煉焦入爐煤堆密度的影響因素分析

張 勇，徐躍東，楊博超，鄭玉鳳，李 坤

（1.遷安中化煤化工有限責(zé)任公司，河北 遷安 064404；2.綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100043）

煉焦煤的預(yù)處理技術(shù)大致可分為兩類：（1）調(diào)節(jié)煤中水分，如煤調(diào)濕、煤干燥、煤預(yù)熱等；（2）改善入爐煤堆密度，如制型煤、壓實(shí)煤、搗固煉焦等[1]。這兩類技術(shù)均可改善焦炭質(zhì)量，穩(wěn)定焦?fàn)t操作[2]，但降低入爐煤中水分能否提高入爐煤堆密度仍存疑慮。煉焦工作者對(duì)煉焦過(guò)程中影響煤料堆密度的煤中水分、粒度等因素進(jìn)行了分析[3-4]，但對(duì)煤料下落過(guò)程的影響卻鮮有考慮，然而裝煤車往焦?fàn)t炭化室內(nèi)裝煤時(shí)，存在一定的下落高度，勢(shì)必會(huì)對(duì)入爐煤堆密度產(chǎn)生一定影響。為了更為接近生產(chǎn)，本文研究了焦?fàn)t裝煤過(guò)程中在一定下落高度時(shí)煤中水分及粒度對(duì)入爐煤堆密度的影響規(guī)律，為調(diào)節(jié)煤中水分技術(shù)的應(yīng)用提供支撐。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)條件的確定

利用與40 kg 試驗(yàn)焦?fàn)t配套的落下裝置模擬焦?fàn)t裝煤過(guò)程，并參照生產(chǎn)條件確定合適的下落高度。將實(shí)驗(yàn)用煤晾至預(yù)定水分或調(diào)至預(yù)定水分，取40 kg煤樣置于下落裝置的料斗中，料斗正下方放置1 個(gè)鐵箱（規(guī)格為44.8 cm×30.6 cm×20.0 cm），待料斗升至預(yù)定高度時(shí)啟動(dòng)料斗底面打開(kāi)裝置，料斗中煤料全部下落，將鐵箱上部的多余煤料去除，然后稱重，經(jīng)過(guò)計(jì)算便可獲得入爐煤堆密度（以干燥基計(jì)）。

不同下落高度時(shí)入爐煤堆密度見(jiàn)表1。由表1 可知，下落高度越高，入爐煤堆密度越大。為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)和便于對(duì)比，在后續(xù)的研究中采用的下落高度均為1.7 m。

表1 不同下落高度時(shí)入爐煤堆密度

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

取粉碎前配合煤約200 kg，調(diào)節(jié)細(xì)度至70%左右，平均粒徑為3.8 mm，平均分為5 份（其中1 份備用），取4 份分別晾至水分為5.0%、6.4%、6.9%、8.6%，為增加數(shù)據(jù)量，通過(guò)向水分為8.6%的煤樣中噴水（由于加水量不是太大，而且裝袋放置的時(shí)間較長(zhǎng)，可以認(rèn)為水分被充分吸收進(jìn)煤料中），分別獲得水分為10.5%、11.8%的煤樣。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

（1）將實(shí)驗(yàn)用煤裝入鐵箱，獲得堆密度記為下落高度為0 條件下的煤堆密度。

（2）煤樣于1.7 m 下落1 次，獲得堆密度記為下落高度為1.7 m 下落1 次條件下的煤堆密度。

（3）煤樣于1.7 m 下落2 次，獲得堆密度記為下落高度為1.7 m 下落2 次條件下的煤堆密度。

通過(guò)步驟（1）和（2），考察了下落高度對(duì)煤堆密度的影響；通過(guò)步驟（2）和（3），考察了上層煤對(duì)下層煤的沖擊作用，以研究炭化室內(nèi)下層煤料的堆密度情況。

為考察煤粒度對(duì)堆密度的影響，另外取粉碎后配合煤約200 kg，細(xì)度為71%，平均粒徑為3.0 mm，平均分為5 份（其中1 份備用），取4 份分別晾至水分為2.6%、6.1%、8.5%、13.1%，為增加數(shù)據(jù)量，通過(guò)向水分為8.5%的煤樣中噴水，分別獲得水分為9.5%、10.7%的煤樣，并進(jìn)行下落高度為1.7 m、下落次數(shù)為1 次的實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 水分和下落高度對(duì)入爐煤堆密度的影響

水分和下落高度對(duì)入爐煤堆密度的影響如圖1所示。由圖1 可見(jiàn)，隨著水分的增加，入爐煤堆密度呈先降后增的趨勢(shì)，但下落高度越高，這種變化趨勢(shì)越緩和。當(dāng)下落高度為0 時(shí)，水分約為10.5%的入爐煤堆密度最低。當(dāng)下落高度為1.7 m 時(shí)，盡管隨著水分含量提高，入爐煤堆密度依然呈先降后增的趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)比較緩和，尤其是水分為6.0%～10.5%時(shí)。日本煤調(diào)濕水分一般控制在6.0%左右，而我國(guó)煤調(diào)濕水分一般控制在8.0%，因此煤調(diào)濕技術(shù)并不能顯著改善炭化室入爐煤堆密度。

圖1 水分和下落高度對(duì)入爐煤堆密度的影響

由圖1 還可知，當(dāng)水分相同時(shí)，下落高度為1.7 m時(shí)入爐煤堆密度遠(yuǎn)高于下落高度為0 時(shí)的入爐煤堆密度，且隨著水分的增加，兩者的差距變大，差值由0.05 t/m3（水分為5.0%～6.0%）提高到0.15 t/m3（水分為10.5%～12.0%）。

2.2 水分和下落次數(shù)對(duì)入爐煤堆密度的影響

水分和下落次數(shù)對(duì)入爐煤堆密度的影響如圖2所示。由圖2 可見(jiàn)，當(dāng)下落次數(shù)相同時(shí)，隨著煤中水分含量提高，入爐煤堆密度呈先降后增趨勢(shì)。當(dāng)水分相同時(shí)，下落次數(shù)越多，入爐煤堆密度越大。當(dāng)水分約為8.6%時(shí)，入爐煤堆密度最低，下落次數(shù)為2 時(shí)較下落次數(shù)為1 時(shí)入爐煤堆密度約提高了0.05 t/m3。

圖2 水分和下落次數(shù)對(duì)入爐煤堆密度的影響

2.3 水分和粒度對(duì)入爐煤堆密度的影響

水分和粒度對(duì)入爐煤堆密度的影響如圖3 所示（粒度由煤干燥去除水分后測(cè)得）。由圖3 可見(jiàn)，當(dāng)粒度相同時(shí)，隨著煤中水分含量升高，入爐煤堆密度呈先降后升趨勢(shì)。當(dāng)水分相同時(shí)，粒度大的入爐煤堆密度要高于粒度小的入爐煤堆密度。因此，改善入爐煤粒度，可提高入爐煤堆密度。

圖3 水分和粒度對(duì)入爐煤堆密度的影響

2.4 煤中水分的作用機(jī)理分析

由上述研究可知，無(wú)論實(shí)驗(yàn)條件如何變化，只要是同一批煤，隨著煤中水分含量升高，入爐煤堆密度均呈現(xiàn)先降后增的趨勢(shì)。為了進(jìn)一步分析該原因，研究了不同水分含量時(shí)煤的粒級(jí)分布，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4 可知，隨著煤中水分含量升高，煤的粒級(jí)分布向更大粒級(jí)區(qū)間移動(dòng)，尤其當(dāng)水分為10.1%時(shí)，煤粒難以實(shí)現(xiàn)篩分分離，集中在＞5.0 mm 粒級(jí)。

圖4 不同水分含量時(shí)煤的粒級(jí)分布

之所以出現(xiàn)上述現(xiàn)象，是因?yàn)楣腆w顆粒間存在黏附作用力[5]。黏附作用力包括靜電力、范德華力、毛細(xì)力、磁力、氫鍵和化學(xué)鍵等，但后三種力并不普遍存在。一般情況下，毛細(xì)力＞范德華力＞靜電力，黏附作用力越大，顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象越顯著。由于顆粒之間存在大量微空間或者微裂隙，當(dāng)水存在時(shí)，毛細(xì)作用力較易產(chǎn)生，且相對(duì)較大，因此大量微小煤粉吸附在大顆粒表面，造成整個(gè)粒級(jí)分布向大粒級(jí)區(qū)間移動(dòng)，故煤濕度越大，煤顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象越顯著，整體粒級(jí)越大。

煤中水分還會(huì)影響煤粒的流動(dòng)性。以煤的安息角來(lái)表征煤粒的流動(dòng)性，隨著煤中水分升高，煤的安息角逐漸變大[6]，表明隨著煤中水分升高，煤粒的流動(dòng)性變差。

綜上，煤中水分對(duì)堆密度的作用機(jī)理可從煤粒團(tuán)聚和流動(dòng)性兩個(gè)角度來(lái)分析。

（1）不考慮下落高度的影響。當(dāng)煤中不含外在水時(shí)，煤粒的流動(dòng)度性很好，同時(shí)由圖4 可知，此時(shí)煤的粒度分布最為寬泛，大中小粒級(jí)分布合理的煤能相互填滿空隙，堆密度較大；隨著煤中水分增加，煤的安息角變大，流動(dòng)性變差，同時(shí)煤粒開(kāi)始團(tuán)聚，造成粒級(jí)分布向大粒級(jí)區(qū)間移動(dòng)，大中小粒級(jí)比例逐漸失衡，造成顆粒間的空隙較大，堆密度變小，與圖1 中下落高度為0 的情況接近。

（2）考慮下落高度的影響。當(dāng)煤中不含外在水時(shí)，煤粒的流動(dòng)性很好且煤的粒度分布合理，堆密度較大。隨著煤中水分增加，煤的安息角變大，故而流動(dòng)性變差，煤粒團(tuán)聚造成不同粒級(jí)比例逐漸失衡，這兩點(diǎn)均造成堆密度降低，但大粒度的煤粒在下落過(guò)程中產(chǎn)生較大的沖擊作用，減小了堆密度降低的幅度；隨著水分進(jìn)一步增大，煤粒團(tuán)聚現(xiàn)象更為顯著，進(jìn)一步提高了大粒級(jí)煤粒的比例，下落過(guò)程的沖擊作用抵消了流動(dòng)性變差和粒級(jí)分布失衡對(duì)堆密度的不利影響，煤料的堆密度又開(kāi)始增大。此時(shí)與圖1 中下落高度1.7 m的情況接近。

（3）粒度的影響。總體粒度較大的煤粒在下落過(guò)程中的沖擊力更大，因此，隨著水分增大，大粒度的煤的堆密度增幅將大于小粒度的煤的堆密度增幅，大致與圖3 中的情況類似。

3 焦?fàn)t炭化室中入爐煤堆密度分布情況推測(cè)

由于炭化室內(nèi)越往下煤的下落高度越高，故入爐煤堆密度越大。此外，當(dāng)下落2 次時(shí)，上層煤料落到下層煤料上，也會(huì)導(dǎo)致下層煤料的入爐煤堆密度增大。在炭化室同一水平面，裝煤口正下方的煤料被上層煤料砸到的概率較大，相當(dāng)于下落次數(shù)多，故推測(cè)裝煤口正下方的煤堆密度最高。綜上所述，對(duì)炭化室中入爐煤堆密度分布情況進(jìn)行推測(cè)，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 焦?fàn)t炭化室中入爐煤堆密度分布情況推測(cè)

采用頂裝方式煉焦時(shí)，入爐煤堆密度越大則焦炭強(qiáng)度越高。日本新日鐵公司研究了沿炭化室高向和長(zhǎng)向各部位焦炭質(zhì)量情況，結(jié)果表明上部焦炭強(qiáng)度比下部焦炭強(qiáng)度低，沿炭化室長(zhǎng)向裝煤口正下方的焦炭質(zhì)量較高[5]，這與圖5 中對(duì)炭化室中入爐煤堆密度分布情況推測(cè)結(jié)果相吻合。

4 結(jié) 論

4.1 其他條件相同時(shí)，下落高度越高，入爐煤堆密度越高；下落高度為1.7 m 時(shí)入爐煤堆密度遠(yuǎn)高于下落高度為0 時(shí)的入爐煤堆密度，且隨著水分的增加，兩者的差距變大。

4.2 當(dāng)下落高度和次數(shù)相同時(shí)，隨著水分增加，入爐煤堆密度呈先降后增趨勢(shì)；當(dāng)下落高度和水分相同時(shí)，下落次數(shù)越多，入爐煤堆密度越大。

4.3 當(dāng)煤中水分相同時(shí)，粒度大的入爐煤堆密度要高于粒度小的入爐煤堆密度。

4.4 煤中水分通過(guò)影響煤粒團(tuán)聚和流動(dòng)性，進(jìn)而影響煤料堆密度。

4.5 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)炭化室內(nèi)越往下，入爐煤堆密度越高；在同一水平面，裝煤口正下方的入爐煤堆密度最高。