莫来石、硬石膏、赤铁矿、氢氧钙石和石灰等，焦炉炭化室温度一般控制在1 100 ℃左右，提供了钙长石、铁橄榄石、钠长石形成的原料和相变温度，尤其是相变点较低的钠长石等碱金属矿物，会催化熔解上述无机矿物。

2 炼焦煤粒度与成分分析

为了了解形成上升管堵塞物的无机矿物来源，分别对焦炉炼焦配合煤进行工业分析和灰成分分析，考虑到小颗粒煤粉尘易烧损，对粉碎前炼焦配合煤进行不同粒级筛分，不同粒度煤粉质量占比见表2，不同粒度的炼焦配合煤工业分析与灰成分含量见表3、表4。

表2 不同粒度煤粉质量占比

表3 不同粒度炼焦煤工业分析 %

表4 不同粒度炼焦煤灰成分含量 %

由表2可知，炼焦配合煤中小颗粒(粒度<0.5 mm)炼焦煤质量占比为37.89%，占比超过1/3。由表3可知，炼焦煤的平均灰分为10.15%，尤其是大于10 mm煤粉颗粒灰分含量达到12.14%，相对较高[4]，煤的灰分主要来源于煤中矿物质，粒级较小的煤样含有较多细颗粒镶嵌矿物[5]，而矿物质含量较多的煤样硬度大，较难破碎，所以粒度较大和较小两个区间范围的煤样灰分含量较高。

鞍钢以往配合煤灰分中的Fe2O3、K2O、Na2O含量一般在3.0%～6.0%、0.9%～1.4%、0.4%～0.6%范围内，由表4可知，此次配合煤灰分中的Fe2O3、K2O、Na2O含量比以往配合煤偏高。随着煤粉粒度的减小，K2O和Na2O含量显著增大。炼焦过程中，部分小颗粒煤粉尘烧损后，含有Fe2O3、K2O、Na2O粉尘灰在负压下随煤气流进入炉顶上升管。在上升管根部，煤气流流向转变导致部分无机矿物粉尘与管壁黏结。同时，焦炉炭化室顶部温度过高，会生成相变点较低钠长石NaAlSi3O8、钙长石CaAl2Si2O8。钠长石在1 000 ℃时完全熔融，熔融的钠长石逐渐会熔解石英SiO2、铁橄榄石Fe2SiO4等，随着煤气流的上升，温度逐渐降低，钠长石、铁橄榄石、钙长石、石英等无机矿物黏结在一起形成堵塞物，堵塞物外表呈固相、内部呈黏稠状，还包裹一定量煤粉颗粒。

3 上升管堵塞原因分析与建议

随着上游洗精煤来煤粒度减小，且对来煤小颗粒煤粉质量占比与灰分没有限定性指标。小颗粒煤粉质量占比增大，灰分和灰分中的Fe2O3、K2O、Na2O含量偏高，容易诱发生成相变点较低的钠长石NaAlSi3O8、铁橄榄石Fe2SiO4、钙长石CaAl2Si2O8。

为了减少该类堵塞物的生成，要控制炼焦煤粒度分布，降低炼焦煤灰分含量，同时减少炼焦煤中Fe2O3、K2O、Na2O含量。建议控制配合煤粒度<0.5 mm炼焦煤的质量占比在30%以内；灰分控制在10%以内，灰分中Fe2O3含量在6.0%以下，K2O含量在1.2%以下，Na2O含量在0.6%以下；对焦炉上升管定期检查，及时通透，控制炉温不宜过高，出现装煤口蹿火、冒烟时要关注上升管的通透情况。