焦炉焦化压力成因、影响因素与安全控制策略

焦化压力现象及影响因素

焦化压力因双加热壁、垂直、狭槽型焦炉应用而变得重要。圆形蜂窝炉和热回收焦炉中煤可自由向上膨胀，膨胀被自由膨胀容纳。但狭槽型焦炉中煤向加热壁水平膨胀受限。煤干馏过程中多次发生炉墙过早失效。

新建更大更高焦炉伴随因焦化压力导致墙体变形，引发对煤干馏膨胀行为研究。重点开发可靠测试，使煤配煤入炉前经安全性测试。

焦化压力产生机理

塑性层形成与气体压力建立

干馏中煤经塑性阶段，挥发分(VM)在该阶段及之后少量析出。公认焦化压力产生于塑性阶段。炉室中从干馏开始形成两平行加热壁垂直塑性层。干馏推进层向炉中心移动。同时炉顶炉底形成水平塑性层，与垂直层连接形成连续区域包围未干馏煤，称"塑性包络"。

焦煤塑性层渗透率低。强粘结煤可能在未转化冷煤区建立压力。塑性层内部压力及层间压力之和通过焦层传递施压炉墙。

塑性层在炉中心相遇时，中心煤团同时从两侧受热，全程塑性温升导致焦化速率加速，气体析出加快、逸出阻力增大，形成内部压力和墙压峰值。

塑性层也平行炉门形成，装煤即刻围绕未转化煤形成完整连续塑性包络。冷侧塑性层析出挥发分被困包络内。层将相遇时升温加快气体析出量增压力升高。重新固化成焦后包络消失压力骤降。

另一解释：热量不足以形成平行炉门塑性层。故由两主塑性层和两次级层形成塑性套管(管状)，因热损失近炉门处变宽(图1)。焦化压力源于塑性层内气体压力，通过半焦和焦传递至炉墙。

靠近炉中心侧析出气体含焦油，在塑性层冷凝再挥发被捕获。冷凝焦油浸渍煤改变塑性层粘度。内部气体压力高度依赖煤性质和干馏条件。似与塑性层膨胀、半焦收缩、未干馏煤压缩建立的平衡相关。

主现象为塑性层内部气体压力，墙压源于气压经半焦焦传递至墙。内部气压大小可能取决于塑性层内气态物质析出速率和层对流动阻力即渗透率。

但高挥发分煤塑性温度范围脱挥发速率高却不产生高压。故渗透率可能是内部气压发展主导因素。高阶煤最大脱挥发速率接近再固化温度。实际上峰值墙压与再固化温度附近剩余挥发分析出速率有关。

渗透率分布特征

单加热壁炉实验观察：渗透率在塑性层中心最小、再固化产物最大。渗透率两贡献：① 塑性区开放孔隙、超微孔(分子流)、大孔(粘性流)；② 脱挥发气泡破裂随随之流动。塑性层邻近半焦区气泡破裂占优、中心区气泡形成占优，建立中心向半焦邻区质量传递(中心孔隙率峰值)。

高压煤中观察到煤区邻近塑性层处孔隙率峰值被谷值替代。因这些煤第二贡献(气泡破裂)低，中心孔隙率峰值消失支持此假设。气体逸出受限，塑性层区压力升高致煤压实形成观测到的孔隙率谷值。

焦化压力早期研究

实验室测试首用于确定配煤安全性。少量煤置小坩埚单侧加热，恒压或恒容。1920年测试被视为首次测定煤膨胀压力尝试。100g煤垂直圆柱铁坩埚标准条件燃气炉加热。顶部置穿孔活塞，记录活塞位移，关键指标体积变化百分率。后发展为恒压测试和恒容测试两方向。

改良恒压测试：80g风干钢坩埚，施加1 kg/cm²载荷，记录膨胀收缩体积变化。改良恒容测试：120g风干煤钢坩埚恒容干馏，记录维持恒容所需压力。

进而开发数公斤煤大规模测试，概念相似。代表例：大型恒压测试，主差异规模，装煤~5 kg。仅测>0.08 kg/cm²压力，视为焦炉墙最大许用极限。另一大型"底加热"炉测试：~35 kg装煤单向底加热，施加~0.14 kg/cm²压力，经导线测微计跟踪上板位移。

上述单侧加热现象与大炉不同。因难测焦炉墙压，早期研究者尝试双壁加热模拟商业炉条件。设计双可动壁大型炉室，固定一壁用液压系统测另壁干馏压力。视为可动壁炉原型，可直接测焦化压力。

全球存在多种可动壁炉。均双侧加热。一壁装滑车自由移动，干馏中产生焦化压力作用于壁，经合适装置测量称墙压。燃气/电加热，装煤250~500 kg。同全尺寸炉，干馏中形成两垂直塑性层逐渐向中心合并。

最早可动壁炉设计：~250 kg煤在300×700×1100 mm焦化室干馏。一壁装滚轮配杠杆重力系统测墙压。研究美洲煤焦化压力。300次试验，煤80%<3 mm破碎，低水分装煤，装煤密度(BD)785~850 kg/m³。

压力-焦化时间曲线按煤特征分六类(图2)。1~3型为商业炉通常安全煤/配煤。2/3型高装煤密度下可能给更高压。4~6型为危险煤。

CPM用400 kg大型可动壁炉广泛研究。双刚玉壁允许高温、高强度抗热震。墙压用贴外壁几何中心应变天平测量。四主要焦化压力-时间曲线最常遇见(图3)。

分析曲线形式得出：两基本曲线叠加，各对应一阶段。第一阶段反映平行炉壁塑性层形成及相向移动，第二阶段反映塑性层炉中心合并。1/2型为高压煤。3型为捣固装煤煤无论压力大小特征。4型为低压煤。高压煤曲线类似。

低VM煤压力从开始规律升至最大。另一高压典型曲线：首小时压力快速上升，随后干馏过程相对恒定，塑性层相遇再升至塑性煤消失。

另一途径：测塑性层中心气体压力。可动壁炉和工业炉均测，允许比较。气压经炉门或装煤孔盖孔引入管测量。

多项同步测气压墙压研究。发现中心最大气压与峰值墙压相关。气压随离壁距离增大，塑性层相遇时刻在中心达最大，通常与墙压峰值巧合且恒大。不同研究给出不同气压/墙压比。

一研究发现：干馏推进塑性层移动时气压骤升。层移过探针点气压骤降，该探针不再记录气压。塑性层炉中心相遇时记录气压高于炉其他点。实验中气压/墙压比从低压<1到高压达3变化。

另一研究考察装煤干馏条件对内部气压影响，发现内部气压受同一变量影响如墙压。

CPM另一研究两观察：① 干馏开始平行炉底炉顶形成两塑性层向中心推进；② 未形成平行炉门塑性层。气压/墙压比~0.5。

各研究报告最大气压/峰值压力比差异归因测试设备程序差异。可动壁炉虽主从加热壁同时焦化，但炉底向上、炉顶向下、存疑炉门向内也有相当焦化，减少炉中心相遇塑性层面积。过早出焦直接测量塑性区面积证实。增宽炉室减少焦化压力但变化幅度取决配煤一般较小。

CPM提出塑性层炉中心相遇时间公式：Pw/Pi = Si/S。Pw墙压，Pi内压，S侧表面积，Si墙压峰值时塑性层中心平面投影面积。Pi>Ps，同一时刻内压墙压。Si通过墙压峰值时刻出焦测试炉评价。k=Si/S定义装煤时=1，干馏推进因端效应减小，重新固化后为0。全尺寸炉端效应小相对墙高Si/S~1，焦化墙压等于中心最大气压。建议：配煤特定条件试验炉产生墙压P，同条件大炉预期压力~2P量级。

安全限值设定

可动壁炉和全尺寸炉研究旨在控制焦化压力保护炉墙免受过压损伤。评估配煤通常用可动壁炉测试，所得最大墙压与既定限值比较分类安全/危险。试验炉装煤密度极重要，至少等于全尺寸炉平均值优选略高。

压力是否过大不仅取决于施加压力还取决于炉墙承受能力。多努力评估焦炉墙强度。

墙强度要求主要受干馏中墙面峰值不平衡焦化压力支配。不平衡压力致墙水平方向弯曲，需竖向重力荷载(屋顶重量+墙重)稳定，因墙砖缝无一致抗拉强度。

专门建造焦炉墙经液压机侧向压力研究。显示冷墙抗侧向压力极低。~0.09 kg/cm²压力初现裂纹，压力升至0.13 kg/cm²鼓包速率急增。基于冷墙结果建议极低安全限0.07 kg/cm²。极低限限制煤源、配煤、干馏条件选择灵活性。比较数百煤可动壁炉结果并结合商业炉表现，建立焦炉干馏煤安全限：

• 压力>0.14 kg/cm²煤为危险
• 压力>0.11 kg/cm²煤在>3 m高炉定期干馏可能危险
• 压力<0.11 kg/cm²煤为安全

BCRA基于1948/1952年工作结论：试验炉压力<0.14 kg/cm²配煤安全。1956年进一步工作确认。将若干配煤充寿命末期商业炉和可动壁炉，专用仪器测全尺寸炉墙移动，测试中及冷却后检查墙体确定移动和损伤。建议商业炉墙弹性挠度≤0.13 mm不裂纹，超则不易进一步挠度且开裂。

1960s-1970s普遍建设高(≥6 m)焦炉。假设<0.14 kg/cm²安全运行。结果部分炉早期严重耐火损伤。报道6 m高电池渐进损伤<5年停炉。过早失效原因调查含6 m墙结构分析。

6 m炉单侧受压数学研究。计算致塌陷不平衡侧向压力略>0.12 kg/cm²。考虑建议活载系数1.7及裂纹服务性，建议许用不平衡侧向压力不超0.07 kg/cm²。

影响焦化压力因素

1950s早期可动壁炉等中试炉用于评价煤焦化。中试比全尺寸便宜且通常提供良好大规模行为指导。比较可动壁炉和全尺寸炉内部气压可获信心。大多数影响因素研究用中试炉。

许多因素影响焦化压力幅度。三大类：① 煤固有特性 ② 煤制备与物理性质 ③ 炉操作条件。

煤质固有特性

早期研究显示：干燥无灰基挥发分16%~30%煤遇危险压力，更低或更高VM煤不产生。强膨胀煤主由亮煤组成，惰性煤(暗煤)比例高膨胀力小。岩相学研究可得煤膨胀程度结论。

伯利恒钢铁用18英寸(457 mm)试验炉和多种单煤/配煤研究煤组成对焦化压力影响。发现煤阶度(镜质体反射率)与焦化压力存在普遍关系(图4)。图4显示：高焦化压力倾向于部分但非所有反射率>1.35%低VM煤产生。焦化压力随煤阶度升高、惰性组分减少而增加。

煤阶度与惰性组分协同交互。给定阶度下高惰性煤焦化压力倾向较低。仅考虑低VM煤效应时，配煤压力随低VM煤反射率升高而增加，反射率>1.65%时增加加速。但仅知阶度无法确定评估煤焦化压力危险性。可述：18%~25% VM危险大，25%~28% VM仍存但较低。反射率>1.65%低惰性低VM煤单独或配煤均产生高压。

煤氧化

氧化降低最大粘结度、塑性区窄化。部分煤氧化初期增焦化压力，随后膨胀度下降、焦化压力骤降。同时M10指数升高。

傅里叶变换红外(FTIR)显示：早期氧化主生成羰基/羧基；高度氧化显著增醚/酯/酚基。塑性丧失归因于醚/酯交联形成。

三西班牙煤空气氧化影响研究。结论：测试判定"危险"煤，氧化使危险性升至某氧化度最大后骤降；"安全"煤空气氧化无显著影响。

CPM研究氧化对高阶煤500~600℃低渗透率影响：氧化提高渗透率，归因氧化煤开放孔隙体积增加。普遍共识：不损焦质同时靠氧化降焦化压力难，适度氧化反可能增压。

配煤研究

配煤行为系列实验。重力装煤，水分3.5%，单纯破碎80%<2 mm。结论：

• 单独装煤给中等压力的煤，对危险煤焦化压力影响近似随配煤比例线性变化
• 单独无焦化压力的高VM煤降压比例快于添加比例，降压更有效。效果随煤阶度降低而增强
• 半无烟煤(低VM)表现不同。随配煤破碎降压显著但焦质显著劣化。单独破碎(95%<1 mm)加15%足以降压且焦质仅微降。半无烟煤作惰性料增融态粘度损害煤粘结性，减少半焦收缩；高VM煤加入增收缩

观察到配煤压力高于单煤单独装煤压力。当微熔合低VM煤与高度熔合煤关联时，流体条件允许低VM煤危险特性表现。

BCRA发现：就膨胀压力发展而言，二元配煤行为很大程度取决于配煤中过量那方煤特性。混合效应研究结论：

• 焦化压力仅发生于VM<24%配煤
• 30%弱粘结煤显著降低低VM煤危险性
• 高/低VM配煤中，增高VM煤比例降压
• 相似VM三元配煤中，加15%近非粘结煤防止任何焦化压力发展

沥青添加影响

高阶煤减少导致沥青添加剂用于冶金焦生产配煤受关注。沥青作桥接剂改善焦强度。沥青：① 修饰塑性态(氢转移反应稳定塑性态)；② 加宽塑性层；③ 增加挥发分析出。沥青添加倾向增焦化压力但幅度取决煤性质。

惰性料影响

较小比例惰性料足以显著降压，粒度影响极大。惰性料多重效应：① 稀释效应——惰性料不变体积，煤膨胀空间增大；② 粒度效应——惰性料比煤细增加平均细度降压；③ 专用作用——吸附焦油沥青降低流动性膨胀，越细多孔效果越大；④ 改变重新固化后收缩；⑤ 可能增加塑性层渗透率。

BCRA研究焦粉添加影响。平均墙压随焦粉比例增加通常下降。另一系列≤30%粗焦粉测试：>5%焦粉最大内部气压下降，>10%才显著降最大墙压。

专利建议添加2%~8%木屑或其他惰性材料片屑。片屑作用被认为破坏炉内塑性层提供气体通道。

添加油影响

配煤加油改变恒水分下BD降压。油作稀释剂，降压不损焦力学性能。蒽油添加显著降墙压，压力峰值出现极低温<300℃，归因"气球效应"：油低温析出挥发分被推进塑性层间困积聚导致压力发展。

水分影响

装煤水分增加降BD从而降压。湿装煤使干馏极不均匀扰动。蒸汽作用煤颗粒影响吸收液态热解产物能力。水分在塑性区不同点突破，沿室壁达无气空间。结果塑性层高度变形。塑性层合并时序和局部展开分散，墙压仅以减弱形式显现。预热装煤干馏中塑性层平行面汇聚并几乎全长全高同时合并，墙压达最大。

槽型炉干馏中装煤横截面水分稳步上升(相对原装煤水分)，水分向炉中心蒸馏。多研究者全尺寸炉测内压记录峰值压力与中心达100℃巧合。称水/蒸汽峰，因蒸汽不能再在该区冷凝必须排出，最终困于塑性包络内。研究发现平均水峰压仅依赖煤水分，随水分增加而降低，提示BD是重要因素。

装煤密度影响

BD被视为影响焦化压力最重要变量。增大BD可使安全配煤产生极高压。多研究证实炉损伤危险随装煤密度增大而增加。大炉建设使BD对膨胀度影响更重要，因装煤高度增加装煤更密。

多研究BD对焦化压力影响，见试验炉墙压与BD函数关系缺乏共识。部分研究称对数墙压随BD线性斜率；其他称曲线更好代表。另显示干基>800 kg/m³密度以上，压力随BD增加速率增强。

BCRA研究显示气压随BD变化同墙压。结论：给定BD变化产生给定压力变化，与BD控制方法无关。近期单配煤不同BD研究(通过加油、预热、变水分实现不同BD)发现BD对焦化压力影响大，可能是影响任意煤/配煤装煤压力最重要因素。

粒度影响

不同粒度煤颗粒加热时气态热解产物从中心到表面传输条件不同。粒度越大内部热解产生压力越大，促进冷凝对后续煤质热变化主导影响。粒度减小时初软化温升高、塑性温度范围变窄但塑性体粘度增大。

实践难分离分析BD和粒度对焦化压力独立影响。已知增细配煤涉及降装煤密度和降焦化压力。研究粉碎独立影响：考察总体细度、各组分细度(差别破碎)、破碎模式(粒度分布曲线形状)影响。发现在实际恒定密度下，粒度对焦化压力有显著影响，细碎降压。分别破碎配煤组分无特殊优势。系统性破碎某情况有特定效应：同细度下压力低于单纯破碎。结论：压力很大程度取决于粗颗粒(>2~3 mm)比例。

考察BD和粉碎同时作用：一因素效应取决于另一因素水平。密度效应随粉碎变粗增强，粉碎效应随密度增高增强。

炉室宽度影响

中试炉研究炉室宽度变化对墙压影响不一致。150~330 mm区间宽度似有实质影响，增宽降墙压。更大宽度影响小或可忽略。BCRA用300 mm和426 mm两炉相似BD烟道温度条件，未见给定煤压力显著差异。一研究报告150 mm和300 mm宽炉墙压良好相关，塑性区/壁面积比大致相同。可动壁炉焦化压力值与K=塑性区表面积/加热壁表面积比相关。增宽炉室增加焦化时间，炉底向上炉顶向下同时焦化更多时间，最终塑性层宽炉面积小于窄炉。过早出焦直接测塑性区面积证实。增宽涉及降焦化压力但幅度取决配煤一般较小。

烟道温度影响

升烟道温度增热速率进而：① 软化再固化温度向高值移位、塑性温度范围变宽；② 塑性层气体释放流量增；③ 塑性层厚度增；④ 粘度降。升烟道温度也因温度梯度增大减薄塑性层。这些效应反方向作用最终效应极小或不显著。BCRA研究两配煤一煤，高热速率致墙压某增。一煤相反，两煤无明显效应。另一研究两配煤三温度1020/1120/1200℃测试：一配煤墙压气压随烟道温升增，另一配煤效应不显著。另一研究考察焦化速率对商业炉气压影响：结论用焦化速率范围(炉中心达900℃需12.3~18.3 h)未显著增压。其他研究者发现快焦化一致增压(焦化速率基焦质中心达980℃时间)(图5)。