怎样改善焦炉的高向加热

焦炉高向加热的改善1前言炭化室墙表面积较大,为了获得成熟均匀、含挥发分比较一致的焦炭，要求火道高向和沿长度方向供热能满足要求，即火道上下温度均匀。如果焦饼沿焦炉高向加热不均，会使焦碳粒度均匀性和耐磨性降低、耗热量增加、焦炉操作困难，及因焦饼加热落后部分收缩不好而增加推焦阻力等。现在设计投产的焦炉,炭化室越来越高。我国已有一批炭化室高6m的焦炉投产,世界上已有炭化室高8m以上的焦炉投入生产。因此,研究影响焦炉高向加热的各种因素及不同炭化室高度如何选择合理的高向加热的参数是炼焦工作者的重要课题之一。2影响高向加热的因素影响焦炉高向加热的因素主要是煤气燃烧的速度、气流的速度和炉墙的传热,装煤沿高向堆比重等。其中煤气燃烧的速度起着主要的作用。2.1煤气燃烧的速度火焰的长短与煤气燃烧的速度有关。煤气燃烧速度愈慢,火焰愈长,反之愈短。通常煤气和空气先预热后进入温度很高的燃烧室,故可燃混合物加热到着火温度并进行燃烧，化学反应在瞬间完成。煤气在立火道中的燃烧速度取决于可燃物分子和空气分子相互接触的物理过程,即扩散过程。扩散燃烧时,由于局部氧的不足而发生炭氢化合物热解,产生游离碳,使燃烧带中因固体微粒的存在而产生强烈的光和热辐射,形成光亮的火焰。为拉长火焰,改善高向加热的均匀性,焦炉火道内应使煤气和空气缓慢接触混合。加热煤气与空气在立火道中燃烧过程所耗用的时间是参加燃烧的各成分1加热到燃点,可燃成分与氧会合和完成燃烧反应所需时间的总和。在立火道温度很高的条件下,煤气和空气在进入立火道前,即在蓄热室内已被加热到发火点。从发火点开始到完成燃烧过程中所耗用的全部时间,实际上就是煤气和空气混合所需的那一段时间。2.2气流速度立火道内气体流动性质与燃烧状态,从理论上分析是较复杂的,但在生产实践中都能体会到:焦侧火焰往往长于机侧;在较短的结焦周期下操作，其火焰较长;废气循环可以拉长火焰等等。这是因为:（1）焦侧立火道断面比机侧小,而气体流量却较多,所以焦侧立火道内气体速度大,火焰也就较长。（2）当周转时间缩短时,单位时间内供入的气体量增加,使气体速度增加,从而拉长了火焰,改变了焦饼上下加热状况。（3）往立火道引人惰性气体,除了可燃与助燃气体的浓度降低,使其燃烧速度减慢外,也因气体流动速度增加等原因使其火焰拉长。2.3炉墙传热加热煤气在立火道内燃烧所产生的热量经过炭化室墙才能传给煤料。因此,炉墙的传热与焦饼的高向加热有密切关系。炉墙砖的厚薄,立火道隔墙的形状,加热水平高低以及分段加热等对焦饼高向加热均匀性有影响。2.4煤气、空气和废气出口在立火道底的排列焦炉立火道中,煤气口、空气口的位置及其角度直接影响煤气、空气的混合和燃烧速度,而空气口、煤气口的配置是由设计决定的。目前,我国生产2和设计兴建的双联火道废气循环下喷式焦炉,不论其炭化室高低,由于斜道区和蓄热室结构要求,其立火道底部的循环孔斜道和灯头的相对配置见图1。循环孔斜道口灯头图1斜道口、灯头和循环孔配置在图1这种斜道口、灯头和循环孔相对配置的前提下,当灯头的高度低于循环孔高度的一半时,废气循环量对立火道火焰燃烧的影响,与其加热煤气种类有关。当用焦炉煤气加热时,焦炉煤气中可燃成分高,燃烧速度快。但循环孔循环过来的废气,将从灯头喷出的焦炉煤气(从斜道口喷出的空气)吹向空气(或煤气)一侧,有利于加快空气与煤气的混合,从而使煤气的燃烧火焰变短。当用高炉煤气加热时,循环的废气吹向斜道口的中间(鼻梁砖上方)使煤气和空气分开,有利于使目前在立火道内燃烧的火焰拉长。高炉煤气的可燃成分低,气体的扩散速度小,燃烧火焰长。由于循环废气的影响,使燃烧火焰拉得更长。这样就造成焦炉用不同煤气加热时,焦饼高向加热有较明显的差别,并且随着炭化室高度的增加,废气循环量的增加,上述差别越来越大。由于焦炉斜道口和喷嘴布置的特点,对于较高的焦炉用高炉煤气加热比用焦炉煤气加热,高向均匀性更好。2.5焦炉装煤、平煤操作的影响焦炉装煤若堵眼、没平透,大型焦炉平煤杆拖尾现象把煤带到机侧,都将使焦饼上部成熟不足。煤空煤空33焦炉煤气加热时高向加热的改善3.1焦炉煤气贫化所谓焦炉煤气贫化,即在焦炉煤气中掺入部分高炉煤气,使其可燃成分浓度降低。我们知道,焦炉煤气的燃烧特点燃烧速度快、火焰短,这是由其组成决定的。焦炉煤气仅氢含量就在60%左右,这是焦炉煤气燃烧速度快的决定因素。在扩散燃烧的条件下,火焰的长短,实际就是煤气燃烧速度的大小。燃烧速度取决于可燃气体成分和氧的扩散速度,而扩散速度与可燃气体成分的分子量的平方根成反比(由于气体燃料的扩散系数根据分子运动学说,与分子均方根速度(8RT/πM)0.5成正比,即D∝(8RT/πM)0.5,M为燃料的平均分子量,T为气体绝对温度),氢的分子量小,扩散速度快,即燃烧速度快,火焰短。而高炉煤气中可燃成分主要是CO,燃烧速度慢,火焰长,在这一燃烧理论的指导下,我们设想在焦炉煤气中掺一部分高炉煤气,使其可燃气体浓度梯度和扩散速度降低,燃烧速率减慢,从而拉长火焰。同时因混入高炉煤气后,地下室主管压力增加,煤气在灯头处的出口速度增大,喷射力强,可增加废气循环量,亦可帮助拉长火焰。经试验可知使用混合煤气加热后，可较明显地改善焦饼高向加热的均匀性，同时随混合比增加，焦饼上下温差减小。但贫化将会带来一些副作用。如：地下室主管压力增大，横管压力增大，造成煤气泄漏增加，地下室CO含量增加。另外，主管中由于高炉煤气灰尘与焦油结合产生硬块，挂在主管和砖煤气道中，影响横墙温度。上述问题应采取如下措施：（1）找出合适的混合比；（2）保证焦炉煤气预热后温度在45±1℃内；（3）经常维护好地下室煤气管道，尤其是各节点。同时，每周应检查一次地下室CO含量；4（4）经常清扫焦炉煤气主管。攀钢曾做过焦炉煤气贫化试验，结果见表1。表1使用混合煤气前焦饼中心温度变化供热情况结焦时间(h)焦饼中心温度℃焦饼上下温度差焦饼中下温度差机侧焦侧上中下上中下机侧焦侧机侧焦侧纯焦炉煤气加热2096010441121997108111291611327748混用22%高炉煤气20995105311001018108411181051004734差值359-21213-11-56-32-30-14从表1看到，使用混合煤气后，焦饼上下加热均匀性有明显改善，焦饼上下温差减小了44℃，中下温差减小22℃，使用混合煤气后，加热煤气量增加了，可降低砖煤气道中的温度，可以减少甚至消除由于煤气裂解以致堵塞砖煤气道的现象。3.2缩小煤气喷嘴直径横砖煤气道喷嘴直径的选择，应使高向加热均匀及燃烧室各火道煤气量正确分配。一般喷嘴平均直径与砖煤气道直径之比为0.55—0.65。当喷嘴平均直径变小时，气流出口速度加大，煤气喷射力加大，废气循环量增加，从而使焦饼上下加热的均匀性得到改善。国内外都做过类似试验，而且效果也较明显。但是喷嘴的直径不宜过小，否则会因煤气出口阻力过大而使砖煤气道压力过高，而引起煤气窜漏，影响正常加热。同时因孔径小时对挂石墨的影响较敏感，影响炉温稳定。53.3加高煤气出口位置为研究灯头的高度对焦炉高向加热的影响，曾在本—54型焦炉的原灯头上加上260mm高的灯头（即高于废气循环孔），并进行靠近循环孔与远离循环孔加高灯头的对比试验，现将试验结果列入表2。表2本—54型焦炉加高灯头对高向加热的影响组别灯头状态立火道上下温差0.6——3.2(m)焦饼上下温差0.6—3.2(m)空气过剩系数Ⅰ试验前110℃80℃1.08加高靠循环孔灯头94℃18℃1.26全部加高后72℃-8℃1.25Ⅱ远离循环孔灯头加高前87℃62℃1.18远离循环孔灯头加高后75℃22℃1.15从表2可以看出：（1）灯头加高后不论是火道温度还是焦饼中心温度上下差均有较明显的变化，对上部加热有利。有以下原因：A.灯头加高后，燃烧点向上移，避免了循环废气对煤气和空气的冲击作用，使上部温度升高。B.灯头加高前，循环废气将煤气吹向空气侧，或将空气吹向煤气侧，加速了空气与煤气的混合，从而使火焰缩短。灯头加高后（过循环孔），避免了上述现象，降低了煤气周围氧的浓度或将空气吹向背离煤气侧的方向。（2）加高靠近循环孔的灯头效果比加高远离循环孔的效果好。前者使焦饼上下温度差改变62℃，后者改变40℃；这主要是靠近循环孔灯头加高后，循环过来的废气将空气吹向背离煤气的方向，而远离循环孔是将空气吹向煤气方向的差别。64高炉煤气加热时改善高向加热的方法4.1高炉煤气的富化所谓富化,即在高炉煤气中掺入部分焦炉煤气,使其可燃成分浓度增加。高炉煤气中掺入部分焦炉煤气来加热焦炉已为设计所广泛采用，多数厂已进行了长期操作。高炉煤气掺入焦炉煤气有富化其可燃成分浓度，提高扩散系数和降低气体流速的作用，因而使煤气和空气的混合加快，燃烧火焰缩短。同时，可以减小上升气流煤气和空气蓄热室顶之间的压力差，也可以减少蓄热室单、主墙的漏气率。当混合煤气的低发热值在4000—4300kj/m3时，上升气流煤气和空气蓄热室可以等压操作，这样上升的煤气量和空气量相当，而煤气和空气小烟道的废气温度也相近，可提高焦炉的热效率。高炉煤气富化多数是为了减小加热系统内的阻力和提高烟囱吸力，稳定加热煤气的发热值等。4.2改变煤气和空气出口的距离和其出口夹角煤气和空气出口的距离即鼻梁砖的宽度。鼻梁砖宽，可燃气体与助燃气体分子愈难碰撞，燃烧愈慢，火焰愈长；反之则短。我国20世纪60年代中期在炭化室高6m的单孔试验炉上曾作过此类试验。鼻梁砖的宽度240mm，用高炉煤气加热，焦饼中心温度上部比下部高500℃左右；将鼻梁砖宽度改为40mm，其它条件基本不变。焦饼中心温度上部比下部高300℃左右。这充分说明鼻梁砖宽度的改变，对焦饼中心温度上下均匀性的影响是明显的。煤气和空气出口夹角与鼻梁砖宽度，形状和斜道口调节砖安放的情况有关。夹角越大，可燃气体与助燃气体分子会合点越低，燃烧就愈快，火焰短；当夹角大于900时，即煤气和空气出口向相反方向运动，这就相当于增加了出口之间距离，则难于燃烧，火焰就长。鞍钢15、16号无废气循环焦炉，在用高炉煤气加热时，为了提高焦炉高向加热的均匀性，从增大煤气和空气出口之间距离及减小其夹角，进行了拼靠和反靠调节砖试验，第一方案是将调节砖直接移靠在鼻梁砖上；第二方案是将7调节砖旋转1800后再靠在鼻梁砖上。试验结果列入表3中。表3改变调节砖位置对高向加热的影响试验方案测定时间空气、煤气出口夹角空气、煤气出口距离（mm）标准火道温度（℃）焦饼中心温度（℃）距炭化室高（m）上下温差机侧焦侧0.6（下）3.2（上）Ⅰ原始42040128813261138876262试验后0018012741308104896286Ⅱ原始42040129413361099754345试验后-2901801266130110191020-1从表3可以看出:不论是第一或第二方案由于气流出口间的距离和夹角的改变,都使煤气和空气混合过程延缓,从而拉长了火焰。第一方案焦饼上下温差缩小了176℃。而第二方案由于出口气流的夹角变化更大，焦饼上下温差变化了346℃。将该方案在全炉推广后，标准火道温度降低了45℃-50℃。它不仅提高了焦炭的质量，还能节省大量的能源。需要说明的是，鞍钢15、16号焦炉为不带废气循环的焦炉，燃烧点较集中，对于气流出口状态改变反应较为灵敏。若在双联火道废气循环的焦炉上改变气流出口状态对焦饼上下温差的影响要小一些，根据6m单孔试验炉的经验，鼻梁砖宽度变化1mm，焦饼上下温差变化1℃左右。4.3改变鼻梁砖高度鼻梁砖高度改变，它同样可以改变气流出口的夹角，同时出口可以改变开8始着火点的位置。增加鼻梁砖高度可以降低高向温差。鞍钢15、16号焦炉为改善焦饼上部温度低的问题，曾作过加高鼻梁砖的试验。它是将立火道内备品鼻梁砖置于原鼻梁砖上，使鼻梁砖高度增加了110mm，结果焦饼上下温差变化从240℃降为140℃。在废气循环的下喷式58型焦炉上，也曾作过相反的试验。由于炉头部位焦饼上部过火。上部比下部高58℃。将27号火道鼻梁砖取出后，使焦饼下部温度比上部高3℃，即上下温差变化了61℃。