影响捣固煤饼质量的全因素数字化定量研究

郝瑛轩,王 起,关俊果,王建斌

(1.河南神马减碳技术有限责任公司,河南 平顶山 467000 ; 2.河南中鸿集团煤化有限公司,河南 平顶山 467045)

某公司现有两座捣固焦炉,为1#、2#焦炉,两座焦炉炉型为WKD6050D,为全国首座固定型6 m捣固焦炉,捣固焦炉为双联火道、废气循环、焦炉煤气下喷的单热式焦炉。焦炉主要生产设备有五大车,生产任务的编排由集中控制室电脑独立完成,生产工段组织按计划实施。6 m捣固站1#站全部设备由德国进口,属于自动定位、自动给煤、自动捣打的全自动程序。2#捣固站则是江苏长力机械独自设计的固定式捣固机。将煤塔内混和成的煤料落至加煤车后经过捣打,由机侧装入炭化室进行干馏、溶解、熔融固化、收缩成焦饼,焦侧由拦焦车、熄焦车、熄焦塔、干熄焦系统组成。捣固焦炉适用煤种范围广,多采用高挥发分弱黏结性或中等黏结性煤作为炼焦的主要配煤组分。将煤粉碎到比普通炼焦要细的细度,并用机械捣固成煤饼以提高装炉煤堆相对密度,炼出质量更好的焦炭,并扩大炼焦的煤资源。受市场行情及原料煤的影响,需要调节配比来满足焦炭质量和降低配煤成本,会造成焦炉单孔焦炭产量波动。为有效控制单孔产量,现从入炉煤密度(以下简称堆密度)、入炉煤细度、捣固锤数进行分析研究,进而稳定焦炉单孔产量,降低焦炉生产过程中的环保压力,使焦炉生产更加稳定高效。

1 堆密度与单孔产量的关系

捣固炼焦是将入炉煤用捣固机捣实成体积小于炭化室的煤饼后,推入炭化室炼焦称为捣固炼焦。随着煤料堆密度的增大,煤料颗粒间距缩小,空隙也减小,减小了结焦过程中为填充空隙所需的胶质体液相产物的数量,可以多配入高挥发分弱黏结性煤,也能改善焦炭质量,并扩大炼焦煤资源[1]。因此入炉煤的堆密度不仅能够决定焦炉单孔产量,更能增大入炉煤的选用种类。

而传统对捣固煤饼取样时是在煤饼捣打成型后,在加煤车煤饼上部挖取等体积的煤饼,然后称取质量计算堆密度。该方法得出的堆密度较实际堆密度偏低,因煤饼上部捣打次数少,堆密度较中下部偏低,无法测得真实数据。

采用自制的煤饼稳定性实验平台,主要由煤饼捣固机和电子式万能实验仪组成[2]。详细步骤为:煤饼捣固机将煤料装入内底面规格为100 mm×100 mm的煤饼模具中。模具的上面有一个底面为100 mm×100 mm,质量10 kg的方形锤头,可按需要调节锤头高度,从而控制捣固所需的捣固功,捣制出符合实验所要求的密度、体积的煤饼。该方法投资相对大、操作复杂,能够模拟出煤饼的堆密度,但是无法代表真实的数据。为追求真实的堆密度数据,经过多次探讨分析,特发明了以下方法。

1.1 堆密度的取样过程

设计专用取样工具,在水钻钻头上焊接一个半径0.038 m,长0.067 m的圆筒用于取样。装煤车按照正常流程捣打煤饼,捣打完成后到计划炉号进行加煤,加煤车加煤至8 m行程时(煤饼约6 m),从煤饼两侧约60 cm高的位置,采用水钻打洞取样,然后计算堆密度。该方法可以在煤饼的不同高度上进行取样,能够直观地获得煤饼垂直方向的堆密度,反映出煤饼的整体性堆密度,对焦炉生产有极大的帮助。

1.2 堆密度与相关数据的关系

通过对2座焦炉煤饼堆密度的多次取样并结合单孔产量及煤饼高度后,得出以下数据,见表1。

表1 1#焦炉的统计表

由表1、表2可知,1#炉入炉煤堆密度平均为1.287 t/m3,平均单孔焦炭产量29.865 t,平均推焦电流328 A。2#炉煤堆密度平均1.25 t/m3,平均单孔焦炭产量29.774 t,平均推焦电流315 A。说明入炉煤堆密度升高,单孔焦炭产量有提升情况,推焦电流的数据也表明堆密度提高,推焦电流有相应的上涨,也佐证了单孔产量的提高。

表2 2#焦炉的统计表

2 入炉煤细度与单孔产量的关系

捣固炼焦主要配煤组分是高挥发分弱黏结性或中等黏结性煤,将煤粉碎到比普通炼焦更高的细度。配合煤细度是入炉煤细度的一项指标,用≤3 mm粒级占全部煤料的质量分数来表示。同行业的入炉煤<3 mm细度约88%,其中粒度<0.5 mm的企业占40%～50%。受市场行情及原料煤影响,公司使用的瘦煤库存紧张,造成入炉煤挥发分维持在27.5%以上,对单孔焦炭产量的稳定产生了不利影响。为稳定单孔焦炭的产量,结合公司的实际情况,将入炉煤细度控制在85%～88%。

2.1 细度与单孔产量的关系

在对1#、2#焦炉的生产数据进行汇总后,得出的数据见表3。

表3 入炉煤细度及单孔产量

由表3可知,在一定范围内,入炉煤细度与单孔产量成反比关系。入炉煤细度提高,单孔产量呈现降低的趋势;入炉煤细度降低,则单孔产量呈现一定的增长。

2.2 细度与单孔产量趋势图关系

1#、2#焦炉入炉煤细度与单孔产量趋势图见图1、图2。

图1 1#焦炉入炉煤细度与单孔产量趋势图

图2 2#焦炉入炉煤细度与单孔产量趋势图

由图1、图2可看出,入炉煤细度与单孔产量呈现函数关系,反映出趋势线的估计值与对应的实际数据之间拟合程度较高,可信度较强,入炉煤细度与单孔产量关联性极大。

细度增加,入炉煤质量的均匀性提高,焦炭结构的均匀性增加,可提高焦炭强度。但细度增加,堆密度降低,也会降低煤粒间的黏结融熔,从而降低焦炭强度;细度太高,煤的黏结性降低,焦炭强度降低。所以需要结合单孔产量将入炉煤细度控制在合适的范围内,在结合推焦电流后最佳的入炉煤细度应控制在86%～87%。

3 捣固锤数与单孔产量的关系

捣固焦炉在煤饼进入煤箱后,通过捣固锤的捣打,通过给煤机的给煤,将煤饼捣打成需要的高度后加入炭化室内。每孔煤饼的捣打次数与单孔产量也有一定的关系,随着捣固锤数的增多,相应的煤饼堆密度也高,但是单孔操作时间也相应增长。借助现有的捣固锤计数器及干熄焦系统记录的每班单孔产量,得出数据见图3、图4。

图3 1#焦炉捣固锤数与单孔产量趋势图

图4 2#焦炉捣固锤数与单孔产量趋势图

由图3、图4可以看出,捣固锤数与单孔产量在一定范围内呈对数关系。由于1#、2#焦炉未排除入炉煤细度、煤饼高度的影响,所以R2偏低。但趋势线的估计值与对应的实际数据之间拟合程度较高,可信度较强,说明捣固锤数与单孔产量关联性极大。

4 结论

通过对堆密度、入炉煤细度、捣固锤数的研究,发现堆密度与单孔产量呈线性关系,入炉煤细度与单孔产量呈现函数关系,捣固锤数与单孔产量在一定的范围内呈对数关系。通过对三项关系比对得出:最佳控制范围为堆密度1.25～1.3 t/m3,入炉煤细度86%～87%,捣固锤数660～700次。生产过程中应严格控制这三项数值能够将单孔产量维持在稳定的水平上,达到稳定焦炭产量的目的。

捣固炼焦生产中入炉煤的细度、堆密度、捣固锤数与焦炉的单孔产量在一定范围内呈现线性关系。通过对三项生产数据数字化研究,有效地稳定了焦炉的生产操作,提升焦炉的经济效益,对同行业的捣固焦炉生产有指导意义。