煤炭极其性质

焦炭及其性质第一章焦炭定义英文名称：Coke烟煤在隔绝空气的条件下，加热到950-1050℃，经过干燥、热解、熔融、粘结、固化、收缩等阶段最终制成焦炭，这一过程叫高温炼焦（高温干馏）。由高温炼焦得到的焦炭用于高炉冶炼、铸造和气化。炼焦过程中产生的经回收、净化后的焦炉煤气既是高热值的燃料，又是重要的有机合成工业原料。焦炭分类、用途冶金焦是高炉焦、铸造焦、铁合金焦和有色金属冶炼用焦的统称。由于90%以上的冶金焦均用于高炉炼铁，因此往往把高炉焦称为冶金焦。1、高炉焦—高炉炼铁--燃料、还原剂。2、铸造焦--专用与化铁炉熔铁的焦炭。-燃料。3、铁合金焦--铁合金冶炼--燃料、还原剂。焦炭及其性质第一节焦炭的一般性质第二节高炉炼铁第三节非高炉用焦的特性焦炭及其性质第一节焦炭的一般性质一、焦炭的宏观构造焦炭是一种质地坚硬，以碳为主要成分的含有裂纹和缺陷的不规则多孔体,呈银灰色。其真密度为1.8～1.95g/cm3,视密度为0.88～1.08g/cm3,气孔率为35%～55%,堆密度为400～500kg/m3。用肉眼观察焦炭都可看到纵横裂纹。沿粗大的纵横裂纹掰开，仍含有微裂纹的是焦块。将焦块沿微裂纹分开，即得到焦炭多孔体，也称焦体。焦体由气孔和气孔壁构成，气孔壁又称焦质，其主要成分是碳和矿物质。焦炭的裂纹多少直接影响焦炭的粒度和抗碎强度。焦块微裂纹的多少和焦体的孔孢结构则与焦炭的耐磨强度和高温反应性能有密切关系。孔孢结构通常用气孔平均直径、孔径分布、气孔壁厚度和比表面积等参数表示。焦炭及其性质1.块焦和焦块性质参数包括粒度及其组成、机械强度、传热性质等r焦炭及其性质1.块焦和焦块机械性能高炉生产对焦炭的基本要求是：粒度均匀、耐磨性和抗碎性强。焦炭的这些物理机械性能主要由筛分组成和转鼓试验来评定。1．筛分组成焦炭是外形和尺寸不规则的物体，只能用统计的方法来表示其粒度，即用筛分试验获得的筛分组成计算其平均粒度。一般用一套具有标准规格和规定孔径的多级振动筛将焦炭筛分，然后分别称量各级筛上焦炭和最小筛孔的筛下焦炭质量，算出各级焦炭的质量百分率即焦炭的筛分组成，国际标准允许筛分试验用方孔筛（以边长L表示孔的大小）和圆孔筛（以直径D表示孔径的大小）。相同尺寸的两种筛，其实际大小不同，试验得出两者关系为：D/L=1.135±0.04（1-4）焦炭及其性质即圆孔直径为60mm时,对应的方孔筛L=60/1.135=52.86mm,通过焦炭的筛分组成计算焦炭的平均粒度及粒度的均匀性，还可估算焦炭的比表面、堆积密度并由此得到评定焦炭透气性和强度的基础数据。（1）平均粒度根据筛分组成及筛孔的平均直径可由下式来计算焦炭的平均粒度：（1-5）或（1-6）1()biidadisiadd焦炭及其性质式中——各粒级的质量百分率，%；——各粒级的平均粒度,由粒级上、下限的平均值计算；——算术平均直径；——调和平均直径（是以实际焦粒比表面与相当球体比表面相同的原则确定的平均粒度）。iaidsdbd焦炭及其性质（2）粒度均匀性粒度均匀性可由下式计算：（1-7）式中、、——分别表示焦炭中25～40mm、40～80mm和80mm各粒级的百分含量。K值愈大，粒度愈均匀。也可按计算。40~808025~40100%akaa40~25a80~40a80a25~404010~25100%akaa焦炭及其性质2．耐磨强度和抗碎强度（1）转鼓试验方法焦炭强度通常用抗碎强度和耐磨强度两个指标来表示。焦炭无论在运输途中还是使用过程中，都会受摩擦力作用而磨损，受冲击力作用而碎裂。焦炭在常温下进行转鼓试验可用来鉴别焦炭强度。因焦炭在一定转速的转鼓内运行，可以模仿其在运输和使用过程中的受力情况。当焦炭表面承受的切向摩擦力超过气孔壁的强度时，会产生表面薄层分离现象形成碎屑或粉末，焦炭抵抗此种破坏的能力称耐磨性或耐磨强度，用M10值表示。（1-8）1010mm100%M出鼓焦炭中小于的质量入鼓焦炭质量焦炭及其性质当焦炭承受冲击力时，焦炭沿结构的裂纹或缺陷处碎成小块，焦炭抵抗此种破坏的能力称焦炭的抗碎性或抗碎强度。用M25（M40）表示。（1-9）焦炭的孔孢结构影响耐磨强度M10值，焦炭的裂纹度影响其抗碎强度M25值。M25和M10值的测定方法很多，我国多采用德国米贡转鼓试验方法。如表1-1所示。2525mm100%M出鼓焦炭中大于的质量入鼓焦炭质量焦炭及其性质表1-1焦炭转鼓实验方法转鼓特性焦炭试样筛分强度指标（直径/长度）/mm转速/（转/分）转速/转质量/Kg粒度/mm孔型筛孔/mm耐磨强度/%抗碎强度/%1000/10002510050≻60圆形25，10≺10/M10≻25/M25焦炭及其性质（2）焦炭在转鼓内的运动特征焦炭在转鼓内要靠提料板才能提升，故转鼓内均设有不同规格的提料板。焦炭在转鼓内随鼓转动时的运动情况可由图1-1表示，装入转鼓的焦炭在转鼓内旋转时，一部分被提料板提升，达到一定高度时被抛出下落（图中位置A），使焦炭受到冲击力的破碎作用，一部分超出提料板的焦炭在提料板从最低位置刚开始提升时，就滑落到鼓底（位置B），这部分焦炭仅能在转鼓底部滚动和滑动（位置C），故破坏作用不大，当靠到下一块提料板时再部分被提起。此外转鼓旋转时焦炭层内焦炭间彼此相对位移及焦炭与鼓壁间的摩擦，则是焦炭磨损的主要原因，鼓内焦炭的填充量愈多，这种磨损作用就愈明显。焦炭及其性质2.裂纹度裂纹度即焦炭单位面积上的裂纹长度。裂纹分纵裂纹和横裂纹两种，规定裂纹面与焦炉炭化室炉墙面垂直的裂纹称纵裂纹；裂纹面与焦炉炭化室炉墙面平行的裂纹称横裂纹。焦炭中的裂纹有长短、深浅和宽窄的区分，可用裂纹度指标进行评价。常用测量方法是将方格（1cm×1cm）框架平放在焦块上，量出纵裂纹与横裂纹的投影长度即得。所用试样应有代表性，一次试验要用25块试样，取统计平均值。焦炭及其性质3．气孔率焦炭的气孔率是指气孔体积与总体积比的百分率。气孔率可以利用焦炭的真密度和视密度的测定值加以计算。焦炭的气孔数量还可以用比孔容积来表示，即单位质量多孔体内部气孔的总容积，可用四氯化碳吸附法测定。（1-1）1100%视密度气孔率真密度焦炭及其性质3．气孔平均直径与孔径分布焦炭中存在的气孔大小是不均一的，一般称直径大于100微米的气孔为大气孔，20～100微米的为中气孔，小于20微米的为微气孔。焦炭与CO2作用时，仅大的气孔才能使CO2进入。r焦炭及其性质4.比表面积指单位质量焦炭内部的表面积（m2/g）r焦炭及其性质5.气孔壁在光学显微镜下测量气孔参数得到气孔壁厚度参数r焦炭及其性质二、焦炭的化学组成焦炭的化学组成主要用焦炭工业分析和元素分析数据来加以体现。1．工业分析焦炭的工业分析包括焦炭水分、灰分和挥发分的测定以及焦炭中固定碳的计算。（1）水分（Mt）焦炭的水分是焦炭试样在一定温度下干燥后的失重占干燥前焦样的百分率。生产上要求稳定控制焦炭的水分，水分波动会使焦炭计量不准，从而引起炉况波动。焦炭及其性质此外，焦炭水分提高会使M25偏高，M10偏低，给转鼓指标带来误差。但水分也不宜过低，否则不利于降低高炉炉顶温度，且会增加装卸即使用中的粉尘污染。焦炭水分因熄焦方式而异，并与焦炭粒度、焦粉含量、采样地点、取样方法等因素有关。湿熄焦时，焦炭水分约4%～6%，因喷水、沥水条件和焦炭粒度不同而波动；干熄焦时，焦炭在贮运过程中也会吸附空气中水汽，使焦炭水分达0.5%～1%。我国规定冶金焦水分为：40mm粒级为3～5%；25mm粒级为3～7%，含有适量水分，有利于降低高炉炉顶温度。水分的测定方法见国标GB2002—80。焦炭及其性质（2）灰分（Ad）灰分是焦炭中的有害杂质，主要成份是高熔点的SiO2和Al2O3等酸性氧化物,在高炉冶炼中要用CaO等熔剂与它们生成低熔点化合物，才能以熔渣形式由高炉排出。如是灰分高，就要适当提高高炉炉渣碱度，不利于高炉生产。此外，焦炭在高炉内被加热到高于炼焦温度时，由于焦质和灰分热膨胀性不同，会沿灰分颗粒周围产生并扩大裂纹，加速焦炭破碎或粉化。灰分中的碱金属还会加速焦炭同CO2的反应，也使焦炭的破坏加剧。焦炭及其性质因此，一般焦炭灰分每增加1%，高炉焦比（每吨生铁消耗焦炭量）约提高2%，炉渣量约增加3%,高炉熔剂用量约增加4%,高炉生铁产量约下降2.2～3.0%。几个国家冶金用焦炭与精煤灰分国标（Ad）如表1-2。可见，我国高炉焦的灰分指标与其它一些国家相比偏高，它是焦炭质量差的主要原因，焦炭灰分高的原因是炼焦精煤的灰分高所致。若能将焦炭灰分由14.5%降至10.5%，以年产7000万吨生铁的高炉计算，可以节约熔剂227万吨、焦炭385万吨，同时可以增加生铁1015万吨，还可大大降低铁路运输量。焦炭及其性质精煤合理灰分要从煤炭资源特点，如煤的可选性、各级选煤的回收率，并结合选煤技术、中煤和矸石的合理利用等方面，进行综合经济技术分析加以确定，炼焦精煤的灰分以7%左右为宜。灰分的测定方法见国标GB2002-80。表1-2冶金用焦炭与精煤灰分国标国别中国美国原苏联德国法国日本I级II级III级焦炭灰分/%≼12.0≼13.5≼15.07.010.08.09.010.0精煤灰分/%12.55.5～6.58.0～8.56.0～7.07.06.6～8.0焦炭及其性质（3）挥发分（Vdaf）和固定碳（FC）挥发分是衡量焦炭成熟程度的标志，通常规定高炉焦的挥发分应为1.2%左右，若挥发分大于1.9%则表示生焦，其不耐磨，强度差；若挥发分小于0.7%，则表示过火，过火焦裂纹多且易碎。焦炭的挥发分同原料煤的煤化度及炼焦最终温度有关，如图1-2、图1-3。图1-2焦炭挥发分与原料煤挥发分的关系图1-3焦炭挥发分与炼焦温度的关系焦炭及其性质焦炭挥发分也是焦化厂污染控制的指标之一，挥发分升高，推焦时粉尘放散量显著增加，烟气量及烟气中的多环芳烃含量也增加。固定碳是煤干馏后残留的固态可燃性物质，由计算得：固定碳=100－水分－灰分－挥发分，%焦炭挥发分的测定方法见国标2002—80。2．元素分析焦炭元素分析是指焦炭按碳、氢、氧、氮、硫和磷等元素组成确定其化学成分时，称为元素分析。焦炭及其性质（1）碳和氢碳是构成焦炭气孔壁的主要成分，氢则包含在焦炭的挥发分中，将焦炭试样在氧气中燃烧，生成的H2O和CO2分别用吸收剂吸收,由吸收剂的用量确定焦样中的碳和氢。其成分为碳：92%～96%，氢：1%～1.5%。结焦过程中，不同煤化度的煤中C、H、N元素含量随干馏温度升高而变化的规律如图1-4。从图可以看出，由不同煤化度的煤制取的焦炭其含碳量基本相同。氢气量随炼焦温度的变化比挥发分随炼焦温度的变化明显，且测量误差也小，因此以焦炭的氢含量可以更可靠地判断焦炭的成熟程度。焦炭及其性质（2）氮焦炭中的氮是焦炭燃烧时生成NOx的来源，结焦过程中氮含量变化不大，仅在干馏温度达800oC以上时才稍有降低。焦样在催化剂（K2SO4+CuSO4）存在的条件下，能和沸腾浓硫酸反应使其中的氮转化为NH4HSO4，再用过量NaOH反应使NH3分出。经硼酸溶液吸收，最后用硫酸标准溶液滴定，以确定焦样中的含氮量。其成分为0.5%～0.7%。图1-4各种煤的C、H、N含量随干馏温度升高而变化的规律焦炭及其性质（3）氧焦炭中氧含量很少，常用减差法计算得到，其成分为0.4%～0.7%。（4）硫焦炭中的硫包括：煤和矿物质转变而来的无机硫化物（FeS、CaS等），熄焦过程中部分硫化物被氧化生成的硫酸盐（FeSO4CaSO4），炼焦过程中生成的气态硫化物在析出途中与高温焦炭作用而进入焦炭的有机硫，这些硫的总和称全硫。工业上通常用重量法测定。其成分为0.7%～1.0%。高炉焦的硫约占整个高炉炉料中硫的80%～90%，炉料中的硫仅有5%～20%随高炉煤气逸出，其余的硫靠炉渣排出。一般焦炭含硫每增加0.1%，高炉焦比约增加1.2%～2.0%，高炉熔剂用量约增加2%，生铁产量约减少2.0%～2.5%。一些国家对高炉焦含硫指标规定如表1-3所示。焦