焦碳的性質(zhì)和煉制原理

第一章焦炭第一節(jié)焦炭的分類與用途焦炭的構(gòu)造與分類：焦炭是煉焦的主要產(chǎn)物，廣泛用于高爐煉鐵、鑄造、電石、氣化及有色金屬冶煉等方面，其中高爐用焦量約占焦炭總產(chǎn)量的90%以上。（一）、焦炭的構(gòu)造用肉眼觀察任一焦炭都可看到縱、橫裂紋，沿著裂紋掰開，即得焦塊，焦塊內(nèi)含有微裂紋，將焦塊沿微裂紋分開，則得焦體。焦體由氣孔和氣孔壁構(gòu)成，氣孔壁又稱焦質(zhì)，其主要成分是碳和礦物質(zhì)，焦炭是以碳為主要成分的含裂紋和缺陷的不規(guī)則多孔體，焦炭的裂紋多少直接影響焦炭的粒度和抗碎強度，焦塊微裂紋的多少和焦體的孔孢結(jié)構(gòu)則與焦炭的耐磨強度和高溫反應性能有密切關系。（三）、焦炭分類：焦炭按用途可分為冶金焦、氣化焦、電石焦等冶金焦按質(zhì)量分為三級，如下：l、l、Ad才12.00M25>92.0Sd>0.60M10才7.0Sd：0.61?0.80M10才Sd：0.61?0.80M10才8.5Sd：0.81?1.00M10：才10.5M25：92.0?88.13、 Ad:13.51?15.00M25:88.0?83.0我廠焦大致屬于2級焦炭、焦炭的用途及質(zhì)量要求：焦炭主要用于煉鐵生產(chǎn)，其次是用于鑄造、造氣、電石和有色金屬冶煉。高溫煉焦生產(chǎn)焦炭產(chǎn)品的產(chǎn)率（即焦炭重量對裝入干煤重量百分數(shù)）一般為73-78%。焦化廠生產(chǎn)的焦炭根據(jù)用戶的需要一般分級為：〉80mm,80-60mm,60-40mm,40-25mm,25T0mm和〈10mm等規(guī)格的產(chǎn)品，供咼爐煉鐵用的〉25mm焦炭稱為冶金焦。焦炭的主要用途有:1、咼爐煉鐵用冶金焦：目前，我國大型高爐用焦炭是〉40mm的大塊焦，中小型高爐用〉25mm的大中塊焦，有些高爐也可以單獨使用25-40mm的中塊焦。首鋼高爐用焦為〉25mm的大中塊焦。在高爐中，焦炭是燃料和還原劑，它的質(zhì)量對高爐生產(chǎn)有著重要的影響。高爐煉鐵是將爐料包括鐵礦石（天然礦、燒結(jié)礦或環(huán)團礦）、熔劑（石灰石或白云石）、和焦炭從爐頂依次分批裝入爐內(nèi)。高溫空氣（或富氧氣）由風口鼓入、使焦炭在風口前的回旋區(qū)內(nèi)激烈燃燒。燃燒產(chǎn)生的熱能是高爐冶煉過程的主要熱源，燃燒反應后生成的CO作為高爐冶煉過程的主要還原劑。爐料在下降過程中,經(jīng)預熱脫水/鐵礦石中鐵氧化物依次同CO發(fā)生間接還原反應,同高溫焦炭發(fā)生直接還原反應而轉(zhuǎn)化成金屬鐵?并在下降過程中升溫，滲碳而形成液態(tài)的鐵水，鐵礦石中的脈石主要成分是SiO2,AL2O3等酸性氧化物）則同熔劑相互作用而生成低熔點化合物---爐渣.焦炭是主要的熱能源和還原劑.此外，焦炭在高爐內(nèi)是唯一不熔化的固體，在高爐內(nèi)料柱上部起煤氣流分配層的作用，使上升煤氣同鐵礦石充分接觸.?在料柱中部，靠焦炭層支托才不致于使軟化，熔融的鐵礦石聚堆.在料柱下部，焦炭成為煤氣上升和鐵水，熔渣下降必不可少的高溫填料。所以高爐焦的重要作用在于它是料柱的疏松骨架,而且隨著高爐大型化和強化冶煉等技術進展這一作用則愈顯得重要.2鑄鐵用焦炭:鑄鐵用焦，主要用作化鐵爐燃料?為提高化鐵爐的熔煉溫度，要求焦炭粒度大并且均勻，鑄造焦的粒度以50-150毫米為最好.氣化用焦炭:氣化工業(yè)用焦，多數(shù)用于制造發(fā)生爐煤氣或水煤氣,作為燃料氣或合成氨的原料氣，氣化用焦要求具有較好的反應性，可以使用氣孔率大，耐磨性差些的小塊焦.電石生產(chǎn)用焦：電石用焦是電石生產(chǎn)的碳素原材料，每生產(chǎn)一噸電石約需焦炭0.5噸.電石用焦的粒度以3-20毫米為宜.其它用焦:主要有冶煉有色金屬和生產(chǎn)鈣鎂和磷肥等.在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中，用于高爐煉鐵的冶金焦，占焦炭總產(chǎn)量的90%以上，而且對焦炭質(zhì)量要求最高.三、 焦炭在高爐煉鐵中的作用：高爐煉鐵生產(chǎn)包括一系列復雜的物理、化學和物理化學作用的過程，它要求供給足夠的熱量和提供還原劑，并要求鐵礦石等爐料比較均勻地分布其中，還原氣體比較均勻地穿過其中，使固體氧化物與氣體還原劑充分地按能面相互作用轉(zhuǎn)化為金屬鐵在當今條件下，只有冶金焦才能產(chǎn)生還原劑，又提供熱能，還能充當疏松骨架。因此，冶金焦在高爐煉鐵中的作用是：既產(chǎn)生還原劑，提供熱量，又充當疏松骨架。四、 冶金焦質(zhì)量對煉鐵生產(chǎn)的影響：1、 灰分：焦炭的有效成分是固定碳，灰分高則焦炭的發(fā)熱量和濕度都會降低，而且要消耗更多的溶劑，增加焦比和爐渣量降低高利用系數(shù)。2、 硫分：硫是生鐵中的主要有害物質(zhì)，一般生鐵中含硫量只允許在0.06%以下。咼爐爐料中80%的硫分來自焦炭，如果硫分過咼就要在咼爐冶煉中米取咼溶劑，咼焦比進行造渣脫硫我國生產(chǎn)的數(shù)字表明：焦炭硫分每升高0.1%,焦比增加1.2?2.0%，生鐵產(chǎn)量降低2.0%以上，而且由于咼爐內(nèi)脫硫負荷增加，大量咼粘度熔渣將影響咼爐順行。3、 揮發(fā)分：揮發(fā)分過高，表明焦炭成熟不好，且生焦的強度較低，易碎成小塊和粉末，使咼爐通風不好，產(chǎn)生掛料等現(xiàn)象，并使操作條件惡化。4、 水分：高爐生產(chǎn)要求焦炭水分低而穩(wěn)定，焦炭水分過高，減少了有效成分，當水分波動大時，對咼爐用焦炭的重量計算時影響上料變化，將破壞咼爐的熱平衡。5、 機械強度（M25.M10）:冶金焦的機械溫度對高爐生產(chǎn)影響極大。焦炭由焦爐到高爐，經(jīng)受許多次摩擦摔打被碎，在高爐內(nèi)受擠壓和摩擦使焦炭變碎和成粉，同時由于受高溫作用，塊焦內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)應力也引起碎焦的產(chǎn)生，碎焦的焦粉在高爐中影響氣流的通過和均勻分布，使焦比增加，爐溫波動，嚴重時會發(fā)生料，崩料，結(jié)瘤及燒壞風口等事故，影響高爐生產(chǎn)，如果機械強度高，就會減少焦爐和碎焦的產(chǎn)生。6、 焦末含量：冶金焦作為高爐煉鐵的疏松骨架，不僅要求強度高，還要求精度適當而且均勻，因此要避免將碎焦和粉焦帶入高爐。第二節(jié)焦碳性質(zhì)一、物理機械性質(zhì)（1）篩分組成：用各級振動篩將一定量的焦炭試樣進行篩分，然后分別稱量各級篩上焦炭和最小篩孔的篩下焦炭重量，算出各級焦炭占試樣總量的重量百分率，即得此焦炭的篩分組成。一般分為>80mm、 80—60mm、60—40mm、 40—25mm、V25mm個粒級，可根據(jù)各廠實際情況確定篩分粒級。高爐用焦要求25—80的焦炭，故將大于25mm的焦炭稱為冶金焦。（2）抗碎強度和耐磨強度：用轉(zhuǎn)鼓試驗來鑒定焦炭強度。當焦炭外表面承受的摩擦力超過氣孔壁強度時，產(chǎn)生表面薄層分離現(xiàn)象，形成碎屑和粉末，焦炭抵抗此種破壞的能力稱為耐磨強度。當焦炭承受沖擊力時，焦炭沿結(jié)構(gòu)的裂紋缺陷處碎成小塊，焦炭抵抗此種破壞的能力稱為抗碎強度。焦炭在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)被破壞到一定程度后，可用粘度小于或大于等定值的碎焦數(shù)量或占試樣的百分率表示抗碎強度，我廠用大于25mm的焦炭重量占試樣總重量的百分數(shù)（M25）來反映抗碎強度，而用VlOmm焦炭重量占試樣總重量的百分數(shù)（M10）來反映耐磨強度。二、 焦炭的化學性質(zhì)：（l）工業(yè)分析：焦炭按固定碳、揮發(fā)分、灰分和水分測定其化學組成時，稱工業(yè)分析。a：水分：高爐焦含有適量水分，有利于降低高爐爐頂溫度，但應力求穩(wěn)定，我國規(guī)定冶金焦水份為大于40mm粒級為3~5%；大于25mm粒級為3~7%。b：灰分：焦炭灰分主要成分是SiO2,A12O3等酸性氧化物，溶點高，是能用Ca0等溶劑與它們生成低熔點化合物才能以熔渣形式由高爐排出,一般焦炭灰分每升高1%高爐熔劑消耗量約增加4%,爐渣量約增加3%,每噸生鐵消耗焦炭量（稱為焦比）增加1.7?2.0%,生鐵產(chǎn)量約降低2.2?3.0%。我國高爐焦的灰分較高，是焦炭質(zhì)量差的主要因素，灰分高的原因是煉焦精煤的灰分高。c：揮發(fā)分與固定碳：焦炭揮發(fā)分是焦炭成熟程度的標志，通常規(guī)定高滬焦的揮發(fā)分應低于31%，焦炭揮發(fā)分也是焦化廠污染精制的指標之一，揮發(fā)分升高，推焦時粉塵放散量顯著增加，煙氣量及煙中多環(huán)含量也增加。固定碳=100—（水分+揮發(fā)分+灰分）％（2） 元素分析：焦炭按C（碳）、H（氫）、0（氧）、N（氮）、S（硫）、P（磷）等化學元素組成確定其化學組成時，稱元素分析：（3） 焦炭的反應性：焦炭與C02或水蒸氣反應能力稱焦炭的反應性。三、 首鋼對冶金焦的質(zhì)量要求.1、 機械強度：焦炭在高爐內(nèi)受到重力擠壓、摩擦的內(nèi)應力的作用，因此要求有較高的強度和耐磨性才能保證焦炭塊度從高爐上部到高爐下部時不發(fā)生過大的變化。強度不好，焦炭就會被摔碎、擠碎或磨出較多的焦粉，使氣體的通道變小甚至堵塞。這樣就降低了爐料的透氣性，?使焦比（煉1噸生鐵需要的焦炭重量）增加，爐溫波動，嚴重時會使高爐發(fā)生懸料、崩料、結(jié)瘤及燒壞風口等事故，影響高爐生產(chǎn)。因此，焦炭強度指標是焦炭質(zhì)量的主要指標。評定焦炭強度的方法是用轉(zhuǎn)鼓試驗。我國采用的有大轉(zhuǎn)鼓和小轉(zhuǎn)鼓兩種。考慮到小轉(zhuǎn)鼓較輕便，M4（代表抗碎強度比較靈敏，以前為首鋼所采用，但耐磨性指標M10不如鼓外小于10毫米的靈敏。為了和國際接軌，用M25代表抗碎強度，代表性比較強。但國內(nèi)焦化廠一般均采用M40代表抗碎強度。小轉(zhuǎn)鼓（米貢轉(zhuǎn)鼓）試驗時，取大于40毫米的重百分數(shù)作為焦炭的抗碎強度指標M40,以小于10毫米的重量百分數(shù)作為焦炭的耐磨強度指標M10。2、 塊度：焦炭塊度如果太小或者不均勻，都會降低高爐炕料的透氣性。不同的高爐要求不同的塊度。大型高爐要求塊度大一些，用40-80毫米的焦炭最好。?一般大于40毫米的焦炭就占全焦的76-80%，中、?小型高爐使用25-40毫米的焦炭。一般用焦炭的篩的篩分組成評價焦炭塊度的均勻性。通過篩分試驗，得出25-40、40-80、大于毫米這三級塊度的重量（％）,并按照下式求出塊度系數(shù)K值。K=（40?80）/［（〉80）+（25?40）］式中：（25?40）―-塊度為25?40毫米等級的重量，%；（40?80）---塊度為40?80）毫米等級的重量，%；（〉80）---塊度為大于80毫米等級的重量，%。顯然，K值在有利于改善高爐透氣性，使高爐操作穩(wěn)定。3、 灰分：焦炭的灰分大部分由Si02和AL2O3組成?；曳指撸固康陌l(fā)熱量和強度都要降低，而且要使高爐消耗石灰石量增加，渣量和焦比也會增加。這就使高爐的生產(chǎn)率降低，使用權(quán)高爐各項技術經(jīng)濟指標下降。我國要求冶金焦灰分12-15%，首鋼要求12.65%，焦炭的灰分主要是從煤中轉(zhuǎn)入的，煉焦操作也有一定影響，如炭化室負壓，抽入空氣，或過早條開爐門、爐蓋，都會使焦炭燃燒，灰分增加。4、 硫分：生鐵含硫量一般允許在0.05%以下，否則容易脆裂。焦炭含硫量每增加深0.1%,焦比就增加1.2-2.0%,生鐵產(chǎn)量降低約2.0%，含硫多的鐵不適合煉鋼和鑄造。因此，一般要求冶金焦的硫分少于1%，首鋼要求焦炭硫分0.70%。5、 ?水分：運到高爐的焦炭，是按濕焦來稱量的。焦炭的水分在高爐上部即蒸發(fā)，如果水分波動過大，就會破壞高爐的熱平衡，而且使實際的焦量波動，影響高爐操作的穩(wěn)定性。因此一般要求水分為3-5%。6、 焦炭的揮發(fā)分：揮發(fā)分的大小是衡量焦炭成熟程度的一個指標。成熟良好的焦炭揮發(fā)分為0.9-1.10%,當揮發(fā)分＞1.2%,則焦炭成熟不好，耐磨性差，會導致高爐的透氣性不好；揮發(fā)分低，說明焦炭過火了，焦炭則易碎，在高爐操作中會落入爐渣內(nèi)，使排渣困難，高爐風口易損壞。焦炭過碎不易燃燒，如果落入缸內(nèi)會使鐵液含碳量增加。以上焦炭的物理、化學性能穩(wěn)定，才能使高爐的操作和爐料的性能穩(wěn)定，最大限度地發(fā)揮高爐的生產(chǎn)能力。如果某一項波動過大，就會破壞高爐的平衡，甚至造成事故，因此不斷提高焦炭質(zhì)量及其穩(wěn)定性，對確保煉鐵高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、低耗有著重要意義。第三節(jié)焦碳的煉制原理煤在爐內(nèi)的結(jié)焦過程和溫度變化：焦炭的煉制是將煤料裝入炭化室內(nèi)隔絕空氣加熱，經(jīng)過一定時間逐漸分解，揮發(fā)物逐漸析出，殘留物逐漸收縮，加熱到950°C-1050°C°C煉成焦炭。從煤料煉成焦炭的整個過程叫做結(jié)焦過程。炭化室內(nèi)煤料結(jié)焦過程有二個基本特點，一是單向加熱，成層結(jié)焦，二是結(jié)焦過程中的傳熱性能隨爐料的狀態(tài)和溫度的變化。所謂成層結(jié)焦就是結(jié)焦過程是從兩側(cè)炭化室墻面附近開始，一層一層地經(jīng)過干燥、預熱、分解、產(chǎn)生膠質(zhì)體，膠質(zhì)體固化，形成半焦，半焦收縮轉(zhuǎn)變成焦炭等階段。?現(xiàn)將煤在炭化室內(nèi)成焦的各個階段分述如下：?1、干燥和預熱（20C-200C）：濕煤裝入后，水分開始蒸發(fā)，未蒸發(fā)完以前，煤的溫度低于100C，這個階段需要大量的熱和很長的時間，在100C-200C煤受到預熱，并放出吸附于煤表面和氣孔中的二氧化碳和甲烷等氣體。2、 開始熱分解（200C-350C）：不同變質(zhì)程度的煤開始熱分解的溫度是不同的，例如：氣煤在210C左右開始分解，肥煤約260C左右，焦煤約300C，瘦煤約390C。煤在轉(zhuǎn)變成膠質(zhì)體狀態(tài)前就開始分解，此時主要產(chǎn)生化合水、二氧化碳、一氧化碳、甲烷等氣體和少量的焦油蒸氣和液體。3、 膠質(zhì)體產(chǎn)生（350°C°C-450°C）：煤在進一步受熱分解后，產(chǎn)生大量的焦油蒸氣、高沸點液體和殘留固體。這些液體、氣體和固體一起形成具有一定粘度的膠質(zhì)體。由于膠質(zhì)體很粘，不透氣，因此產(chǎn)生膨脹，對爐墻有一定的膨脹壓力，并將固體小粒粘結(jié)在一起。4、 膠質(zhì)體固化(450°C-500°C)：在進一步加熱時，膠質(zhì)體熱解更加激烈，并伴隨有縮聚和合成等反應。膠質(zhì)體固化時析了大量揮發(fā)物。隨著氣體析出，固態(tài)物質(zhì)形成，即開始產(chǎn)生半焦。5、 半焦收縮(500C-650C)：半焦物質(zhì)形成后，由于進一步加熱的結(jié)果，在半焦內(nèi)熱解出大量的揮發(fā)物(主要是氫氣和甲烷)，這樣，半焦收縮使焦質(zhì)變緊，并產(chǎn)生裂紋。6、 半焦轉(zhuǎn)變成焦炭(650C-950°C)：在此階段中，繼續(xù)析出氣體，主要是氫氣。進一步收縮、變緊、變硬、真比重增大、裂紋擴大。溫度升高到950C-1050C，焦炭成熟。超過1050C，焦炭就會變碎甚至石墨化。在生產(chǎn)條件下，炭化室中的煤料是受到兩側(cè)燃燒室的加熱，熱流從兩側(cè)同時傳入，從爐墻逐漸傳遞到炭化室中心。因此，上述結(jié)焦過程也是從靠近爐墻的煤料開始逐