1、运城学院运城学院应用化学系应用化学系3.1 3.1 概述概述煤在隔绝空气的条件下，加热到9500C10500C经过干燥、热解、熔融、粘结、固化、收缩等阶段，最终制得焦炭，这一过程称高温炼焦或高温干馏，简称炼焦炼焦。3.1.13.1.1炼焦产品炼焦产品 炼焦的主要产品是焦炭(约占78%,质量分数，以下同)，另外还有焦炉煤气(占15%18%)和煤焦油(2.5%4.5%)，这两种副产品中含有大量的化工原料，可广泛用于医药、染料、化肥、合成纤维、橡胶等生产部门。回收这些化工原料，不仅能实现煤的综合利用，而且也可减轻环境污染。3.1.1.13.1.1.1焦炭焦炭 焦炭90%以上用于冶金工业的高炉炼铁，其
2、余的用于机械工业、铸造、电石生产原料、气化及有色金属冶炼等。因此，炼焦是伴随着钢铁工业发展起来的。3.1.1.23.1.1.2焦炉煤气焦炉煤气 煤在焦炉中加热，由于煤分子的热解，析出大量的气态物质，即为焦炉煤气。焦炉煤气的热值高，是冶金工业重要的燃料。经过净化后，可作为工业燃料和民用煤气。从焦炉煤气中提取的物质主要有:氨（产率为0.25%0.4%），可生产硫铵和无水氨等；粗苯(产率为0.8%1.1%)和酚类产品，粗苯经过精制可得苯、甲苯、二甲苯，还有古马隆一茚树脂等；硫化物(产率为0.2%1.5%)，可生产硫黄、吡啶等。3.1.1.33.1.1.3煤焦油煤焦油 荒煤气经过冷却析出的煤焦油，分两
3、步进行处理。首先用蒸馏的方法，将沸点相近的组分集中在各种混合馏分中，然后再对各混合馏分进一步精制得纯产品，焦油蒸馏所得的馏分如下。（1）轻油馏分 可提取苯、甲苯、二甲苯、重苯等。（2）酚油馏分 可提取酚、甲酚、二甲酚等。（3）萘油馏分 生产萘、精萘、工业喹琳等。（4）洗油馏分 主要用作苯类吸收剂。我国自己开办的第一座焦化厂是1914年开始修建的石家庄焦化厂。至今我国焦化工业已伴随钢铁工业发展成煤化工领域中较大的部门，达到了较高水平。现在中国是世界第一大焦炭生产国和出口国，从从19931993年年起，中国焦炭产量居世界第一位；起，中国焦炭产量居世界第一位；20102010年焦炭产量年焦炭产量3.
4、873.87亿吨，占世界焦炭产量的亿吨，占世界焦炭产量的61%61%；我国焦炭出口量；我国焦炭出口量一直占据世界焦炭市场的半壁江山。一直占据世界焦炭市场的半壁江山。近年来，炼焦工艺正向着大型化、智能化方向发展，“大容积焦炉”、“捣固炼焦”、“干熄焦”、“型煤炼焦”、“煤调湿”、“配煤专家系统”等新技术得到了快速的发展与应用。3.2 3.2 焦炭及其性质焦炭及其性质由烟煤、沥青或其他液体碳氢化合物为原料，在隔绝空气条件下干馏得到的固体产物都可称为焦炭，且随干馏温度的高低又有高温（9501050)焦炭和低温(500700)焦炭之别，后者也称半焦半焦。根据原料煤的性质、干馏的条件等不同，可形成不同规
5、格和质量的高温焦炭，其中用于高炉炼铁的称高炉焦，用于冲天炉熔铁的称铸造焦，用于铁合金生产的称铁合金用焦，还有非铁金属冶炼用焦(以上统称冶金焦)，以及气化用焦、电石用焦等。3.2.13.2.1焦炭的物理性质焦炭的物理性质焦炭是一种质地坚硬，以碳为主要成分、含有裂纹和缺陷焦炭是一种质地坚硬，以碳为主要成分、含有裂纹和缺陷的不规则多孔体，呈银灰色。用肉眼观察焦炭可看到纵横的不规则多孔体，呈银灰色。用肉眼观察焦炭可看到纵横裂纹，沿纵横裂纹分开即为焦块裂纹，沿纵横裂纹分开即为焦块；焦块含有微裂纹，沿微裂纹分开，即为焦体。焦体由气孔和气孔壁组成，气孔壁即为焦质，其主要成分是碳和矿物质。焦炭的裂纹多少直接影
6、响其粒度和抗碎强度；焦块微裂纹的多少和焦体的孔泡结构则与焦炭的耐磨强度和高温反应性能密切相关。孔结构可用气孔率表示。3.2.1.13.2.1.1真密度、视密度和气孔率真密度、视密度和气孔率焦炭的真密度是单位体积焦质的质量，通常为1.81.95 t/m3，其值大小与原料煤的性质和炼焦工艺有关。焦炭的视密度是单位体积焦块的质量，通常为0.81.08 t/m3，它与焦炭的气孔率和真密度有关。焦炭的气孔率是指气孔体积占总体积的分数，它们的关系为：气孔率=（1视密度/真密度）100%3.2.1.23.2.1.2粒度粒度因焦炭的外形不规则，尺寸不均一，只能用统计的方法来表示其粒度，即用筛分实验获得的筛分组
7、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，将一定量的焦炭试样筛分，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分数，简称焦炭的筛分组成。根据筛分组成和筛孔的平均直径，来计算焦炭的平均粒度dD。dD=i di式中 i 各粒度级的质量分数，%；di各粒度级的平均粒度，由该级焦炭上下两层筛孔的平均尺寸计算，mm；3.2.1.33.2.1.3机械强度机械强度耐磨强度和抗碎强度耐磨强度和抗碎强度焦炭强度用耐磨强度和抗碎强度两个指标来表示，中国采用米贡转鼓法测定：取60mm的焦炭样品50kg，转鼓直径1m，长度1m，每分钟25转，转动4min。当焦炭外表面承受
8、的摩擦力超过气孔壁强度时，就会产生表面薄层分离现象，形成碎末，焦炭抵抗这种破坏的能力称耐磨性或耐磨强度，用M10表示。当焦炭承受冲击力时，焦炭裂纹或缺陷处碎成小块，焦炭抵抗这种破坏的能力称抗碎性或抗碎强度，用M40（或M40）表示。3.2.23.2.2、焦炭的化学组成、焦炭的化学组成 （1 1）水分）水分 焦炭水分一般为26%。焦炭水分要稳定，否则将引起高炉的炉温波动，并给焦炭转鼓指标带来误差。（2 2）灰分）灰分 灰分是焦炭中的有害杂质，主要成分是高熔点的SiO2和Al2O3。因此焦炭的灰分越低越好，焦炭灰分每增1%，高炉焦比约提高2%，渣量约增加2.5%，高炉产量约下降2.2%。（3 3）
9、挥发分）挥发分 挥发分是焦炭成熟度的标志，它与原料煤的煤化度和炼焦最终温度有关，一般成熟焦炭的挥发分为1%左右；当挥发分1.9%时，则为生焦。（4 4）硫分）硫分 在冶炼过程中，焦炭中的硫转入生铁中，会大大降低生铁的质量。一般硫分每增加0.1%，高炉熔剂和焦炭的用量将分别增加2%，高炉的生产能力则降低22.5%。（5 5）磷分）磷分 焦炭中的磷主要以无机盐形式存在，煤中所含的磷几乎全部残留在焦炭中。高炉炉料中的磷全部转入生铁中，因此焦炭的磷分一般10mm粒度的焦炭质量（m2）占装入转鼓的反应后焦炭质量（m1）的百分数，表示焦炭的反应后强度CSR：式中 m2转鼓后大于10mm粒级焦炭质量，g；m
10、1反应后残存焦炭质量，g。3.2.43.2.4焦炭的用途及其质量指标焦炭的用途及其质量指标焦炭广泛用于高炉炼铁、冲天炉熔铁、铁合金冶炼和有色金属冶炼等生产，作为还原剂、能源和供碳剂，也用于电石生产、气化和合成化学等领域作为原料。对于不同用途的焦炭，均有其特定的要求。其中，冶金焦的用量最大，占90%，对焦炭的质量要求也最高。3.2.4.1冶金焦冶金焦(1)冶金焦的作用冶金焦的作用高炉炼铁用焦炭主要是供热燃料和还原剂。焦炭燃烧产生的热能是高炉炼铁过程中的主要供热热能，反应生成的CO作为高炉冶炼过程的主要还原剂。高炉内，焦炭燃烧生成CO2并放出大量的热，温度可达150018000C，使铁、渣完全熔化
11、而分离：C+O2=CO2 H=-399.4MJ煤气中的CO2与焦炭作用，生成CO，并吸收热量：C+CO2=2CO H=+165.6MJ高炉内的还原反应有两类，一是直接还原反应：C+FeO=Fe+CO H=+152.0MJ二是间接还原反应：CO+FeO=Fe+CO2 H=-13.6MJ(2)(2)冶金焦的质量要求冶金焦的质量要求对冶金焦的要求主要有以下几方面（我国冶金焦的技术指标见表3-1）强度。强度。焦炭在高炉中下降时，受到摩擦和冲击作用，而且高炉越大，此作用也越大。所以，越大的高炉，要求焦炭的强度也越高。粒度粒度焦炭和矿石是粒度不均一的散状物料，散料层的相对阻力随着散料的平均当量直径和粒度均
12、匀性的增加而减少。所以，炉料粒度不能太小，矿石应筛除小于5mm的矿粉，焦炭应筛除小于10mm的焦粉。焦炭粒度不应比矿石粒度大得太多。一般认为，入炉焦炭的平均粒度以50mm左右为合适。反应性反应性高炉内焦炭降解的主要原因是碳溶反应：C+CO2=2CO 因此，在高炉冶炼中，希望焦炭的反应性要小，反应后强度要高。灰分和硫分灰分和硫分焦炭的灰分和硫分高会给高炉炼铁带来种种不利影响，其结果是：焦炭灰分每升高1%，则高炉熔剂消耗量将增加4%，炉渣量将增加约1.8%，生铁产量约降低2.6%；焦炭硫分每增加0.1%，焦炭消耗量增加约1.6%，生铁产量减少2%，所以要尽可能地降低焦炭中的灰分和硫分。指 标等 级
13、粒度 40 2525 40灰 分 Ad/%一级二级三级12.013.515.0硫 分 St,d/%一级二级三级0.600.801.00机 械 强 度抗碎强度M25/%一级二级三级92.088.083.0按 供 需 双 方 协 议M40/%一级二级三级80.076.072.0耐磨强度M10/%一级二级三级M25时：7.0；M40时：7.58.510.5反应性 CRI/%一级二级三级3035反应后强度 CSR/%一级二级三级5550挥发分 Vdaf/%1.8水分含量 Mt/%4.01.05.02.012.0焦末含量 /%4.05.012.0表表3-1 3-1 冶金焦的技术指标冶金焦的技术指标（GB
14、/T1996-2003）3.2.4.23.2.4.2铸造焦铸造焦 铸造焦是冲天炉熔铁的主要燃料，用于熔化炉料，并是铁水过热，还起支撑料柱保证良好透气性和供碳等作用。要求铸造焦有如下性能：(1)粒度适宜粒度适宜 为使冲天沪熔融金属的过热温度足够高，流动性好，应使焦炭粒度不致过小，否则，会使碳的燃烧反应区降低，进而使过热区温度过低。铸造焦粒度过大，使燃烧区不集中，也会降低炉气温度，一般，铸造焦粒度为50100mm。(2)硫分较低硫分较低 硫是铁中有害元素，通常控制在0.1%以下。(3)强度较高强度较高 铸造焦除了在入炉前运输过程中受到破碎损耗外，主要在冲天炉内承受金属炉料的冲击破坏，因此，要求有足
15、够高的机械强度，以保证炉内焦炭的块度和均匀性。(4)灰分和挥发分灰分和挥发分 铸造焦的灰分尽可能低。一般，铸造焦灰分减少1%，焦炭消耗约降低4%，铁水温度约提高10。铸造焦的挥发分含量应低，因为挥发分含量高的焦炭，固定碳含量低，熔化金属的焦比高，一般焦炭强度也低。(5)气孔率和反应性气孔率和反应性 铸造焦要求气孔率小、反应性低，这样可以制约冲天炉的氧化、还原反应，使底焦高度不会很快降低，减少CO的生成，提高焦炭的燃烧效率、炉气温度和铁水温度，并有利于降低焦比。目前我国铸造焦的质量标准见表3-2。指 标级 别特 级一 级二 级块 度/mm 8080 60 60水 分 Mt/%5.0灰 分 Ad/
16、%8.08.0 10.010.0 12.0挥 发 分 Vdaf/%1.5硫 分 St,d/%0.60.80.8转 鼓 强 度 M40/%85.081.077.0落 下 强 度 SI450/%92.088.084.0显 气 孔 率 Ps/%404545碎 焦 率(80%)，灰分要低(9%)；水分应控制在6%以下，以免生石灰消化；硫分1.5%，磷分80%)，灰分要低(9%)；水分应控制在6%以下，以免生石灰消化；硫分1.5%，磷分0.04%。焦炭中的硫和磷在电炉中与生石灰作用，会生成硫化钙和磷化钙混入电石中。电石焦的质量要求不太严格，所以炼焦用煤的要求也就不太严格，只要按照上述焦炭要求进行简单计算
17、就可求出对煤的要求。现在有的电石厂所用焦炭往往用半焦代替，这样生产成本将会大大降低3.3 3.3 室式结焦过程与配煤室式结焦过程与配煤3.3.1 焦炭的生成过程焦炭的生成过程 烟煤是组成复杂的高分子有机物混合物。它的基本结构单元是不同缩合程度的芳香核，其核周边带有侧链，结构单元之间以交联键连接。高温炼焦过程可分为以下四个阶段。(1)烟煤的干燥预热阶段烟煤的干燥预热阶段 从常温加热到200，烟煤在炭化室主要是干燥预热，并放出吸附于煤表面和气孔中的二氧化碳和甲烷气体，煤没有发生外形上的变化。在此阶段温度上升时间相当于整个结焦时间的一半左右。这是因为供给煤料的热量是由炭化室两侧炉墙向炭化室中心传导，
18、水的汽化潜热大而煤的热导率小，水汽不易向炭化室的外层流出，致使大部分水汽窜入内层湿煤中，使内层温度更低而冷凝下来，导致内层湿煤水分增加，炭化室中心温度较长时间停留在了110以下。煤料水分越多，干燥时间越长，炼焦消耗热量越多。加热到200350时，煤开始分解，产生气体和液体。主要分解出化合水、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、硫化氢等气体。此时焦油蒸出量很少，生成的胶质体的量是微量的。(2)(2)生成胶质体阶段生成胶质体阶段 煤加热到350450范围内，煤中的大分子结构发生分解，生成大量的相对分子质量较小的有机化合物。相对分子质量最小的有机物以气体形式析出或存在于黏结性煤转化成的胶质体中，相对分子质量最
19、大的则以固体形式存在于胶质体中。因而形成了气、液、固三相共存的胶质体状态.(3)(3)半焦收缩阶段半焦收缩阶段 温度上升到450650,继续进行热解，整个系统则发生了剧烈缩合反应，胶质体中的液体不断分解，气体不断析出，胶质体黏度不断增加，在液体表面开始固化，形成硬壳(半焦)。中间仍为胶质体，但这种状态维持时间较短，在半焦壳上会出现裂纹，胶质体从裂纹中流出，这些胶质体又发生固化和形成新的半焦层，一直到煤粒全部熔融软化，形成胶质体并转化为半焦为止。如图3-1所示热解过程中，胶质体的液相分解、缩聚和固化而生成半焦。图3-1胶质体的生成及转化示意1-煤；2-胶质体；3-半焦I-软化开始阶段；-开始形成
20、半焦阶段；III-煤粒吸热软化和半焦破裂阶段(4)(4)生成焦炭阶段生成焦炭阶段 650950时，半焦内的有机物质继续进行热分解和热缩聚。此时主要析出气体，半焦继续收缩。实验证明，煤料中的挥发分一半以上是胶质体固化后到焦炭形成时分解出来的。焦炭收缩，体积减小，焦炭变紧。由于焦炭内部各层所处的成焦阶段不同，收缩速度也不同，导致焦炭破裂形成裂纹。当温度达到1000时，形成具有一定机械强度和一定块度的银灰色的焦炭。3.3.23.3.2炭化室内的成焦特征炭化室内的成焦特征焦炉炭化室在加煤前炉墙的温度为1100左右，当把湿煤加入炭化室中，炉墙温度迅速下降，随着时间的延长，温度又升高，在推焦前炉墙温度恢复
21、到装煤前的温度，如图3-2曲线1所示。煤料水分含量越高，炉墙温度降低值越大。图3-2 炭化室内各层煤料的温度变化1炭化室炉墙表面温度；2靠近炉墙的煤料温度；3距炉墙5060mm处的煤料温度；4距炉墙130140mm处的煤料温度；5炭化室中心部位的煤料温度炭化室内的煤料由两侧的炉墙供热，靠近炉墙处煤料温度先升高，离炉墙远的煤料温度后升高。由于煤料中水分蒸发，离炉墙较远部位的煤料，停留在小于100的时间较长，一直到水分蒸发完了才升高温度。炭化室中心的煤料温度变化，可由图3-2的曲线5看出，在加煤后8h方由100升高。距离炉墙130140mm处的煤料，由曲线4可以看出，停留在100以下的时间也有4h
22、。炭化室内不同部位的煤料在同一时间内的温度分布曲线，可以由图3-2做出，如图3-3所示。由图3-3左边可以清楚地看出，同一时间，不同部位煤料的温度分布。当装煤后加热约7h，水分蒸发完了时，中心面温度上升；当加热时间达到15h，炭化室内部温度都接近1000，焦炭成熟。炭化室中煤料的温度与其结焦过程的状态、位置和加热时间密切相关，在同一时间，距炉墙不同距离的各层煤料的温度不同，炉料的状态也就不同，图3-3右边所示，各层处于结焦过程的不同阶段，总是在炉墙附近先结成焦炭，而后逐层向炭化室中心推移，这就是所谓的成层结焦。炭化室中心炉料温度始终最低，因此，结焦末期炭化室中心温度（焦饼中心温度）可以作为焦饼
23、成熟程度的标志，称为炼焦最终温度。因此，生产上常测定焦饼中心温度以考察焦炭的成熟程度，并要求测温管位于炭化室中心线上。从图3-2可以看出，当炉料温度达到350500时，靠近炉墙的煤料（曲线2）升温速度很快（约5/min），即使装炉煤的黏结性较差，靠近炉墙的焦炭也表现为熔融良好，结构致密，耐磨强度高；距炉墙越远，升温速度越慢，则焦炭结构就越疏松，耐磨强度也更低，炭化室中心部位的升温速度最慢（约2/min），故焦炭质量相对较差。在半焦收缩阶段（500以后），炉墙附近半焦升温速度快，产生焦炭裂纹多且深，并产生“焦花”（与炉墙表面接触的煤层形成胶质体固化后，形体扭曲，外型如菜花，故称“焦花”）；距炉墙
24、较远的内层，由于升温速度较慢，产生焦炭裂纹较少，也较浅。图3-3不同结焦时间炭化室各层煤料的温度与状态在炭化室中心部位，当两个胶质层在中心汇合后，由于热分解的气态产物不能通过被胶质体浸润的半焦层顺利析出而产生膨胀，将焦饼压向炉墙两侧，形成与炭化室中心面重合的上下直通的焦饼中心裂纹，称为焦缝；此后，由于外层已经形成焦炭，不需要热能，且焦炭导热性较好，能迅速将热量传向炭化室中心，加以热气流直接经焦饼中心裂缝通过，使这里的升温速度加快，故处于炭化室中心部位的焦炭裂纹也较多。3.3.33.3.3化学产品的产生化学产品的产生在胶质体生成、固化和半焦分解、缩聚的过程中，都有大量气态产物析出。由于炭化室内层
25、层结焦，大部分气体不能穿过胶质体层，干煤层热解生成的气态产物和塑性层内所产生的气态产物中的一部分只能向上从塑性层内侧流往炉顶空间，这部分气态产物称为“里行气”，见图3-4。里行气约占气态产物的2025%。塑性层内和半焦层内所产生的大部分气态产物则穿过高温焦炭层缝隙，沿焦饼与炭化室墙之间的缝隙向上流入炉顶空间，这部分气态产物称为“外行气”，外行气约占气态产物的7580%。图3-4化学产品析出示意图里行气和外行气最后全部在炉顶空间汇集而导出。煤热解的产物称为一次热解产物，在流经焦炭、炉墙和炉顶空间时，部分气态产物再进行分解，这个再分解的过程称为二次分解。煤热解过程中的化学反应是非常复杂的，包括煤中
26、有机质的裂解，裂解产物中轻质部分的挥发，裂解残留物的缩聚，挥发产物在析出过程中的分解和化合，缩聚产物的进一步分解，再缩聚等过程。总的来讲包括裂解和缩聚两大类反应。从煤的分子结构看，可认为，热解过程是基本结构单元周围的侧链和官能团等，对热不稳定成分不断裂解，形成低分子化合物并挥发出去。而基本结构单元的缩合芳香核部分对热稳定成分互相缩聚形成固体产品（半焦或焦炭）。3.3.43.3.4炼焦用煤及其结焦特性炼焦用煤及其结焦特性煤的结焦特性是指煤的黏结性和结焦性。黏结性好的煤有可能形成裂纹多的焦炭，则其结焦性不一定好；而结焦性好的煤必须有较好的黏结性。各种煤的结焦特性简述如下：（1 1）气煤）气煤 气煤
27、的变质程度低，大分子中的侧链多而长，含氧量较高。热分解产物的分子量较小，在350440下产生的胶质体热稳定性较差。形成半焦后，由于热缩聚剧烈，收缩大，且收缩开始温度较低，刚形成很薄半焦层时就达到最大收缩速度，因而黏结性较弱，难以抵抗收缩应力。因此，气煤炼焦时生成的煤气数量较多，但焦炭裂纹多、块度小、强度低。（2 2）肥煤）肥煤 肥煤的大分子中有较多的侧链，长度适中，含氧量少，热解产物的分子量较大，在320460期间呈液态。因此，肥煤的胶质体数量多，流动性与热稳定性好，黏结性最强。但肥煤单独炼焦时焦炭的横裂纹较多，气孔率较高，在靠近焦饼中心有蜂窝焦，结焦性不如焦煤。（3 3）焦煤）焦煤 焦煤是结
28、焦性最好的一种炼焦煤，其变质程度稍高于肥煤，大分子的侧链稍小，含氧量更低，热解产物比肥煤少些，胶质体数量较多，热稳定性好，固化温度高。焦煤的黏结性仅次于肥煤。（4 4）瘦煤）瘦煤 瘦煤变质程度较高，大分子的侧链小，热分解后的液态产物少，所以胶质体数量少，温度间隔窄，黏结性差，而且挥发分低，生成的煤气也少。瘦煤的半焦收缩缓和，所以焦炭裂纹少，块度大，但耐磨性较差。（5 5）贫煤和无烟煤）贫煤和无烟煤 这两类煤热解时只能产生少量胶质体，甚至不产生。炼焦时只能细粉碎后少量配用，作为瘦化剂。（6 6）弱黏煤）弱黏煤 煤化程度较低，挥发分范围较宽（2037%之间），受热后形成的胶质体很少，但储量较多，灰
29、分、硫分较低，且宜洗选，因此，在以肥煤、气煤为基础煤且适量配入焦煤的条件下，可以大量配用。（7 7）长焰煤）长焰煤 长焰煤是烟煤中变质程度最低的煤，含氧量高，热解产物的分子量小，液态产物很少，胶质层指数小于5mm，黏结性极弱，在配煤中起瘦化剂作用。（8 8）褐煤）褐煤 褐煤有机元素组成中氧占1726，氧碳比为0.180.30，热解产物的分子量小，不能形成气、液、固三相共存的胶质体，且它易氧化变质，吸水粉碎。试验证明，当褐煤配比为5%时，焦炭强度显著下降，故目前尚未用于配煤炼焦。3.3.53.3.5配煤配煤3.3.5.13.3.5.1配煤的目的和意义配煤的目的和意义从以上几种炼焦煤的结焦特性看，
30、若用它们单独炼焦，不是焦炭的质量不符合要求，就是使操作困难。比如，早期只用焦煤炼焦，其缺点是：焦煤储量不足；焦饼收缩小，造成推焦困难；膨胀压力大，容易胀坏炉墙；化学产品产率低。从国情出发，我国的煤源丰富，煤种齐全，但焦煤储量较少。因此炼焦工艺中，普遍采用多种煤的配煤技术。所谓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。采用配煤炼焦，既可保证焦炭质量符合要求，又可合理利用煤炭资源，同时增加炼焦化学产品产量。我国生产厂的配煤种数一般为46种。确定配煤方案，应遵循下列原则:配合煤性质与本厂煤预处理工艺及炼焦条件相适应，焦炭质量按品种要求达到规定指标;符合本地区
31、煤炭资源条件，有利扩大炼焦煤源;尽量缩短煤源平均运距；防止炭化室中煤料结焦过程产生的侧膨胀压力超过炉墙极限负荷，避免推焦困难；有利增加炼焦化学产品；来煤数量稳定，质量均匀；在上述前提下，尽量降低生产成本，以期提高经济效益。3.3.5.23.3.5.2配煤的质量指标配煤的质量指标配煤质量是决定焦炭质量的重要因素。配合煤的质量指标主要是指配合煤的水分、灰分、挥发分、硫分、胶质层厚度、膨胀压力、黏结性及粒度等。不同的焦炭使用部门对其质量要求不同，则配合煤指标也有所不同。（1 1）水分）水分 工业分析中所测水分是煤的内在和外在水分之和，即全水分。湿煤失去外在水分后为风干煤，失去内在水分为干煤。配煤中水
32、分大时，会对炼焦过程带来种种不利影响：水的蒸发要吸收大量热，使焦炉升温速度减慢，通常水分每增加1%，结焦时间约延长1015min；装煤时使炭化室砌体骤冷，内应力负荷增大，影响炉体寿命；降低煤料堆密度；水分大时，会使焦炭强度降低。配煤水分太低时，在破碎和装煤时造成煤尘飞扬，恶化操作条件，还会使焦油中游离碳含量增加。一般，焦化厂把水分控制在8%10%。（2 2）灰分）灰分 配煤的灰分是以干煤为基准，可按各单种煤的灰分由加权平均计算得到。炼焦时配煤中的灰分几乎全部转入焦炭，一般配煤成焦率为7080%，焦炭的灰分即为配煤灰分的1.31.4倍。而焦炭的灰分高，会使炼铁时的焦炭和石灰石消耗量都增高，高炉的
33、生产能力降低；同时，灰分中的大颗粒在焦炭中形成裂纹中心，使焦炭的机械强度降低，所以，必须严格控制配煤的灰分。中国规定，一级冶金焦的灰分 12%，按成焦率75%计算，配煤灰分应该 9%。中国的煤炭资源中，多数的焦煤和肥煤，灰分高且难洗；而高挥发分弱黏结性气煤，储量大且灰分低、易洗；所以可将灰分较高的焦煤、肥煤和灰分较低的气煤相配合。（3 3）挥发分）挥发分 配煤挥发分是煤中有机质热分解的产物，可按配煤中各单种煤的挥发分加权平均计算得到。评价煤质时，须排除水分和灰分产生的影响，所以是可燃基的挥发分。配煤挥发分的高低，决定煤气和化学产品的产率，同时对焦炭强度也有影响。若挥发分过高，会使焦炭的平均粒度
34、小，抗碎强度低，气孔率高，各向异性程度低，对焦炭质量不利；若挥发分过低，尽管各向异性程度高，但煤料的黏结性变差，熔融性变低，耐磨强度降低，可能导致推焦困难。确定配合煤的挥发分值，应该根据我国煤炭资源的特点，尽量提高化学产品的产率，尽可能多配气煤；另外，还要结合黏结性指标的适宜范围统筹考虑。一般把配合煤的挥发分控制在25%32%之间。（4 4）硫分）硫分 我国不同地区所产的煤含硫量不同，东北、华北地区的煤含硫较低，中南、西南地区的煤含硫较高。硫是高炉炼铁的有害成分，配煤中的硫分有80%左右转入焦炭，一般要求配煤的硫分应控制在1%以下。（5)5)黏结性黏结性 黏结性是煤在炼焦时形成熔融焦炭的性能，
35、配合煤的黏结性指标是影响焦炭强度的重要因素，因此黏结性是配煤炼焦中首先考虑的指标。烟煤粉碎后，在隔绝空气的条件下加热至一定温度，发生热分解，产生具有一定流动性的胶质体，可与一定量的惰性颗粒混熔结合，形成气、液、固相的均匀体，其体积有所膨胀，这种在干馏时黏结本身和惰性物的能力，就是煤的黏结性。煤的黏结性大小可用多种指标表示，我国最常用的是胶质层最大厚度Y和黏结指数G，其值可在胶质层测定仪中测得，也可按加权平均作近似计算。它们的数值越大，煤的黏结性越好。为了获得熔融性良好、耐磨性强的焦炭，配煤应有足够好的黏结性，适宜的范围为：Y=1618mm，G=5872。（6)6)膨胀压力膨胀压力 膨胀压力是配
36、煤中另一个必须考虑的指标。膨胀压力是黏结性煤的炼焦特征，不黏结的煤没有膨胀压力。膨胀压力的大小和煤热解时形成的胶质体性质有关。因此影响膨胀压力大小的因素，除了与原料煤性质有关外，还和原料煤的处理条件和加热条件有关。煤热解形成胶质体的透气性差，膨胀压力就大。一般挥发分高的弱黏结性煤，膨胀压力小，可通过提高堆密度的办法来增大膨胀压力。膨胀压力可促进胶质体均匀化，有助于加强煤的黏结，但膨胀压力过大，会损坏炉墙。试验表明，安全膨胀压力应小于1015KPa。(7)(7)粒度粒度 配煤粒度也是保证配煤质量的重要因素。由于配煤中各单种煤的性质不同，即使同一种煤的不同岩相组分，其性质也不同，所以配煤炼焦应将煤
37、粉碎混匀，才能炼出熔融性好、质量均一的焦炭。我国大多数焦化厂的配煤粒度，一般控制在小于3mm的占90%左右。若配煤中大颗粒含量增大，就会造成弱黏结性煤和惰性物质的熔融性不好，出现较多的裂纹中心，影响焦炭质量。若细煤粒的含量增多，则会增加煤粒的表面积，减少煤的堆密度，这不但影响焦炭的质量，而且对装煤操作也不利。另外，配煤中各种煤的黏结性不同，其粒度要求也不同。对黏结性好的、含活性成分(加热时软化熔融)多的煤易碎，应粗粉碎；而对弱粘结性煤则难碎，应细粉碎。即对肥煤、焦煤适宜粗粉碎，气煤应细粉碎。这样，在炼焦过程中，惰性成分被活性成分恰当地润湿、分散和黏结，从而形成组织均一、裂纹少的焦块。同时，惰性
38、成分能使焦炭的气孔壁增厚，提高焦炭强度。3.3.63.3.6配煤新技术配煤新技术中国炼焦煤分布不均匀，大部分地区高挥发分弱黏结性煤较多.为了合理利用资源，提高经济效益，扩大炼焦煤源，利用弱黏结性煤获得合格焦炭，对中国炼焦行业的发展具有重要意义.3.3.6.13.3.6.1选择破碎选择破碎 各种煤的变质程度不同，其挥发分含量、黏结性和结构组成也不一样，一般中等变质程度的煤易碎，年轻和年老的煤难碎，气煤属于难碎的煤.若能找出煤处理的最佳条件，使有黏结性的煤不细碎，黏结性差的煤细碎，就可以提高配合煤的结焦性，提高焦炭质量。如图3-5所示，为选择破碎流程。黏结性差的和不黏结的煤组分由于其硬度大，在粉碎
39、时仍保留在大颗粒中，故筛分出来再进行粉碎，再进行筛分。采用大颗粒再循环粉碎方法，使强黏结的组分不过细粉碎，不软化和软化性能差的组分粉碎，在结焦固化时消除了惰性组分大颗粒，防止形成裂纹，从而获得大块焦炭。图3-5 选择破碎流程图1-煤塔；2-加油转鼓混合器；3-反击式粉碎机；4-风选盘；5-反击式粉碎机；6-混煤机3.3.6.23.3.6.2成型煤成型煤以弱粘结煤或不粘结煤为原料，加入一定量的有机粘结剂混捏，成型后制成型煤，按一定的比例和粉煤混装炼焦，又称配型煤炼焦。这种方法是1960年由新日铁八幡钢铁厂首先研制成功的，国内宝钢也引进了成型煤工艺。将装炉煤的30%40%，加湿到11%14%，加6
40、%7%的软沥青为黏结剂，然后用蒸汽加热到100,混合均匀，在成型机中压块成型，再与其余的粉煤混合装炉炼焦。成型煤炼焦可以获得如下效果：降低原料成本降低原料成本 在保持一定的焦炭强度的条件下，配型煤炼焦可节约优质炼焦煤，扩大弱黏煤和不黏煤的用量，降低原料成本和焦炭灰分。提高焦炭质量提高焦炭质量 配型煤炼焦提高焦炭质量的原因:一是型煤的密度1.18 t/m3比粉煤的密度0.7 t/m3大得多。在煤料炭化时的塑性阶段，因型煤内部粒子的间隙小，使黏结组分和惰性组分充分作用，又因型煤料中有一定量的黏结剂，这些都有助于提高煤的黏结性;二是型煤致密，导热性好。型煤比周围粉煤升温快，较早达到开始软化温度，处于
41、软化熔融的时间长，从而有助于型煤中添加的沥青及新生成的熔融成分与型煤中的未软化部分和周围粉煤的相互作用。3.3.6.33.3.6.3煤干燥预热和调湿煤干燥预热和调湿(1)(1)煤干燥煤干燥将装炉煤预先干燥，使其水分降到6%以下，然后再装炉炼焦，又称干燥煤炼焦。用干燥煤炼焦可以达到如下效果：改善焦炭质量改善焦炭质量 干燥后的煤流动性提高，使装炉煤的堆密度增大，有利于黏结，从而提高焦炭的机械强度。提高炼焦炉的生产能力提高炼焦炉的生产能力 入炉煤水分降低，堆密度提高，可以提高炼焦速度，缩短结焦时间，从而生产能力得到提高。降低炼焦耗热量降低炼焦耗热量 一般情况下，装炉煤水分降低1%，炼焦耗热量减少60
42、100kJ/kg。此外，装炉煤干燥后，可稳定煤料水分，便于炉温管理，使焦炉各项操作指标稳定；同时减轻炉墙温度波动，有利于保护炉体。(2)(2)煤预热煤预热将装炉煤在惰性气体热载体或固体热载体中，预先加热到150250,再加到炼焦炉中炼焦的一种方式。又称预热煤炼焦。预热煤炼焦的优点：改善焦炭质量改善焦炭质量 预热煤装炉后，炭化室内煤料的堆密度比装湿煤时的堆密度提高1013%，使沿焦炭的物理机械性能如气孔率、强度、块度等得到了显著改善；预热时，煤中部分不稳定的有机硫发生分解，使焦炭含硫量降低；预热煤的加热速度比装湿煤时快，这样可显著改善黏结性，炼出高质量的焦炭。增大焦炉的生产能力增大焦炉的生产能力
43、 由于预热煤炼焦的周期缩短，装入炭化室内的煤量增多，所以焦炉的生产能力显著提高，一般能提高2025%。减少炼焦耗热量减少炼焦耗热量 由于干燥和预热设备大多数采用了效率较高的热交换设备，如沸腾炉等流态化设备，使预热煤炼焦比传统的湿煤炼焦耗热量低约4%左右。(3)(3)煤调湿煤调湿 煤调湿(CMC)是“装炉煤水分控制工艺”的简称，是将炼焦煤料在装炉前去除一部分水分，保持装炉煤水分稳定在6%左右，然后装炉炼焦。煤调湿的优点：焦炉生产能力提高焦炉生产能力提高 装炉煤水分降低后堆密度增大，装煤量增加，从而提高了焦炭产量。日本的生产经验表明：CMC技术可以提高焦炉生产能力711%。炼焦耗热量降低炼焦耗热量
44、降低 装炉煤水分降低后，炼焦耗热量就可降低。水分降低34%，耗热量大约降低200380 kJ/kg煤，约为炼焦耗热量的914%，采用热烟道废气作为干燥热源的第三代煤调湿技术，节能效果更加显著。焦炭质量提高焦炭质量提高 装炉煤水分降低后，由于煤料堆密度提高和炭化初期升温速度加快，使焦炭质量有所提高。在水分降低34%后，一般焦炭的DI15150（日本焦炭抗碎强度指标：即单位质量焦炭在转鼓经过150转以后，粒度15mm焦炭占单位重质量的百分比）可提高11.5%，焦炭反应后强度CRS提高13%。减少了污染减少了污染 由于装炉煤水分降低，在保持原结焦时间不变时，火道平均温度降低2050，所以焦炉加热废气
45、中NOx含量明显降低，还可以大幅减少焦化厂的污水排放量。年产100万吨焦炭的企业采用煤调湿技术后，每年可减少蒸氨废水排放近5万吨。3.3.6.43.3.6.4缚硫焦缚硫焦 在炼焦过程中，煤中大部分硫转入焦炭，当煤中含有较高的难以脱除的有机硫以及细分散的无机硫时，无法炼得合格的焦炭。中国焦化工作者近年来进行了较长时间的实验，利用高硫煤加入缚硫剂(CaO或CaCO3)进行炼焦，取得了良好的效果，这种高硫煤加缚硫剂的配合煤炼出的焦炭称为缚硫焦。在高炉冶炼过程中，为了降低生铁中的硫分，要加入石灰石作助熔剂。在炼焦条件下，若将粉状的石灰石配入高硫煤中，将有较多的硫以CaS形式固定下来，在高炉冶炼过程中直
46、接进入炉渣，以降低生铁含硫量。加入缚硫剂炼焦既满足了高炉冶炼的要求，也拓宽了高硫煤的应用范围。缚硫焦的主要特性：缚硫焦改变了焦炭中的硫的存在形式缚硫焦改变了焦炭中的硫的存在形式 在炼焦过程中，加入石灰石，使部分硫转化成了稳定的CaS，使焦炭中以CaS形式存在的硫占全硫的比值有所提高。缚硫焦的灰分与挥发分增高缚硫焦的灰分与挥发分增高 由于在湿法熄焦过程中，焦炭中的CaO与水作用生成Ca(OH)2，同时CaO 吸收空气中的CO2生成CaCO3，在测定挥发分的温度下，原来留在焦炭中的CaCO3和后来生成的CaCO3都有可能分解，而且Ca(OH)2也会失去水分变成CaO，所以这些因素都将使缚硫焦的灰分
47、和挥发分有所提高。改善了加热制度，提高了焦炭质量改善了加热制度，提高了焦炭质量 由于CaCO3的分解和CO2的还原，导致了结焦末期升温速度减慢，从而减少了裂纹，增大了块度。由于CO2的还原反应增加了CO的含量，氢含量相对降低，焦炉用这种煤气加热时，使燃烧速度减慢，拉长了火焰，改善了高向加热的均匀性，有利于提高焦炭的成熟度和均一性。3.3.6.53.3.6.5科学配煤方法的研究应用以及配煤专家系统的开发与科学配煤方法的研究应用以及配煤专家系统的开发与应用应用 随着冶金技术对焦炭质量要求的逐步提高，经验配煤由于不能从根本上解释配煤炼焦生产中出现的反常现象，不能实现从定性到定量的转化，已不能满足焦化
48、生产要求。目前，世界各国开发的配煤技术，凡是论证较充分、效果较好的，无一不以煤岩学为基础。几种典型的煤岩配煤与焦炭质量预测方法：阿莫索夫法 原苏联可燃矿产研究所的阿莫索夫1957年提出。夏皮洛法 美国钢铁公司的夏皮洛1961年对阿莫索夫法做了改进。周师庸法：我国的周师庸教授于20世纪80年代初在对新疆钢铁公司的配煤预测焦炭强度的研究中，采用镜质组反射率作为煤化度指标，以惰性组分含量作为煤岩组成指标，通过试验选择罗加指数或容惰能力作为煤的还原程度指标。基于此原理模型，新疆钢铁公司和酒泉钢铁公司经过系统的试验，建立了预测方程，其相关系数M40可达0.86,M10可达0.94。2008年7月份，本钢
49、历时两年半研究开发的适合自身特点的配煤专家系统正式投入使用，该系统解除了人工计算管理的繁重劳动，实现了在资源、料场、配煤、炼焦和使用跟踪一体化的全方位动态实时科学管理，在优化焦煤、肥煤、1/3焦煤、瘦煤的配比的同时还提高了焦炭质量预测准确率和焦炭质量的稳定性，是目前国内最完善的配煤专家系统。3.4 3.4 炼焦炉及其设备炼焦炉及其设备3.4.13.4.1炼焦炉的发展炼焦炉的发展从炼焦方法的进展看，炼焦炉大体可分为成堆干馏、倒焰式焦炉、废热式焦炉、蓄热式焦炉和巨型反应器五个阶段。最早的炼焦方法是将煤成堆干馏，后来发展成为砖砌的窑，此类方法的特点是成焦和加热合在一起，靠干馏煤气和一部分煤的燃烧将煤
50、直接加热而干馏成焦炭，所以焦炭产率低、灰分高、成熟度不均匀，化学产品不能回收，还造成了环境污染。为了克服上述缺点，19世纪中叶出现将成焦的炭化室和加热的燃烧室用墙隔开的窑炉，隔墙上部设通道，炭化室内煤的干馏气经此直接流入燃烧室，同来自炉顶通风道的空气会合，自上而下地边流动边燃烧，故称倒焰式焦炉。干馏所需的热量从燃烧室经炉墙传给炭化室内的煤料。这种焦炉的结焦时间长，开停不便。随着化学工业的发展，要求从于馏产生的粗煤气中回收化学产品。为此将炭化室和燃烧室完全隔开，炭化室内生成的粗煤气先用抽气机吸出，经回收设备分离出化学产品后，净煤气再压送到燃烧室内燃烧。由于煤干馏过程中产生的煤气组成是随时间变化的
