焦炭的性能、用途和配煤

1§第二章焦炭的性能、用途和配煤教学目的：1.掌握焦炭的化学组成、物理机械性能、用途;2.了解配煤的相关知识。2§焦炭的性能、用途和配煤一、焦炭的性能二、焦炭的用途三、配煤炼焦3㈠焦炭的宏观构造与孔孢结构㈡焦炭的物理机械性能㈢焦炭的化学组成㈣焦炭的高温反应性㈤块焦反应率及反应后强度主要内容：一、焦炭的性能4一、焦炭的性能㈠焦炭的宏观构造与孔孢结构焦炭是质地坚硬，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。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。5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。用裂纹度指标进行评价：裂纹度即焦炭单位面积上的裂纹长度。气孔率是指气孔体积与总体积比的百分率，一般焦炭气孔率为35%～55%。1100%视密度气孔率真密度一、焦炭的性能6一、焦炭的性能㈡焦炭的物理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，用统计的方法表示其粒度。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。7一、焦炭的性能（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：isiadd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。iaidsd8一、焦炭的性能（2）粒度均匀性粒度均匀性可由下式计算：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。40~808025~40100%akaa40~25a80~40a80a9一、焦炭的性能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。耐磨强度：当焦炭表面承受的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。1010mm100%M出鼓焦炭中小于的质量入鼓焦炭质量10一、焦炭的性能抗碎强度：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。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。如下表所示。2525mm100%M出鼓焦炭中大于的质量入鼓焦炭质量11一、焦炭的性能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或≻40∕M40焦炭转鼓实验方法12一、焦炭的性能3.真密度、假密度、堆积密度真密度：单位容积焦炭的质量。（一般焦炭真密度为1.8～1.95g/cm3）；假密度（视密度）：单位容积焦块的质量。（一般焦炭视密度为0.8～1.08g/cm3）；堆积密度：单位容积焦炭堆积体的质量一般焦炭。（一般焦炭堆密度为400～500kg/m3）。13一、焦炭的性能㈢、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。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。14一、焦炭的性能（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。灰分的危害：①灰分高，就要适当提高高炉炉渣碱度，不利于高炉生产。②焦炭在高炉内被加热时，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。③灰分中的碱金属还会加速焦炭同CO2的反应，使焦炭的破坏加剧。15一、焦炭的性能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%。16一、焦炭的性能（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%则生焦，其不耐磨，强度差；若挥发分小于0.7%，则焦炭过火，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1-2-1、图1-2-2。17一、焦炭的性能图1-2-1焦炭挥发分与原料煤挥发分的关系图1-2-2焦炭挥发分与炼焦温度的关系18一、焦炭的性能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。19一、焦炭的性能（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。一般碳：92%～96%，氢：1%～1.5%。（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。（3）氧焦炭中氧含量很少，为0.4%～0.7%。20一、焦炭的性能（4）硫是有害元素，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。其成分为0.7%～1.0%。21一、焦炭的性能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%。22（四）、焦炭的高温反应性1．反应机理焦炭的高温反应性是焦炭与二氧化碳、氧和水蒸气等进行化学反应的性质，简称焦炭反应性，反应如下：C+O2→CO2+394kJ/mol（1）C+H2O→H2+CO-131110kJ/mol（2）C+CO2→2CO-173kJ/mol（3）一、焦炭的性能23焦炭在高炉炼铁、铸造化铁和固定床气化过程中，都要发生以上三种反应。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。评价指标：块焦反应率（CRI）。一、焦炭的性能24焦炭的反应性随焦体气孔率与比表面积的增大而增大，随焦质内碳结构排列的规则化而降低；焦炭与水蒸气的反应速度比与二氧化碳反应速度大2~3倍。因水分子比二氧化碳分子小扩散速度快，水汽能深入焦炭内部扩孔。焦炭与CO2的反应速度与焦炭的化学性质及气孔比表面有关，结论：一、焦炭的性能25（五)、块焦反应率及反应后强度目前一些国家焦炭的反应速度采用块焦反应率表示。反应前后焦炭试样重量差与焦炭试样重量之比的百分率称为块焦反应率（CRI）。式中G0——参加反应的焦炭试样质量，kg；G1——反应后残存焦炭质量，kg。010100%GGCRIG一、焦炭的性能26经过CO2反应的焦炭，充氮冷却后，进行转鼓试验后，粒度大于某规定值的焦炭重量（g2）占装入转鼓的反应后焦炭重量（g1）的百分率，称为反应后强度（CSR）。块焦反应率和反应后强度试验有多种形式，我国鞍山热能研究所所推荐的小型装置如图1-2-3所示。21100%gCSRg一、焦炭的性能27在1500℃温度下用纯CO2与直径20mm焦块反应，反应时间为12min，试样重200g，反应后失重百分数作为块焦反应率指标。图1-2-3堆焦反应性和反应后强度实验装置示意图a—反应器；b—转鼓一、焦炭的性能28附表冶金焦炭的技术指标(GB/T1996—80)29二、焦炭的用途（一）、高炉冶炼过程（二）料柱构造及对焦炭的要求30二、焦炭的用途焦炭主要用于高炉冶炼，其次还用于铸造、气化、和生产电石等，它们对焦炭有不同的要求。但高炉炼铁用焦炭（冶金焦）的质量要求最高，用量最大。31二、焦炭的用途（一）、高炉冶炼过程如图1-2-4所示1.高炉本体组成：系中空竖炉，从上到下分炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸五段。钢筋混凝土的炉基，钢板炉外壳，耐火砖炉衬，冷却设备以及框架和支柱等。炼铁的工艺过程包括：上料、鼓风、出铁、排渣、煤气等系统。32图1-2-4高炉炉型及各部位温度与煤气组成a—炉型；b—高炉内温度沿高炉的变化；c—煤气中CO沿高度的变化；Ⅰ—800℃以下区域；Ⅱ—800～1100℃区域；Ⅲ—1100℃以上区域；Hu—有效高度；—炉腹角；—炉身角二、焦炭的用途33整个高炉炉体，从料钟落位高度到铁口中心线的距离称为有效高度Hu，其间的容积称为高炉的有效容积（V）。我国定型设计的中小型高炉有55m3，255m3和620m3等，大型高炉有1053m3、1513m3、2500m3及近期从国外引进的4000m3的大高炉。衡量高炉操作水平的主要经济技术指标如下：二、焦炭的用途34焦比：c=，t焦/（t铁）冶炼强度：,t焦/(m3·24h))]h24/(t[]24h)（t/[24PG小时耗焦量高炉3[t/(24h)](m)GlV高炉有效容积利用系数：η=,t铁/（m3·24h）)m()]t/(24h[3VP高炉的有效容积高炉产铁量二、焦炭的用途352.炼铁过程：高炉炉料中的铁矿石、焦炭和助熔剂（石灰石或白云石）从炉顶依次分批装入炉内，送风系统将800℃以上的高温空气（或富氧空气）由位于炉缸上部的风口鼓入炉内，使焦炭在风口前的回旋区内激烈燃烧而放热,并使高炉下部形成自由空间，上部的炉料借重力稳定地下降，从而构成连续的高炉冶炼过程。3.高炉的基本功能：是将铁矿石预热、还原、造渣、脱硫、熔化，得到合格的铁水。二、焦炭的用途361.料柱构造高炉内自上而下的温度总趋势是逐渐升高。但高炉内的等温线呈“ｗ”形或倒“ｖ”形（图1-2-5）。料柱上部称块状带，料柱中部称软融带，料柱下部称滴落带。图1-2-5高炉内不同温度区域示意图（二）料柱构造及对焦炭的要求二、焦炭的用途37料柱上部低于1100℃的区域，炉料保持入炉前的固体块状，该区域称块状带。料柱中部温度在1100～1350℃的部位，焦炭和矿石仍保持层层相间，但矿石从外表到内部逐渐软化熔融，靠焦炭层支撑才不至于聚堆，该区域称软融带。在软融带内几乎不透气，上升煤气几乎全部从焦炭缝隙流过。料柱下部温度高于1350℃的部位，此处仅焦炭呈固块状，熔化的铁水和炉渣则沿焦炭层缝隙向下流动并滴落，高温煤气则沿粘附有铁水和熔渣的焦炭层缝隙向上流动。该区域称滴落带。二、焦炭的用途382.焦炭的作用①焦炭燃烧产生的热能是高炉冶炼过程的主要热源；②燃烧反应生成的CO作为高炉冶炼过程的主要还原剂。③焦炭位于风口区以上地区，始终处于固体状态，对上部炉料起支承作用，并成为煤气上升和铁水、熔渣下降必不可少的料柱疏松骨架。二、焦炭的用途39改进：近年来，为降低焦炭消耗，增加高炉产量，改善生铁质量，采用了在风口喷吹煤粉、重油、富氧鼓风等强化技术。焦炭的热能源、还原剂作用可在一定程度上被部分取代。但作为高炉料柱的疏松骨架不能被取代，而且随高炉大型化和强化冶炼，该作用更显重要。高炉冶金焦要求：低灰、低硫、高强度、粒度适当且均匀、气孔均匀、致密、反应性适度、反应后强度高。二、焦炭的用途40三、配煤炼焦（一）、单种煤的结焦特性（二)、配煤的意义和原则(三)、配煤理论(四)、配合煤的质量指标（五)、配煤