煤岩配煤炼焦发展与现状

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1、配煤炼焦 张德祥 教授 华东理工大学能源化工系 E-mail: zdx 20112011年年8 8月月 提 纲 背景 焦炭及其性质 煤的高温干馏炼焦 炼焦配煤的质量要求 配煤炼焦原理及其技术 煤岩分析 高温炼焦的发展 焦炭及其性质 一、焦炭的宏观构造 焦炭是一种质地坚硬，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。其真密度为1.81.95g/cm3, 视密度为0.081.08g/cm3,气孔率为35%55%,堆密度为400 500kg/m3。 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

2、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。 焦炭及其性质 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。孔孢结构通常用气孔平均直径、孔径分布、气孔壁厚度 和比表面积等参数表示。 焦炭在转鼓内的运动 焦炭及其性质 二、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 （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： 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

3、和耐磨强度两个指标来表示 。当焦炭表面承受的切向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。 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。 焦炭的工业分析包括焦炭水分、灰分和挥发分及焦炭中 固定碳的计算。 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2.23.0%。 若能将焦炭灰分由

4、14.5%降至10.5%，以年产7000万吨 生铁的高炉计算，可以节约熔剂227万吨、焦炭385万吨，同 时可以增加生铁1015万吨，还可大大降低铁路运输量。 三、焦炭的化学组成 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+H2OH2 +CO-131110kJ/mol （2） C+CO22CO-173 kJ/mol （3） 反应（1）也称焦炭的燃烧性，高炉内主要发生在风 口区1600以上的部位。 反应（2）也称水煤气反应。 反应（3）也称碳素溶解反应（高炉内主

5、要发生在900 1300的软融带和滴落带）。 影响焦炭反应性因素 （1）原料煤性质 焦炭反应性随原料煤煤化度变化而变化 ，如图1-5。低煤化度的煤炼制的焦炭反应性较高；相同 煤化度的煤，当流动度和膨胀度高时制得的焦炭，一般反 应性较低；不同煤化度的煤所制得的焦炭，其光学显微组 织不同，反应性不同。金属氧化物对焦炭反应性有催化作 用，原料煤灰分中的金属氧化物（K2O，Na2O，Fe2O3，CaO ，MgO等）含量增加时，焦炭反应性增高，其中钾、钠的 作用更大。 一般情况下，钾、钠在焦炭中每增加0.3%0.5%， 焦炭与CO2的反应速度约提高10%15%。 图1-5 原料煤的煤化度与所得焦炭反应性

6、的关系 影响焦炭反应性因素 （2）炼焦工艺 提高炼焦最终温度，结焦终了时采取 焖炉等措施，可以使焦炭结构致密，减少气孔表面，从而 降低焦炭反应性。采用干熄焦可以避免水汽对焦炭气孔表 面的活化反应，也有助于降低焦炭反应性。 （3）反应速率参数 焦炭与CO2的反应是气固相反应， 其反应速率决定于化学反应速度和气体的扩散速度。从实 验中得到如下关系式： ，mol/s 五、块焦反应率及反应后强度 将一定量的焦炭试样在规定的条件下与纯CO2气体反应 一定时间，然后充氮气冷却、称重，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 ）。 （1-11） 式中 G0参加反应的焦炭试样质

7、量，kg； G1反应后残存焦炭质量，kg。 也可用化学反应后气体中CO浓度（相当于反应掉的碳 ）和（CO+CO2）浓度之比的百分率表示块焦反应率，即 （1-12） 式中 CO、CO2反应后气体中CO、CO2气体的浓度，%。 五、块焦反应率及反应后强度 经过CO2反应的焦炭，充氮冷却后，全部装入转鼓， 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。 （1-13） 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1-6 所示。块状焦炭在 一定尺寸的反应器中，在模拟生产的条件下进行的反应性 实验属块焦

8、反应性实验。 五、块焦反应率及反应后强度 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反应性 指数。 图1-6 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 煤的高温干馏炼焦 煤的干馏是煤在隔绝空气条件下加 热至较高温度时，所发生的一系列物理 变化和化学反应的复杂过程，称为煤的 热解，或称热分解和干馏。 当热解最终温度为（1000 1050），通常称之为炼焦。 典型烟煤在干馏时的热分解过程示意图 (1)在150左右,有一个吸热峰;(2) 在350550范围内, 有一个吸热峰; (3) 在750850的范围内,有一个

9、放热 峰,表明此阶段为放热效应,是煤热解残留物互相缩聚。 煤的差热分析曲线 焦炭的质量要求 焦炉类别粒度 /mm (灰分 )/% (硫分 )/% (挥发 分) /% 气孔 率/% 反应性 mL(CO2).g .s 比电 阻 /.cm 高炉焦炭25151.01.2420.40.6 铸造焦炭80120.81.5420.5 电热化学焦炭5251533.0421.50.2 矿粉烧结焦 炭 031533.0401.5 民用焦炭10202.520.0401.5 炼焦配煤的质量要求 (1)水分 应力求稳定，大致控制在 (水)1011，水分过 多会使结焦时间延长。 (2)细度 它指配煤中小于3 mm的颗粒占配

10、煤的百分数，常规炼焦 时为7280，配型煤炼焦时约85，捣固炼焦时约90以上 。且尽量减少0.5mm的细粉含量。 (3)灰分 煤料中灰分全部残留在焦炭中，一般要求配煤时(灰分) 10。配煤灰分可根据所配煤种的灰分，按加和性计算。 (4)硫分 煤中硫通常以黄铁矿，硫酸盐及有机硫的形式存在，煤 的洗选只能除去黄铁矿中的硫。炼焦时煤中硫约8090残留 在焦炭中，故要求煤料中硫含量越低越好，一般配煤时(硫)1 。配煤的硫含量可按加和性计算。 炼焦配煤的质量要求（2） (5)配煤的煤化度 常用的煤化度指标是干燥无灰基挥发 分(Vdaf)和镜质组平均最大反射率(Rmax)。在很 宽的煤化度区间，两者有密切

11、的线性相关关系， 据鞍山冶金热能所对中国148种煤所作的回归分析 ，得到的回归方程： Rmax 2.350.041 Vdaf ( r0.947) 配煤的挥发分可直接测定，也可按加和性计算， 但是在炼焦过程中，配煤中各组分煤和热解中间 产物之间存在着相互作用，测定值与计算值会有 一些差异。配煤的Rmax可直接测定，也可按加和 性计算，测定值与计算值一般不会有明显差异。 炼焦配煤的质量要求（3） 配煤的煤化度影响焦炭的气孔率、比表面积、光学显 微结构及反应后强度。经过大量的试验和综合各方面 的因素后已确定，为了制取大型高炉用焦炭，配煤煤 化度指标的适宜范围是Rmax1.21.3，或Vdaf 262

12、8%。 炼焦配煤的质量要求（4） (6)配煤的粘结性指标 这是影响焦炭强度的重要因素，室 式炼焦配煤粘结性指标的适宜范围是：以最大流动度 MF为粘结性指标时，为70(或100)103 DDPM(表示 转速，以分度分表示，360为100分度，转速越快 ，则流动 度越大)； 以奥亚膨胀度t为指标时t50； 以胶质层最大厚度 y为指标时，y 1722 mm； 以粘结指数 G为指标时，G5872。 配合煤的粘结性指标一般不能用单种煤的粘结性指标 按加和性计算。 炼焦配煤的质量要求 （5） (7)配煤的膨胀压力 配煤的膨胀压力只能由实验测定，不能 从单种煤的膨胀压力按加和性计算。通常在常规炼焦 配煤范围

13、内，煤料的煤化度加深则膨胀压力增大。对 同一煤料，增加煤的相对堆密度，膨胀压力也增加。 中国用粘结指数G及干燥无灰基挥发分Vdaf两个 指标，来预测焦炭强度 M40和M10： M40120.1472.104Vdaf0.144G (0.925) M1012.7940.452 Vdaf0.0243G (0.886) 式中：配煤挥发分可由加和性计算，而G值用加和性计算时 会有一定偏差，如各单种煤粘结性差别大时，出现偏 差的可能性增加。 室式结焦过程 在室式结焦过程中，煤粒的黏结是发生在煤粒之间的 接触交界面上，其粘结组分就是煤热解产生的液相物质， 是一个复杂的物理和化学过程，煤在热解中要形成黏结好

14、的半焦，必须具备以下条件： （1）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； （2）胶质体存在的温度间隔足够大，胶质体的流动性好； （3）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； （4）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； （5）黏结性不同的煤粒在空间要均匀分布。 煤在炭化室中成焦过程 2各层炉料的传热性能对料层状态和温度的影响 1炭化室表面温度；2炭化室墙附近煤料温度；3距炉墙50mm60mm处 煤料温度；4距炉墙130mm140mm处的煤料温度；5炭化室中心部位的煤 料温度 配煤炼焦原理及其技术 配煤炼焦原

15、理 （1）胶质层重叠原理 配煤炼焦时要求配合煤中个单种煤的胶质体的软化区 间和温度间隔能较好地搭接，这样可使配合煤在炼焦过程 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。 不同变质程度的炼焦煤塑性温度区间不同，其中肥煤 的开始软化温度最早，塑性温度区间最宽，瘦煤固化温度 最晚，塑性温度区间最窄。在配煤炼焦时，中等挥发的强 粘煤起重要作用，它可以与各类煤在结焦过程中结合良好 ，从而获得优质焦炭。 在热解过程中，胶质体的液相分解、缩聚和固化而生成 半焦，如下: 胶质体的生成及转化示意图 I软化开始阶段； II开始形成半焦阶段；III煤粒强烈软化和半焦破 裂阶段 1煤；2胶质体；3半焦 胶质体的性质 煤结构和热解的关系 配煤炼焦原理 （2）互换性原理 根据煤岩学原理，煤的有机质可分为活性组分（ 粘结组分）和非活性组分（惰性组分）两类。煤的吡 啶抽提物为粘结组分，要求有一定的数量，标志煤粘 结能力的大小；残留部分为纤维质组分（相当于惰性 组分），要求有一定的强度，它决定焦炭的强度。 要制得强度好的焦炭，配合煤的粘结组分和纤维质组 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要求时，可以用添加粘结剂或 瘦化剂的办法加以调整。