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高导热硅砖

高导热硅砖在结构形貌、晶形结构、理化指标方面有了很大的改进

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焦炉所用的耐火材料以硅砖为主,约占耐材总量的70%,它是目前已知的炭化室炉墙最合适的耐火材料。在炼焦过程中,同样的时间,同样的触煤面积,如果能将燃烧室内更多的热量传递到炭化室,便起到了节能的作用。一般的节能方法有两种:减薄炉墙厚度和提高炉墙材质的传热效率。炭化室炉墙是强度比较薄弱的部位,对整个焦炉的使用寿命起到决定性的作用,减薄炉墙厚度势必降低炉墙结构单元的强度,对焦炉的整体使用寿命有一定的影响。同时,炉墙本身也有蓄热作用。因此,提高炉墙材质的热导率对炉墙整体的结构性与功能性的均衡有着更重要的作用。

传统焦炉硅砖有着良好的化学稳定性,如果既能保持传统焦炉硅砖的优良性能,又能提高其热导率,则保证了材料的结构性及稳定性的统一。因此,高导热硅砖是顺应焦炉发展要求的产物。宝钢与相关单位开发出一种超高导热炉墙硅砖,并成功应用于宝钢的焦炉上。

高导热硅砖的性能指标

与传统硅砖相比,高导热硅砖在结构形貌、晶形结构、理化指标方面有了很大的改进。

高导热硅砖的结构形貌。对高导热硅砖与传统硅砖的结构形貌放大20倍后进行比较发现,高导热硅砖气孔孔径更加细小,分布也更加均匀。气孔内的气体较固体导热率低,因此气孔总是降低材料的导热能力。在一定的温度范围内,对一定的气孔率来说,气孔越小,导热能力越强。

高导热硅砖的鳞石英含量为70%,传统硅砖的鳞石英含量为60%,高导热硅砖的鳞石英含量比传统硅砖的鳞石英含量高10%,鳞石英为矛头状双晶结构,非常致密,有利于热导率的提高。

高导热硅砖在提高了热导率后,其他性能指标与传统焦炉硅砖一致。也就是说,高导热硅砖全部继承了传统焦炉硅砖的优点,在此基础上进一步突出了高导热的特性,由此可见,高导热硅砖的各方面性能是均衡的。

应用效果显示既经济又环保

提升焦炉燃烧过程中的传热效率。以燃烧室立火道温度为1300℃、焦炭在推焦时刻焦饼中心温度为1050℃、7米焦炉炉墙厚度为95mm、传统硅砖导热率为1.9W·m·k-1,高导热硅砖导热率为2.4W·m·k-1为条件,计算两种硅砖情况下单位面积炉墙热流。根据计算可知,在炉墙结构一定的条件下,燃烧室火焰到炭化室炉墙的传热过程中,硅砖的导热性能是传热的“瓶颈”,传热系数的大小,决定了最终的热流量。由于提高了单位时间的热流量,提高了传热效率,也提高了热利用率,单位体积的煤气燃烧放出的热量能够更加有效地传递到炭化室。

研究显示,高导热硅砖焦炉焦饼中心脱水时间在10小时左右,传统硅砖焦炉在12小时左右,高导热硅砖焦炉脱水时间较传统焦炉缩短2小时;在结焦中后期,高导热硅砖焦炉焦饼中心温度升温速率高于传统硅砖焦炉焦饼中心温度升温速率,说明高导热硅砖传热速度比传统硅砖快,导热性能具有优势。表2为宝钢一期、四期焦炉在炭化时间、装入煤水分、装煤量和加热方式相近情况下的比较。

在相同的工况下,使用高导热硅砖的一期焦炉与使用传统硅砖的四期焦炉相比,炼焦耗热量(含水7%)相近,但高导硅砖焦炉的直行温度较传统焦炉直行温度高11℃,火落时间较传统焦炉缩短了0.4小时,高导热硅砖焦炉具有较大的降温空间;如果高导热硅砖焦炉炉温降低到与传统焦炉炉温一致,耗热量(含水7%)可降低7%。按照结焦时间22小时、年生产时间8760小时计算,50孔×4的高导热硅砖焦炉较传统硅砖焦炉每年可节约1.24亿立方米的混合煤气,折合标煤20682吨,节能效果显著。

降低燃烧过程氮氧化物排放。有关研究表明,焦炉燃烧过程中生成氮氧化物的形成机理有3种类型:温度热力型NO、碳氢燃料快速型NO、含N组分燃料型NO,前两种合称温度型NO。焦炉燃烧过程中生成的NO,主要是温度热力型的,用含N组分的焦炉煤气加热,其生成的NO量所占比例最多不超过5%,而用贫煤气加热,则全部是温度热力型的NO。

焦炉废气中氮氧化物浓度与焦炉燃烧室火道温度有关(实际是与燃料燃烧温度有关)。当火道温度为1200℃~1250℃时,焦炉废气中氮氧化物浓度不明显,温度高于1300℃时,NOx明显增加。当火道温度由1300℃升至1350℃时,温度±10℃,则以NO2计的NOx为±30mg/m3。

因此,在保证炭化室内温度不变的情况下,用高导热硅砖砌筑的燃烧室内的火焰温度可以更低一些;降低火道温度,有利于降低NOx浓度。表3为高导热硅砖焦炉立火道温度与烟气NOx浓度变化关系。

在结焦时间相同的条件下,适当降低燃烧室火道温度,有利于降低NOx的排放。对比不同开工率条件下,高导热硅砖焦炉与传统焦炉的氮氧化物排放浓度可见:随着开工率上升,高导热硅砖焦炉与传统焦炉NOx排放浓度也上升;在高开工率下,高导热硅砖焦炉NOx排放低于传统硅砖焦炉。按照每燃烧1吨标煤排放7千克当氧化物计算,一座年产247万吨焦炭的高导热硅砖焦炉与传统硅砖焦炉相比,每年可减少氮氧化物排放430吨,减排效果显著。

综上所述,高导热硅砖全部继承了传统焦炉硅砖的优点,在此基础上进一步突出了高导热的特性。高导热硅砖的使用,减少了焦炉的燃料消耗,降低了NOx等污染物的排放,具有可观的经济效益和社会效益,是未来焦炉使用耐材新的技术方向。

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