一种针状焦切焦器及切焦方法与流程

1.本发明属于化工行业焦炭的生产，具体涉及一种针状焦切焦器切焦方法，特别适合煤制针状焦的生产，通过切焦器的结构改变可得到不同粒度大小的针状焦。


背景技术：

2.针状焦是由高沸点芳烃化合物在焦炭塔芳环交联反应而生成结晶的、银灰色的焦炭(生焦)，这种焦炭经后续高温煅烧后形成熟焦，得到成品焦炭。针状焦具有化学稳定性、高结晶度、高强度、高石墨化率、低热膨胀、低烧蚀、抗氧化性能高等特点，是制造高功率电极(hp)和超高功率电极(uhp)的理想原料，广泛地用做冶金工业中超高功率石墨电极、热结构石墨和特种炭素制品的原料；其中电极的性能在很大程度上取决于针状焦的质量，其中粒度指标是针状焦的一项重要指标；经对切焦过程的分析，细粉的形成主要发生在切焦过程，煅烧过程对细粉形成的影响较小，为此如何降低切焦过程细粉的发生量对焦份的粒度控制起主要作用。
3.焦炭塔内的生焦是通过水力切焦器喷嘴喷出并形成高压射流，借高压射流的强大冲击力将焦炭切割下来，使之与水一起由塔底流出；切焦过程分为二个步骤：首先是采用高压水从焦炭塔最上层焦面往下一边旋转一边缓慢下降，钻出一个直径约1.0～1.5米的孔洞，然后更换钻孔喷嘴(水流向两侧水平喷出)，从底部向上转动上升，如此往复直至把焦炭塔内的焦炭全部除净。早期的切焦器是将钻孔和切焦分开，采用不同的切焦头，这种切焦方式需要更换切焦头，这不仅增加切焦时间，而且增加劳动工作量；而现在的切焦器是将钻孔和切焦熔合在一起，形成组合切焦器(参见图1)，该切焦器中部设有切焦喷嘴，底部设置钻孔喷嘴，通过内置自动转换器改变钻孔和切焦的模式，实现切焦过程的自动化；现有技术也有一些涉及采用水利切焦的相关技术如下：如申请号201210476167.6公开的一种自转式切焦器，申请号201310106768.2公开的一种延迟焦化塔的除焦装置及其方法，申请号201510861853.9公开的一种水力双枪自由切焦除焦器，以及申请号200920083494.9公开的一种内置切换式切焦器；但是上述技术在使用过程中存在以下问题：一是向下钻孔时，钻孔高压水打碎的焦炭无处排放，反复被高压水打击，使得切除的焦粒破碎，造成焦粉的利用价值不高；二是向两侧扩孔时，喷嘴水压无法随着孔洞直径的增加而增加，造成切焦粒径不统一，初始粒径过小的问题，这两个问题的存在会导致细粉发生量增多，降低产品的经济效益。
4.鉴于上述情况，亟待研究一种新的针状焦切焦装置及切焦方法，能够减少切焦过程中细粉的发生量，提高针状焦的经济效益。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种针状焦切焦器及切焦方法，在切焦器本体外部增设外螺旋，并通过调整切焦机构的角度、外螺旋的参数、钻孔机构的角度、导流叶片的参数以及切割用水的喷射压力等，来控制切焦速度和切焦后细粉的
发生量，从而大幅提升针状焦的质量，实现提高针状焦的经济效益。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的第一方面提供了一种针状焦切焦器，包括切焦器本体、切焦机构、钻孔机构、导流叶片以及外螺旋；
8.所述切焦器本体通过连接法兰与驱动杆连接；
9.所述切焦机构包括对称设于所述切焦器本体侧面上的切焦喷嘴；
10.所述钻孔机构包括对称设于所述切焦器本体底部的直钻孔喷嘴和对称设于所述切焦器本体底部的斜钻孔喷嘴；
11.所述导流叶片设于所述切焦器本体的底部；
12.所述外螺旋设于所述切焦器本体的外部。
13.优选地，所述切焦喷嘴与水平线的夹角α为0～10
°
。
14.优选地，所述斜钻孔喷嘴与切焦器本体中心线的夹角β为5～20
°
。
15.优选地，所述外螺旋的外直径φd2为：
16.φd2＝(1+tanβ)φd1
17.式中，φd2为外螺旋的外直径；β为斜钻孔喷嘴与切焦器本体中心线的夹角，取值范围为5～20
°
；φd1为外螺旋的内直径；和/或
18.所述外螺旋的螺距h1为：
19.h1＝a
×
(φd2-φd1)
20.式中，h1为外螺旋的螺距，单位为mm；a为螺旋系数，无量纲，取值范围为1～1.5；φd2为外螺旋的外直径，单位为mm；φd1为外螺旋的内直径，单位为mm。
21.优选地，所述导流叶片包括垂直交叉设置的第一导流叶片和第二导流叶片，所述第一导流叶片为直线型，所述第二导流叶片为弧线型。
22.优选地，所述导流叶片的高度h2不小于100mm。
23.优选地，所述直钻孔喷嘴和所述斜钻孔喷嘴的喷嘴截面积之和s1与所述切焦喷嘴的喷嘴截面积之和s2的关系如下：
24.|s1-s2|/s2≤5.0％；或|s1-s2|/s1≤5.0％；
25.式中，s1为直钻孔喷嘴和斜钻孔喷嘴的喷嘴截面积之和，单位为mm2；s2为切焦喷嘴的喷嘴截面积之和，单位为mm2。
26.优选地，所述切焦器本体上还设有自动转换器和高压水流道；
27.所述自动转换器用于在所述针状焦切焦器钻孔结束后自动将钻孔模式转换位切焦模式；
28.所述高压水流道分别与所述切焦喷嘴、所述直钻孔喷嘴以及所述斜钻孔喷嘴连通。
29.本发明的第二方面提供了一种使用本发明第一方面所述的针状焦切焦器的切焦方法，包括以下步骤：
30.(1)启动钻孔操作，针状焦切焦器在焦炭塔内钻出一个孔洞；
31.(2)钻孔结束后，针状焦切焦器转换为切焦模式，所述切焦器在焦炭塔内通过驱动杆上下移动，直至切焦结束；所述切焦器通过水力进行喷射，控制水力喷射压力p为：
32.p＝c
×a×
d2；
33.式中，p为水力喷射压力，单位为pa；c为切割系数，无量纲，取值范围为10～100；a为切角喷嘴流道的截面积，单位为mm2；d2为焦炭塔直径，单位为mm。
34.优选地，所述步骤(1)中，所述孔洞的直径d1为所述焦炭塔直径d2的1/5～1/4。
35.本发明的有益效果：
36.1、本发明的针状焦切焦器及切焦方法，在切焦器本体外部增设外螺旋，并通过调整切焦喷嘴的角度、外螺旋的参数、斜钻孔喷嘴的角度、导流叶片的参数以及切割用水的喷射压力等，来控制切焦速度和切焦后细粉的发生量，从而大幅提升针状焦的质量，实现提高针状焦的经济效益；
37.2、本发明的针状焦切焦器及切焦方法，切焦器本体外部设置的外螺旋将钻孔形成的焦炭分离出切焦口，防止切割后的焦炭被高压水流反复冲刷，导致针状焦的细粉量的增加。
附图说明
38.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
39.图1为现有技术中的切焦器的结构示意图；
40.图2为本发明的针状焦切焦器的结构示意图；
41.图3为本发明的针状焦切焦器底部的钻孔喷嘴的示意图；
42.图4为本发明的针状焦切焦器的钻孔示意图；
43.图5为本发明的针状焦切焦器的切焦示意图。
具体实施方式
44.为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
45.结合图1所示，现有技术中的切焦器10通过连接法兰11与顶部的驱动杆连接，中部设有切焦喷嘴12，底部设置钻孔喷嘴14，通过内置自动转换器13改变钻孔和切焦的模式，实现切焦过程的自动化；由于此种切焦器10在向下钻孔时，钻孔高压水打碎的焦炭无处排放，反复被高压水打击，使得切除的焦粒破碎，造成焦粉的利用价值不高；另外其在向两侧扩孔时，喷嘴水压无法随着孔洞直径的增加而增加，造成切焦粒径不统一，初始粒径过小的问题；因此在此基础上对现有的切焦器10进行改进。
46.结合图2所示，本发明所提供的针状焦切焦器包括切焦器本体20、切焦机构、钻孔机构24、导流叶片25以及外螺旋22；
47.结合图2所示，切焦器本体20通过连接法兰21与驱动杆连接。
48.结合图2所示，切焦机构包括对称设置在切焦器本体20侧面上的切焦喷嘴23，其中切焦喷嘴23设置2个，这2个切焦喷嘴23的对称轴为切焦器本体20的中心轴线或与中心轴线呈一定角度，该角度即为切焦喷嘴23与水平线的夹角α为0～10
°
，较小的α用于要求控制细粉发生量的切焦(即切焦过程中产生较少的细粉)，较大的α用于对切焦速度有强烈要求时的切焦(即切焦过程中具备较高的速度)；其中上述的切焦喷嘴23与切焦器本体20与高压水流道连接，利用水力切割焦层27。
49.结合图2、图3所示，钻孔机构24包括对称设于切焦器本体20底部的直钻孔喷嘴242和对称设于切焦器本体20底部的斜钻孔喷嘴241；斜钻孔喷嘴241与切焦器本体20中心线的夹角β为5～20
°
，该夹角β的取值根据焦层27的硬度决定，一般硬度相对较大的煤制焦的角度取上限，硬度相对较小的石油焦取下限；其中，直钻孔喷嘴242设置两个，斜钻孔喷嘴241设置两个，两个直钻孔喷嘴242的连线与两个斜钻孔喷嘴241垂直；在具体的实施例中，在直钻孔喷嘴242和斜钻孔喷嘴241的喷嘴截面积之和s1与切焦喷嘴23的喷嘴截面积之和s2的关系如下：
50.|s1-s2|/s2≤5.0％；或|s1-s2|/s1≤5.0％；
51.式中，s1为直钻孔喷嘴242和斜钻孔喷嘴241的喷嘴截面积之和，单位为mm2；s2为切焦喷嘴23的喷嘴截面积之和，单位为mm2。
52.结合图2、图3所示，导流叶片25设置在切焦器本体20的底部，该导流叶片25的高度h2不小于100mm，其具体包括垂直交叉设置的第一导流叶片25和第二导流叶片25，第一导流叶片25为直线型，第二导流叶片25为弧线型；其中第一导流叶片25和第二导流叶片25将2个直钻孔喷嘴242和2个斜钻孔喷嘴241分别隔离在四个区域内。
53.结合图2所示，外螺旋22设置在切焦器本体20的外部侧表面上，其作用在于将钻孔形成焦炭分离出切焦口，防止切割后的焦炭被高压水反复冲刷，导致细粉量增加；在一个具体的实施例中，外螺旋22的外直径φd2为：
54.φd2＝(1+tanβ)φd1
55.式中，φd2为外螺旋22的外直径；β为斜钻孔喷嘴241与切焦器本体20中心线的夹角，取值范围为5～20
°
；φd1为外螺旋22的内直径；
56.外螺旋22的螺距h1为：
57.h1＝a
×
(φd2-φd1)
58.式中，h1为外螺旋22的螺距，单位为mm；a为螺旋系数，无量纲，取值范围为1～1.5，螺旋系数a的大小与焦层27的硬度有关，对于硬度较小的是石油焦可取小值，对于硬度较大的煤制针状焦可取最大值；φd2为外螺旋22的外直径，单位为mm；φd1为外螺旋22的内直径，单位为mm；
59.针状焦切焦器上还设有自动转换器和高压水流道；其中自动转换器用于在针状焦切焦器钻孔结束后自动将钻孔模式转换位切焦模式；高压水流道分别与切焦喷嘴23、直钻孔喷嘴242以及斜钻孔喷嘴241连通。
60.结合图4、图5所示，在采用上述的针状焦切焦器进行切焦时，其具体切焦方法包括以下步骤：
61.(1)启动钻孔操作，针状焦切焦器在焦炭塔内钻出一个孔洞26(参见图4)；其中该孔洞26的直径d1与焦炭塔直径d2相关，孔洞26的直径d1为焦炭塔直径d2的1/5～1/4，即
[0062][0063]
(2)钻孔结束后，启动自动转换器，改变切焦器本体20内的高压水流道，将针状焦切焦器转换为切焦模式，切焦器在焦炭塔内通过驱动杆上下移动，直至切焦结束(参见图5)；其中在切焦过程中，切焦器通过水力喷射形成高压射流，借高压射流的强大冲击力将焦炭切割下来，此过程中控制水力喷射压力p为：
[0064]
p＝c
×a×
d2；
[0065]
式中，p为水力喷射压力，单位为pa；c为切割系数，无量纲，取值范围为10～100，在进一步的优选方案中c的取值为20～50，该切割系数c取决于切焦喷嘴流道面积、焦炭塔直径以及针状焦的硬度，煤制针状焦取上限，石油针状焦取下限；a为切焦喷嘴流道的截面积，单位为mm2；d2为焦炭塔直径，单位为mm。
[0066]
下面结合具体的例子对本发明的针状焦切焦器及切焦方法进一步描述；下述实施例中的针状焦切焦器包括切焦器本体20、切焦机构、钻孔机构24、导流叶片25、外螺旋22、自动转换器和高压水流道；其中切焦机构包括2个切焦喷嘴23，钻孔机构24包括4个钻孔喷嘴，其中2个是直钻孔喷嘴242，剩余两个是斜钻孔喷嘴241；导流叶片25设置在切焦器本体20的底部，外螺旋22设置在切焦器本体20的外侧表面；自动转换器用于在针状焦切焦器钻孔结束后自动将钻孔模式转换位切焦模式；高压水流道分别与切焦喷嘴23、直钻孔喷嘴242以及斜钻孔喷嘴241连通。
[0067]
实施例1
[0068]
本实施例中的针状焦切焦器主要用于煤系针状焦，该煤系针状焦的抗弯强度为11.3mpa，焦炭塔的直径d2＝4800mm；
[0069]
1)切焦机构的两个切焦喷嘴23呈水平对称设置，即切焦喷嘴23与水平线的夹角α＝0
°
，切焦喷嘴23的直径为11.6mm；其中2个切焦喷嘴23的喷嘴截面积之和s2＝(11.6/2)^2
×
π
×
2；
[0070]
2)钻孔机构24的4个钻孔喷嘴分布在切焦器本体20底部，2个是直钻孔喷嘴242的直径为8mm，2个斜钻孔喷嘴241的直径为8.5mm；斜喷嘴与中心线间的夹角β＝15
°
；其中s1＝(8/2)^2
×
π
×
2+(8.5/2)^2
×
π
×
2；
[0071]
|s1-s2|/s2＝1.2％＜5.0％
[0072]
3)导流叶片25的第一导流叶片25和第二导流叶片25呈90
°
交叉设置在切焦器本体20底部，将四个钻孔喷嘴分别隔离在四个区域内，导流叶片25的高度h2＝100mm。
[0073]
4)外螺旋22设置在切焦器本体20的外部，外螺旋22的内直径φd1＝500mm，外螺旋22的外直径d2为：
[0074]
φd2＝(1+tanβ)φd1＝(1+tan15)
×
500＝634mm；
[0075]
外螺旋22的螺距h1为：
[0076]
h1＝a
×
(φd2-φd1)＝1.3
×
(634-500)＝174mm。
[0077]
上述针状焦切焦器在使用过程中，切割系数c取值为25，切焦喷嘴23流道的截面积a＝211mm，焦炭塔的直径d2＝4800mm，因此控制水力喷射压力p为：
[0078]
p＝c
×a×
d2＝25
×
211
×
4800＝25.3
×
106pa＝25.3mpa
[0079]
本实施例采用上述针状焦切焦器进行切角时，整塔焦的切焦时间可控制在200分钟以内，所切割的针状焦中直径小于2mm的焦粉发生量小于10％。
[0080]
实施例2
[0081]
本实施例中的针状焦切焦器主要用于石油针状焦，由于石油焦的硬度较小，较易切割，因此其结果有其特殊性。该煤系针状焦的抗弯强度为8.1mpa，焦炭塔的直径为4500mm；
[0082]
1)切焦机构的两个切焦喷嘴23呈一定角度对称设置，其对称轴与中心轴线呈一定
角度，该角度即切焦喷嘴23与水平线的夹角α＝5
°
，切焦喷嘴23的直径为11.2mm；其中2个切焦喷嘴23的喷嘴截面积之和s2＝(11.2/2)^2
×
π
×
2。
[0083]
2)钻孔机构24的4个钻孔喷嘴分布在切焦器本体20底部，2个是直钻孔喷嘴242的直径为7.8mm，2个斜钻孔喷嘴241的直径为8.0mm；斜喷嘴与中心线间的夹角β＝10
°
；其中s1＝(7.8/2)^2
×
π
×
2+(8.0/2)^2
×
π
×
2；
[0084]
|s1-s2|/s2＝0.4％＜5.0％
[0085]
3)导流叶片25的第一导流叶片25和第二导流叶片25呈90
°
交叉设置在切焦器本体20底部，将四个钻孔喷嘴分别隔离在四个区域内，导流叶片25的高度h2＝100mm。
[0086]
4)外螺旋22设置在切焦器本体20的外部，外螺旋22的内直径φd1＝500mm，外螺旋22的外直径d2为：
[0087]
φd2＝(1+tanβ)φd1＝(1+tan10)
×
500＝590mm；
[0088]
外螺旋22的螺距h1为：
[0089]
h1＝a
×
(φd2-φd1)＝1.1
×
(590-500)＝96mm。
[0090]
上述针状焦切焦器在使用过程中，切割系数c取值为20，切焦喷嘴23流道的截面积a＝196mm，焦炭塔的直径d2＝4500mm，因此控制水力喷射压力p为：
[0091]
p＝c
×a×
d2＝20
×
196
×
4500＝17.8
×
106pa＝17.8mpa
[0092]
本实施例采用上述针状焦切焦器进行切角时，整塔焦的切焦时间可控制在180分钟以内，所切割的针状焦中直径小于2mm的焦粉发生量小于8％。
[0093]
实施例3
[0094]
本实施例中的针状焦切焦器主要目的是控制细粉发生量，减少细焦粉的产生。该针状焦的抗弯强度为9.3mpa，焦炭塔的直径为4500mm；
[0095]
1)切焦机构的两个切焦喷嘴23呈一定角度对称设置，其对称轴与中心轴线呈一定角度，该角度即切焦喷嘴23与水平线的夹角α＝2
°
，切焦喷嘴23的直径为11.3mm；其中2个切焦喷嘴23的喷嘴截面积之和s2＝(11.3/2)^2
×
π*
×
2。
[0096]
2)钻孔机构24的4个钻孔喷嘴分布在切焦器本体20底部，2个是直钻孔喷嘴242的直径为7.8mm，2个斜钻孔喷嘴241的直径为8.0mm；斜喷嘴与中心线间的夹角β＝10
°
；其中s1＝(7.8/2)^2
×
π
×
2+(8.0/2)^2
×
π
×
2；
[0097]
|s1-s2|/s2＝2.28％＜5.0％；
[0098]
3)导流叶片25的第一导流叶片25和第二导流叶片25呈90
°
交叉设置在切焦器本体20底部，将四个钻孔喷嘴分别隔离在四个区域内，导流叶片25的高度h2＝100mm。
[0099]
4)外螺旋22设置在切焦器本体20的外部，外螺旋22的内直径φd1＝500mm，外螺旋22的外直径d2为：
[0100]
φd2＝(1+tanβ)φd1＝(1+tan10)
×
500＝590mm；
[0101]
外螺旋22的螺距h1为：
[0102]
h1＝a
×
(φd2-φd1)＝1.3
×
(590-500)＝114mm。
[0103]
上述针状焦切焦器在使用过程中，切割系数c取值为30，切焦喷嘴23流道的截面积a＝196mm，焦炭塔的直径d2＝4500mm，因此控制水力喷射压力p为：
[0104]
p＝c
×a×
d2＝30
×
196
×
4500＝26.6
×
106pa＝26.6mpa
[0105]
本实施例采用上述针状焦切焦器进行切角时，整塔焦的切焦时间可控制在200分
钟以内，所切割的针状焦中直径小于2mm的焦粉发生量小于5％。
[0106]
实施例4
[0107]
本实施例中的针状焦切焦器主要目的是进行高速切割针状焦，减少钻孔和切割过程所用的时间。该针状焦的抗弯强度为9.3mpa，焦炭塔的直径为5000mm；
[0108]
1)切焦机构的两个切焦喷嘴23呈一定角度对称设置，其对称轴与中心轴线呈一定角度，该角度即切焦喷嘴23与水平线的夹角α＝5
°
，切焦喷嘴23的直径为11.2mm；其中2个切焦喷嘴23的喷嘴截面积之和s2＝(11.2/2)^2
×
π
×
2。
[0109]
2)钻孔机构24的4个钻孔喷嘴分布在切焦器本体20底部，2个是直钻孔喷嘴242的直径为7.9mm，2个斜钻孔喷嘴241的直径为8.1mm；斜喷嘴与中心线间的夹角β＝15
°
；其中s1＝(7.9/2)^2
×
π
×
2+(8.1/2)^2
×
π
×
2；
[0110]
|s1-s2|/s2＝2.01％＜5.0％；
[0111]
3)导流叶片25的第一导流叶片25和第二导流叶片25呈90
°
交叉设置在切焦器本体20底部，将四个钻孔喷嘴分别隔离在四个区域内，导流叶片25的高度h2＝130mm。
[0112]
4)外螺旋22设置在切焦器本体20的外部，外螺旋22的内直径φd1＝500mm，外螺旋22的外直径d2为：
[0113]
φd2＝(1+tanβ)φd1＝(1+tan15
°
)
×
500＝633mm；
[0114]
外螺旋22的螺距h1为：
[0115]
h1＝a
×
(φd2-φd1)＝1.2
×
(630-500)＝160mm。
[0116]
上述针状焦切焦器在使用过程中，切割系数c取值为25，切焦喷嘴23流道的截面积a＝207mm，焦炭塔的直径d2＝5000mm，因此控制水力喷射压力p为：
[0117]
p＝c
×a×
d2＝25
×
207
×
5000＝31
×
106pa＝31mpa
[0118]
本实施例采用上述针状焦切焦器进行切角时，整塔焦的切焦时间可控制在170分钟以内，所切割的针状焦中直径小于2mm的焦粉发生量小于10％。
[0119]
综上所述，在针状焦的生产过程中，粒度是针状焦一种重要的性能指标，它是生产优质高功率电极(hp)和超高功率电极(uhp)的重要保障；采用本发明的针状焦切焦器及切焦方法，通过调整切焦喷嘴的角度、外螺旋的参数、斜钻孔喷嘴的角度、导流叶片的参数以及切割用水的喷射压力等，不仅可以减少针状焦细粉发生量，同时可实现切焦速度的控制，从而大幅提升针状焦的质量，实现提高针状焦的经济效益。
[0120]
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。