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第三章炼焦§3-1概述一、炼焦及其产品1.炼焦：煤在焦炉内隔绝空气加热到1000℃左右，可获得焦炭、化学产品和煤气的过程，此过程称为高温干馏或高温炼焦，一般简称炼焦。2.炼焦产品：①焦炭90%用于高炉炼铁，其余用于机械工业、铸造、电石生产原料、气化以及有色金属冶炼。②化学产品硫酸铵、吡啶碱、苯、甲苯、二甲苯、酚、萘、蒽、沥青等。用于化学肥料、农药、合成纤维的原料、塑料等。③煤气可用来合成氨、生产化学肥料或用做加热燃料。二、炼焦炉的发展1.煤成堆、窑式土法炼焦将煤置于地上或地下的窑中，依靠干馏时产生的煤气和部分煤的直接燃烧产生的热量来炼制焦炭，称为土法炼焦。土法炼焦成焦率低，焦炭灰分高，结焦时间长，化学产品不能回收，综合利用差。2.倒焰式将成焦的炭化室和加热的燃烧室分开的焦炉，隔墙上设有通道，炭化室内煤干馏时产生的煤气经此流入燃烧室内，同来自炉顶的通风道内的空气混合，白上而下的边流动边燃烧，故称为倒焰式焦炉。干馏时所需热量从燃烧室经炉墙传给炭化室内的煤料。二、炼焦炉的发展3.废热式将炭化室和燃烧室完全隔开，炭化室内生产的荒煤气送到回收车间分离出化学产品后，再送回燃烧室内燃烧或民用。燃烧后产生的高温废气直接从烟囱排出。4.蓄热式将高温烟气先经蓄热室后降温，热量用来预热空气等。三、炼焦工艺流程及主要设备§3-2煤的成焦过程烟煤炼焦时随温度的变化状况煤胶质体半焦焦炭气态产物干燥预热软化、膨胀固化、收缩1003505506501000脱水、脱气反应分解反应缩聚反应温度℃一、成焦过程基本概念1.350oC煤干燥预热阶段2.350~480oC胶质体形成阶段3.480~650oC半焦形成阶段4.650~950oC焦炭形成阶段二、煤的黏结和半焦收缩1.黏结性黏结性：干馏时，黏结本身与惰性物的能力，指炼焦时形成熔融焦炭的能力（经过胶质体生成块状半焦的能力）。黏结性与结焦性关系黏结性好事结焦性好的前提和必要条件（结焦性好的煤，其黏结性一定好）提高黏结性:黏结性好的煤，Y=16～18mm，G=65～78%。2.半焦收缩半焦收缩：半焦不稳定部分受热裂解，生成气态产物；残留部分不断缔合增炭，产生体积收缩。二、煤的黏结和半焦收缩2.半焦收缩气孔：焦炭是孔状体，若气孔率低、气孔小、气孔避厚、气孔壁强度高，则焦炭强度高。裂纹收缩应力导致产生裂纹（裂成焦块，裂纹多则焦炭细）三、焦炉煤料中热流动态1.供热两侧炉墙供热（靠近炉墙煤料温度先升高，温升速度快；远离炉墙的温度后升高，升高速度慢）2.不同部位煤料温度随加热时间变化（图3-2）炉墙温度加入煤时，炉墙温度迅速下降靠近炉墙煤料温度炭化室中心温度加煤后8小时方由100oC升高（才脱完水分）3.不同部位煤料的升温速度：煤料升温线（图3-3）100~350oC：炉墙附近8oC/min；中心1.5oC/min升温速度不同，温度梯度不同，故收缩梯度不同，升温速度大的裂纹多，焦块小。三、焦炉煤料中热流动态4.炭化室内不同部分煤料同一时间内的情况（图3-4）当装煤后加热约8小时，水分蒸发完了时，中心面温度上升。当加热14~15小时，炭化室内部温度都接近1000oC，焦炭成熟。温度,℃11001000900800700600500400300200100湿煤层干煤层胶质层半焦焦炭成焦分布73915h中心炉墙炉墙13579111315h焦缝图3-4炭化室煤料温度和成焦层分布四、炭化室内成焦特征1.炭化室内同时进行着不同成焦阶段装煤约8小时期间，炭化室同时存在着湿煤层、干煤层、胶质体层、半焦层和焦炭层。两胶质体层在装煤后11小时左右在中心汇合。装煤后15小时左右，焦炭成熟。2.膨胀压力过大时可危及炉墙（最大膨胀压力出现在两胶质体中心汇合时）。3.裂纹靠近炉墙的焦炭裂纹多，有焦花之称。4.焦缝成熟焦饼中心面上有一条缝称焦缝，上下直通。五、气体析出途径1.里行气（10%左右）形成与两胶质体之间，不可能横穿过胶质体，只能上行进入炉顶空间，这部分气体称为里行气。没有经历二次热解作用；含大量水蒸气，含煤一次分解产物（主要CH4及其同系物，还有H2、CO2、CO及不饱和烃）2.外行气（90%左右）产生胶质体外侧（由于胶质体固化和半焦热解产生大量气态产物）沿焦饼裂缝及炉墙与焦饼间隙进入炉顶空间，此部分气体称外行气。经过高温区，经二次热解作用，二次热解产物（主要H2，及少量CH4)五、气体析出途径3.气体中化学产品原料煤性质对化学产品产率的影响较大。挥发分高，煤气和粗苯产率都高。温度对化学产品产率影响较大（炉墙温度、焦饼温度，其次是炭化室炉顶空间温度）§3-3配煤和焦炭质量一、配煤的目的和意义1.配煤：就是将两种以上的单种煤料，按适当比例均匀配合，以求制得各种用途所要求的焦炭质量。2.焦煤炼焦的缺点（单种煤炼焦）焦煤储量不足推焦困难，容易损坏炉墙焦煤挥发分少，炼焦化学产品产率低3.合理配煤的优势提高焦炭质量扩大炼焦煤源，合理利用煤炭资源增加炼焦化学产品产率等二、配煤用煤气煤（QM）、肥煤（FM）、焦煤（JM）、瘦煤（SM）及中间过渡性牌号煤。⑴气煤挥发性最大，黏结性差；炼焦产品特点：焦炭碎、强度低、推焦易；可得较多化学产品。⑵肥煤挥发份较高，灰分高，黏结性最好但结焦性差；炼焦产品特点：焦炭碎、强度低、推焦难；可提高化学产品产率和煤气产率。⑶焦煤挥发分适中（＜肥煤），黏结性高，灰分高炼焦产品特点：焦炭块大，强度高，推焦困难二、配煤用煤⑷瘦煤挥发分低，黏结性差炼焦产品特点：焦炭块大，抗碎强度高，耐磨性差（易成焦粉）；化学产品产率和煤气产率低。⑸贫煤没有黏结性，不结焦，不能单独炼焦；配煤中可起瘦化剂的作用。三、配煤的工艺指标1.配煤的工业分析①水分（一般＜10%，焦化厂8%~10%）水分高的不利影响：焦炉升温慢，延长结焦时间，影响炉体寿命；影响装炉煤堆密度ρ（如图3-7，随水分↑ρ↓）水分过低的不利影响：破碎和装煤时造成煤尘飞扬恶化操作条件，使焦油中游离碳增加。图3-7配煤堆密度和水分的关系1湿煤，2干煤102468101214900850800750水分，%堆密度,kg/m32三、配煤的工艺指标②灰分（配煤灰分＜12%，焦炭灰分＜15%）灰分的害处（配煤的灰分全部转入焦炭）a：灰分是惰性物质，灰分高则黏结性降低；灰分颗粒成为裂纹中心，配煤灰分高则焦炭强度降低。b：炼铁用焦耗量高，高炉生产能力降低。③挥发分（中国生产配煤挥发分Vdaf一般25%~32%）a:挥发分高，化学产品产率高，煤气产率高。b:挥发分过高焦炭平均粒度小，抗碎强度低。c:挥发分过低煤的黏结性差，耐磨强度降低，可导致推焦困难。三、配煤的工艺指标④硫分（配煤＜1.0%，一般焦炭＜1.0%~1.2%）硫分害处（配煤中有80%左右转入焦炭）冶炼中焦炭中硫分转入生铁中，使生铁呈热脆性，加速铁腐蚀。降低配煤中硫含量的途径：一是通过洗选除掉部分无机硫。二是配煤时，适当将高、低硫煤的调配使用。三、配煤的工艺指标2.黏结性和膨胀压力①黏结性黏结性是结焦性的前提和必要条件。黏结性的指标：我国常用的是胶质层最大厚度Y和粘结指数G②膨胀压力（安全膨胀压力＜10~15KPa）是黏结性煤的炼焦特征，提高堆ρ能增大膨胀压力。3.粉碎度（＜3mm的占90%，煤粉碎粒度应少含有过大或过小的颗粒，特别要求小于0.2～0.5mm要少。）黏结性好的成分和易碎的不细碎，反之细碎。弱黏结性的应细碎；强黏结性的应粗碎；肥煤、焦煤易碎应粗碎；气煤硬度大难碎应细碎四、焦炭的用途1.高炉炼铁（供热燃料、还原剂、疏松骨架）要求：冶金焦反应率要小(C+CO2反应降低焦炭强度)、一定的块度、强度2.铸造用焦（熔化炉料：其作用是熔化炉料并使铁水过热，支撑料柱保持其良好的透气性。）要求：铸造焦应具备块度大、反应性低、气孔率小、具有足够的抗冲击破碎强度、灰分和硫分低等特点。3.气化用焦要求：反应能力要高于化工气化用焦，对强度要求不严，但要求反应性好，灰熔点较高。4.电石焦对焦炭的质量要求不高,要求尽量提高固定碳含量。五、焦炭的质量1物理性质主要成分为碳，是具有一定强度、块度的银灰色固体，内部有纵横裂纹，沿焦炭纵横裂纹分开即为焦块，焦块内含微裂纹，沿微裂纹分开即为焦体，焦体由气孔和气孔壁（焦质）。真密度：单位体积焦质的质量。视密度（假密度）：单位体积焦块的质量。堆密度：焦炭单位堆积体积的质量。气孔率=（1-假密度/真密度）×100%五、焦炭的质量2化学成分①灰分(主要成分是SiO2和Al2O3)不利，灰分越低越好②硫分不利（硫易使生铁铸件脆裂）硫是生铁冶炼的有害杂质之一，它使生铁质量降低。在炼钢生铁中硫含量大于0.07%即为废品。③挥发分鉴别焦炭成熟度的重要指标。挥发分＞1.5%为生焦挥发分小于0.5—0.7%,则表示过火;一般成熟的冶金焦挥发分为1%左右。五、焦炭的质量④水分（一般为2%～6%）水分要稳定，否则引起炉温波动。⑤碱性成分（K2O、Na2O）由于其催化和腐蚀作用，能严重降低焦炭强度。3.机械强度①耐磨强度M10a:耐磨强度（M10↓、耐磨性↑）当焦炭外表面承受的摩擦力超过气孔壁强度时，就会产生表面薄层分离的现象，形成碎末，焦炭抵抗这种破坏的能力称为耐磨强度。b:转鼓测定耐磨强度指标M10五、焦炭的质量转鼓试验：为了试验焦炭的耐磨性和抗碎性，通常采用转鼓试验。转鼓试验就是模仿焦炭在高炉冶炼过程中的撞击、挤压、研磨，将一个十分复杂的受力情况加以简化的试验方法。在转鼓中装入大于60毫米的焦炭50千克，以每分钟25转速度转动4分钟M10一般用焦炭在转鼓内破坏到一定程度后，粒度＜10mm的碎焦质量m1占式样质量m总的分数来表示耐磨强度。一般7%～11%M10=(m1/m总)×100%提料板转鼓实验法，鼓内情况②抗碎强度M40（M40↑、抗碎性↑）a：抗碎强度当焦炭承受冲击力时，焦炭沿裂纹或者缺陷处碎成小块，焦炭抵抗这种破坏的能力称为抗碎强度。b：转鼓测定耐磨强度指标M40粒度＞40mm的焦块质量m2占式样质量m总的分数来表示抗碎强度。M40一般70%～80%M40=(m2/m总)×100%4焦炭的反应性①反应性大多数国家都用焦炭与二氧化碳间的反应特性评定焦炭反应性。是指与CO2的碳溶反应性五、焦炭的质量表6-1-11高炉用焦炭强度转鼓强度指数（％）级别ⅠⅡⅢⅣM40≥80.0≥76.0≥72.0≥65.0M108.09.010.011.0五、焦炭的质量②影响焦炭反应性的三大因素a：原料煤性质（煤种、煤岩相的组成、煤灰分等）b：炼焦工艺因素（焦饼中心温度、结焦时间、炼焦方式等）c：高炉冶炼条件（温度、时间等）③焦炭反应性（CRI%）的测定：国内：CO2测定称取一定质量的焦炭试样，置于反应器中，在1100+5℃时与CO2反应2h后，以焦炭质量损失的百分数表示焦炭反应性（CRI）。有时也用CO2容积速率表示五、焦炭的质量低温干馏和高温干馏的比较低温干馏和高温干馏的区别：温度不同设备不同产物成分不同低温干馏产物成分主要为：焦炉煤气、煤焦油。高温干馏产物成分主要为：焦炭目的不同低温干馏和高温干馏的相同点：原料相同产物状态相同（气、液、固）§3-4现代焦炉一、焦炉概述（sheet1）1.焦炉的构成主要构成部分——“三室”燃烧室蓄热室炭化室焦炉其他附属机械：加煤车、推焦车、导焦车、熄焦车等。——“四车”2.焦炭的工艺生产流程煤炭化室熄焦焦炭炉顶加煤车炼制水浇或干熄推焦焦炭产品一、焦炉概述（sheet2）3.“三室”——炭化室炭化室是煤隔绝空气干馏的场所；①煤由炉顶加煤车加入炭化室，炭化室两端有炉门，炼好的焦炭用推焦车推出，沿导焦车落入熄焦车中，赤热焦炭用水熄灭，置于焦台上。②两侧为燃烧室，与燃烧室相间，一墙之隔。炭化室尺寸：有效容积是有效长度、平均宽度和有效高度的乘积。长12～20m，宽0.4～0.6m，高3～8m。炭化室顶部厚度1～1.5m，3～5个加煤孔；炭