1、第二章第二章室式结焦过程室式结焦过程第一节第一节 煤的结构及煤的热解过程煤的结构及煤的热解过程第二节第二节 煤的黏结和成焦机理煤的黏结和成焦机理 第三节第三节 炭化室内的结焦过程炭化室内的结焦过程第四节第四节 炼焦过程的化学产品炼焦过程的化学产品室式结焦过程室式结焦过程 第一节第一节 煤的结构及煤的热解过程煤的结构及煤的热解过程 一、煤的分子结构一、煤的分子结构 煤的分子结构的研究一直是煤化学学科的中心环节，煤的分子结构的研究一直是煤化学学科的中心环节，受到了广泛的重视。但是，受到了广泛的重视。但是，由于煤炭组成的复杂性，多样由于煤炭组成的复杂性，多样性和不均一性，所以难于分离成简单的物质进行
2、结构和性性和不均一性，所以难于分离成简单的物质进行结构和性质的研究分析。质的研究分析。目前煤结构的研究方法大致可归纳为三类：目前煤结构的研究方法大致可归纳为三类：(1)(1)物理研究法物理研究法 如红外光谱、核磁共振波谱、射线如红外光谱、核磁共振波谱、射线衍射、显微分光光度法扫描电镜和各种衍射、显微分光光度法扫描电镜和各种物理性质研究物理性质研究以及以及利用物理常数进行利用物理常数进行统计结构分析统计结构分析；(2)(2)物理化学方法物理化学方法 如溶剂抽提和吸附性能研究等；如溶剂抽提和吸附性能研究等；(3)(3)化学研究方法化学研究方法 如氧化、加氢、卤化、水解、热如氧化、加氢、卤化、水解、
3、热解和官能团分析等方法。解和官能团分析等方法。室式结焦过程室式结焦过程 长期以来，对煤的结构研究，始终未能获得突破性的结长期以来，对煤的结构研究，始终未能获得突破性的结论，只是根据实验结果分析推测，提出了煤的分子结构模论，只是根据实验结果分析推测，提出了煤的分子结构模型型化学结构模型和物理结构模型化学结构模型和物理结构模型。近年来，对煤的结构。近年来，对煤的结构研究取得一些进展。由于煤的显微组分中往往以镜质组分为研究取得一些进展。由于煤的显微组分中往往以镜质组分为主，再加上它在成煤过程中变化比较均匀以及矿物质含量低主，再加上它在成煤过程中变化比较均匀以及矿物质含量低等优点，等优点，一般采用煤的
4、镜质组分作为研究结构的对象。一般采用煤的镜质组分作为研究结构的对象。1 1煤的基本结构单元煤的基本结构单元 煤是以有机体为主，并具有不同的分子量，不同化学结煤是以有机体为主，并具有不同的分子量，不同化学结构的一组构的一组“相似化合物相似化合物”的混合物。的混合物。室式结焦过程室式结焦过程 它不象一般的聚合物，是由相同化学结构的单体聚合而它不象一般的聚合物，是由相同化学结构的单体聚合而成的。成的。因此构成煤的大分子聚合物的因此构成煤的大分子聚合物的“相似混合物相似混合物”被称作被称作基本结构单元。也就是说，基本结构单元。也就是说，煤是许许多多的基本结构单元组煤是许许多多的基本结构单元组合而成的大
5、分子结构。合而成的大分子结构。基本结构单元包括规则部分和不规则基本结构单元包括规则部分和不规则部分，规则部分为结构单元的核心部分，由几个或十几个苯部分，规则部分为结构单元的核心部分，由几个或十几个苯环、脂环、氧化芳香环及杂环（含氮、氧、硫）组成；在苯环、脂环、氧化芳香环及杂环（含氮、氧、硫）组成；在苯核的周围连接着各种含氧基团和烷基侧链，属于基本结构的核的周围连接着各种含氧基团和烷基侧链，属于基本结构的不规则部分。不规则部分。随着煤的煤化程度的提高，苯核逐渐增多，而不规则部随着煤的煤化程度的提高，苯核逐渐增多，而不规则部分则逐渐减少，如图。分则逐渐减少，如图。室式结焦过程室式结焦过程图 不同煤
6、的结构单元(或部分)模室式结焦过程室式结焦过程 2 2煤基本结构单元的边缘基团煤基本结构单元的边缘基团 在煤基本结构单元的边缘属于不规则部分，主要有在煤基本结构单元的边缘属于不规则部分，主要有含氧含氧官能团和烷基侧链官能团和烷基侧链，还有少量的氮和硫的官能团以及桥键。，还有少量的氮和硫的官能团以及桥键。一般其数量随着煤化度的增加而减少。含氧官能团含有羟基、一般其数量随着煤化度的增加而减少。含氧官能团含有羟基、羧基、羰基、甲氧基和醌基等，羧基、羰基、甲氧基和醌基等，煤中含氧官能团随煤的变质煤中含氧官能团随煤的变质程度加深而减少，在年老的褐煤中基本不存在程度加深而减少，在年老的褐煤中基本不存在；其
7、次是羧基，；其次是羧基，褐煤具有羧基是它的特征，到了烟煤阶段，羧基的数量已大褐煤具有羧基是它的特征，到了烟煤阶段，羧基的数量已大为减少，中变质烟煤（含碳量为减少，中变质烟煤（含碳量85%85%左右）时，羧基已基本消左右）时，羧基已基本消失；羟基和羰基在整个烟煤阶段都存在，甚至在无烟煤阶段失；羟基和羰基在整个烟煤阶段都存在，甚至在无烟煤阶段都存在。羰基的含量在煤中虽少，但随着煤化程度的增加而都存在。羰基的含量在煤中虽少，但随着煤化程度的增加而减少的幅度并不大。减少的幅度并不大。室式结焦过程室式结焦过程 煤中的氧相当一部分是以非活性状态（即比较不易起化学煤中的氧相当一部分是以非活性状态（即比较不易
8、起化学反应和不易热分解的那部分氧）存在，主要是醚键和杂环中的反应和不易热分解的那部分氧）存在，主要是醚键和杂环中的氧，它们整个存在于成煤过程中，这一部分氧无法用直接方法氧，它们整个存在于成煤过程中，这一部分氧无法用直接方法测定。有人认为，有一部分非活性氧经测定。有人认为，有一部分非活性氧经KOHKOH的酒精溶液水解之后，的酒精溶液水解之后，可以转化为活性氧，因为，它们变成了羟基或羧基。可以转化为活性氧，因为，它们变成了羟基或羧基。在褐煤阶在褐煤阶段含氧官能团含量最高，在烟煤阶段其含量就大大降低，而且段含氧官能团含量最高，在烟煤阶段其含量就大大降低，而且以非活性氧为主，到无烟煤阶段，含氧量则更低
9、。以非活性氧为主，到无烟煤阶段，含氧量则更低。煤中除含氧煤中除含氧官能团之外，还存在着含氮官能团和含硫官能团。官能团之外，还存在着含氮官能团和含硫官能团。煤中含氮量煤中含氮量在在1 12%2%，主要是以胺基、亚胺基、五元杂环，六元杂环，吡啶主要是以胺基、亚胺基、五元杂环，六元杂环，吡啶和咔唑等形式存在。和咔唑等形式存在。含硫官能团主要以硫醇、硫醚、二硫醚、含硫官能团主要以硫醇、硫醚、二硫醚、硫醌及杂环硫等形式存在硫醌及杂环硫等形式存在。煤的基本结构单元上连接着烷基侧。煤的基本结构单元上连接着烷基侧链。烷基侧链的平均长度，是随煤化程度的增加而迅速减少。链。烷基侧链的平均长度，是随煤化程度的增加而
10、迅速减少。室式结焦过程室式结焦过程 二、煤的热解过程二、煤的热解过程 1 1煤的热解过程煤的热解过程所谓煤的热解，是指煤在隔绝空气的条件下进行加热，所谓煤的热解，是指煤在隔绝空气的条件下进行加热，煤在不同温度下发生的一系列物理变化和化学反应的复杂过煤在不同温度下发生的一系列物理变化和化学反应的复杂过程。程。其结果生成气体（煤气），液体（焦油）和固体（半焦其结果生成气体（煤气），液体（焦油）和固体（半焦或焦炭）等产品。煤的热解也称为煤的干馏或热分解。或焦炭）等产品。煤的热解也称为煤的干馏或热分解。目前煤加工的主要工艺仍是热加工。按热解最终温度的不目前煤加工的主要工艺仍是热加工。按热解最终温度的不
11、同可分为：高温干馏（同可分为：高温干馏（95095010501050），中温干馏（），中温干馏（700700800800）和低温干馏（）和低温干馏（500500600600）。煤的热解是煤热化学）。煤的热解是煤热化学加工的基础。有黏结性的烟煤热解过程如图加工的基础。有黏结性的烟煤热解过程如图2-22-2所示。所示。室式结焦过程室式结焦过程 图图2-2 有黏结性烟煤的热解过程有黏结性烟煤的热解过程 室式结焦过程室式结焦过程 由图可见：有黏结性的烟煤热解过程大致可分为三个阶由图可见：有黏结性的烟煤热解过程大致可分为三个阶段：段：（1 1）第一阶段（室温）第一阶段（室温300300）主要是煤干燥、脱
12、吸阶主要是煤干燥、脱吸阶段，煤没有发生外形上的变化。段，煤没有发生外形上的变化。120120前，煤脱水干燥；前，煤脱水干燥；120120200200，煤释放出吸附在毛隙孔中的气体，如，煤释放出吸附在毛隙孔中的气体，如CHCH4 4、COCO2 2、COCO和和N N2 2等，是脱吸过程；等，是脱吸过程；近近300300时，褐煤开始分解，生成时，褐煤开始分解，生成COCO2 2、COCO、H H2 2S S，同时同时放出热解水及微量焦油。而烟煤和无烟煤此时变化不大。放出热解水及微量焦油。而烟煤和无烟煤此时变化不大。室式结焦过程室式结焦过程 （2）第二阶段（）第二阶段（300550或或600）该阶
13、段以煤热分该阶段以煤热分解、解聚为主，形成胶质体并固化而形成半焦。解、解聚为主，形成胶质体并固化而形成半焦。300300450450，此时煤剧烈分解，解聚，析出大量的焦，此时煤剧烈分解，解聚，析出大量的焦油和气体，焦油几乎全部在这一阶段析出。气体主要是油和气体，焦油几乎全部在这一阶段析出。气体主要是CHCH4 4及其同系物，还有及其同系物，还有H H2 2、COCO2 2、COCO及不饱和烃等。这些气体称为及不饱和烃等。这些气体称为热解一次气体。在热解一次气体。在450450时析出焦油量最大，在此阶段由于时析出焦油量最大，在此阶段由于热解，生成气、液（焦油）、固（尚未分解的煤粒）三相为热解，生
14、成气、液（焦油）、固（尚未分解的煤粒）三相为一体的胶质体，使煤发生了软化、熔融、流动和膨胀。液相一体的胶质体，使煤发生了软化、熔融、流动和膨胀。液相中有液晶（或中间相）存在。中有液晶（或中间相）存在。450450550550（或（或600600）时，）时，胶质体分解、缩聚、固胶质体分解、缩聚、固化成半焦。化成半焦。室式结焦过程室式结焦过程 （3）第三阶段）第三阶段550（600）1000 该阶段以缩聚反该阶段以缩聚反应为主体，由半焦转变成焦炭。应为主体，由半焦转变成焦炭。550（或（或600）750，半焦分解析出大量气体。主，半焦分解析出大量气体。主要是要是H2和少量和少量CH4，称为热解的二
15、次气体。一般在称为热解的二次气体。一般在700时时析出的氢气量最大，在此阶段基本上不产生焦油。半焦因分析出的氢气量最大，在此阶段基本上不产生焦油。半焦因分解出气体收缩而产生裂纹。解出气体收缩而产生裂纹。7501000，半焦进一步分解，继续析出少量气体主，半焦进一步分解，继续析出少量气体主要是要是H2，同时分解的残留物进一步缩聚，芳香碳网不断增大，同时分解的残留物进一步缩聚，芳香碳网不断增大，排列规则化，半焦转变成具有一定强度和块度的焦炭。排列规则化，半焦转变成具有一定强度和块度的焦炭。室式结焦过程室式结焦过程 第二节第二节 煤的黏结和成焦机理煤的黏结和成焦机理 具有黏结性的煤，在高温热解时，从
16、粉煤分解开始，经过胶质状态具有黏结性的煤，在高温热解时，从粉煤分解开始，经过胶质状态到生成半焦的过程称为煤的黏结过程。而从粉煤开始分解到最后形成焦到生成半焦的过程称为煤的黏结过程。而从粉煤开始分解到最后形成焦块的整个过程称为结焦过程。块的整个过程称为结焦过程。由图可见煤的结焦过程大体可分为黏结过程和半焦收缩两个阶段。由图可见煤的结焦过程大体可分为黏结过程和半焦收缩两个阶段。煤的黏结性取决于胶质体的生成和胶质体的性质。煤的黏结性取决于胶质体的生成和胶质体的性质。图图 黏结与成焦过程阶段示意图黏结与成焦过程阶段示意图室式结焦过程室式结焦过程 一、胶质体的生成及性质一、胶质体的生成及性质 1胶质体液
17、相的来源胶质体液相的来源 胶质体中的胶质体中的液相液相是形成胶质体的基础。胶质体液相的来是形成胶质体的基础。胶质体液相的来源是多方面的，煤分子结构单元之间各种桥键的断裂形成自源是多方面的，煤分子结构单元之间各种桥键的断裂形成自由基碎片，其中由基碎片，其中分子量不太大的、含氢较多的生成液态产物，分子量不太大的、含氢较多的生成液态产物，且以芳香族化合物居多且以芳香族化合物居多。脂肪化合物的分解，其中分子量较脂肪化合物的分解，其中分子量较大的那部分形成液态产物大的那部分形成液态产物，分子量小的部分生成气态析出，分子量小的部分生成气态析出，液相产物中，以脂肪化合物居多。基本结构单元周围的脂肪液相产物中
18、，以脂肪化合物居多。基本结构单元周围的脂肪族侧链和各官能团脱落，其中小部分可形成液体，而绝大部族侧链和各官能团脱落，其中小部分可形成液体，而绝大部分则形成气态产物析出。分则形成气态产物析出。残留煤（未分解的煤）在胶质体液相中部分溶解，使胶残留煤（未分解的煤）在胶质体液相中部分溶解，使胶质体液相增加。质体液相增加。室式结焦过程室式结焦过程 2 2胶质体的性质胶质体的性质 在热解过程中，胶质体的液相分解、缩聚和固化而生成在热解过程中，胶质体的液相分解、缩聚和固化而生成半焦，如图。半焦，如图。图图 胶质体的生成及转化示意图胶质体的生成及转化示意图I软化开始阶段；软化开始阶段；II开始形成半焦阶段；开
19、始形成半焦阶段；III煤粒强烈软化和半焦煤粒强烈软化和半焦破裂阶段破裂阶段 1煤；煤；2胶质体；胶质体；3半焦半焦室式结焦过程室式结焦过程 液膜外层开始固化生成半焦，中间仍为胶质体，内部有液膜外层开始固化生成半焦，中间仍为胶质体，内部有没分解的煤粒，这种状态维持时间很短。因为半焦随着温度没分解的煤粒，这种状态维持时间很短。因为半焦随着温度升高而分解，收缩形成裂纹，胶质体顺着裂纹流出，又固化升高而分解，收缩形成裂纹，胶质体顺着裂纹流出，又固化成半焦，直到煤粒全部转变成半焦。形成的成半焦，直到煤粒全部转变成半焦。形成的半焦质量半焦质量决定胶决定胶质体的性质。质体的性质。（1 1）温度间隔）温度间隔
20、 煤开始固化温度（煤开始固化温度（）与开始软化温度）与开始软化温度（）之间的范围为胶质体）之间的范围为胶质体的温度间隔（的温度间隔（），即），即 。它表示煤粒处在胶质体状态所停留的时间，也反映了胶质体它表示煤粒处在胶质体状态所停留的时间，也反映了胶质体的热稳定性。如果温度间隔大，则胶质体停留时间长，其热的热稳定性。如果温度间隔大，则胶质体停留时间长，其热稳定性好，煤粒间有充分的时间互相接触，有利于黏结。反稳定性好，煤粒间有充分的时间互相接触，有利于黏结。反之，胶质体停留时间短，很快分解，煤粒间的黏结性也差。之，胶质体停留时间短，很快分解，煤粒间的黏结性也差。固t软tt软固ttt室式结焦过程室式
21、结焦过程 （2 2）透气性透气性 煤热解的挥发产物，通过胶质体时克服所煤热解的挥发产物，通过胶质体时克服所受到的阻力而析出的能力，表示胶质体的透气性。透气性对受到的阻力而析出的能力，表示胶质体的透气性。透气性对煤的黏结性影响较大，若透气性差，则膨胀压力大，有利于煤的黏结性影响较大，若透气性差，则膨胀压力大，有利于黏结。反之，若胶质体的透气性好或液相少，液相不能充满黏结。反之，若胶质体的透气性好或液相少，液相不能充满颗粒之间，气体容易析出，则膨胀压力小，不利于黏结。颗粒之间，气体容易析出，则膨胀压力小，不利于黏结。（3 3）流动性流动性 煤在胶质状态下的流动性，对黏结性影响煤在胶质状态下的流动性
22、，对黏结性影响较大。常以胶质体的流动度来衡量。如果胶质体的流动性差，较大。常以胶质体的流动度来衡量。如果胶质体的流动性差，不利于煤粒间或与惰性物质之间的相互接触，则煤的黏结性不利于煤粒间或与惰性物质之间的相互接触，则煤的黏结性差。反之则有利于煤的黏结。差。反之则有利于煤的黏结。室式结焦过程室式结焦过程 （4 4）膨胀性膨胀性 煤在胶质状态下，由于气体析出和胶质体煤在胶质状态下，由于气体析出和胶质体的不透气性，使胶质体产生膨胀。若体积膨胀不受限制，的不透气性，使胶质体产生膨胀。若体积膨胀不受限制，则称自由膨胀，若体积膨胀受到限制，就会产生一定的压则称自由膨胀，若体积膨胀受到限制，就会产生一定的压
23、力，称为膨胀压力。一般膨胀性大的煤，黏结性好，反之力，称为膨胀压力。一般膨胀性大的煤，黏结性好，反之则较差。则较差。胶质体的性质主要是由胶质体中的液相的数量和胶质体的性质主要是由胶质体中的液相的数量和性质所决定的，它直接影响煤的黏结。性质所决定的，它直接影响煤的黏结。同时，同时，胶质状态下胶质状态下气体析出量及析出的速度，以及固相产物数量等均对煤的气体析出量及析出的速度，以及固相产物数量等均对煤的黏结性有重要的影响。黏结性有重要的影响。室式结焦过程室式结焦过程 二、煤的黏结性二、煤的黏结性 胶质体是煤粒间进行黏结的基础，当煤受热时，煤的大胶质体是煤粒间进行黏结的基础，当煤受热时，煤的大分子结构
24、发生热分解和氢的重新分配，生成富氢而分子量小分子结构发生热分解和氢的重新分配，生成富氢而分子量小的液相及焦油蒸汽和气体烃类。当热解产品的分子量在的液相及焦油蒸汽和气体烃类。当热解产品的分子量在4001500的变化范围内时，热分解产生的液相才能使分解后的变化范围内时，热分解产生的液相才能使分解后的固相软化，并生成呈胶体状的胶质体。的固相软化，并生成呈胶体状的胶质体。室式结焦过程室式结焦过程 煤在热解中要形成黏结好的半焦，必须具备以下条件：煤在热解中要形成黏结好的半焦，必须具备以下条件：（1 1）有足够数量的液相，能使分解的煤粒表面润湿并）有足够数量的液相，能使分解的煤粒表面润湿并充满颗粒间的空隙
25、；充满颗粒间的空隙；（2 2）胶质体的温度间隔足够大；）胶质体的温度间隔足够大；（3 3）胶质体的流动性好；）胶质体的流动性好；（4 4）胶质体有一定的黏度，能产生一定的膨胀压力，）胶质体有一定的黏度，能产生一定的膨胀压力，将软化的煤粒压紧；将软化的煤粒压紧；（5 5）液相分解缩聚所形成的固相产物和未分解为液相）液相分解缩聚所形成的固相产物和未分解为液相的固体颗粒，本身应具有足够的强度；的固体颗粒，本身应具有足够的强度；（6 6）黏结性不同的煤粒在空间要均匀分布。）黏结性不同的煤粒在空间要均匀分布。室式结焦过程室式结焦过程 三、煤的成焦机理三、煤的成焦机理 在在550550左右形成半焦，温度继
26、续升高，半焦进一步分左右形成半焦，温度继续升高，半焦进一步分解，析出分子量最小的气态产物（主要是氢，也有少量甲解，析出分子量最小的气态产物（主要是氢，也有少量甲烷），而不生成焦油，其原因是由于烷），而不生成焦油，其原因是由于C C脂脂H H和和C C芳芳H H断裂的断裂的结果。半焦分解同时还产生许多游离基，游离基发生缩聚反结果。半焦分解同时还产生许多游离基，游离基发生缩聚反应，随着温度的升高，缩聚反应不断加强，使芳香碳网不断应，随着温度的升高，缩聚反应不断加强，使芳香碳网不断增大，碳网间的排列也越来越规则化。增大，碳网间的排列也越来越规则化。室式结焦过程室式结焦过程第三节第三节 炭化室内的结焦
27、过程炭化室内的结焦过程 炭化室内煤料结焦过程的基本特点有二，一是炭化室内煤料结焦过程的基本特点有二，一是单向供热、单向供热、成层结焦成层结焦，二是结焦过程中，二是结焦过程中传热性能随炉料的状态和温度而传热性能随炉料的状态和温度而变化。变化。一、温度变化与炉料动态一、温度变化与炉料动态 1 1成层结焦过程及炼焦最终温度成层结焦过程及炼焦最终温度 由于单向供热，炭化室内煤料的结焦过程所需热能是以由于单向供热，炭化室内煤料的结焦过程所需热能是以高温炉墙侧向炭化室中心逐渐传递的。煤的导热能力很差高温炉墙侧向炭化室中心逐渐传递的。煤的导热能力很差（尤其是胶质体），在炭化室中心面的垂直方向上，煤料内（尤其
28、是胶质体），在炭化室中心面的垂直方向上，煤料内的温度差较大，所以在同一时间，距炉墙不同距离的各层煤的温度差较大，所以在同一时间，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，如图料的温度不同，炉料的状态也就不同，如图2-72-7。室式结焦过程室式结焦过程 各层处于结焦过程的不同阶段，总是在炉墙附近先结成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。焦炭而后逐层向炭化室中心推移，这就是所谓的成层结焦。炭化室中心面上炉料温度始终最低，因此结焦末期炭化室中炭化室中心面上炉料温度始终最低，因此结焦末期炭化室中心面温度（焦饼中心温度）可以作
29、为焦饼心面温度（焦饼中心温度）可以作为焦饼成熟程度的标志成熟程度的标志，称为称为炼焦最终温度炼焦最终温度。据此，生产上常测定焦饼中心温度以考。据此，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。察焦炭的成熟程度，并要求测温管位于炭化室中心线上。图图2 27 7 不同结焦时间炭化室内各层煤料的温度与状态不同结焦时间炭化室内各层煤料的温度与状态 室式结焦过程室式结焦过程 2 2各层炉料的传热性能对料层状态和温度的影响各层炉料的传热性能对料层状态和温度的影响 各层煤料的温度与状态由于单向供热和成层结焦，各层的升温速度各层煤料的温度与状态由于单向供热和成层结焦，各层的升
30、温速度也不同，如图也不同，如图2-82-8。结焦过程中不同状态的各种中间产物的热容、导热系数、相变热、结焦过程中不同状态的各种中间产物的热容、导热系数、相变热、反应热等都不相同，所以炭化室内煤料中是不均匀、不稳定温度场，其反应热等都不相同，所以炭化室内煤料中是不均匀、不稳定温度场，其传热过程属不稳定传热。传热过程属不稳定传热。图图28 炭化室内各层煤料的温度变化炭化室内各层煤料的温度变化1炭化室表面温度；炭化室表面温度；2炭化室墙附近煤炭化室墙附近煤料温度；料温度；3距炉墙距炉墙50mm60mm处煤料处煤料温度；温度；4距炉墙距炉墙130mm140mm处的煤处的煤料温度；料温度；5炭化室中心部
31、位的煤料温度炭化室中心部位的煤料温度室式结焦过程室式结焦过程 湿煤装炉时，炭化室中心面煤料温度升到湿煤装炉时，炭化室中心面煤料温度升到100100o oC C以上以上所需时间相当于结焦时间的一半左右。这是因为水的汽化所需时间相当于结焦时间的一半左右。这是因为水的汽化潜热大而煤的导温系数小；同时由于结焦过程中湿煤层始潜热大而煤的导温系数小；同时由于结焦过程中湿煤层始终被夹在两个塑性层中，水汽不易透过塑性层向两侧炭化终被夹在两个塑性层中，水汽不易透过塑性层向两侧炭化室墙的外层流出，致使大部分水汽窜入内层湿煤中，并因室墙的外层流出，致使大部分水汽窜入内层湿煤中，并因内层温度更低而冷凝下来，使内层湿煤
32、中水分增加，从而内层温度更低而冷凝下来，使内层湿煤中水分增加，从而使炭化室中心煤料长期停留在使炭化室中心煤料长期停留在110110o oC C以下。煤料水分愈多，以下。煤料水分愈多，结焦时间愈长，炼焦耗热量愈大。结焦时间愈长，炼焦耗热量愈大。室式结焦过程室式结焦过程 由于成层结焦，两个大体上平行于两侧炭化室墙面的塑由于成层结焦，两个大体上平行于两侧炭化室墙面的塑性层也从两侧向炭化室中心面逐渐移动，又因炭化室底面温性层也从两侧向炭化室中心面逐渐移动，又因炭化室底面温度和顶面温度也很高，在煤料的上层和下层也会形成塑性层。度和顶面温度也很高，在煤料的上层和下层也会形成塑性层。这样，塑性体及其周围煤粒
33、就构成了一个膜袋，膜袋内的煤这样，塑性体及其周围煤粒就构成了一个膜袋，膜袋内的煤热解产生气态产物使膜袋膨胀，又通过半焦层和焦炭层而施热解产生气态产物使膜袋膨胀，又通过半焦层和焦炭层而施与炭化室墙以侧压力（即膨胀压力）。膨胀压力是随结焦过与炭化室墙以侧压力（即膨胀压力）。膨胀压力是随结焦过程而变化的，当塑性膜袋的两个侧面在炭化室中心面汇合时，程而变化的，当塑性膜袋的两个侧面在炭化室中心面汇合时，两边外侧已是焦炭和半焦，由于焦炭和半焦需热少而传热好，两边外侧已是焦炭和半焦，由于焦炭和半焦需热少而传热好，致使塑性膜袋的温度急剧升高，气态产物迅速增加，这时膨致使塑性膜袋的温度急剧升高，气态产物迅速增加
34、，这时膨胀压力达到最大值，通常所说的膨胀压力即指最大值而言。胀压力达到最大值，通常所说的膨胀压力即指最大值而言。室式结焦过程室式结焦过程 煤料结焦过程中产生适当大小的膨胀压力有利于煤煤料结焦过程中产生适当大小的膨胀压力有利于煤的黏结，但要考虑到炭化室墙的结构强度。炼焦炉组的的黏结，但要考虑到炭化室墙的结构强度。炼焦炉组的相邻两个炭化室总处于不同的结焦阶段，每个炭化室内相邻两个炭化室总处于不同的结焦阶段，每个炭化室内煤料膨胀压力方向都是从炭化室中心向两侧炭化室墙面。煤料膨胀压力方向都是从炭化室中心向两侧炭化室墙面。所以相邻两个炭化室施于其所夹炉墙的侧负荷是膨胀压所以相邻两个炭化室施于其所夹炉墙的
35、侧负荷是膨胀压力之差力之差P P。为了保证炉墙结构不致破裂，焦炉设计时，为了保证炉墙结构不致破裂，焦炉设计时，要求要求P P小于导致炉墙结构破裂的侧负荷值小于导致炉墙结构破裂的侧负荷值极限负荷极限负荷W W。室式结焦过程室式结焦过程 二、炭化室不同部位的焦炭质量及裂纹特征二、炭化室不同部位的焦炭质量及裂纹特征 1不同部位的焦炭特征不同部位的焦炭特征从图从图2-8可以看出，当炉料温度达到可以看出，当炉料温度达到350500时，靠时，靠近炉墙的煤料（曲线近炉墙的煤料（曲线2）升温速度很快（约）升温速度很快（约5/min），），即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使装炉煤的黏结性较
36、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，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（约的升温速度最慢（约2/min），），故焦炭质量相对较差。故焦炭质量相对较差。室式结焦过程室式结焦过程 在半焦收缩阶段（在半焦收缩阶段（500以后），炉墙附近半焦升温速以后），炉墙附近半焦升温速度快，产生焦炭裂纹多且深，并产生度快，产生焦炭裂纹多且深，并产生“焦花焦花”（与炉墙表面（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，故接
37、触的煤层形成胶质体固化后，形体扭曲，外型如菜花，故称称“焦花焦花”）；距炉墙较远的内层，由于升温速度较慢，产）；距炉墙较远的内层，由于升温速度较慢，产生焦炭裂纹较少，也较浅。在炭化室中心部位，当两个胶质生焦炭裂纹较少，也较浅。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，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焦饼中心裂纹；此后，由于外层形成与炭化室中心面重合的焦饼中心裂纹；此后，由于外层已经形成焦炭，不需要热能，且焦炭导
38、热性较好，能迅速将已经形成焦炭，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，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。也较多。室式结焦过程室式结焦过程 2不同煤种的焦炭裂纹特征不同煤种的焦炭裂纹特征造成焦炭裂纹多的根本原因是半焦的热分解和热缩聚反造成焦炭裂纹多的根本原因是半焦的热分解和热缩聚反应。应。由于相邻层的升温速度不同，导致热分解和热缩聚的速由于相邻层的升温速度不同，导致热分解和热缩聚的速度不同，进而使半焦收缩速度不同
39、，收缩速度相对较小的那度不同，进而使半焦收缩速度不同，收缩速度相对较小的那一层阻碍收缩，由此产生内应力，当此内应力大于焦炭多孔一层阻碍收缩，由此产生内应力，当此内应力大于焦炭多孔体结构强度时，焦炭就产生裂体结构强度时，焦炭就产生裂纹。气煤的胶质体温度间隔较纹。气煤的胶质体温度间隔较窄，故半焦层较薄，加以气孔率大，焦炭物质脆，往往是本窄，故半焦层较薄，加以气孔率大，焦炭物质脆，往往是本层内部由于收缩产生的拉应力使半焦或焦炭破裂，因此气煤层内部由于收缩产生的拉应力使半焦或焦炭破裂，因此气煤焦炭的裂纹，主要是垂直于炭化室墙的纵裂纹，即气煤焦炭焦炭的裂纹，主要是垂直于炭化室墙的纵裂纹，即气煤焦炭多呈细
40、条状。多呈细条状。室式结焦过程室式结焦过程 肥煤由于胶质层温度间隔宽，半焦层厚，加以本层内肥煤由于胶质层温度间隔宽，半焦层厚，加以本层内部黏结性强，其拉应力的破坏作用居于次要地位，而相邻部黏结性强，其拉应力的破坏作用居于次要地位，而相邻层间因收缩速度不同产生切应力，且相邻层间黏结力不强，层间因收缩速度不同产生切应力，且相邻层间黏结力不强，故切应力的破坏作用是主要的，所以肥煤焦炭中以平行于故切应力的破坏作用是主要的，所以肥煤焦炭中以平行于炭化室墙的横裂纹居多。纵横裂纹使炭化室内的焦饼碎成炭化室墙的横裂纹居多。纵横裂纹使炭化室内的焦饼碎成不同块度的焦炭，也就具有不同的抗碎强度。炭化室内由不同块度的
41、焦炭，也就具有不同的抗碎强度。炭化室内由于单向供热必然造成各层升温速度不同，从而使各层焦炭于单向供热必然造成各层升温速度不同，从而使各层焦炭的块度、耐磨强度和抗碎强度也就不同。的块度、耐磨强度和抗碎强度也就不同。室式结焦过程室式结焦过程 三、工艺条件对结焦过程的影响三、工艺条件对结焦过程的影响 1 1、加热速度、加热速度 提高加热速度使煤料的胶质体温度范围加宽，流动性增提高加热速度使煤料的胶质体温度范围加宽，流动性增加，从而改善煤料的黏结性，使焦块致密加，从而改善煤料的黏结性，使焦块致密。实验证明这是因。实验证明这是因为改变了煤的热解动态过程，即快速加热使侧链断裂形成液为改变了煤的热解动态过程
42、，即快速加热使侧链断裂形成液相的速度和碳网增加，液相显出速度之差值增加，从而加大相的速度和碳网增加，液相显出速度之差值增加，从而加大了胶质体的温度停留范围，改善了胶质体的流动性，同时单了胶质体的温度停留范围，改善了胶质体的流动性，同时单位时间内产生的气体增加，增大了膨胀压力，因而提高了煤位时间内产生的气体增加，增大了膨胀压力，因而提高了煤的黏结性。利用快速加热，可以提高弱黏结性的气煤、弱黏的黏结性。利用快速加热，可以提高弱黏结性的气煤、弱黏煤甚至长焰煤的黏结性，这就扩大了炼焦煤源，热压型焦就煤甚至长焰煤的黏结性，这就扩大了炼焦煤源，热压型焦就属于这一基本原理。但快速加热对半焦收缩是不利的，因为
43、属于这一基本原理。但快速加热对半焦收缩是不利的，因为提高加热速度使收缩速度加快，相邻层的联接强度加大，从提高加热速度使收缩速度加快，相邻层的联接强度加大，从而收缩应力大，产生的裂纹多，故合理的加热速度应是而收缩应力大，产生的裂纹多，故合理的加热速度应是黏结黏结阶段快阶段快，收缩阶段慢收缩阶段慢。室式结焦过程室式结焦过程 现代焦炉炭化室内的结焦过程无法调节各阶段的加热，现代焦炉炭化室内的结焦过程无法调节各阶段的加热，且实际上湿煤、干煤、胶质体由于导热性能差，加热速度慢，且实际上湿煤、干煤、胶质体由于导热性能差，加热速度慢，半焦和焦炭反而加热快，这是现代炭化室的根本缺点。半焦和焦炭反而加热快，这是
44、现代炭化室的根本缺点。2 2煤料细度煤料细度实验表明，煤料粉碎度和焦炭强度呈如下关系：同一种实验表明，煤料粉碎度和焦炭强度呈如下关系：同一种煤的粉碎度增加，焦炭强度增加，当煤粉碎度达到某极限值煤的粉碎度增加，焦炭强度增加，当煤粉碎度达到某极限值后，继续增加时焦炭强度反而降低。对不同的煤种，和其焦后，继续增加时焦炭强度反而降低。对不同的煤种，和其焦炭强度的极大值对应的粉碎度取决于煤的黏结性，黏结性愈炭强度的极大值对应的粉碎度取决于煤的黏结性，黏结性愈好的煤，与其焦炭强度极大值对应的煤粉碎度愈高。这是因好的煤，与其焦炭强度极大值对应的煤粉碎度愈高。这是因为粉碎度提高时，煤粉的分散表面积增加，由于固
45、体颗粒对为粉碎度提高时，煤粉的分散表面积增加，由于固体颗粒对液体的吸附作用使胶质体黏度增大，不利于气体的析出，使液体的吸附作用使胶质体黏度增大，不利于气体的析出，使黏结阶段的膨胀压力增大，因而使煤的黏结性提高。黏结阶段的膨胀压力增大，因而使煤的黏结性提高。室式结焦过程室式结焦过程 煤料越肥，对焦炭强度的影响趋向于收缩应力的降低，煤料越肥，对焦炭强度的影响趋向于收缩应力的降低，故细粉碎有利于得到裂纹少、块度大、质量均一的焦炭。但故细粉碎有利于得到裂纹少、块度大、质量均一的焦炭。但对配合煤而言，应根据单种煤的特性，确定粉碎度。一般情对配合煤而言，应根据单种煤的特性，确定粉碎度。一般情况为增加弱黏结
46、煤的用量，则应对强黏结煤况为增加弱黏结煤的用量，则应对强黏结煤粗粉碎粗粉碎以保持其以保持其黏结性，弱黏结煤黏结性，弱黏结煤细粉碎细粉碎以利于分散。以利于分散。因此对于不同的煤料，为得到强度最好的焦炭，应寻找因此对于不同的煤料，为得到强度最好的焦炭，应寻找各自最适合的细度。各自最适合的细度。3 3、堆密度、堆密度 增加增加装炉煤的装炉煤的堆密度堆密度，使煤粒间隙减小，膨胀压力增大，使煤粒间隙减小，膨胀压力增大，填充间隙所需的液态物质减少，在胶质体数量和性质一定时，填充间隙所需的液态物质减少，在胶质体数量和性质一定时，可以改善煤的黏结性可以改善煤的黏结性。但堆密度的增大，使相邻层的联接强。但堆密度
47、的增大，使相邻层的联接强度加强，且伴随着收缩应力的增加，使焦炭的裂纹增加。因度加强，且伴随着收缩应力的增加，使焦炭的裂纹增加。因此，只有当黏结性差的气煤配用量较大时，采用增加堆密度此，只有当黏结性差的气煤配用量较大时，采用增加堆密度的方法来提高焦炭的强度。的方法来提高焦炭的强度。室式结焦过程室式结焦过程 4 4填加物填加物 煤料黏结性不好时，可以加入煤料黏结性不好时，可以加入沥青等黏结剂沥青等黏结剂，增加，增加结焦过程中的液相以改善黏结性。但这种黏结剂应要求结焦过程中的液相以改善黏结性。但这种黏结剂应要求在煤料胶质体阶段有较好的热稳定性，故最好采用高沸在煤料胶质体阶段有较好的热稳定性，故最好采
48、用高沸点沥青。点沥青。当煤料收缩性很大时，可在不使煤黏结性降低很多当煤料收缩性很大时，可在不使煤黏结性降低很多的情况下，加入经细粉碎的无烟煤粉、焦粉等的情况下，加入经细粉碎的无烟煤粉、焦粉等瘦化剂瘦化剂以以减少收缩内应力，从而提高焦炭块度。减少收缩内应力，从而提高焦炭块度。室式结焦过程室式结焦过程 四、室式结焦过程中煤料硫分、灰分与焦炭硫分、灰四、室式结焦过程中煤料硫分、灰分与焦炭硫分、灰分的关系分的关系 1 1硫的动态与焦炭硫分硫的动态与焦炭硫分 配合煤硫分既可按单种煤硫分用加和计算，也可直接配合煤硫分既可按单种煤硫分用加和计算，也可直接测定。在炼焦过程中，煤中的部分硫如硫酸盐和硫化铁转测定
49、。在炼焦过程中，煤中的部分硫如硫酸盐和硫化铁转化为化为FeSFeS、CaSCaS、FeFen nS Sn+1n+1而残留在焦炭中（而残留在焦炭中（S S残残），另一部分），另一部分硫如有机硫则转化为气态硫化物，在流经高温焦炭层缝隙硫如有机硫则转化为气态硫化物，在流经高温焦炭层缝隙时，部分与焦炭反应生成复杂的硫碳复合物（时，部分与焦炭反应生成复杂的硫碳复合物（S S复复）而转）而转入焦炭，其余部分则随煤气排出（入焦炭，其余部分则随煤气排出（S S气气），随焦炉煤气带），随焦炉煤气带出的硫量因煤中硫的存在型态及炼焦最终温度而异。出的硫量因煤中硫的存在型态及炼焦最终温度而异。室式结焦过程室式结焦过程
50、煤中硫分转入焦炭的百分率，按物料平衡得：煤中硫分转入焦炭的百分率，按物料平衡得：（2-12-1）式中式中 S S煤煤煤的硫含量，煤的硫含量，%。一般一般S=60%S=60%70%70%，即室式焦炉的脱硫能力约即室式焦炉的脱硫能力约30%30%40%40%，煤中的硫约有煤中的硫约有60%60%70%70%转入焦炭中。因此配合煤硫分控制值转入焦炭中。因此配合煤硫分控制值可按焦炭硫分要求用下式计算：可按焦炭硫分要求用下式计算：，%（2-22-2）式中式中 S S焦焦焦炭硫分，焦炭硫分，%；K K全焦率，全焦率，%。%SSSSSSS残复煤气煤煤焦煤SSKS室式结焦过程室式结焦过程 当当S=60%S=6
