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摘要：阐述了煤的成焦过程及影响焦炭质量的因素，分析了炼焦产品产率的计算及预测焦炭质量的计算。关键词：煤的成焦质量预测产率计算中图分类号：TQ520.6文献标识码：A1产品生成1.1煤的成焦过程炼焦煤在隔绝空气下加热，其有机质随温度的升高而发生一系列变化，形成气态(煤气)、液态(煤焦油)和固态(半焦或焦炭)产物。煤的成焦过程可分为三个阶段：第一阶段(常温至300℃)是煤的干燥脱气阶段，释放出水分并析出CH4、CO和N2。第二阶段(300℃～600℃)以解聚和分解反应为主，煤粘结成半焦。通常烟煤在300℃后开始软化，伴随有煤气和煤焦油析出；中等煤化度的烟煤在此期间的一定温度范围内生成气、液、固三相共存的质体。第三阶段(600℃～1000℃)是半焦变成焦炭的阶段，此阶段以缩聚反应为主，产生大量煤气(以H2为主)，半焦经收缩形成有裂纹的焦炭。1.2炭化室内结焦过程装炉煤结焦需要的热量是通过两侧炉墙提供的，热量从两侧炉墙传向炭化室中心。因此，结焦过程是从两侧炭化室墙面处开始，逐渐移向炭化室中心的层状结焦过程。当炭化室中心的焦饼温度达到950℃～1050℃时焦饼成熟。结焦速度反映炭化室内的平均升温速度。结焦速度过快，将使焦炭裂纹增多、块度变小。当炭化室墙面附近的煤料形成塑性层时，炭化室顶部和底部的煤料也受热形成了塑性层，同时，煤料分解的气态产物不断产生，由于四面的塑性层均不易透过气体，炭化室内压力不断升高，塑性层膨胀，并通过半焦和焦炭层将膨胀压力传递给炭化室墙。当塑性层在炭化室中心面汇合时，炭化室膨胀压力达到最大值。通常所说的膨胀压力就是指这一最大值。膨胀压力取决于装炉煤的特性、炉料散密度及结焦速度，提高膨胀压力有助于煤料颗粒的粘合、融熔，改善焦炭的物理性，但是膨胀压力过高，将对炭化室墙体造成损坏。1.3炭化室内气体析出动态炭化室内的装炉煤在结焦过程中产生的气体产物(含液体产物的蒸汽)一部分通过两侧塑性层之间的煤层流向炭化室顶部空间，称为“里行气”，约占全部气态产物的10%～25%。另外约占75%～90%的气态产物，通过半焦层和焦炭层以及焦炭与炭化室墙之间的缝隙流向炭化室顶部空间，称为“外行气”。它们在焦炉顶空间流动时，受高温作用发生二次热解反应。由于炭化室墙的温度高于炉顶空间温度，因此外行气比里行气的二次热分解剧烈得多。外行气中氢、苯和甲苯多，而里行气中甲烷、乙烷、低分子量烯烃和含氧含氮有机化合物多。二次热分解后产生的气体则达炭化室顶部空间后经上升管排出，这些气体产物统统为粗煤气。炭化室中结焦过程是周期性的，所以从炭化室逸出的粗煤气组成是随结焦时间而变化的。但是由于焦炉由多个炭化室组成，而每个炭化室所处结焦时间不同，因此所有炭化室的粗煤气汇集于集气管混合后，其组成基本上是稳定的。对粗煤气进行冷凝冷却、洗涤、吸收及制取可得到净煤气、煤焦油及粗苯等产物。2产品产率2.1成焦率成焦率(即煤焦比)是装炉煤(干)经高温干馏转变为焦炭(干)的百分率。成焦率主要取决于煤质，也受炼焦条件和炉型的影响。成焦率的主要计算方法有：2.1.1利用煤、焦炭灰分之间的关系求成焦率式中，Kd·j为干焦对干煤的成焦率；Ad·m、Ad·j分别为煤和焦炭的干基灰分(%)。用式(1)计算的成焦率往往比实测值低，除取样和分析误差等原因外，主要是在高温干馏过程中灰分组成也发生变化，焦炭在炭化室内和熄焦过程中发生烧损使灰分增大。2.1.2利用装炉煤和焦炭的挥发分求成焦率-Vd·m/100-Vd·j×100+Q(2)式中，Vd·m和Vd·j分别为煤和焦炭的干基挥发分(%)；修正系数Q是指在煤中挥发分逸出后，经二次裂解而引起的增碳，它与装炉煤挥发分、焦炉炉体结构和焦炉操作制度等因素有关，通常取Q=1。2.1.3利用煤和焦的挥发分间的关系求成焦率-5/6Vd·m(3)式中，Vd·m为装入煤干基挥发分，焦炭的干基挥发分Vd·j=1.2%(假定)。2.1.4由煤质与炼焦操作条件求成焦率-0.75Vd·m-0.0067tJ。式中，Vd·m为装入煤干基挥发分；tJ为焦饼中心温度(℃，推焦前15min测定)。该式由日本提出，前苏联克里活罗格焦化厂经标定认为符合该厂实际，中国也推荐使用。2.2净煤气产率2.2.1前苏联净煤气对干基装入煤的产率计算式式中，Q为系数，对气煤Q=3，对焦煤Q=3.3；Vd·m为装入煤干基挥发分。2.2.2我国热能院净煤气对干基装入煤的产率计算式-β)AVd·m(5)式中，β=2%～4%(炉墙漏气率)；A=64～72，是与煤种有关的校正系数；Vd·m为装入煤的干基挥发分。冶金部推荐此式为我国焦化企业计算煤气质量的依据。2.3化学产品产率2.3.1煤焦油及粗苯的回收率前苏联顿巴斯煤矿提出：当Vdaf·m=18%～30%时，煤焦油Kd·g=〔-18.35+1.53Vdaf·m-0.026(Vdaf·m)2〕(100-Ad/100)(6)粗苯Kd·b=〔-1.61+0.144Vdaf·m-0.0016(Vdaf·m)2〕(100-Ad/100)(7)鞍山钢铁公司化工总厂提出：当Vdaf·m=27.96%～30.37%时，煤焦油Kd·g=〔-1.4+0.184Vdaf·m〕(100-Aa/100)(8)粗苯Kd·b=〔-0.64+0.065Vdaf·m〕(100-Ad/100)(9)式中，Kd·g、Kd·b分别为煤焦油、粗苯对干基装入煤的回收率，Vdaf·m为装炉煤的可燃基挥发分。2.3.2氨的回收率式中，Kd·A为氨对干基装炉煤的回收率；17为氨的分子量；14为氮的原子量；Nd·m为装炉煤干基含氮量(%)；b为煤中总氮量转化系数，一般取0.12～0.16。剩余部分氮转入焦炭和其它含氮化合物中。2.4化合水产率-Ad-St·d/100)(11)式中，K=0.437；W为化合水对干基装入煤的生成量；Od·m为装入煤干基氧含量；18为水分子量；16为氧原子量。一般化合水的生成量取装入煤量的2%～3%。化合水的生成量也可由下式计算：〔4.64-0.354Vd+0.0118Vd2〕(12)式中，Vd为装入煤的干基挥发分。3焦炭质量预测3.1化学组成预测3.1.1焦炭灰分式中，Ad·m、Ad·j分别为装炉煤及焦炭的干基灰分，Kd·j为成焦率(见前述)。3.1.2焦炭硫分法国焦炭中硫分的计算公式：St·d·j=0.084+0.759St·d·m(14)式中，St·d·j、St·d·m分别为焦炭和装入煤的干基全硫(%)；0.084、0.759为系数。波兰焦炭含硫量计算公式：.63St·d·m+0.2(15)式中，St·d·j、St·d·m分别为焦炭和装入煤的干基全硫(%)，0.63、0.2为系数。我国焦炭硫分计算式：式中，St·d·m、St·d·j分别装入煤和焦炭的干基全硫(%)；Kd·j为全焦率(见前)；ΔS为炼焦过程中转焦炭的硫的质量比。Kd·j/ΔS值一般为1.0～1.2。笔者认为Kd·j/ΔS=0.9～1.1比较符合山西焦化生产的实际。3.2焦炭强度预测用焦炭强度预测方法来选择配煤方案，以满足焦炭强度的要求。影响焦炭强度的因素有：原料煤性质、炼焦煤准备和炼焦工艺系数等三个因素。由于后二者比较固定，只具有次要的影响。主要因素是煤的结焦性，它决定了煤化度和煤的粘结性两个因素。反映煤化度的指标通常采用煤的挥发分或镜质组反射率。煤的粘结性指标很多，如粘结力指数、煤的最大流动度、煤的膨胀度、胶质层最大厚度和粘结指数等。各国预测焦炭强度的模式很多，下面仅介绍我国以煤的干燥无灰基挥发分(Vdaf)和粘结指数(G)或胶质层最大厚度(y)作为参数，建立回归方程，预测焦炭强度的方法，即VM-G(y)法。-2.104Vdaf+0.144G，M10=12.974+0.452Vdaf-0.0243G；或M40=126.881-1.947Vdaf+0.227y，M10=9.085+0.201Vdaf-0.363y。装炉煤最适宜的范围是：Vdaf=28%～32%，G=58%～72%或y=14mm～18mm。我省装炉煤的挥发分普遍较低，装入煤的干基无灰挥发分的下限可达23%～25%。