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洁/净/煤/技/术煤炭炼焦焦炭定义•焦炭是由黏结性煤在隔绝空气的条件下加热至1000℃左右干馏所得到的多孔性固体块状物，此过程称为煤的高温干馏，所得到的最终产物为焦炭、煤气和煤焦油等，一般焦炭为主要目的产物。焦炭作用•焦炭主要用于高炉炼铁生产以及铸造、造气、电石生产和有色金属冶炼等生产领域。全世界每年用于高炉生产的焦炭约占焦炭总产量的85%以上。土焦厂焦炭性质•包括焦炭的外观与孔结构、焦炭的化学组成、焦炭的物理机械性质和焦炭的化学反应性质。•成熟的焦炭，肉眼可以观察到裂纹和气孔，这就是焦炭的表观性质。裂纹分为纵裂纹和横裂纹两种。焦炭的裂纹和气孔性质影响焦炭的块度、强度和化学反应性能。焦炭的工业分析•焦炭的工业分析包括水分、灰分、挥发分和固定碳的测定，其测定方法与煤的工业分析基本相同。水分Mt刚出炉的焦炭不含水分，湿法熄焦时，焦炭的水分可高达6%以上，而采用干法熄焦，焦炭不含水分，因吸附大气中的水汽使其含水约1%~1.5%。作为冶金焦使用，水分含量的波动会影响高炉的操作。灰分Ad•灰分使焦炭的强度降低。焦炭灰分每升高1%,高炉熔剂消耗量约增加4%，炉渣量约增加3%，每吨生铁消耗焦炭量增加1.7%~2.0%，生铁产量降低约2.2%~3.0%。因此，降低炼焦煤的灰分对提高焦炭的质量具有重要意义。挥发分Vdaf和固定碳FCd•焦炭的残余挥发分是焦炭成熟度的标志，成熟良好的焦炭挥发分为0.9%~1.0%左右。当焦炭的挥发分大于1.2%时，则表明炼焦不成熟。成熟度不足的焦炭耐磨性差，影响其强度，过熟的焦炭其块度将受到影响。焦炭质量指标•我国目前焦化企业的冶金焦质量为：•水分（Mad）大多数厂控制在6%以下；•灰分（Ad）在11%~15%之间；•挥发分（Vdaf）控制在0.9%~1.6%之间。焦炭的元素分析组成•包括C、H、O、N、S、P。•我国目前焦化企业硫分St一般控制在0.4%~0.6%，多数大企业控制在0.5%以下。焦炭的物理机械性质•焦炭在高炉炼铁过程中的作用要求焦炭具有适当的块度和较高的强度，焦炭块度大小与均匀性受焦炭强度的影响，因此，焦炭的强度是焦炭质量的重要指标。焦炭的筛分组成与平均粒度•我国现行冶金焦质量标准规定粒度25mm焦炭占总量的百分数为焦末含量，粒度40mm称为大块焦，25~40mm为中块焦，25mm为大中块焦。焦炭的强度•目前评价焦炭强度的方法是采用各种转鼓试验来测定焦炭的强度。•抗碎强度用M40表示•耐磨强度用M10表示焦炭热强度•为了能够评价焦炭在高温作用及受化学作用之后的焦炭强度，世界各国还发展了焦炭的高温机械强度和反应后强度的测定方法。我国冶金焦炭质量标准焦炭的化学反应性能•尽管不同用途的焦炭在使用过程所发挥的作用不完全相同，但是在使用过程中都存在焦炭与O2、CO2或水蒸气之间的化学反应，焦炭在与这些气体之间反应过程中所表现出的化学反应性能的大小，对焦炭的应用有重要的影响。对于冶金焦或铸造焦，反应性越低越好。焦炭化学反应性与测定方法•焦炭与CO2或水蒸气反应速度称为焦炭的化学反应性，可以用反应后气体中CO和CO2的百分浓度来表示，也可以用在一定反应条件下，反应一段时间后所消耗的焦炭量占参加反应的焦炭量的百分率来表示。••G0------参加反应的焦炭试样质量，kg•G1------反应后残存焦炭质量，kg•焦炭反应后强度•焦炭的高温转鼓试验受试验条件制约。具体方法是将经CO2反应后的焦炭先用氮气冷却，然后全部装入特定的转鼓内进行转鼓试验。焦炭的反应性与煤的变质程度和煤的岩相组成之间有着密切的关系。高炉用焦炭•高炉的作用是利用焦炭燃烧产生的还原性气体CO，将铁矿石还原冶炼得到生铁。•焦炭在高炉内发挥的作用可归纳为三个方面：①高温热源作用；②提供还原剂的作用；③疏松骨架作用。•在高炉炉料中，焦炭约占高炉有效容积的50%，因此焦炭在炉内的块度、强度以及焦块在高炉下部的停留时间，对高炉的透气性有直接的影响。随着高炉冶炼技术的不断进步，高炉向大型化放向发展并采用喷吹技术，使得高炉用焦炭量减少，导致焦炭所起的骨架作用显得重要。铸造焦•铸造焦用于冲天炉（也称化铁炉）作燃料。焦炭的主要作用就是提供热量，并对铁水进行渗透。因为冲天炉内不易脱硫，故铸造焦要求含硫量低。铸造焦在冲天炉内要经受下落的铁块的冲击，并承受重力和摩擦力的作用，因此对铸铁焦的强度要求更高，生产工艺以捣固炼焦为主。•炼焦原理与配煤炼焦炼焦炉焦炉炭化室内的结焦过程•焦炉的炭化室是带一定锥度的窄长空间，煤料在炭化室内受两侧炉墙传递的热量加热，结焦过程从炭化室的两侧炉墙向炭化室中心逐渐推移，该过程具有以下三个特点：•侧向供热，成层结焦；•结交过程中，各层炉料的供热性能随温度的变化而变化；•炭化室内物料产生膨胀压力。成层结焦与温度变化•因为焦炉炭化室的侧向供热，且炉料导热系数低，温度梯度较大。靠近炉层附近的煤先结成焦炭，而后焦炭层逐渐向炭化室中心推移，这就是所谓的“成层结焦。炭化室内膨胀压力•炭化室内的膨胀压力的产生是因为成层结焦，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，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，膜袋内的煤热解产生气体，产生膨胀压力。炼焦配煤与工艺条件•工业炼焦必须采用多种配煤合练焦，将多种炼焦没按适宜的比例配合，然后再装炉炼焦，故称为配煤炼焦。•炼焦配煤的意义：取长补短，符合焦炉的生产要求，生产出满足质量要求的优质焦炭，兵副产炼焦化学产品，实现煤炭资源的合理利用。配煤的一般原则–符合本区域内煤炭资源的组成，有利于扩大炼焦煤源，同时缩短平均运距，避免造成运力浪费。煤源的数量可靠、质量稳定。–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，在保证焦炭的质量的前提下，尽量多配用高挥发分煤，以充分利用煤炭资源并有利于增产化学产品。炼焦配煤的质量要求•配煤的质量要求主要包括配煤的灰分、硫分、煤化程度和黏结性指标等，其中煤化程度和黏结性指标被称为炼焦的配煤参数。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。根据焦炭灰分和硫分的要求，计算出配合煤的灰分和硫分，配合煤料的灰分应小于9%（干基）。配合煤的煤化度指标•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等指标。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，由于煤料的黏结性变差，成焦过程中熔融不好，焦炭的耐磨强度降低，•煤化度的合适范围为Vdaf=28%~32%。配合煤的黏结性指标•煤黏结性指标较多，有黏结指数G、最大胶质层厚度Y、最大流动MF以及总膨胀度bt。•我国过去一直采用最大胶质层厚度Y作为黏结性指标，其合适的范围是：Y=17~22mm。1975年以后，提出了粘结指数G指标，推荐采用该指标指导配煤，G=58~72。•配合煤料的Y值或G值可直接测定，也可按加和性进行计算。配合煤的膨胀压力•膨胀压力的大小没有理论计算的方法，配合煤的膨胀压力不具有加和性，只能用实验的方法加以测定。备煤炼焦工艺条件•煤料细度：炼焦配煤的细度是指煤料粉碎后小于3mm的煤料质量占总质量的百分比。常规炼焦条件下要求细度在80%左右。捣固炼焦细度一般大于85%。•装炉煤堆密度和水分：提高装炉煤的堆密度，有利于提高焦炭的质量，同时提高焦炉的生产能力。采用煤捣固、煤干燥预热、配型煤等炼焦方法，都可以在不同程度上提高转炉堆密度和焦炭强度。•炼焦速度：炼焦速度是指焦炉炭化室的平均宽度与其对应的结焦时间的比值。炼焦速度对焦炭质量具有一定的影响。•炼焦温度与焖炉时间：炼焦温度是指结焦末期炭化室焦饼中心温度。焖炉是指煤料到达炼焦温度后，延长焦炭在炭化室内的停留时间，使焦炭继续受高温作用。提高炼焦最终温度或延长焖炉时间，可以提高煤的干馏程度，使焦炭的结构更加致密，碳结构中氢含量减少，焦炭的耐磨强度和反应后强度均得到相应提高，但抗碎强度稍有下降。炼焦炉及生产过程•早期的炼焦炉石一种半开式的砖窑，通过燃烧干馏煤气和部分煤将煤直接加热而干馏成焦炭，用这种方式炼焦，焦炭产率低、灰分高、成熟度不均匀。1906年开始，现代焦炉的设计用单独横蓄热室对燃烧的空气或低热值煤气进行预热。焦炉发展方向•增大炭化室的尺寸，实现焦炉的大型化，有以下优点：–单位产量的基建投资省。–劳动生产率提高，炭化室6m的焦炉比炭化室高4.3m的焦炉生产率提高30%。–装炉堆密度增加，有利于改善焦炭质量，扩大炼焦煤源。–减少焦炉的出炉次数，大大减少了炼焦生产对大气的污染。–减少焦炉的维修和维护费用。–提高焦炉的热工效率。炼焦炉生产操作•炼焦炉的生产操作包括焦炉的出炉操作和焦炉的加热管理，前者包括焦炉的装煤、出焦和熄焦操作，后者则是对焦炉正常加热进行调温、调压等管理操作。（一）焦炉的出炉操作•出炉操作是保证焦炉稳产、高产、优质、长寿的关键环节，同时出炉操作过程中还应加强对烟尘排放的控制。•装煤操作：装煤操作是通过加热车从焦炉的煤塔受煤，然后将煤加入炭化室。•推煤：推煤是把成熟焦炭推出炭化室的操作。熄焦•湿法熄焦：早期建设的焦化厂绝大多数采用该方法。湿法熄焦操作是用熄焦水泵将大量的冷却水通过熄焦塔直接喷洒在焦炭上，使焦炭的温度降至室温，一般全焦水分不大于6%。•干法熄焦：高温焦炭携带的热量占炼焦耗热量的40%左右，在湿法熄焦过程中，这部分热量不仅损失，而且消耗大量的熄焦水，熄焦过程还对大气产生污染。•干法熄焦原理是利用惰性气体（主要是N2）将灼热的焦炭冷却，被加热后的惰性气体经废热锅炉生产蒸汽回收热量，惰性气体降温后再循环使用。•干法熄焦除具有回收热量、改善熄焦的操作环境外，还可提高焦炭强度、降低反应性以及提高块度的均匀化。但是干法熄焦的设备及基建投资大，故影响了其发展。发展干熄焦是今后新建大型焦炉及现有大型焦化厂技改的重要方向。焦炉的加热管理•具体任务是要求按规定的焦炉结焦时间、炭化室装煤量、装煤水分、加热煤气的性质和温度以及焦炉炉体和加热设备的状况等实际情况，测量并调节焦炉加热系统各控制点的温度、压力等，实现全炉所有炭化室在规定的结交时间内均匀成焦，焦炉均衡生产并达到稳产、优产、低耗、长寿的目的。焦炉的热工评定•评价焦炉热工操作的好坏，除考核分析焦炉温度和压力制度的合理性、加热温度均匀性和稳定性指标外，焦炉对加热量利用效率是另一项重要的考核指标。焦炉热效率•η热=（Q总－Q废）／Q总×100%•Q废：随废气带走的热量，含不完全燃烧热损失•对于现代大型焦炉，η热=79%~85%。非常规炼焦技术•一、配型煤炼焦•配型煤炼焦是在炼焦炉煤料中配入一定比例的型煤，进行炼焦的技术。1980年我国宝钢从日本新日铁公司引进了配型煤炼焦技术和设备，并在国内首次大规模应用于工业生产。配型煤炼焦提高焦炭质量的基本原理•（1）配入成型煤块后，提高了装炉煤料的密度，减少了焦炭的裂纹，提高焦炭的强度。•（2）型煤块中配有一定量黏结剂，从而改善了煤料的黏结性能，对提高焦炭质量有利。配型煤炼焦的效果和影响因素•当型煤配比为20%时，堆密度提高5.9%；配比达30%时，堆密度提高8.1%。•配型煤炼焦，结焦时间也要相应延长，型煤配比为20%时，结焦时间要延长4.3%；配比增加到30%，结交时间延长7.1%。•随配比增加，焦炭强度提高。大约配比每增加10%，强度升高0.4%~0.55%，当配比达40%~50%时，强度达到最大值。•膨胀压力随型煤配比的增加而提高。二、捣固炼焦•捣固炼焦至今已有100多年的历史，它是各种非常规炼焦技术中发展较为完善的一种炼焦方法。该方法是将配合煤料在捣固箱内捣成体积率小于炭化室的整体煤饼后，由托板从焦炉的机侧推入炭化室内炼焦。其有利于多配入高挥发分弱粘结煤，并改善和提高焦炭的质量。捣固炼焦的特点•①扩大炼焦煤源•②提高焦炭质量•③提高焦炭产量•捣固炼焦的装炉煤堆密