第二章 室式煉焦過程與配煤原理.ppt

1、第二章 室式煉焦過程與配煤原理,第一節(jié) 炭化室內(nèi)結(jié)焦過程特點 特點:1、單向供熱，成層結(jié)焦； 2、結(jié)焦過程中的傳熱性能隨爐料的狀態(tài)和溫度而變化 一、溫度變化與爐料動態(tài) 1、成層結(jié)焦過程與煉焦最終溫度 由于單向供熱，且爐料導(dǎo)熱系數(shù)低，故在結(jié)焦過程的大部分時間內(nèi)炭化室中心面法線方向上爐料內(nèi)溫度梯度較大。在同一時間內(nèi)，離炭化室墻面不同距離的各層煤料因溫度不同而處于結(jié)焦過程的不同階段。整個炭化室內(nèi)爐料的狀態(tài)則隨結(jié)焦過程的進行而不斷變化。如圖所示。,成層結(jié)焦結(jié)焦過程從兩側(cè)炭化室墻面開始，一層層地逐漸 向炭化室中心面擴展，稱為成層結(jié)焦。 煉焦最終溫度結(jié)焦末期炭化室中心面溫度，稱為煉焦最終 煉焦溫度，作為焦

2、餅成熟程度的標志。 2、等溫線分布、升溫速度、溫度梯度、膨脹壓力 結(jié)焦過程中煤料的狀態(tài)隨時間而變化，不同狀態(tài)的各種中間 產(chǎn)物的熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、相變熱、反應(yīng)熱等均不同，所以炭化 室內(nèi)煤料的溫度場是不均勻、不穩(wěn)定溫度場，其傳熱過程屬于 不穩(wěn)定傳熱。 炭化室結(jié)焦過程中煤料的溫度變化如圖所示。,由圖可說明如下幾點： （1）在任一溫度區(qū)間內(nèi)，各層的溫度梯度和升溫速度均不同。 （2）濕煤裝爐時，炭化室中心面煤料溫度升到100以上所需 時間相當(dāng)于結(jié)焦時間的一半左右。 （3）由于成層結(jié)焦兩個大體上平行于炭化室墻面的塑性層也從 兩側(cè)向炭化室中心面逐漸移動。同時，由于爐頂和爐底的 傳熱，在上部和下部也形成塑性層，

3、這樣就構(gòu)成了一個膜 袋。膜袋內(nèi)的煤熱解產(chǎn)生氣態(tài)產(chǎn)物使膜袋膨脹，又通過半 焦層、焦炭層而施于炭化室墻以側(cè)壓力膨脹壓力。當(dāng) 膜袋在炭化室中心面上會合時的膨脹壓力最大，又稱為最 大膨脹壓力，通常所說的膨脹壓力，指的就是最大膨脹壓 力。,二、各層溫度梯度、升溫速度和焦炭質(zhì)量 由以上的討論可知，各層的溫度梯度和升溫速度不同， 因此 導(dǎo)致各層焦炭的質(zhì)量也有一定的差異，如圖所示。 靠近爐墻的煤料，溫度梯度大，升溫速度快，塑性溫度區(qū)間 變寬，塑性體內(nèi)煤熱解產(chǎn)物之間作用改善，從而改善了焦炭 質(zhì)量：真密度、導(dǎo)電率、顯微強度增大，氣孔率降低，反應(yīng) 性降低，反應(yīng)后強度提高。但裂紋深、粒度小。熔融性好， 致密?？拷鼱t墻

4、面的焦炭面扭曲如菜花俗稱焦花。,三、室式煉焦過程中煤料硫分、灰分與焦炭硫分、灰分的關(guān)系 1、硫的動態(tài)與焦炭硫分 裝爐煤中的硫分，一部分如硫酸鹽和FeS2轉(zhuǎn)化為FeS、CaS和 FenSn+1而殘留于焦炭中（S殘），另一部分如有機硫則轉(zhuǎn)化為 氣態(tài)硫物，其中部分隨荒煤氣析出（S氣），部分則在流經(jīng)高 溫焦炭層縫隙時與焦炭反應(yīng)生成復(fù)雜的硫碳復(fù)合物而進入焦 炭中（S復(fù)）。 煤料硫分轉(zhuǎn)入焦炭的百分率，按物料平衡為 S = （ S殘 + S氣）/S煤 = （S煤 S氣）/S煤，% 一般S = 0.60.7,即煤中的硫有6070%轉(zhuǎn)入焦炭中。 所以，S焦 = S煤 S/K 式中：S焦焦炭硫分，% S煤入爐煤硫

5、分，% K全焦率，%，一般為7475%。 所以S/K = 0.80.93, 即S焦 / S煤 = 0.80.93,2、焦炭灰分 煤料中的灰分全部轉(zhuǎn)入焦炭中，由物料衡算可得： G煤A煤 = G焦A焦 + G氣A氣 A氣 = 0 G煤A煤 = G焦A焦 則 A煤 = A焦（G焦/G煤） 記 K= G焦/G煤 則 A焦 = A煤/K，% 式中： A焦焦炭灰分，% A煤煤料灰分，%,四、二次熱解與化學(xué)產(chǎn)品 1、煉焦最終溫度與化學(xué)產(chǎn)品組成 高溫?zé)捊沟幕瘜W(xué)產(chǎn)品組成不同于低溫干餾化學(xué)產(chǎn)品。高溫?zé)捊沟幕瘜W(xué)產(chǎn)品不是煤熱分解直接生成的一次熱解產(chǎn)物，而是一次熱解產(chǎn)物在析出途中經(jīng)高溫作用二次熱解產(chǎn)物。其產(chǎn)率取決于裝爐

6、煤的揮發(fā)分。其組成取決于荒煤氣在析出途中所經(jīng)受的溫度、停留的時間和裝爐煤的水分。如下表所示。,2、氣體析出途徑與二次熱解反應(yīng) 煤結(jié)焦過程的氣態(tài)產(chǎn)物大部分是在塑性溫度區(qū)間、特別是在固化溫度以上產(chǎn)生的，炭化室內(nèi)干煤層熱解生成的氣態(tài)產(chǎn)物和塑性層內(nèi)產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物的一部分從塑性層內(nèi)側(cè)和頂部流經(jīng)炭化室頂部空間而排出，這部分氣態(tài)產(chǎn)物稱為“里行氣”，約占氣態(tài)產(chǎn)物的10 25%。 塑性層內(nèi)產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物中的大部分及半焦層內(nèi)產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物則穿過高溫焦炭層縫隙，沿焦餅與炭化室墻之間的縫隙向上流經(jīng)炭化室頂部空間而排出，這部分氣態(tài)產(chǎn)物稱為“外行氣”，約占氣態(tài)產(chǎn)物的75 90%。 外行氣要發(fā)生裂解、脫氫、縮合、脫烴基等二

7、次熱解反應(yīng)。,第二節(jié) 影響炭化室結(jié)焦過程的因素 一、裝爐煤堆密度 增大密度可以改善焦炭質(zhì)量，特別對弱粘結(jié)煤尤為明顯。 二、裝爐煤水分 水分影響結(jié)焦時間和煉焦耗熱量；水分每增加1%，結(jié)焦時間處長20分鐘； 水分影響裝爐煤的堆密度，如圖所示：,三、煉焦速度 指炭化室平均寬度與結(jié)焦時間的比值，mm/h； 煉焦速度反映炭化室內(nèi)煤料結(jié)焦過程的平均速度，根據(jù)結(jié)焦機理，提高升溫速度可以使塑性溫度間隔變寬，流動性改善，有利于改善焦炭質(zhì)量。表現(xiàn)為：熔融性改善，耐磨強度提高，但裂紋率增加，塊度變小。煉焦速度與炭化室寬度有關(guān)： 炭化室寬度,mm 450 407 350 結(jié)焦時間,h 17 15 12 煉焦速度，mm

8、/h 26.5 27.1 29.2 煉焦速度的選擇： 1、當(dāng)入爐煤粘結(jié)性較差時，宜采用窄炭化室、高煉焦速度； 2、當(dāng)入爐煤粘結(jié)性較強時，宜采用寬炭化室、低煉焦速度，以降低膨脹壓力；,四、煉焦最終溫度和燜爐時間 提高煉焦最終溫度與延長燜爐時間，可使結(jié)焦后期的熱分解和熱縮聚程度提高。有利于降低焦炭的揮發(fā)分含量和氫含量，使氣孔壁材質(zhì)密度提高，從而提高焦炭顯微強度、耐磨強度和反應(yīng)后強度。但氣孔壁致密化的同時，微裂紋將擴展，因此，塊度和抗碎強度降低。見下表和圖：,第三節(jié) 配合煤的質(zhì)量 一、配合煤質(zhì)量要求 1、配煤的目的與意義 單種煤煉焦從數(shù)量（資源）上和質(zhì)量上都不能滿足現(xiàn)代大型高爐對焦炭質(zhì)量的要求。 2

9、、配煤原則 （1）配合煤性質(zhì)與本廠預(yù)煤處理工藝及煉焦條件相適應(yīng)，焦炭質(zhì)量滿足用戶的要求； （2）符合本地區(qū)煤炭資源條件，有利于擴大煉焦煤源； （3）有利于增加煉焦化學(xué)產(chǎn)品；避免膨脹壓力過大，推焦困難； （4）縮短煤源平均運距，便于車皮調(diào)配，避免煤車對流，要特殊情況下有調(diào)節(jié)余地； （5）來煤數(shù)量穩(wěn)定，質(zhì)量均勻； （6）在上述前提下，盡量降低生產(chǎn)成本，以期提高經(jīng)濟實效。,二、配合煤質(zhì)量指標 1、水分 配合煤水分應(yīng)力求穩(wěn)定，以利于焦爐加熱制度的穩(wěn)定和煉焦耗熱量的降低。 2、灰分 配合煤的灰分可根據(jù)單種煤的灰分按加和性計算，也可實測。 3、硫分 配合煤的硫分可根據(jù)單種煤的灰分按加和性計算，也可實測。

10、4、煤化度 常用的指標有：Vdaf 和Rmax，二者有很強的相關(guān)性： Rmax = 2.35 0.041Vdaf ( 相關(guān)系數(shù) r = -0.947) 二者均可按加和性計算，前者有誤差。 當(dāng)Vdaf = 25 28%, Rmax = 1.1 1.4%時, 焦炭的氣孔率和比面積最小; 當(dāng)Vdaf = 18 30%, Rmax = 1.1 1.6%時, 焦炭的各向異向程度較高; 當(dāng)Vdaf = 18 30%, Rmax = 1.15 1.30%時,焦炭的耐磨強度和反應(yīng)后強度處于最佳范圍。 一般認為，對于大型高爐用焦炭其配合煤的煤化度指標應(yīng)控制在： Vdaf = 2628% Rmax = 1.21.

11、3%,5、粘結(jié)性 配合煤的粘結(jié)性指標影響焦炭強度的重要因素，根據(jù)結(jié)焦機理，配合煤中各單種煤的塑性溫度區(qū)間應(yīng)彼此銜接和依次重疊。 粘結(jié)性一般沒有加和性。常用的指標較多。各國都有自己的指標。一般認為其適宜范圍為： MF = 70 1000DDPM bt 50% Y = 17 22mm G = 58 72 6、細度 是指配合煤中小于3mm粒級占全部配合煤的質(zhì)量百分數(shù)。 常規(guī)煉焦時約為7280%； 配型煤煉焦時約為85%； 搗固煉焦時應(yīng)大于90%。 7、膨脹壓力 膨脹壓力與粘結(jié)性指標間為存在規(guī)律的相關(guān)關(guān)系，只能實測。,8、配煤圖 以煤化度指標為橫座標、 以粘結(jié)性指標為縱座標，將 煉焦用各種單種煤和配合

12、煤 的適宜區(qū)域繪制在一張圖上， 即得配煤用圖，常稱為配煤圖。 用來指導(dǎo)配煤生產(chǎn)。如圖所示： 對角線兩側(cè)的煤具有良好 的配伍性。,第四節(jié) 配煤原理 一、膠質(zhì)層重疊原理 該原理在求配合煤中各單種煤的膠質(zhì)體的軟化區(qū)間和溫度間隔能較好的搭接，這樣可使配合煤料在煉焦過程中能在較大的溫度范圍內(nèi)處于塑性狀態(tài)，從而改善粘結(jié)過程，并保證焦炭的結(jié)構(gòu)均勻性。不同的牌號的煉焦煤的塑性溫度區(qū)間如圖所示。,二、互換性配煤原理 該原理為日本人城博提出，他把煤的有機質(zhì)分成： 粘結(jié)組分即煤的吡啶抽出物，決定煤的粘結(jié)能力； 纖維質(zhì)組分煤的吡啶抽提殘留物，決定焦質(zhì)的強度； 該原理認為：要制得強度好的焦炭，配合煤的粘結(jié)組分和纖維組分

13、 應(yīng)有適宜的比例，而且纖維質(zhì)組分應(yīng)有足夠的強度。當(dāng)配合煤達不到相 應(yīng)的要求時，可以用添加粘結(jié)劑或瘦化劑的辦法來加以調(diào)整。所此，提 出了如圖所示的互換性配煤原理圖，并指導(dǎo)配煤：,三、共炭化原理 不同煤料配合煉焦后如能得到結(jié)合較好的焦炭，這樣的煉焦稱 為不同煤料的共炭化。隨著焦炭光學(xué)結(jié)構(gòu)的研究，把共炭化的概念用 于煤和瀝青類有機物質(zhì)的炭化過程，以考核瀝青類有機物與煤配合后 煉焦對改善焦炭質(zhì)量的效果，或稱對煤的改質(zhì)作用。 對于不同性質(zhì)的煤與各種瀝青類物質(zhì)進行共炭化研究表明，瀝青 不僅作為粘結(jié)劑有助于煤的粘結(jié)劑，而且可使煤的炭化性能發(fā)生變 化，發(fā)展了炭化物的光學(xué)各向異性程度，這種作用稱為改質(zhì)作用，這

14、類瀝青粘結(jié)劑又稱為改質(zhì)劑，因此共炭化原理的主要內(nèi)容是描述共炭 化過程的改質(zhì)機理。,第五節(jié) 焦炭質(zhì)量預(yù)測 一、理論基礎(chǔ) 焦炭質(zhì)量 = f（煤質(zhì)、工藝條件） 焦炭質(zhì)量： M t、Ad、Vdaf、St、M10、M40、CRI、CSR等 煤質(zhì)：M t、Ad、Vdaf、G、St、MCI等= Vdaf、G、MCI 工藝條件：備煤工藝條件、煉焦工藝條件=constant 焦炭質(zhì)量=焦炭強度=f（煤質(zhì)）= f（ Vdaf、G、MCI） 根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗： 冷態(tài)強度= f（ Vdaf、G） 熱態(tài)強度= f（ Vdaf、G、MCI）,二、焦炭強度的預(yù)測方法 1、冷態(tài)強度 等強曲線法： 如圖所示。 根據(jù)大量的實驗繪 制

15、成等強度曲線圖，再 根據(jù)配合煤的煤化度指 標Vdaf和粘結(jié)性指標G 查圖求得焦炭的M40和 M10。 回歸方程法： 將實驗或生產(chǎn)數(shù)據(jù)， 進行回歸分析，求出焦 炭強度與煤化度指標和粘結(jié)性指標的關(guān)系，用于指導(dǎo)煉焦生產(chǎn)： 如鞍鋼的回歸方程： (1) M40=126.147 - 2.104Vdaf + 0.144G r=0.925 M10=12.794 + 0.452Vdaf 0.243G r=0.886 (2) M40=127.881 - 1.947Vdaf + 0.227Y r=0.928 M10=9.085 + 0.201Vdaf 0.363G r=0.910,2、熱性能的預(yù)測 焦炭的熱性能是指焦炭的反應(yīng)性CRI和焦炭的反應(yīng)后強度CSR。焦炭的反應(yīng)性和反應(yīng)后強度不僅與煉焦煤料的性質(zhì)有關(guān)而且還與煤料的灰成分有關(guān)。 (1) 日本神戶鋼鐵公司的預(yù)測模型為： CSR