炼焦过程与配煤原理

炼焦过程与配煤原理
本章内容:
第一节 第二节 第三节 第四节 炭化室内结焦过程特点 影响炭化室结焦过程的因素 配合煤的质量 配煤原理
第一节 炭化室内结焦过程特点
特点:1、单向供热，成层结焦；
2、结焦过程中的传热性能随炉料的状态和温度而变
化
一、温度变化与炉料动态
1、成层结焦过程与炼焦最终温度 由于单向供热，且炉料导热系数低，故在结焦过程的大 部分时间内炭化室中心面法线方向上炉料内温度梯度较大。 在同一时间内，离炭化室墙面不同距离的各层煤料因温度不
二、各层温度梯度、升温速度和焦炭质量
由以上的讨论可知，各层的温度梯度和升温速度不同， 因此 导致各层焦炭的质量也有一定的差异，如图所示。 靠近炉墙的煤料，温度梯度大，升温速度快，塑性温度区间 变宽，塑性体内煤热解产物之间作用改善，从而改善了焦炭
质量：真密度、导电率、显微强度增大，气孔率降低，反应
性降低，反应后强度提高。但裂纹深、粒度小。熔融性好， 致密。靠近炉墙面的焦炭面扭曲如菜花俗称占全部 配合煤的质量百分数。 常规炼焦时约为72~80%； 配型煤炼焦时约为85%； 捣固炼焦时应大于90%。 7、膨胀压力 膨胀压力与粘结性指标间不存在规律的 相关关系，只能实测。
G
焦煤
肥煤
瘦煤
气煤
Vdaf 配煤原理图
第四节 配煤原理
一、胶质层重叠原理 该原理要求配合煤中各单种煤的胶质体的 软化区间和温度间隔能较好的搭接，这样可使 配合煤料在炼焦过程中能在较大的温度范围内 处于塑性状态，从而改善粘结过程，并保证焦 炭的结构均匀性。不同的牌号的炼焦煤的塑性 温度区间如图所示。
定义:ΔS =G焦S焦) /(G煤×S煤) =(G焦/ G煤) × (S焦/S煤) = K × (S焦/S煤) 一般ΔS = 0.6--0.7, 即煤中的硫有60--70%转入焦炭中。 G气×S气 G煤×S煤 所以，S焦 = S煤×ΔS/K 焦 炉 式中：S焦——焦炭硫分，% S煤——入炉煤硫分，%; K——全焦率，%， 一般为74—75%。 K =G焦/ G煤 所以ΔS/K = 0.8--0.93, 即S焦/S煤 = 0.8--0.93
G焦×S焦
2、焦炭灰分
煤料中的灰分全部转入焦炭中，由物料衡算可得： G 煤 A煤 = G 焦 A焦 + G 气 A 气 G气 ∵ A气 = 0 ∴ G煤A煤 = G焦A焦 G煤 G焦 则 A煤 = A焦（G焦/G煤） 焦炉 记 K= G焦/G煤 则 A焦 = A煤/K，% 式中： A焦——焦炭灰分，% A煤——煤料灰分，%
一、配合煤质量要求
1、配煤的目的与意义 单种煤炼焦从数量（资源）上和质量上都不能满足现代大型高炉对 焦炭质量的要求。 2、配煤原则 （1）配合煤性质与本厂预煤处理工艺及炼焦条件相适应，焦炭质量满 足用户的要求； （2）符合本地区煤炭资源条件，有利于扩大炼焦煤源； （3）有利于增加炼焦化学产品；避免膨胀压力过大，推焦困难； （4）缩短煤源平均运距，便于车皮调配，避免煤车对流，要特殊情况 下有调节余地； （5）来煤数量稳定，质量均匀； （6）在上述前提下，尽量降低生产成本，以期提高经济实效。
结焦过程中煤料的状态随时间而变化，不同状态的各种中间 产物的热容、导热系数、相变热、反应热等均不同，所以炭化 室内煤料的温度场是不均匀、不稳定温度场，其传热过程属于 不稳定传热。
炭化室结焦过程中煤料的温度变化如图所示。
由图可说明如下几点： （1）在任一温度区间内，各层的温度梯度和升温速度均不同。 （2）湿煤装炉时，炭化室中心面煤料温度升到100℃以上所需
时间相当于结焦时间的一半左右。
（3）由于成层结焦两个大体上平行于炭化室墙面的塑性层也从 两侧向炭化室中心面逐渐移动。同时，由于炉顶和炉底的 传热，在上部和下部也形成塑性层，这样就构成了一个膜 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、焦炭层而施于炭化室墙以侧压力——膨胀压力。当
膜袋在炭化室中心面上会合时的膨胀压力最大，又称为最 大膨胀压力，通常所说的膨胀压力，指的就是最大膨胀压 力。
二、互换性配煤原理
该原理为日本人城博提出，他把煤的有机质分成： 粘结组分——即煤的吡啶抽出物，决定煤的粘结能力； 纤维质组分——煤的吡啶抽提残留物，决定焦质的强度； 该原理认为：要制得强度好的焦炭，配合煤的粘结组分和 纤维组分应有适宜的比例，而且纤维质组分应有足够的强 度。当配合煤达不到相应的要求时，可以用添加粘结剂或 瘦化剂的办法来加以调整。所此，提出了如图所示的互换 性配煤原理图，并指导配煤：
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四、二次热解与化学产品
1、炼焦最终温度与化学产品组成 高温炼焦的化学产品组成不同于低温干馏化学产品。高温炼焦 的化学产品不是煤热分解直接生成的一次热解产物，而是一次热 解产物在析出途中经高温作用二次热解产物。其产率取决于装炉 煤的挥发分。其组成取决于荒煤气在析出途中所经受的温度、停 留的时间和装炉煤的水分。如下表所示。
四、炼焦最终温度和焖炉时间
提高炼焦最终温度与延长焖炉时间，可使结焦后期的热分解 和热缩聚程度提高。有利于降低焦炭的挥发分含量和氢含量，使 气孔壁材质密度提高，从而提高焦炭显微强度、耐磨强度和反应 后强度。但气孔壁致密化的同时，微裂纹将扩展，因此，块度和 抗碎强度降低。见下表和图：
第三节 配合煤的质量
2、气体析出途径与二次热解反应
煤结焦过程的气态产物大部分是在塑性温度区间、特别是在 固化温度以上产生的，炭化室内干煤层热解生成的气态产物和塑 性层内产生的气态产物的一部分从塑性层内侧和顶部流经炭化室 顶部空间而排出，这部分气态产物称为“里行气”，约占气态产 物的10 ~ 25%。 塑性层内产生的气态产物中的大部分及半焦层内产生的气态 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 流经炭化室顶部空间而排出，这部分气态产物称为“外行气”， 约占气态产物的75 ~ 90%。 外行气要发生裂解、脱氢、缩合、脱烃基等二次热解反应。
同而处于结焦过程的不同阶段。整个炭化室内炉料的状态则 随结焦过程的进行而不断变化。如图所示。
成层结焦——结焦过程从两侧炭化室墙面开始，一层层地逐渐 向炭化室中心面扩展，称为成层结焦。 炼焦最终温度——结焦末期炭化室中心面温度，称为炼焦最终 炼焦温度，作为焦饼成熟程度的标志。
2、等温线分布、升温速度、温度梯度、膨胀压力
第二节 影响炭化室结焦过程的因素
一、装炉煤堆密度 增大密度可以改善焦炭质量，特别对弱粘结煤尤为明 显。 二、装炉煤水分 水分影响结焦时间和炼焦耗热量；
水分每增加1%，结焦时间处长20分钟；
水分影响装炉煤的堆密度，如图所示：
三、炼焦速度
——指炭化室平均宽度与结焦时间的比值，mm/h； 炼焦速度反映炭化室内煤料结焦过程的平均速度，根据结焦机 理，提高升温速度可以使塑性温度间隔变宽，流动性改善，有利于 改善焦炭质量。表现为：熔融性改善，耐磨强度提高，但裂纹率增 加，块度变小。炼焦速度与炭化室宽度有关： 炭化室宽度,mm 500 450 407 350 结焦时间,h 20 17 15 12 炼焦速度，mm/h 25.0 26.5 27.1 29.2 炼焦速度的选择： 1、当入炉煤粘结性较差时，宜采用窄炭化室、高炼焦速度； 2、当入炉煤粘结性较强时，宜采用宽炭化室、低炼焦速度，以降 低膨胀压力；
5、粘结性
配合煤的粘结性指标影响焦炭强度的重要因素， 根据结焦机理，配合煤中各单种煤的塑性温度区间 应彼此衔接和依次重叠。 粘结性一般没有加和性。常用的指标较多。各 国都有自己的指标。一般认为其适宜范围为： MF = 70 ~ 1000DDPM bt ≥50% Y = 17 ~ 22mm G = 58 ~ 72
二、配合煤质量指标 1、水分 配合煤水分应力求稳定，以利于焦炉加热制度的稳 定和炼焦耗热量的降低。 2、灰分 灰分是有害杂质。 配合煤的灰分可根据单种煤的灰分按加和性计算，也 可实测。 A=ΣAiXi 3、硫分 硫分是有害杂质。 配合煤的硫分可根据单种煤的灰分按加和性计算，也 可实测。 S=ΣSiXi
4、煤化度
常用的指标有：Vdaf 和Rmax，二者有很强的相关性： Rmax = 2.35 – 0.041Vdaf ( 相关系数 r = -0.947) 二者均可按加和性计算，前者有误差。 当Vdaf = 25 ~ 28%, Rmax = 1.1 ~ 1.4%时, 焦炭的气 孔率和比面积最小; 当Vdaf = 18 ~ 30%, Rmax = 1.1 ~ 1.6%时, 焦炭的各 向异向程度较高; 当Vdaf = 18 ~ 30%, Rmax = 1.15 ~ 1.30%时,焦炭的 耐磨强度和反应后强度处于最佳范围。 一般认为，对于大型高炉用焦炭其配合煤的煤化度 指标应控制在： Vdaf = 26—28% Rmax = 1.2—1.3%
三、室式炼焦过程中煤料硫分、 灰分与焦炭硫分、灰分的关系 1、硫的动态与焦炭硫分 装炉煤中的硫分，一部分如硫酸盐和 FeS 2 转 化为FeS、CaS和 FenSn+1而残留于焦炭中 （ S 残 ），另一部分如有机硫则转化为气态硫物， 其中部分随荒煤气析出（ S 气 ），部分则在流经 高温焦炭层缝隙时与焦炭反应生成复杂的硫碳 复合物而进入焦炭中（S复）。