田海江(中鋼集團(tuán)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司大連焦化分院，遼寧 大連 116000)

0 引言

在焦?fàn)t煤炭化過(guò)程中，由于煤炭熱分解產(chǎn)生的氣體滲透率低，被困在煤的塑性層中，從而增加了塑性層的壓力。塑性層中的“內(nèi)部氣體壓力”導(dǎo)致煤膨脹，因此焦?fàn)t壁受到“焦化壓力”的機(jī)械壓力。本研究中的內(nèi)部氣體壓力是指焦?fàn)t焦化過(guò)程中塑性層中的氣體壓力。焦化過(guò)程中焦炭壓力的產(chǎn)生可能導(dǎo)致焦?fàn)t排焦過(guò)程中出現(xiàn)“重推”“粘滯”等困難，對(duì)焦?fàn)t爐壁造成嚴(yán)重破壞。因此，在煉焦行業(yè)中控制焦化壓力是非常重要的 。

結(jié)焦壓力在很大程度上取決于煤種，低揮發(fā)分(高變質(zhì)程度)和低惰質(zhì)組含量的煤產(chǎn)生較高的內(nèi)部氣壓，這是結(jié)焦壓力的來(lái)源。塑性層的滲透率低，釋放的揮發(fā)物被困在層中。認(rèn)為內(nèi)部氣體壓力取決于氣體滲透率和塑性層的厚度以及塑性層中的氣體析出率。塑性層的透氣性取決于：(1)塑性煤材料本身的性質(zhì)，如：黏度和表面張力；(2)塑性層的密度(或孔隙率)。就塑性煤材料的性質(zhì)而言，認(rèn)為塑性煤材料的粘度越高，塑性層的氣體滲透率越低，內(nèi)部氣體壓力越高 。然而，對(duì)于碳化過(guò)程中塑性層的密度的研究卻很少。

考慮到焦?fàn)t內(nèi)的炭化現(xiàn)象，在本研究中，焦化過(guò)程中煤的體積變化，如：膨脹、壓縮和收縮，是指在焦?fàn)t寬度方向上發(fā)生的變化。再固化層在這里被定義為塑性層的高溫部分，在這里，孔被壓縮。更不用說(shuō)，煤變焦是一個(gè)連續(xù)的現(xiàn)象，不可能嚴(yán)格分離這些層次。塑性層夾在重固化層與焦層、煤層之間。塑性層通過(guò)壓縮煤層和重新固化層而膨脹，并且由于焦炭層的物質(zhì)收縮而膨脹到空間。即，塑性層的膨脹受到煤層、再固化層和焦層的制約[1]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 夾層碳化試驗(yàn)

為了研究焦化過(guò)程中煤的體積變化對(duì)瓦斯內(nèi)壓的影響，進(jìn)行了“夾層焦化試驗(yàn)”。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，兩種不同的煤在一個(gè)電加熱的試驗(yàn)焦?fàn)t (400 mm高，610 mm長(zhǎng)，420 mm寬)，一個(gè)煤在爐壁附近，另一個(gè)煤在爐中心。選擇了煤化程度(鏡質(zhì)體平均反射率)在0.70%～1.58%范圍內(nèi)的8種煤。將煤粉碎至質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%<3 mm，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%。煤被裝在一個(gè)鋼制的箱子里，裝煤的體積密度為850 kg/m3。在相當(dāng)于實(shí)際焦?fàn)t煙道溫度1 250 ℃的加熱條件下，在試驗(yàn)焦?fàn)t中對(duì)帶電煤進(jìn)行了18.5 h的炭化試驗(yàn)。為了改變焦炭層的收縮程度和再固化層的壓縮程度，研究焦?fàn)t爐寬方向煤體積變化對(duì)焦?fàn)t中心內(nèi)部瓦斯壓力的影響，有意地改變了焦?fàn)t爐壁附近的揮發(fā)分或煤體寬度。在裝煤過(guò)程中，用可拆卸的薄板將鋼箱分成三部分，即中心和兩側(cè)壁。然后在充電后，盤子被取出，盒子被放入烤箱。內(nèi)部氣體壓力是通過(guò)連接在壓力傳感器上的一根細(xì)不銹鋼管(內(nèi)徑1 mm，外徑2 mm)在離爐底120 mm處的爐中心測(cè)量的。此外，在氮?dú)鈿夥罩写慊鸾固亢?，測(cè)量了焦炭塊“尾部”部分的孔隙率，即焦?fàn)t中心附近一個(gè)40 mm長(zhǎng)的焦炭塊。

1.2 焦化過(guò)程中焦?fàn)t寬度方向煤體積變化的直接測(cè)量

用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描儀測(cè)定焦炭中“標(biāo)記物”的位置，直接測(cè)定焦化過(guò)程中煤在焦?fàn)t寬度方向上的體積變化 。 從爐底向煤中加入120 mm高的煤后，將氧化鋁球(直徑4 mm)放在煤表面，從爐中心到爐壁，放在爐子的一側(cè)，間隔20 mm 。其余的煤在與夾心炭化試驗(yàn)相同的加熱條件下，從爐底加熱到400 mm 高度，炭化18.5 h。水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和容重分別為3%和850 kg/m3。用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描儀測(cè)定了焦炭在氮?dú)鈿夥罩写慊鸷笈c爐壁平行的長(zhǎng)焦炭塊的橫截面，從而確定了氧化鋁球的位置。此外，測(cè)量的內(nèi)部氣體壓力在6個(gè)點(diǎn)：20.0、62.5、105.0、147.5、190.0和210.0 mm從烤箱墻壁的高度從底部120 mm。內(nèi)部氣體壓力測(cè)量探頭安裝在氧化鋁球沒(méi)有放置的另一側(cè)。將200 mm 以上的焦塊按爐寬方向分成五等份，測(cè)定了各部分的孔隙率[2]。

2 結(jié)果和討論

2.1 夾層碳化對(duì)氣體內(nèi)壓的影響

爐壁附近充電的煤的揮發(fā)分與爐中心的內(nèi)部氣體壓力之間的關(guān)系表明，焦?fàn)t爐壁附近煤的揮發(fā)分含量減少，焦?fàn)t中心的內(nèi)部氣體壓力增大。另一方面，焦?fàn)t爐壁附近煤的揮發(fā)分增加，使焦?fàn)t中心的內(nèi)部氣壓降低，而焦化壓力高、揮發(fā)分低的K-9煤(焦?fàn)t中心原有的內(nèi)部氣壓=190 kPa)的內(nèi)部氣壓降低。由此得出重要結(jié)論： 內(nèi)部瓦斯壓力不僅取決于塑性相中煤的種類，而且還取決于再固化或焦炭相中煤的種類。此外，爐壁附近的煤的揮發(fā)分越高，爐壁附近的高揮發(fā)分煤的寬度越大，爐中心的內(nèi)部氣體壓力越低。

在焦?fàn)t中，由于重新固化層(塑性層的高溫部分)被相鄰膨脹的塑性層壓縮，所產(chǎn)生的焦炭孔隙率不一定與產(chǎn)生焦炭的塑性層的密度相關(guān)。塑性層在炭化室中心重新固化后，不存在壓縮塑性層的塑性層。因此認(rèn)為焦?fàn)t中心的孔隙率與再固化前焦?fàn)t中心塑性層的密度有關(guān)。 孔隙率與炭化室中心內(nèi)部氣體壓力的關(guān)系表明，炭化室中心塑性層密度隨著爐壁附近高揮發(fā)分煤體寬度的增加而減小，導(dǎo)致塑性層透氣性增大，內(nèi)部氣體壓力降低。

2.2 焦化過(guò)程中煤在焦?fàn)t寬度方向上的體積變化

煤的體積在軟化時(shí)增大，但在重新固化階段由于相鄰塑性層的膨脹而減小。在重新固化溫度以上，由于焦炭層收縮，煤的體積隨著溫度的升高而進(jìn)一步減小。假設(shè)煤在最大體積后的體積變化分為兩個(gè)階段，一個(gè)是再固化層的壓縮，另一個(gè)是焦炭層的物質(zhì)收縮。然后分別考慮壓縮階段接近完成和最終體積的重新固化溫度下的體積。半焦與煤的相對(duì)體積比r定義為煤的單位體積在重新固化溫度下的半焦體積 ，焦炭與煤的相對(duì)體積比RC定義為煤的單位體積在最終溫度下的焦炭體積 。對(duì)于高焦化壓力、低揮發(fā)分的K-9煤，焦炭與煤的相對(duì)體積比RC大于爐壁附近的單位體積比，并且隨著焦?fàn)t中心的接近，焦?fàn)t中心的相對(duì)體積比降低到0.7。結(jié)果表明，焦?fàn)t爐壁附近焦炭的體積比原煤大。在K-9煤的情況下，當(dāng)靠近炭化室中心時(shí)，煤層受到壓縮，對(duì)塑性層膨脹的限制變得緊密，塑性層的密度增加。

2.3 焦化過(guò)程中煤體積變化對(duì)焦?fàn)t內(nèi)氣壓的影響

通過(guò)分析炭化室寬度和焦?fàn)t內(nèi)氣壓的變化可以得出如下結(jié)論：

(1)在爐壁附近，塑性層大幅度膨脹，壓縮煤層。因此，塑性層的密度降低，內(nèi)部氣體壓力降低。(2)低密度塑性層在前一層重新固化之前，被相鄰的塑性層壓縮。然而，據(jù)報(bào)道，K-9煤塑性層中發(fā)育的大孔隙發(fā)育有一定程度的變形，K-9煤的再固化層很難被壓縮。此外，在爐壁附近的塑性層仍然可以通過(guò)壓縮煤層而在很大程度上膨脹，內(nèi)部瓦斯壓力較低。因此，低密度塑性層只受到很小程度的壓縮，半焦與煤的相對(duì)體積比大于1，半焦的孔隙率較高。結(jié)果表明，生成的焦炭孔隙率保持在較高水平，焦炭與煤的相對(duì)體積 RC 也大于單位體積。(3)隨著炭化室中心的接近，煤層受到擠壓，對(duì)塑性層膨脹的限制變得緊密，塑性層密度增大。因此，內(nèi)部氣體壓力增加。(4)可壓縮煤層的寬度變窄。煤層和再固化層密度增大，不易被壓縮。隨著塑性層密度的增加，內(nèi)部氣壓增大，焦炭孔隙率降低。在炭化室中心，內(nèi)部氣體壓力進(jìn)一步增加，因?yàn)樗苄詫訑U(kuò)大，由于小溫度梯度。

重新固化階段煤種對(duì)內(nèi)部氣體壓力的影響可以解釋為。爐壁附近煤的揮發(fā)分含量越高，爐壁附近高揮發(fā)分煤的寬度越大，爐壁附近焦煤的相對(duì)體積比越小。結(jié)果是，在炭化室中心，對(duì)塑性層膨脹的限制變得松散，塑性層密度減小，因此內(nèi)部氣體壓力降低[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了焦化過(guò)程中煤在焦?fàn)t寬度方向上的體積變化對(duì)焦?fàn)t煤塑層內(nèi)氣壓的影響，得出了以下結(jié)論：(1)在試驗(yàn)焦?fàn)t爐壁中央和附近加入兩種不同煤種的夾層炭化試驗(yàn)表明，內(nèi)部氣壓不僅與塑性相煤種有關(guān)，而且與再固化相煤種和焦相有關(guān)。(2)利用X射線 CT 掃描儀測(cè)定了焦炭單位體積轉(zhuǎn)化成焦炭的相對(duì)體積。結(jié)果表明，焦炭單位體積轉(zhuǎn)化成焦炭的相對(duì)體積隨焦?fàn)t寬度的不同而變化很大。(3)焦化過(guò)程中煤在焦?fàn)t寬度方向上的體積變化影響塑性層的密度和內(nèi)部氣體壓力。(4) K-9煤的內(nèi)部瓦斯壓力隨著炭化室中心的靠近而急劇增加。這是由于焦炭單位體積在爐壁附近轉(zhuǎn)化的焦炭體積較大，造成爐膛中心塑性層密度較高。低揮發(fā)分低惰性組分的 K-9煤在炭化過(guò)程中產(chǎn)生危險(xiǎn)性高的焦化壓力的主要原因是塑料煤本身的透氣性較低。另一個(gè)原因是由于單位煤體積轉(zhuǎn)化的焦炭體積較大，導(dǎo)致炭化室中心的塑性層密度較高。