配煤炼焦基础知识.docx

第一章、煤的基础知识一、煤的形成大约三十多亿年以前，地球上就已经有单细胞低等植物存在了。在整个地质年代中的 某些时期内，出于地球的 气候温暖、潮湿，而且有丰富的 矿物养料，因此植物生长得持别高大和繁茂。这些落群生长的 陆生植物，构成了成煤的 物质基础。在漫长的 地质年代里，地球的造山运动和地壳不断的 变动，使有些落群生长的 植物随着地壳下沉，后来慢慢地被水淹没，或者被山石覆盖。在多水缺氧的 情况下，堆积在水中的 植物残骸受一种“厌氧细菌”(不靠空气而靠夺取植物遗体里的 养份而生成的 微生物)的 作用，脱去不稳定的 含氧物质(一般以二氧化碳和水的 形式除去)，使残留物的 氧和氢的 含量减少，碳含量相对增高。与此同时，植物残骸还受到其他生物化学作用，产生大量的腐植酸及沥青类物质。这种既合有植物残骸未被分解的 族组成部份(如根、茎、叶、树皮等)，又含有腐植酸，而且碳含量比植物残骸高、水份比较大的 物质称为泥炭。在泥炭形成的 过程中，往往出现植物生此交替和地壳不断变动的 情况。如果地壳垂直下沉的 速度与泥炭堆积的 速度差不多，泥炭层就会不断地变厚；如果地壳垂直下沉的 速度比泥炭堆积的 速度大，随着时间的 推移。泥炭层的 上面就会被沙土覆盖而形成顶板，顶板越厚，泥炭受压力和地热的 作用就越大。由于地热和压力的 作用，使得泥炭中大分子缩合和构化程度提高，C/H原子比增大氢和氧含量减少，泥炭就变成了褐煤。褐煤如果继续不断地受到增高的 温度和压力的 作用，就会引起内部分子结构、物理性质和化学性质的 进一步变化，褐煤就逐渐变成了烟煤或无烟煤了。二、煤的分类1、腐植煤根据成煤的 原始物质条件不同，自然界的 煤可分为三大类，即腐植煤、残植煤和腐泥煤。腐植煤是由高等植物形成的 ，在自然界中分布最广，蕴藏量最大，用途最广；残植煤是由高等植物中稳定组份(树皮、孢子、角质、树脂)富集而形成的 ；腐泥煤是由低等植物和少量浮游生物形成的 （藻类、菌类、地衣等），分布范围小，煤层厚度不大。由于腐植煤分布范围广，且煤层厚度厚，是我国煤炭开采的 主要对象，而且在煤炭利用和化学加工方面占有主要的 位置，因此，这里主要介绍腐植煤的 相关知识！2、腐植煤的 分类腐植煤的 成煤过程主要分四个阶段：泥炭褐煤烟煤无烟煤。煤的 最初形态就是泥炭，这在前面已经介绍，下面主要介绍一下后面煤的 三种形态。2.1褐煤褐煤含炭在4570%，分低级和高级两种。低级褐煤呈现肉眼可见的 木材纤维结构，这是有植物残骸变成煤的 具体证明，其组织疏密不等，颜色灰褐。高级褐煤没有明显的 植物残骸式木质残骸的 痕迹，颜色由褐而黑。褐煤的 主要特征是水份高（2530%），热量小，放置空气中易变成粉末，无焦粘性，不能做炼焦用煤。2.2烟煤烟煤的 颜色由暗黑而亮黑，固定碳高（82%左右），发热量大，它的 挥发份含量一般在1145%之间，具有一定的 焦粘性，但烟煤种类较多，性质差异也较大，后面将会做详细介绍。无烟煤硬度较大，颜色黑亮有光泽，断口锐利，所含热量（约9009200大卡）和碳（95%左右）很高，主要做动力燃料。上述煤种中烟煤最适于焦化生产炼焦，是本教材研究的 重点，有时可根据具体情况使用少量的 无烟煤混配炼焦。3、烟煤的 分类按照我国目前的 分类标准，主要是以煤的 挥发份和粘结指数来划分种类。对于粘结性较强的 煤种，以挥发份和胶质层厚度、奥亚膨胀度来分类。烟煤主要分为气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、1/3焦煤、弱粘煤等。从实际使用效果等方面来分析，上述分类方法是比较简单的 ，所分种类存在一些问题。国际煤炭分类有三个指标，即挥发份、粘结性（自由膨胀序数和罗加指数）、结焦性（膨胀性试验、葛金试验），所分煤种较多也比较细。国际标准及企业标准4、烟煤的 工艺性质烟煤的 工艺性质是指煤炭在定的 加工工艺条件下或某些转化过程中所呈现的 特性。如煤的 粘结性、结焦性、可选性、低温干馏性、反应性、机械强度、热稳定性、结渣性、灰熔点、灰粘度和煤的 发热量等。炼焦通常研究它的 粘结性和结焦性。煤的 粘结性是指烟煤在干馏时粘结其本身或加入惰性物的 能力，即粉碎后的 煤在隔绝空气下加热，有机物的 热解形成胶质体，经气液固三相互相作用，变形粒之间或变形粒子与惰性颗粒间结合的 特性能力。这种特性表征为煤加热生成胶质体中液体部分多少，流动性大小，体现粘结性的 好坏，不能生成胶质体时，则没有粘结性。煤的 结焦性是指煤在工业焦炉或模拟工业焦炉的 炼焦条件下结成焦炭的 能力。即具有一定粘结性的 煤，当热解到一定程度后，逐步硬化，形成半焦，继续加热从半焦到焦炭，经热分解和热缩聚，进一步析出气体，焦质逐渐致密，同时产生收缩裂纹，以上说明煤的 结焦性包括形成半焦前的 粘结性和形成半焦后的 收缩性。煤的 粘结性和结焦性是两个概念，它们互相联系，但又有不同粘结性好的 煤在形成焦块时，可能裂纹较多，变碎，其结焦性不一定好，但结焦性好的 煤必须有良好的 粘结性；一般情况下肥煤粘结性最好，而焦煤的 结焦性最好。三、煤的 元素组成煤中含有多种元素，其主要元素有：1、碳(C)是煤的 主要组成部分,以氢、氧、氮、硫构成化合物的 形态存在。2、氢(H)是煤的 第二重要组成，位于炭环原子网周围，煤中氢含量随变质程度的 加深而减少。3、氧(O)是煤中的 重要元素之一，是反映能力最强的 元素，再煤中存在的 总量和形态直接影响着煤的 性质。煤在变质过程中不断放出二氧化碳和水，故煤中含氧量随变质程度的 加深而迅速降低。从泥炭到无烟煤，含氧量由3040%逐渐降到25%。4、氮(N)是构成煤有机物的 次要元素，主要由成煤植物的 蛋白质转化而来其含量通常在0.81.8%。5、硫(S)是煤中的 杂质，通常分为有机硫和无机硫，总称全硫，煤含硫量一般在1.5%以下，但高的 也可达78%。第二章 焦炭的 基础知识一、焦炭的 基本概念1、焦炭的 定义焦炭是一种质地坚硬、多孔、呈银灰色，并有不同粗细裂纹的 碳质固体块状材料，其真密度约180195，堆积密度约400520kgm3，由C、H、0、N、S、P等元素组成，在高炉炼铁中起还原剂、发热剂和料柱骨架的 作用。2.1硫份（St，d）硫是生铁冶炼的 有害杂质之一，它使生铁质量降低。由高炉炉料带入炉内的 硫有 11%来自矿石，3.5%来自石灰石，82.5%来自焦炭，所以焦炭是炉料中硫的 主要来源。焦炭硫份的 高低直接影响到高炉炼铁生产。当焦炭硫份大于1.6%，硫份每增加0.1%，焦炭使用量增加1.8%，石灰石加入量增加 3.7%, 矿石加入量增加0.3%高炉产量降低 1.52.0%. 冶金焦的 含硫量规定不大于 1%，大中型高炉使用的 冶金焦含2.2 磷份（P）焦炭中的 磷份在炼铁中大部分转入铁中，生铁含磷使其冷脆性变大，用于转炉炼钢时，因采用酸性熔渣，磷难以除掉，生铁含磷应低于0.010.015%，用于平炉炼钢时，因系碱性熔渣，磷可做燃料烧掉，煤炼焦时磷全部转入焦炭，若要求低磷焦炭，必须控制焦炭含磷，我厂对磷不做要求。2.3灰份（Ad）焦炭燃烧后的 残余物为灰份，主要成分是二氧化硅、三氧化二铝等酸性氧化物，在炼焦过程中全部转入焦炭。灰份含量增高，在高炉冶炼过程中，为造渣所消耗的 石灰石和热量将增加，高炉利用系数降低，焦比增加。焦炭灰份增加1%，焦炭用量增加22.5%因此，焦炭灰份的 降低是十分必要的 。2.4挥发份（Vdaf）将焦炭加热到850以上，即从焦炭中析出挥发物，剩余部分为固定碳和灰份。根据焦炭的 挥发份含量可判断焦炭成熟度。如挥发份大于 1.9%，则表示焦炭成熟不好，焦炭耐磨性差，使高炉透气性差，可能引起挂料，增加吹损，破坏高炉操作制度等恶果，；挥发份小于0.50.7%, 则表示过火，过火焦易碎，容易落入熔渣中，造成排渣困难、风口烧坏等现象，一般成熟的 冶金焦挥发份为 1%左右。2.5水份（Mt）焦炭在102105烘箱中干燥到横重后损失量即为水份。水份波动会使焦炭计量不准，从而引起炉况波动。此外，焦炭水份提高会使 M偏低，M10偏高，给转鼓指标带来误差。3、焦炭的 物理机械性质3.1筛分组成为使高炉透气性好，焦炭块度要求均匀。焦炉生产的 焦炭通常分为40mm焦炭，2540mm的 冶金焦，1025mm的 小块焦和10mm的 粉焦四级，全焦中冶金然产率通常为93%左右，小块焦为23%，粉焦为45%。为鉴定焦炭块度的 均匀性，可用筛孔为110110、8080、6060、4040、2525和1010mm的 一套筛子进行筛分试验，冶金焦块度的 均匀性可用下式表示：(4080)K=(80)+(2540)式中(4080)、(80)、(2540)为该等级焦炭占冶金焦的 重量百分比，K值越大，焦炭块度均匀性越好。高炉最适宜的 焦炭粒级，应视高炉溶剂、原料情况而定。我国过去对焦炭粒度要求为：对大型高炉（ 13002000立方米）焦炭粒度大于 40mm；中、小高炉焦炭粒度大于 25mm。但目前一些 钢 厂的 试验表明，焦炭粒度在 4025mm为好。焦炭块度均匀，空隙大，阻力小，高炉炉况运行良好。3.2转鼓试验为了试验焦炭的 抗碎性和耐磨性，通常采用转鼓试验来测定。我国目前采用的 的 转鼓由两种，一种是大转鼓（松格林转鼓），另一种是小转鼓（米库姆转鼓）。大转鼓立径为2m，鼓的 四周上装有直径25mm、长800mm的 钢棍，棍间被隙为25mm，装入25mm熊炭试样410公斤，以每分钟10转速度转动15分钟。旋转过程中，因磨擦、撞击使部分焦炭磨损或破碎，25mm的 由棍间缝隙从鼓内落出，以鼓内残留量的 公斤数表示焦炭的 抗碎指标，以鼓外10mm的 公斤数表示耐磨损标。大高护用冶金然要求教内为320公斤左右，鼓外10mm的 40公斤，中小型高炉鼓内值可适当降低些。大转鼓试验焦炭试样用量多，有时不足以表明焦炭的 抗碎性变化，且设备庞大，故近年来不少焦化厂已采用小转鼓试验。小转鼓是直径和宽度均为1000mm的 密闭转鼓，鼓内焊接四根1005010mm规格的 角钢，互成90，角钢100的 一侧指向圆心，鼓内无通心轴，取经圆孔筛筛分后大于25mm的 焦块50公斤，装入鼓内以每分钟25转速度转动4分钟，然后取出焦炭于孔径25mm和10mm的 圆孔筛上过筛，以25mm和10mm的 重量各占试样总重量的 百分数为指标。前者以M25表示抗碎指标，后者以M10表示耐磨指标，我厂使用的 就属于小转鼓。二、焦炭生产工艺流程：在上一章我们已经了解，原煤经过洗选后即可以作为洗精煤炼焦，但仍需要做一定的 工艺处理，才能达到炼焦要求，通常把原料煤在炼焦前进行的 工艺处理过程称为备煤工艺过程。这个过程是在备煤作业区（原称备煤车间）来进行完成的 。原料煤主要经过配合、粉碎、调湿、除杂等一系列过程使之达到炼焦要求之后，通过皮带被输送到煤塔供炼焦作业区使用。达到要求的 配合煤被送到炼焦工段。炼焦工段将配合好的 煤通过摇动给料机从煤塔放出，装入推焦车装煤箱，并将煤捣固成煤饼，装入炭化室中进行炼焦。三、煤的 热解过程：配合好的 洗精煤进入焦炉，就开始了所谓的 炼焦过程。炼焦过程简单的 说：就是配合煤的 高温干馏。即把炼焦配煤在常温下装入炭化室后，煤在隔绝空气的 条件下受到来自炉墙和炉底(10001100 )的 热流加热。煤料即从炭化室墙到炭化室中心方向，一层一层地经过于燥、预热、分解、产生胶质体、胶质体固化、半焦收缩和半焦转变为焦炭的 过程。煤的 热解过程大体可分力以下几个阶段：1、干燥和预热：200以前是煤的 干操和预热阶段，同时析出吸附在煤上的 二氧化碳、甲烷等气体。2、开始分解：200350煤开始分解。由于侧链的 断裂和分解，产生气体和液体，350前主要分解出化合水、二氧化碳、一氧化碳、甲烷等气体，焦油蒸出量很少。3、生成胶质体：350450时由于侧链的 断裂生成大且的 液体、高沸点焦油蒸汽和固体微粒，并形成一个多分散相的 胶体系统：即胶质体，凡是能生成胶质体的 煤都有粘结性。4、胶质体固化：450550胶质体中的 液体进一步分解，一部分以气态析出，一部分固化并与碳原子平面网格结合在一起，生成半焦。5、半焦收缩：550650，半焦进一步析出气体而收缩，同时产生裂纹。6、生成焦炭；650950，半焦继续析出气体，主要是碳原子平面网格周围的 氢析出，因而半焦继续收缩，平面网格间缩合、变紧，最后生成焦炭。在此阶段析出的 焦油蒸汽与炽热的 焦炭相遇，部分进一步热分解，析出的 游离碳沉积在焦炭上，逸出的 蒸汽成分与低温状态下的 不同，这个再分解过程叫做二次热分解。煤的 开始分解、胶质体生成及固化温度，随煤种不同而异，一般来说，随变质程度加深，开始分解温度、胶质体固化温度变高。四、煤的 结焦机理上面对煤的 热解过程的 概述只能说明煤煤热解的 基本情况，并不反应真正的 热解状态，事实上热解过程中既存在侧链的 断裂，同时也发生还原性的 聚合、缩合作用，既存在键的 断裂、聚合等化学反应，同时也发生热解产物（固体、液体、气体）所组成的 分散体系中，不溶解颗粒的 再分散及吸附分散介质的 表面作用；既有化学键间的 作用又由于被分解出气体不易透过胶质体而产生的 压力作用等。因此热解过程是由许多同时进行的 过程所进行，热解过成的 每一阶段也并非绝然分开，而是相互交叉的 。再加上配合煤是由各种牌号的 煤按照不同的 比例组成的 ，因此加热时配合煤相互间更发生根复杂的 交叉的 物理化学作用。对于这样一个复杂的 矛盾过程，我们必需抓住主要矛盾和主要矛盾方面去研究煤的 结焦机理。下面我们从煤热解过程中，侧链的 断裂和同时发生的 聚合这一基本矛盾出发，来讨论煤结焦过程的 粘结和裂纹形成机理。低变质程度的 煤(长焰煤、弱粘煤、气煤)或煤中稳定组、侧链长且含氧多，热稳定性差，在较低温度下大部分胶质体被分解，半焦形成前剩下的 胶质体数量少，不能填满残留的 固体颗粒间空隙，粘结性差。高变质程度的 煤(瘦煤)，侧链短而少，生成的 液体量少，胶质体粘度大，不能填满残留固体颗粒间的 空隙，粘结性也差。中变质程度的 煤(肥煤、焦煤)，侧链适当且含氧少，生成的 液体多，热稳定性好，粘度适中，有一定流动性，有一定膨胀压力，能形成均一的 胶质体，粘结性好。胶质体固化过程中，由于气体不易穿过胶质体，故在胶质体内聚集膨胀，当其压力大于胶质体的 阻力时便逸出。此时，因胶质体逐渐固化，原来聚集气体的 空间就形成了气孔，固化的 胶质体与未分解的 固体残留物结合在一起，形成了多孔的半焦。第三章 配煤炼焦基础知识一、配煤炼焦的 定义所谓配煤炼焦是把几种牌号不同的 单种煤按定的 比例配合起来炼焦。采用配煤炼焦有很大意义，已被我国焦化厂普遍使用。二、配煤炼焦的 优点1、节约优质炼焦煤，扩大炼焦煤源 。2、充分利用各种煤的 结焦特性取长补短，改善冶金焦炭质量。3、合理利用煤炭资源，在保证焦炭质量的 前提下，增加炼焦化学产品的 产率和炼焦煤气的 发生量。4、充分利用本地资源，因地制宜发展焦化企业。三、配煤的 基本原则：1、焦炭质量达到规定指标，满足使用部门的 要求。2、不会产生对炉墙有危害的 膨胀压力和引起推焦困难。3、在满足焦炭质量的 前提下，尽量多配气煤，增加化产品产率，尽量少配优质煤，多配劣质煤。4、尽可能降低配煤中的 灰份和硫份。5、充分利用本地资源，作到运输合理，降低成本，最大限度实行区域配煤。6、力求达到配煤质量稳定，有利于生产和操作。四、配合煤的 质量要求配合煤指标范围根据焦指标而定，一般焦化厂主要生产二级焦炭，推算配合煤指标为：水份911%；灰份9.5%；硫份0.85%；挥发2832%；G值68；Y值1315。粉碎细度（ 煤料被粉碎后，3mm以下粒度级的 煤的 重量占全部煤料重量的 百分数称之为配煤的 细度）在90%左右；不同牌号的 煤各有特点，它们在配煤中起的 作用也不相同，如果配煤方案合理，就能充分发挥各种煤的 特点，提高焦炭质量。例如：气煤的 结焦性比焦煤、肥煤差，但其膨胀压力小，收缩大，挥发份高，在单独炼焦时，因收缩大，使焦炭裂纹增多，降低焦炭块度。但在配煤中，可以起到减小膨胀压力，增加收缩使推焦顺利及增加化学产品和煤气的 作用。又如瘦煤粘结性较差，单独炼焦时焦炭的 耐磨性差，但其收缩裂纹少，在配煤中配入瘦煤，可以提高焦炭的 块度。焦煤结焦性最好，但大部分焦煤灰份硫份较高，若在配煤中配入一些低灰低硫煤，就可以克服这一缺点。从上述几例中可以看出，配煤炼焦可以发挥各种煤之长处，克服各种煤之短处，从而炼出优质焦炭来。要做到这一点，首先要了解各单种煤的 结焦性质。5.2肥煤肥煤是中等变质程度的 煤，挥发份较气煤低，粘结性好，在加热过程中产生大量的 胶质体，其热稳定性好，存留时间长，粘度不大，但结焦过程收缩度大，产生大量横裂纹。在我国配煤方案中，采用肥煤或气肥煤为基础煤来使用，主要是因为其粘结性好，可以较多配入若粘结性煤，从而炼出质量合格的 焦炭。5.3焦煤焦煤是中等变质程度的 煤，变质程度高于肥煤，生成年代较长，单独炼焦时，可生成热稳定性较好的 胶质体，焦炭强度高、块度大，耐磨性好，最适于炼制优质焦炭。但是贮存量小、价格高，难以大量使用，在配煤中配入焦煤，主要是用于提高焦炭强度。5.4瘦煤瘦煤变质程度较高，挥发份较低，在加热过程中产生的 胶质体量少且粘度大，收缩度小，单独炼焦时焦炭块度大，裂纹少，但焦炭的 熔融性差，从外观上看，有粒状物质存在，焦炭的 耐磨性较差，配煤中配入瘦煤可提高焦炭块度和结焦率。5.5 1/3焦煤1/3焦煤处于焦煤、肥煤、气煤中间地带，是一个指标变化幅度较小的 煤种。故此兼有相近煤种的 性质。其特点是挥发份较高，其粘结性和质量较好的 焦煤、气煤相当，次于肥煤。5.6弱粘煤弱黏煤挥发份和气煤、1/3焦煤、焦煤、肥煤相近，粘结性较以上几个煤种都很低，在加热过程中产生的 胶质体质量差、易挥发，对焦炭的 强度产生不利影响。六、配煤方案的 制作了解的 各单种煤的 特点，就可以试着做配煤方案了。按照上面介绍的 配合煤指标，根据各单种煤的 实际指标，做加和运算就可以了。例如：将下列四种煤配成炼成合格的 二级焦炭1/3焦煤：水份12%，灰份8%，硫份0.7%，挥发份33%，G值70，Y值10肥煤：水份14%，灰份14%，硫份1.1%，挥发份30%，G值90，Y值25焦煤：水份9%，灰份10%，硫份0.9%，挥发份23%，G值75，Y值15瘦煤：水份10%，灰份8%，硫份0.9%，挥发份16%，G值20，Y值0方案制作过程：1、二级焦炭指标：灰份13.50%，硫份0.80%，M2588.0%2、确定配合煤的 指标范围：煤的结焦率一般为7378%，设为75%，由于煤的灰份全部转入焦炭，则配合煤的灰份为13.5%75%=10.12%，配合煤灰份应小于10.13%煤的 硫份一般6070%转入焦炭，设为65%，则配合煤的 硫份为0.8%6575%=0.92%，配合煤硫份应小于0.92%则可根据公式计算得出下表不同要求的 焦炭质量，各单种煤的 配入比例相差较大，就焦炭强度而言，焦煤的 配入比例至关重要，同时也要控制弱粘结性煤或非炼焦煤的 配入比例。为避免由于煤质波动造成焦炭指标超标，配煤方案的 灰份硫份要尽量低于理论值，如上述配合煤灰份理论计算只要小于10.13%就可以了，实际操作时要尽量配到9.8%以下，另外制作配煤方案还应注意配合煤水份的 控制，以免影响上煤及捣固操作。第四章 常见问题及处理方法在实际生产中，焦炭质量经常会出现种种问题，比较常见的 有如下几种：一、焦炭强度下降焦炭强度下降的 原因分析应从以下几个方面来考虑：1、配合煤的 粘结性和结焦性是否较低。可检查化验指标，如发现G值、Y值偏低，则考虑增加焦煤或肥煤的 比例。2、配煤比执行是否正确。可根据电脑趋势查找，如有错误立即校正。3、配比中的 单种煤煤质是否有变化。可查找进厂煤化验单及配煤仓化验单，对煤指标波动较大的 单种煤进行调整。4、焦炉炉温是否合适。更改周转时间时必定有个别炭化室焦炭过生或过火，属于正常现象，但不会有较大影响。如炉温确实偏低，则从推焦过程中是否冒烟判断，通过增加地下室煤气量使炉温恢复正常。5、捣固密度是否达到要求。一般来说配合煤水份超过13%，会造成捣固困难，配合煤难以成饼，这时捣固机操作会采取多下煤、少捣固的 方法，以保证煤饼能够进入炭化室，但煤饼堆密度会降低，这时要恢复焦炭强度，只能通过增加焦煤、肥煤比例来改善。6、焦炭是否偏碎。现场验证焦炭，一方面可能是焦炭过火造成的 ，另一方面也可能是配煤原因，改善方法如上所述。7、焦炭水份是否过大。焦炭水份过大造成焦炭表面粘焦面，可引起检测误差，转鼓M10偏高，M25偏低。二、焦炭偏碎、块度小焦炭偏碎、晾焦台上焦粉较多，主要是两方面原因。1、焦炭过火，如果绝大多数焦炭颜色灰白，即可判断为炉温问题，通过调整加热制度恢复炉温。2、如果焦炭颜色灰黑色，则是配煤原因。一般来说弱粘煤和1/3焦煤配入比例偏高，容易使焦炭块度变小。另外一种情况涉及到煤的 微观组分，需要岩相分析，检测起来比较繁琐，可以根据经验判断是哪个煤种使焦炭变碎，进行调整。三、焦炭灰份、硫份升高焦炭的 灰份、硫份突然升高，可参照焦炭强度下降的方法进行判断和处理。