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1、炼焦工艺学 赵雪飞 教授 辽宁科技大学化学工程学院 主要内容 中国炼焦工业 煤化学基础知识 炼焦技术史 炼焦基础知识 捣固炼焦技术与焦炭质量 煤调湿技术与焦炭质量 配型煤技术与焦炭质量 Coke Flow Diagram Coke Oven One Metric Ton of Coal Yields: Blast Furnace Coke: 600 - 700 kg Coke Breeze: 50-100kg 70% Solids Coke Oven Gas 300 - 360 m3 Tar35 - 50 L Ammonium Sulphate10 - 15 kg Ammonia Liquor
2、60 - 145 L Light Oil10 - 15 L 30% Gas + Liquid Flushing Liquor Steam 2000F Coke Oven Liquor Tar Decanter Sludge Decanter Tar Feed Tank Heater Pitch Distillate Stream Distillation Tower Steam PRODUCTION OF COAL TAR PITCH gas 200F Coal 一、中国炼焦工业 2010年焦炭产量已达到2.8亿吨，占世界焦炭产量的 60%。 焦炉大型化，7.63m、7m、6m、5.5m、4.
3、3m、6.25m （捣固）、5.5m（捣固）、4.3m（捣固）。 优质炼焦煤资源出现了短缺的现象。 节约优质炼焦煤，满足焦炭质量，降低生产成本， 提高经济效益，是每个焦化企业所面临的重大问题 。 采用捣固炼焦技术、煤调湿技术、配型煤技术，减 少优质炼焦煤的配入量，改善焦炭质量，是解决这 一问题的有效途径。 二 煤化学基础知识 植物(高等植物、低等植物） 死亡（潮湿、沼泽、多水） 泥炭化过程（厌氧细菌分解、 凝胶化作用） 成岩过程（地壳运动、埋藏、 失水、压力作用、生成褐煤） 变质作用（温度、压力） 褐煤、长烟煤、烟煤（气煤、 肥煤、焦煤、瘦煤）贫煤、无 烟煤。 煤的生成 1 煤是由什么生成的
4、？ 煤是由古植物演变而来 （1 1） 煤层中发现大量古植物化石和炭化了的树干煤层中发现大量古植物化石和炭化了的树干 （2 2）煤层底板的粘土类岩石中找到了植物根部的痕迹）煤层底板的粘土类岩石中找到了植物根部的痕迹 （3 3）由煤磨成的薄片在显微镜下观察，可以看到植物）由煤磨成的薄片在显微镜下观察，可以看到植物 细胞的残迹以及孢子、花粉、树脂、角质等植物残体。细胞的残迹以及孢子、花粉、树脂、角质等植物残体。 2 古植物分类 低等植物： 高等植物： 陆生孢子植物；蕨类、苔藓 种 子 植 物：裸子植物、被子植物 古植物为煤的形成准备了原始物料. 不论是高等植物还是低等植物都可参与成煤. 低等植物（水
5、生）高等植物（陆生）（即由 简单到复杂） （1）藻类植物: （2）蕨类植物时期： （3）裸子植物时期： （4）被子植物时期：被子植物（又称显花植物 ） 3 植物发展的主要阶段 （1）古生代的石炭纪和二叠纪：孢子植物 烟煤 无烟煤 40.6% （2）中生代的侏罗纪，白垩纪： 裸子植物 烟煤 无烟煤 4.3% (3)新生代的第三纪： 被子植物 褐煤 烟煤 54.4% 4 主要的成煤期 在地质史上有三个重要时期，曾经生长过大量的 古植物并参与成煤（即演变成煤），我们把这些时期 称成煤期。 5 成煤条件、煤种和成煤阶段划分 成煤植物堆积环境煤种所占比例 高等植物沼泽腐植煤90%以上 高等植物稳定组 分
6、富集（脂类） 沼泽残植煤 很少 低等植物 湖泊或沼 泽深水 腐泥煤很少 （1） 煤的成因分类 （2） 成煤基本条件 自然条件自然条件 气候温和、土壤湿润气候温和、土壤湿润 地理条件地理条件 沼沼 泽泽 地址条件地址条件 地壳升降地壳升降 （3） 成煤阶段划分 成煤过程分为：泥炭化阶段和煤化阶段成煤过程分为：泥炭化阶段和煤化阶段 煤炭分为：煤炭分为： 褐煤、烟煤、无烟煤褐煤、烟煤、无烟煤 泥炭化作用 植物遗体的分解类型 分解类型分解条件作用产物 全败作用在少量水、氧气十分充足 喜氧菌真菌 矿物 半败作用在少量水和氧气不足 喜氧菌 腐殖土 泥炭化作用沼泽中堆积，先少氧，后 无氧 ，逐渐没入水中 生
7、物化学和 物理化学 泥炭 沼泽内植物生长茂盛 沼泽内植物生长茂盛 地壳下沉逐渐 将古植物掩埋 最终形成煤炭 泥炭的特点泥炭的特点 表中“腐”表示腐植酸。 腐植酸是多种高分子芳香酸的混合物，含大量的 COOH、-OH，组成十分复杂。 纤纤、 半 木蛋沥沥青腐CHNO+S 植物/% 50 20 1-101-3 05061-1.6-42 泥炭/% 1-20 0.4- 0.8 0-10-52-50-6.51-3-27 煤化作用（成岩作用、变质作用） 当泥炭由于地壳下沉等原因被沉积物覆盖时， 泥炭化即告结束，转入煤化作用阶段。 成岩阶段成岩阶段 压紧失水、胶体老化 褐褐 煤煤 变质阶段变质阶段 煤化作用
8、阶段 无定形泥炭无定形泥炭 变质作用 褐褐 煤煤 地热T、顶板压力P、作用时间 烟煤、烟煤、 无烟煤无烟煤 6 煤分类 按变质程度分类： 褐煤、长烟煤； 烟煤（气煤、肥煤、焦煤、瘦煤）； （具有黏结性煤，作为炼焦用煤） 贫煤、无烟煤； 用挥发份来表示煤的变质程度。 7 煤的化学分析 ItemsPeatBrownSub- bituminous coal Bituminous coal Anthracite H2O/%75-8050-7025-305-102-5 Dry Bssis /non- ash C/%50-6060-7575-8080-9090-95 H/%5-65-65-64-52-3
9、O/%35-4020-3015-2010-152-3 Vilatile Matter/% 60-6545-5540-4520-405-7 Specific Energy kjg-1 (Dry Basis/non-ash) 2525-3028-3230-3535-38 8 煤的工业分析 煤的工业分析 是评价煤的 基本依据。 它包括煤的水分、灰分、挥发分 产率和固定碳四个项目的测定。 9 煤的热解(干馏）过程 定义：煤在隔绝空气或惰性气氛条件下持续加热至较高温 度时，所发生的一系列物理化学变化的复杂过程称为煤的热解或 干馏。 煤的热加工是当前煤炭加工中最重要的工艺，大规模的炼 焦工业是煤炭热加工的
10、典型例子，煤的热解与煤的热加工关系密 切，取得的研究成果对煤的热加工有直接的指导作用。 干馏温度6008001000 固体产品半焦中温焦炭焦炭 产品 固体产品 产率 焦油 % 煤气m3/吨干煤 808275777072 9106734 120200320 焦油成分烷烃多芳烃多 煤气 CH4 成分 H2 553825 314555 煤气发热量KJ/Nm3310002500018000 不同干馏温度下热解产物的产率 不同变质程度的煤干馏产物性质不同 褐煤、长烟煤干馏时产物：碎炭（ char） 、焦油（tar）和煤气（gas）。 气煤、肥煤、焦煤、瘦煤干馏时产物：块状 炭（coke）、焦油（tar）
11、和煤气（gas）。 贫煤、无烟煤干馏时产物：炭（carbon）、 少量焦油（tar）和煤气（gas）。 典型黏结性烟煤受热时发生的变化过程如下：典型黏结性烟煤受热时发生的变化过程如下： 1.1.干燥（干燥（120120）脱水。）脱水。 2.2.脱吸（脱吸（120-300120-300）: :释放吸附在毛细孔中气体（释放吸附在毛细孔中气体（CHCH 4 4 、COCO 2 2 、 COCO、N N 2 2 ）。）。 4.4.胶质体形成（胶质体形成（300-500300-500）也称塑性阶段，发生激烈热解分解）也称塑性阶段，发生激烈热解分解 析出气体析出气体CHCH 4 4 和烃类形成胶质体。和烃
12、类形成胶质体。 5.5.半焦形成阶段（半焦形成阶段（500-550500-550），胶质体分解缩聚固化形成半焦），胶质体分解缩聚固化形成半焦 6.6.半焦收缩阶段（半焦收缩阶段（550-750550-750）半焦分解收缩，析出大量）半焦分解收缩，析出大量H H 2 2 ，半，半 焦形成裂纹（第一收缩峰）。焦形成裂纹（第一收缩峰）。 7.7.焦炭形成阶段（焦炭形成阶段（750-1000750-1000）半焦进一步分解收缩，析出大）半焦进一步分解收缩，析出大 量气体，形成焦炭。量气体，形成焦炭。 黏结性煤的热解过程黏结性煤的热解过程 煤的粘结与成焦机理 炼焦煤的软化熔融及胶质体的形成 （a）软化开
13、始阶段（b）开始形成半焦阶段 （c）煤粒强烈软化和半焦破裂阶段 胶质体液相的来源 煤热解时结构单元之间结合比较薄弱的桥键断裂形成自由基碎片。其中一 部分相对分子质量不太大，含氢较多使自由基稳定化形成液体产物。 在热解时，结构单元上的脂肪侧链脱落，大部分挥发逸出，少部分参加缩 聚 反应形成液体产物。 煤中原有的相对分子质量低的化合物沥青，受热熔融变为液态。 固相煤在液相中的溶解（残留的固体部分在液体中部分溶解和胶溶）。 胶质体随热解反应进行数量不断增加，黏度不断降低，直至出现最大流 动度。当加热速度进一步提高时，胶质体的分解速度大于生成速度，因而不 断转化为固体产物和煤气，直至胶质体全部固化转为
14、半焦。 热稳定性 用煤软固化温度区间表示，即 t=t固-t软，t大，表示胶 质体停留时间长，其热稳定性好，煤粒间有充分的时间接触和相 互作用，利用煤粒间的粘结。 流动性 以煤的流动度或粘度来衡量。如果胶质体的流动性差，表明 胶质体液相数量少，不利于将煤粒之间或与惰性组分之间的空隙 填满。所形成的焦炭就熔融差，界面结合不好，耐磨性差。表明 煤的粘结性差，反之则利于煤的粘结。 透气性与膨胀性 用挥发物穿透胶质体析出时，所受到的阻力表示。透气性 对煤的粘结影响很大。若透气性差，则膨胀压力大，利于变形煤 粒间的粘结。 胶质体的性质 液体产物量足够多，将固体煤粒表面湿润，填满煤粒间的空隙 。 有足够的流
15、动性和热稳定性。 胶质体应具有一定粘度，有一定的气体生成量，能产生膨胀。 黏结性不同的煤粒应在空间均匀分布。 液态产物与固体粒子间应有较好的附着力。 液体产物进一步分解缩合得到的固体产物和未转变为液相的固 体粒子本身要有足够的机械强度。 透气性越小越易粘结。 煤粘结性好，应满足下列条件 半焦收缩与裂纹的生成 在550左右形成半焦后继续加热到1000时，半焦内的有机质进一步热 分解和热缩聚。热分解主要发生在缩合芳环上热稳定性高的短侧链和联接芳 环间的桥键上。分解产物以相对分子质量小的气态产物，以CH4和H2为主，无 液态产物生成。结焦后期，析出的气态产物的相对分子质量小，在750后全 部是H2，缩合芳环周围的氢原子脱落后，产生的游离键使固态产物之间进一 步热缩聚。从而使碳网不断增大，排列趋于致密。 由于成焦过程中半焦和焦炭内各点的温度和升温速度不同，致使各点的 收缩量不同，由此产生内应力。当内应力超过半焦焦炭物质的强度时，就会 形成裂纹。由热缩聚引起碳网不断增大和由此而产生焦炭裂纹，是半焦收
