第二章 室式炼焦过程与配煤工艺

第二章室式炼焦过程与配煤工艺第一节煤在焦炉炭化室内的结焦过程一、炭化室内炉料的动态变化焦炉的炭化室是一个带锥度的窄长空间，煤料受两侧炉墙传递的热量加热，下面我们分析炼焦过程及其特点，并由此分析炭化室内各部位焦炭质量与特征。1、成层结焦与温度变化在煤化学中我们知道，粘结性煤加热过程中，经历了干燥、热分解、形成塑性体、转化为半焦和焦炭的过程。过程所需要的热量，由两侧炉墙提供。绘出图（表明两侧加热），因煤和塑性层导热系数低，因此在整个成焦过程的大部分时间内，炭化室内与炉墙垂直方向上炉料的温度梯度较大(图2-1左)。这样在结焦过程的大部分时间内，离炭化室墙面不同距离的各层炉料因所受到的温度不同而处于热解过程的不同阶段，整个炭化室内炉料的状态随时间而变化(图2-1右)。靠近炉墙附近的煤先结成焦炭，而后焦炭层逐渐向炭化室中心推移，这就是常指的“成层结焦”。炭化室中心面上的炉料温度始终最低，因此以结焦末期炭化室中心面的温度(焦饼中心温度)作为焦饼成熟度的标志，称为炼焦最终温度。如图2-2所示，由于各层炉料距炉墙的距离不同，传热条件也就各不相同，最靠近炉墙的煤料升温速度最快，约5℃／min以上，而位于炭化室中心部位的炉料升温速度最慢，约2℃／min以下，这种温度变化的差别必然导致焦炭质量的差异。常规炼焦采用湿煤装炉，结焦过程中湿煤层被夹在两个塑性层之间，这样湿煤层内的水汽不易透过塑性层向两层外流出，致使大部水汽窜入内层湿煤中，并因内层温度低而冷凝下来，这样内层湿煤水分增加，加之煤的导热系数小，使得炭化室内中心煤料升温速度缓慢，长时间停留在水的蒸发温度以下，煤料水分愈多，结焦时间就愈长，炼焦的耗热量也就愈大。2、炭化室内膨胀压力焦炉炭化室内产生膨胀压力的原因是成层结焦的结果，两个大体上平行于两侧炉墙面的塑性层从两侧向炭化室中心移动，炭化室底面温度和顶部温度也很高，在炭化室内煤料的上层和下层同样也形成塑性层，围绕中心煤料形成的塑性层如同一个膜袋（见图2-3），膜袋内的煤热解产生气体由于塑性层的不透气性使得膜袋产生膨胀的趋势，塑性层又通过外侧的半焦层和焦炭层将压力施加于炭化室的炉墙，这种压力称之为膨胀压力。膨胀压力的大小在结焦过程中随时间而变化，当两个塑性层面在炭化室中心处会合时，由于外侧焦炭和半焦层传热好、需热少，致使塑性层内的温度升高加快，气态产物迅速增加使得此时的膨胀压力值最大，通常的膨胀压力是指其最大值。对于常规炼焦的焦炉来讲，受炭化室炉墙结构强度的制约，应控制膨胀压力的大小，这必须通过：①选择煤料进行控制，这是炼焦备煤(配煤)的一项重要任务。②由于炼焦炉相邻两个炭化室总是处于不同的结焦阶段，所以相邻两个炭化室炉料施加于炉墙的压力的差值是炉墙所受的侧向负荷。炼焦生产中，在制定推焦串序时，对膨胀压力要进行合理的考虑。3、炭化室内层温度变化与焦炭的质量关系⑴炭化室内位置与质量的关系有关焦炭性质指标的变化参见图2-4。靠近炭化室墙面的焦炭，由于煤料的升温速度快，煤热分解产生的塑性体的流动性能好，塑性温度间隔宽，塑性体内煤热解产物之间相互作用改善，因而焦炭熔融良好，结构致密，质量优于内侧的焦炭。但从炭化室墙面到炭化室中心面处，温度梯度逐渐减小，因而靠墙面处的焦炭粒度相对小于中心处的焦炭粒度，这样就产生了相同的煤料在相同的炼焦条件下结焦，其焦炭质量由于上述原因，不同的块度具有不同的质量。炭化室内，接近炉墙的煤层在形成塑性层之后，面向炉墙的焦面扭曲“鼓泡”，外形如同菜花，称为“焦花”。而在炭化室中心处，由于膨胀压力最终将两侧的焦饼推向两侧，从而沿炭化室中心面形成焦饼中心裂缝，在炭化室推焦前打开炉门时，可以清楚地看到焦饼中心裂缝。⑵煤的性质与焦炭质量焦炭的块度取决于焦炭的裂纹性质，而焦炭中产生裂纹主要受半焦收缩特别是半焦收缩阶段内第一次收缩峰区间内半焦的收缩系数的影响。如图2-5所示，挥发分高的煤料收缩系数大，此外从煤化学知它的塑性温度间隔窄，因而固化时半焦层较薄，半焦气孔率大，半焦层的强度低，这样，当半焦产生收缩差时，本层内拉应力超过半焦层的许可应力，则半焦层开裂，这种裂纹垂直于墙面，故气煤焦炭多呈细条状。对于肥煤等强粘结性煤，由于塑性温度间隔宽，半焦层厚且强度高，本层层内拉应力的破坏作用居次要地位，此时，相邻层之间因温度梯度差存在，产生的收缩导致层间发生开裂。这种焦饼中以平行于炭化室墙面的横裂纹居多。但是相比之下，强粘结煤的焦炭块度要大于气煤焦块度。二、炼焦过程中化学产品的生成煤高温干馏得到的炼焦化学产品的组成与煤的性质和炼焦条件有关，煤热解生成的一次化学品还要受到焦炉内炼焦条件的影响，有关内容详见第五章内容。第二节配合煤质量与备煤炼焦工艺条件工业炼焦生产一般不采用单种煤炼焦，而通常采用多种煤配合后炼焦。常规炼焦方法是将多种炼焦煤按适宜的比例配合，然后再装炉炼焦，故又称为配煤炼焦。一、配煤的意义与配煤质量要求1、炼焦配煤的意义配煤的目的或意义：①生产出满足质量要求的优质焦炭，②实现煤炭资源的合理利用③增加炼焦化学产品的产量。必要性：配煤炼焦高炉焦或铸造焦的质量要求是：灰分低、硫分少、强度高、各向异性程度大，为满足上述要求，①在常规炼焦方法条件下，用单种煤炼焦很难满足上述要求②煤炭资源也无法满足单种煤炼焦的需求（优质炼焦煤资源有限储量、分布和开采能力的制约），工业上必须采用配煤炼焦，以确保焦炭质量和合理利用煤炭资源。③在我国炼焦煤资源中，气煤比例最大，因此在炼焦配煤中应尽可能多配用高挥发气煤，这样既可增加了煤气产量和化学产品的产量，又充分利用了占我国炼焦煤种比例最大的气煤资源。2、配煤的一般原则配煤方案？它是焦化厂规划的重要组成部分，是焦化厂设计的基础，焦化生产的重要控制参数。炼焦配煤应遵循如下一般原则：1）配煤质量应与煤料的预处理工艺及炼焦条件相适应，使焦炭的质量达到规定的指标。2）符合本区域内煤炭资源条件，有利于扩大炼焦煤源。3）有利于增加化学产品（多配气煤）；防止侧膨胀压力超限（炉墙损坏或推焦困难）。4）缩短煤源平均运距，便于调配车皮（煤车对流），在特殊情况下有调节余地。5）来煤数量可靠、质量稳定。6）在上述前提下，尽量降低生产成本，以期提高经济效益。3、炼焦配煤的质量要求配合煤质量指标大体上可以分为两类，即化学性质，如灰分、硫分、矿物质组成；工艺性质，如煤化度、粘结性、细度、膨胀压力等。配煤质量要求是由焦炭质量的要求和炼焦条件共同确定的。（1）配合煤的灰分和硫分成焦过程中，煤料中的矿物质以灰分形式全部转入焦炭，而煤料中的硫分一部分残留在焦炭中，另一部分转化为气态硫化物进入煤气，极少量进入液体产物。煤中的灰分与焦炭中的灰分关系如下：A煤=KA焦(2-1)S煤=KS焦/⊿S(2-2)式中A煤、A焦——分别为煤中和焦炭中的灰分(干基)，％；K—--成焦率，％；一般取75%⊿S—--煤料硫分转入焦炭中的百分数，％。一般⊿S＝60－70％，其值大小受煤源和炼焦温度的影响，在确定的生产条件下，可取其统计值代入公式。利用式(2-1)和式(2-2)，可以根据焦炭灰分、硫分的要求，计算出配合煤的灰分和硫分。例如：一级冶金焦的灰分不大于12％，按成焦率75％计算，配合煤料的灰分应不大于9％（干基）。一级冶金焦的硫分不大于0.60％，若按⊿S=70％计算，配合煤料的硫分应该控制在0.7％以下。配合煤料的灰分和硫分可以直接测定，也可以按煤种配合比例加权平均进行计算。（2）煤化度煤化度指标是用来控制焦炭强度和块度的重要配煤参数。表征煤化度的指标可用挥发分Vdaf和镜质组分平均最大反射率maxR。挥发分指标的测定方法简便，应用普遍，而镜质组分的平均最大反射率则能更准确地反映煤的性质，在一定范围的煤化度区域内两者之间具有较好的相关性，据我国鞍山热能所对中国148种煤作的回归分析，得如下回归方程：maxR=2.35–0.41Vdaf(相关系数=-0.947)(2-3)配合煤的挥发分指标可以直接测定，也可以按加和性来进行计算，但二者之间有一定的差异（热解过程中各种煤的热解产物之间存在相互作用）。配合煤的平均最大反射率同样可以直接测定或按加和性进行计算（由于不涉及热解过程，两种结果差异性不大）。（需要解释说明）需要指出的是，配合后煤料的煤化度指标的数值所反映的煤的性质与煤化度指标数值相同的单种煤的性质是不一样的。例如将气煤与瘦煤按适当比例配合后，其煤化度指标数值可能与焦煤或肥煤的煤化度指标相同，但是配合煤料的性质与后者的性质是不同的，这可以从反射率分布曲线上明显地看出。正因为这种原因，焦化厂在运输和储存洗精煤时，应防止不同煤种混杂，造成挥发分煤化度指标失灵。对于常规配煤炼焦，合适的煤化度指标要求是：maxR=1.2％～1.3％，相当于Vdaf=26％～28％，煤化度过低，焦炭的平均粒度小，抗碎强度低，而且焦炭的气孔率高，各向异性程度低，焦炭质量不好。煤化度过高时，虽然焦炭的各向异性程度可以提高，但是，由于煤料的粘结性变差，成焦过程中熔融不好，焦炭的耐磨强度降低，另外还可能导致焦炉推焦困难。（3）配合煤的粘结性指标煤具有粘结性是煤结焦的前提条件，评价煤粘结性指标较多，有粘结指数G、最大胶质层厚度Y、最大流动度MF以及总膨胀度bt，这些指标都从不同的角度表征了煤在热解过程中生成的塑性体的性质。我国过去一直采用最大胶质层厚度Y作为粘结性指标，其合适的范围是：Y＝17～22mm。1975年以后，煤化所提了粘结指数G指标，推荐采用该指标指导配煤，其合适范围是：G＝58～72。当以最大流动度MF为粘结性指标时，其合适范围为70～1000ddpm；以总膨胀度bt为指标时，bt≥50%。（4）配合煤的膨胀压力煤在炭化室内膨胀压力是由多种因素所决定，膨胀压力的大小目前没有可靠的理论计算的方法，配合煤料中煤组分之间存在相互作用，因此配合煤的膨胀压力不具有加和性，只能用试验的方法加以测定。可以采用试验焦炉测定膨胀压力大小。对于新建焦化厂，在进行炼焦煤种的选择时，可在实际生产焦炉上对配煤方案做单孔试验，以便得到更加可靠的试验数据。对配合煤膨胀压力的要求是：焦炉炭化室炉墙两侧的膨胀压力差值必须小于炉墙的最大承受负荷。炼焦生产中，煤料的膨胀压力呈现以下规律：第一是在常规炼焦配煤范围内，煤料煤化度增加，则膨胀压力增大；第二是对同一种煤料，增加堆密度，其膨胀压力相应增加。实际生产中，应根据这两条规律，掌握膨胀压力变化的趋势，适时调整配煤方案与配煤比例。二、备煤炼焦工艺条件备煤炼焦工艺条件是指煤料粉碎的细度、装炉煤的水分和堆密度、炼焦速度、炼焦温度和焖炉时间等，这些炼焦条件对焦炭的质量有较大的影响。1、堆密度提高装炉煤的堆密度，有利于提高焦炭的质量（尤其对弱粘结煤），同时还可以提高焦炉的生产能力。采用煤捣固、煤干燥、配型煤等炼焦方法，都在不同程度上实现了提高堆密度，增加焦炭强度的目的。在常规炼焦条件下，装炉煤的堆密度主要受煤料水分（如图2－6）、细度（与图2－6相反，即开口向下，存在最佳细度）以及加煤方法的影响。2、煤料细度炼焦配煤的细度是指煤料粉碎后小于3mm的煤料重量占总重量的百分比。常规炼焦条件下要求细度在80％左右。捣固炼焦细度要求更高，一般大于95％。细度不够，配合煤混合不均匀，焦炭内部结构不均一，导致强度降低。细度过高，不仅粉碎设备动力消耗增大，设备的处理能力降低，更重要的是细度过高时，装炉煤的堆密度下降，使焦炭质量受影响。因此炼焦生产中对煤料细度必须加以控制。研究表明，不但细度影响焦炭质量，既便是在同样的细度条件下，调节煤料中不同组分的粒级组成，对焦炭质量的改善同样具有意义。一般要求煤中活性组分粗粉碎，非活性成分宜细粉碎。但是含活性组分多，粘结性好的煤容易粉碎，粘结性差的煤却难粉碎，若煤料混合后集中粉碎则加剧了这一矛盾，为此在备煤生产工艺中提出了选择性粉碎的工艺以解决这一矛盾。关于细度对焦炭质量的影响，攀枝花钢铁有限公司煤化工厂在200kg焦炉上进行试验，其结果见表2-1。可以看出，在试验范围内，细度增加M40增加（大于40毫米的量增加），M10下降（小于10mm的量下降），CRI