（化学工艺专业论文）捣固炼焦与常规炼焦及其焦炭对比研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着炼焦工业的日益发展，强黏结性炼焦用煤储量极其有限，世界各国都在寻求利用 弱黏煤和不黏结煤炼焦新工艺，从而扩大炼焦煤资源。捣固炼焦j 下是这样一种新型工艺应 运而生，并将逐步取代常规顶装煤炼焦工艺。 本文在实验室条件下对单种煤与配合煤分别进行捣固炼焦，讨论不同的堆积密度对焦 炭质量的影响，不同方案焦炭各质量指标对应的最佳堆密度随煤料v d a f 和黏结指数g 变化关 系，相同堆积密度下煤料v d a f 、g 与焦炭质量的关系，以及煤料v 幽f 、g 、堆积密度d 与焦炭 质量的关系。同时在一系列温度下探讨武钢常规生产焦炭和新冶钢捣固生产焦炭的反应性 ( c r i ) 与反应后强度( c s r ) 。以此对捣固炼焦与常规炼焦工艺进行对比研究，从而更 好地指导实际生产。 通过分析，结果表明：煤料的堆积密度对焦炭的灰分与硫分没有影响，而对其它质量 指标均有显著的影响。当煤质一定时，不同的焦炭质量指标有一相应的最佳堆密度，其值 在0 9 1 1 3 之间。最佳堆密度下的焦炭冷态强度基本不变，而热性质变化较大，主要受 煤质影响，所以气煤焦炭尽管有较好的冷态强度，但热态强度仍较差。配煤比相同时，捣 固焦炭的质量显著提高。 关键词：捣固炼焦；常规炼焦；对比研究；堆积密度 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fc o k i n gi n d u s t r y ，a n dt h er e s e r v e so fh i g h c a k i n gc o a l a r ev e r yl i m i t e d ，t h ew o r l da r es e e k i n gf o rn e wt e c h n o l o g yw h i c hc a l le x p l o i tl o w c a k i n ga n d n o n c a k i n gc o a l ，i no r d e rt oe x p a n dc o k i n gc o a lr e s o u r c e s s t a m pc h a r g i n gc o m e w i t ht h et i d eo f f a s h i o n ，a n dw i l lg r a d u a l l yr e p l a c ec o n v e n t i o n a lt o pc h a r g i n gt e c h n o l o g y hm ep a p e r , c o k i n ge x p e r i m e n t a t i o no fs t a m pc h a r g i n gw i t hs i n g l ec o a la n dc o a lb l e n d s w e r ec a r r i e do u tr e s p e c t i v e l yi nl a b o r a t o r y t h ee f f e c to fd i f f e r e n tb u l kd e n s i t yo nc o k eq u a l i t y ， t h ee f f e c to fc o a lv a a fa n dgo nt h eo p t i m i z a t i o nb u l kd e n s i t yo fa l lc o k ep r o p e r t i e s ，t h e r e l a t i o n s h i pa m o n gv a a f , go fc o a la n dc o k eq u a l i t yu n d e rt h es a m eb u l kd e n s i t y ，t h ec o n n e c t m n o fc o a lv d a f ，g ，da n dc o k eq u a l i t ya r es t u d i e d m o r e o v e r , i nas e r i e so ft e m p e r a t u r e s ，t h ec o k e r e a c t i o ni n d e x ( c r i ) a n dc o k es t r e n g t ha f t e rr e a c t i o n ( c s r ) b e t w e e nc o n v e n t i o n a lc o k em w i s c oa n ds t a m p i n gc o k ei nx i n y e g a n ga r ed i s c u s s e d 办er e s u l ts h o w st h a tt h ec o a lb u l kd e n s i t ym a k er i od i f f e r e n c eo na s ha n ds u l f u ro fc o k e , b u ti th a sg r e a ti n f l u e n c eo no t h e r s a st h ec o a li sc o n s t a n t ，e v e r yc o k eq u a l i t yi n d e xh a sa c o r r e s p o n d i n go p t i m a lb u l kd e n s i t y , a n di t sv a l u ei sb e t w e e n0 9 1 1 t m 1 1 1 ec o l dm e c h a n i c a l s t r e n g t ha l m o s tn o tc h a n g eu n d e rt h eo p t i m a lb u l kd e n s i t y , w h i l et h e r m a lp r o p e r t yc h a n g ea l o t w h i c hi sl a r g e l ya f f e c t e db yc o a l s o ，t h ec o k eo fg a sc o a lh a sag o o dc o l ds t r e n g t h ，b u tt h e r m a l p r o p e r t yi sp o o r t h ep r o p e r t yo fs t a m p i n gc o k ei m p r o v es i g n i f i c a n t l yw h e nh a st h es a m ec o a l b l e n d i n gr a t i o k e yw o r d s ：s t a m pc h a r g i n g ；c o n v e n t i o n a lc h a r g i n g ；c o m p a r a t i v es t u d y ；b u l kd e n s i t y 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：丕丝日期： 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 三 耀增期 鉴籍煳撕槲教墩愚 湫麟啊 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章文献综述 1 1 研究背景 近年来，随着高炉的大型化，其料柱增高和入炉料压缩率提高，导致高炉的透气性不 好【l 】，另外富氧喷吹煤粉等技术的发展，都对焦炭质量提出了愈来愈高的要求，稳定和改 善焦炭质量已成为焦化行业所面临的主要课题之一【2 】。然而常规顶装炼焦要求范围较窄的 煤源，即瘦煤不能多于1 5 ，气煤不可以多于4 0 ，而优质炼焦煤本身储量少，其需求量 却不得少于5 0 ，还有无烟煤用量也不得多于3 0 。所以要想有效促进冶金焦强度就必须 在配煤中配入大量强黏煤，少配弱黏煤。这与我国炼焦煤现状成分是极不相符的【3 1 。炼焦 煤资源量严重短缺【4 j ，造成煤炭资源价格昂贵，炼焦成本上升，难以实现我国焦化工业的 可持续发展。为此寻求一种生产成本较小，节约优质炼焦煤用量是每个焦化企业急需要解 决的重大问题。捣固炼焦工艺作为一种通过多配入高挥发分与弱黏结性煤含量来扩大炼焦 煤资源的方法【5 】应运而生，现已发展为一种成熟的工艺而被广泛采用。基于我国炼焦煤资 源的分布不均及短缺，焦炭质量不好，难以满足现代高炉的要求，焦炭的性质及影响因素 的研究很有必要，捣固炼焦工艺的推广更是值得去深究其原理。两种焦炭的对比研究，可 以更好找出改进的方法和途径，有利于整个焦炭行业结构进行积极有效的调整。 1 2 焦炭简介 1 2 1 焦炭主要质量指标 焦炭是由煤或其他液体碳氢化合物在隔绝空气下干馏得到的固体物质，一般研究的是 高温焦炭，即在9 5 0 1 0 5 0 时干馏。其质量指标主要体现在六个方面，包括化学成分，物 理性质，化学性质，冷态机械强度，光学性质和光学组织。 ( 1 ) 焦炭的化学成分分为无机成分和有机成分。焦炭中的各种无机矿物质就囊括了 其所有的无机成分，用焦炭的灰成分表示。有机成分是石墨化合物，而焦炭的挥发分里包 含其他元素与碳形成的有机物。 ( 2 ) 焦炭的物理性质比较常见的就是真、假密度，在高炉内的堆积密度以及气孔率 岔占 守。 ( 3 ) 焦炭的化学性质有焦炭反应性和抗碱性，前者较重要，目前国际上焦炭与c 0 2 的反应特性常用于评定焦炭反应性。研究发现一定的反应条件下，影响焦炭反应性的主要 指标是入炉煤的性质和炼焦工艺。前者包括煤化度，煤岩相组分和灰成分等，而焦饼中心 温度，结焦时间，炼焦方法和熄焦方式等都属于后者。 碳溶反应( 即高炉冶炼过程中c 与c 0 2 的反应) 首先会使焦炭气孔率增加，焦炭的比 表面积跟着极限增大。反应继续进行后，聚集的气孔导致焦炭比表面积减小，形成结构松 散，较低强度的焦炭。该焦炭一旦进入高炉底部的高温区就迅速粉碎，焦炭之间的缝隙变 小，高温煤气和鼓风不易穿过，严重影响生产。一般大型高炉的焦炭其反应性指数应不大 于3 5 ，反应后强度一般为5 0 6 0 。反应性指数与反应后强度均按照g b 4 0 0 0 标准测定。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 焦炭反应性 c r i = 鱼鱼1 0 0 ( 1 1 ) g q 反应后强度c s r = 鲤x 1 0 0 ( 1 2 ) g q 式中勖一焦炭总试样量，g ； g l 反应后焦炭质量，g ； 臣转鼓后不小于l o m m 的焦炭质量，g 。 ( 4 ) 在各国用反应性表征焦炭质量之前，在很长一段时间里焦炭质量是以其冷态机 械强度来评价的。影响焦炭机械强度的因素很多，主要包括焦炭本身的裂纹、多孔体结构 和强度，以及气孔比厚度与强度，组织成分等。它包括耐磨强度和抗碎强度，以转鼓测之。 当焦炭外表面承受的摩擦力大于气孔壁强度时，表面剥离形成碎屑和粉末，焦炭抵抗此种 破坏的能力称耐磨性或耐磨强度m l o 。当冲击力施加在焦炭上时，大块焦炭沿结构裂纹或 缺陷处碎成小块，焦炭抵抗此破坏的能力称为抗碎性或抗碎强度m 4 0 。室温下的m 加还用 焦炭落下强度表征。即在规定落差处，用一定块度和一定数量的焦炭落下一定次数后，测 定不小于某粒级焦炭占试验前焦样总量的百分率。通常焦炭本身的裂纹率和气孔率越大， 其冷态机械强度就越低。 ( 5 ) 焦炭力学性质包括四个方面，分别是抗拉强度，显微强度，抗压强度和杨氏模 量等。该性质是用材料力学方法测量和研究得到的。其中，焦炭气孔结构，焦炭气孔壁强 度和焦块中的裂纹对其有直接影响。 ( 6 ) 焦炭是一种无定向组织的物质。其光学组织就是定性和定量地描述在光学显微 镜或电子显微镜下，焦炭中碳分子结构的定向程度。该组织结构与焦炭的第三个质量指标 即焦炭的反应性有密切关系。 从以上各陈述可以看出，许多因素对焦炭质量各个指标都能产生影响，单单控制某一 个或某几个因素是无法保证焦炭质量的，而是要从源头至始至终地考虑。 1 2 2 焦炭质量的影响因素1 6 , 7 1 从焦炭的主要质量指标讨论中可以看出，影响焦炭的因素很多，但不外乎是煤料的性 质和备煤、炼焦的工艺参数【8 】。而起决定因素还是炼焦煤的性质，其不仅对焦炭的灰分、 硫分等有影响，更重要的是影响焦炭强度。入炉煤煤种、堆积密度、细度、工分参数、黏 结指数( 或胶质层最大厚度) 、炼焦条件、成焦时间、焦饼成熟程度和熄焦方式等一系列 因素又对焦炭强度有影响，对其有影响的还包括煤的粉碎程度。所以强化炼焦煤质量的管 理是势在必行的，可以促进焦炭质量的提高1 1 。 1 2 2 1 炼焦煤的性质对焦炭质量的影响1 1 2 i 主要是三个方面有影响：一是煤化度即挥发分参数，二是煤料的结焦性，三是黏结性 参数。而这三个因素也是检验一种煤料能否炼制成焦炭的必要条件。 首先是煤化度参数。众所周知，挥发分和镜质组最大反射率都是表征煤化度的指标。 在这里主要考虑挥发分，较小挥发分的煤料其收缩度也小，在炼制过程中挥发出较少的物 武汉科技大学硕士学位论文 第3 页 质，其体积前后变化较小，增大了炉墙压力，不易推出焦炭，从而焦炉会有不同程度的受 损。而煤料挥发分高出正常水平的时候，其收缩度也跟着变大，自然而然焦炭裂纹就增多， 而焦炭裂纹又直接影响焦炭的冷态强度，特别是抗碎强度，于是m 4 0 降低，削薄了焦炭的 气孔壁，气孔率增加。由此可以看出，如果不严格控制入炉煤料的挥发分参数，焦炭质量 是无法保证的。根据多年理论和实际生产经验，入炉煤料的挥发分应保证在2 5 - 3 2 l 匕较 合理。 其次是煤料结焦性参数的影响。通过对烟煤黏结惰性添加物( 标准无烟煤) 能力的测 定即黏结指数g 可反映煤料的结焦性。显而易见，g 值越高，得到的焦炭强度越好。但并 不是g 越大越好，入炉煤的g 值过高反而会降低焦炭的强度，从而使焦炭变得很生脆。一 般g 值为6 0 7 5 较好。 再次是煤料的黏结性参数。胶质层最大厚度y 、基氏流动度m f 和奥阿膨胀度b 等都 是表示煤料黏结性的指标。其中y 值的大小则表征煤黏结性的好坏，m f 可以预测焦炭强 度，而b 是用来测定煤膨胀性和结焦性。焦炭之所以能形成，最首要的依赖于有足量的胶 质体来充分包裹浸润煤粒，然而过多的胶质体又让结焦过程中的物质无法挥发，所以y 值 的大小在配煤中不能忽略，应合理控制。但是y 只是一种定量而非定性参数，也就是说配 煤不同y 也有差异，故y 只能作为辅助参数而不是唯一参数。一般控制y 在1 7 2 2 r n m 较适宜。配煤中由于配入的各单种煤煤种的不同，其流动性的温度范围肯定也不一样，这 就导致有几种配煤方案就有几个m f 和b 值。而m f 和b 在煤料配合过程中又不能加成， 所以一旦要配煤，就需对其m f 和b 值进行实时测定。m f 可以定量表示煤中胶质层，b 则对胶质层进行定性分析，故其值的大小对焦炭质量均有影响，多年的实验经验表明配煤 时b 应大于或等于5 0 。 1 2 2 2 备煤和炼焦工艺条件对焦炭质量的影响1 1 孓撕l 此影响因素包括入炉煤的粒度、堆积密度、入炉煤的水分、炼焦温度、结焦时间和熄 焦方式等六个方面。 一是入炉煤粒度的影响，主要是影响焦炭的密度。根据配合煤煤料性质的差异，其入 炉粒度的要求也会不一样。例如粘结性好流动性也好的肥煤、焦煤和沥青，其细度弹性就 比较大，不会作很严格的要求，太细反而会不利于结焦过程中物质的黏结和流动。相比较 而言，瘦煤和气煤等这些难粉碎的硬煤其细度就必须严格控n d , 于3 m m 。针对不同的煤种， 采取不同的破碎技术可在一定程度上改善焦炭的致密度。 第二是入炉煤堆积密度的影响，它是焦炭强度和气孔率发生变化的直接原因。单位体 积内煤料越多，其透气性就越不好，大量的气体在干馏结焦过程中析出困难，增大了胶质 体的膨胀压力，煤粒变形越压越紧，其间的空隙变小，煤料的黏结性得到了改善，焦炭质 量显然就有所提高。对于常规顶装炼焦而言，要想尽可能地增大堆积密度，在装平煤时就 必须严格控制。 入炉煤水分对焦炭质量的影响主要体现在焦炭的气孔率和强度两个方面。一般入炉煤 的水分控制在7 左右。过高的水分会延长结焦时间，这是由于煤料在干馏的最初阶段主要 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 是失水，而水分的蒸发属于吸热过程，其大量的热量流失会波及到相邻炭化室的炉温，焦 炭的收缩率也跟着受影响，最终焦炭的假密度变小而气孔率相应增大。同时入炉煤料水分 越大，其堆密度就越小。 四是结焦时间对焦炭质量的影响。撇开配合煤的性质，焦炭的冷态强度和热念性质主 要就是看如何控制炼焦温度了。而结焦时间又是与温度联系在一起的，两者都将会直接影 响焦炭的强度。 焦炭的成焦过程直接受炼焦温度的制约。炉温不稳定，高或低都会影响焦炭的气孔率 和块度。一方面来说平稳的炉温，焦炭气孔率亦无太大变化；炉温稳定升高时，气孔率不 会恶化，只是或多或少地影响焦炭块度；而炉温突然下降时，尤其在半焦向焦炭过渡期间， 将严重地影响焦炭的缩聚过程和最终热分解，此时焦炭气孔率是最直接的受害者。所以 煤料在干馏时，确定合适的结焦温度范围是首要条件；同时温度范围不能波动太大，均匀 平稳的加热温度才能保证均匀稳定的结焦过程。 最后是熄焦方式的影响。目前比较常用的熄焦方式有湿法熄焦和干法熄焦两种。研究 表明【 】湿熄焦炭与干熄焦炭的碳原子排列结构基本一致，没有发生根本变化。而相比较湿 熄焦炭，干熄焦炭的粗粒镶嵌组织和片状组织要高，而中粒镶嵌组织则较低；前者的的总 孔隙容积和各孔径段的容积均要大一些，但相差并不大，基本上是处于同一水平。干熄焦 炭的总表面积比湿熄焦炭明显要低，但其微孔数量要少，且微孔的平均孔径也要远远大于 后者。实践证明：干熄焦炭的m 。减低了0 4 ，地0 提高了4 8 ，而c r i 下降了3 2 ，c s r 提高 了4 1 。其主要原因是缓慢冷却降低了焦炭中的内应力以及在干熄槽中焦炭受到的机械作 用。低水分熄焦 1 8 , 1 9 是由传统的湿法熄焦工艺派生而来的。其焦炭在车厢内反复翻滚，从 而焦炭水分低，熄焦时间短。 1 2 3 焦炭在高炉内的作用1 1 4 i 高炉是中空竖炉结构，如图即展示了其构型，由下到上的五段包括炉缸、炉腰炉腹、 炉身和炉喉。其中燃烧的炉料包括铁焦炭、矿石和熔剂( 石灰石或白云石) ，这些依次从 炉顶分批装入炉内。从风口区鼓入高温空气( 或富氧空气) ，使焦炭在风口前的回旋区内 就很激烈地燃烧。而高炉冶炼过程的主要热源就是燃烧所产生的热能，高炉冶炼过程中的 主要还原剂就是该燃烧反应后所生成的c o 。在高炉中，根据物料状态和温度的差异可分 为风口回旋区、滴落带、软融带和块状带，其构造如图1 1 所示【2 0 1 。 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 图1 1 高炉炉型结构图 i 一1 l o o 以上区域；一踟肌1 l o o 区域；8 0 0 以下区域 焦炭在高炉中主要有以下四个方面的作用【2 1 ，2 2 】： ( 1 ) 热源作用这是焦炭在高炉内最主要的作用，因为焦炭是高炉主要的供热源。 焦炭燃烧会产生大量的热量，高炉内的矿石还原和熔化几乎全部都是由此热量供给的。而 焦炭燃烧所需要的热量又全部在高炉风口区产生的。对于一般情况下的高炉来说，每消耗 5 0 0 千克左右的焦炭才能炼制1 吨生铁。即使在风口富氧喷吹燃料时，全部热量约7 0 8 0 也是由焦炭供给的。保证高炉燃烧良好的必要条件是焦炭灰分低，同时进入风口区后焦 炭仍然保持一定的块度。 ( 2 ) 作还原剂高炉中矿石的还原是通过焦炭燃烧并与高温煤气中的c 0 2 反应生成 的c o 间接还原和高温焦炭直接间还原铁氧化物两种方式进行的。可见，不管是间接还原 抑或直接还原都必须有c o 还原气体的参与，这就要求焦炭有一定的块度。间接还原是高 温煤气在上升过程中使炉料升温，其中所含的c 0 2 与c 反应生成c o ，以此逐步将氧化铁 直接从高价还原到金属铁。大约从4 0 0 此反应开始。其过程如下： 3 心d 3 + c o = 2 心d 4 + c 0 2( 1 3 ) 心d 4 + c o = 3 凡d + c d 2( 1 4 ) 凡d + c o = 凡+ 吸( 1 5 ) 直接还原的反应过程如下所示。该反应在高炉中约在8 5 0 以上的区域开始进行。 凡d + c o = f e + c d 2( 1 6 ) c q + c = 2 c 0 ( 1 7 ) 凡d + c = f e + ( 1 8 ) ( 3 ) 支撑骨架作用只有焦炭才在高炉中的风口区以上始终保持固体结构。对比高 炉中其他炉料，焦炭有较小的堆积密度，这样相邻焦炭间的空隙就较大，大大减小了高温 煤气和鼓风上升时的流动阻力。特别是在滴落带，铁矿石和熔剂都已熔化，此时对高炉炉 料起支撑作用的骨架只有焦炭，并承受着铁水与液渣的双重冲刷。气流均匀是高炉顺利进 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 行的必要条件，只有一定块度组成和强度指标的焦炭进入，才能保证高炉有良好的透气性。 ( 4 ) 作渗碳剂从高炉软融带开始，炉料就慢慢被焦炭渗碳而形成铁水，流经焦炭 后，就有4 左右的碳渗入到生铁中。可见，生铁中的c 全部来源于高炉焦炭，焦炭中7 1 0 的碳进入生铁。 块状带 f e 2 0 r 一, - f e o 软熔带 f e o + c f e + c 0 滴下带 风口回旋区 2 c + 0 广一2 c 0 唿芴烧结矿 b 焦炭 6 渣滴 铁滴 图1 2 焦炭在高炉中示意图1 2 习 1 2 4 焦炭质量对高炉生产技术指标的影响 据统计，提升高炉炼焦铁比，喷煤比会下降，这与焦炭质量变化有着直接关系。高炉 精料【2 4 】既优化了矿石等炉料的质量，同时还对焦炭的品味有所提高，故可以将高炉炼铁系 统生产技术上升到一个新的层次。焦炭中m l o 、m 4 0 、水分、灰分、硫分变化对高炉生产技 术经济指标的影响见表1 1 。尤其是大高炉对于焦炭质量变化是十分敏感的。如大于1 0 0 0 m 3 的高炉，m 4 0 的期望值是大于8 2 ，m l o 是小于7 的焦炭。但一些企业大高炉还没有发挥 出应有的效能，是由生产管理上的差异所造成的【2 5 1 。 表1 1 焦炭质量变化对高炉生产指标的影响 从上表可以看出，焦炭质量变化对高炉生产各项指标都有着广泛的影响。其质量变差， 将会非常影响高炉的透气性，也难于提高高炉的喷煤比。这说明，提高焦炭质量对高炉炼 铁是势在必行的。 1 2 5 我国焦炭现状 中国的焦炭总产量多于全世界焦炭总产量的1 3 ，尽管数量很庞大，但质量却差强人 意【2 6 2 7 。相比于世界上其他工业发达国家【2 8 1 ，我国的实际焦炭质量明显要低，还有很长一 段路要走。除宝钢外，我国其他地方的焦炭灰分含量比m ； l - 高出2 5 ，m 4 0 低5 9 ，m l o 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 高1 2 嘣2 9 1 。 由于焦炭质量对高炉生产有着很重要的影响，经证实，焦炭的各质量指标高炉生产各 经济指标有最为显著的影响。故评价高炉焦炭，需对焦炭的水分、灰分、挥发分、硫分以 及细度和冷态强度作常规检验。现在很多企业还必须进行块焦的反应性和反应后强度检 验。各个国家对高炉焦炭的质量均有各自一定的要求【3 0 】，且已形成其相对应的标准，一些 国家的企业高炉焦质量标准见表1 2 。 表1 2 一些国家( 或企业) 的高炉质量标准 从表中可以看出【3 1 】，m l o 和是焦炭冶金性能的两个很重要的指标，然而我国的标准 明显要低于其余四个国家。从这一点就可以很明显地知道我国的焦炭并没有与国际接轨。 高炉大型化已经成为目前炼铁生产的趋势【3 2 ，3 3 1 。生产实践证明，高炉大型化优点很突 出，生产效率高、提高铁水质量、降低能耗、减少环境污染、节约人力资源等。另一方面， 高速发展的高炉高喷吹煤比与低焦比也不容忽视。在满足高炉操作的条件下，尽可能地多 喷吹煤粉以此来代替焦炭，就能降低铁水生产成本、减少污染和少建焦炉。国内外高炉生 产实践还显示阱1 ：越大的高炉，其喷煤比越高，也就要求质量越严格的焦炭。这是因为： 喷入的煤粉分散了焦炭作为高炉燃料提供热能的主要作用，从而焦炭在高炉内停留时间变 长，从另一方面重点突出了焦炭的支撑骨架作用。如果采用的焦炭其质量较差的话，则加 快焦炭的熔损，其块度将明显变小，使得高炉的透气性变差，严重影响高炉生产。 国内外大喷煤量高炉所用的焦炭质量均有所提升。随着炼铁技术的不断发展，我国提 出了新的要求：焦炭粒度为2 5 7 0 m m ，5 m m 以下的粉焦小于2 ，m 1 0 小于7 ，m 4 0 大于8 3 ， c r i 低于2 8 ，c s r 高于6 0 。 1 3 国内外研究现状 历经百余年发展的室式炼焦技术，迄今为止开发比较成熟的炼焦方法已有几十种【3 5 1 。 按其装煤方式的不同主要分如下四类：常规顶装煤、捣固法侧装煤、配型煤顶装煤、预热 法顶装煤。国内焦化厂目前所采用的炼焦技术主要是常规顶装煤炼焦和捣固炼焦技术。国 外还有一些先进的炼焦技术，例如日本的s c o p e 2 1 炼焦新技术【3 6 1 、欧洲炼焦技术中心开 发的巨型炼焦反应器和美国的无回收焦炉炼焦技术【3 7 1 。本文主要研究常规顶装煤炼焦技术 和捣固炼焦技术之间的差别。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 1 3 1 常规炼焦技术 常规炼焦技术其实就是指顶装煤炼焦技术，是一种开发较早的炼焦技术。我国炼焦炉 中以常规顶装焦炉为主，其生产能力约为总生产能力的9 5 。 ( 1 ) 操作 首先是装煤，包括【2 0 】从煤塔取煤通过装煤车从焦炉炉顶向焦炉内装煤，要求装平、装 实、装匀和装满。 装煤过多会使上部供热不足而使焦炭不成熟，还会导致装煤孔堵塞，造成煤气导出困 难而导致烟火大量冒出。但装煤不满会使焦炭产量降低，炉顶空间将会升温过高，荒煤气 的裂解和分解炭的形成加速，沉积炭会随着荒煤气进入上升管导致上升管堵塞，同时推焦 困难。要将煤快速地放入煤塔和煤车中，这样装煤既实又省时，荒煤气逸出较少，环境污 染减少。放煤后应迅速平好煤，利于荒煤气顺利导出，减少煤粉带走量及节约时间，取煤 车各煤斗中的煤要适当，合理安排放煤顺序，平煤杆伸入炉内切忌过早。 ( 2 ) 工艺 生产工艺流程是：从备煤工段来的洗精煤，经输煤皮带后运往煤塔，经配煤盘混合和 破碎机破碎，装入煤箱，由装煤车通过炭化室顶部装煤孔卸入炭化室内，用燃烧室燃料燃 烧产生的热量把煤料隔绝空气加热。煤料在碳化时经高温裂解，由上升管逸出生成的荒煤 气，经过桥管氨水冷凝，进入煤气净化系统，回收得到焦化化学产品及净煤气；余下的固 定碳在炭化室内的固化成焦炭。用炉顶上的装煤除尘设备经吸尘孔抽出装煤时产生的灰 尘，燃烧和洗涤后，尾气外排。成熟后的焦炭由推焦车推出，由拦焦机进入熄焦车，电机 车牵引熄焦车至熄焦塔内进行喷水熄焦( 如若干法熄焦，则送去干法熄焦装置熄焦) 。焦 炭熄焦后卸至焦台上，冷却一定时间后进行筛焦。 圉一日一曰 困臣圈圈 圈圈圈圜 j 困一圈 图1 3 顶装焦炉备煤和炼焦生产工艺流程图 1 3 2 捣固炼焦技术 捣固炼焦是一种可以扩大炼焦煤资源，多配入弱黏结性气煤，降低炼焦成本的新技术。 曰上兰一 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 德国18 8 2 年首次使用捣固炼焦技术3 引，距今已逾百年 3 9 - 4 1 】。最早期其焦炉炭化室高度约 2 到3 m ，每个捣固机上约2 到3 个锤头，依靠皮带式驱动落锤装置控制锤的下落位置，捣 固机放置在煤塔下侧的桥架上。到了2 0 世纪五六十年代，该技术得到了一定的提高，捣 固机依然在煤塔下侧的桥架上，而焦炉炭化室高达3 到4 m 。随着炭化室高度提高，每台 捣固机上的锤重、锤数跟着略有增加，锤的下降则采用了摩擦驱动式落锤。移动式煤气净 化车也出现在炉顶，这样烟尘荒煤气得到净化，减轻了环境污染。 捣固炼焦是将配合煤预先在捣固箱内压实，捣后的煤饼体积略小于炭化室，再从焦炉 的机侧由托板推入炭化室内高温干馏【4 2 】。其工艺是在炼焦之前，采用外用捣固设备，根据 炭化室的尺寸把煤粉捣打成略小于炭化室而堆密度更高的煤饼，在炭化室内隔绝空气热解 4 3 舶】。后续工艺与常规顶装炼焦技术相同，即焦炭成熟后由捣固推焦机推出炭化室，经拦 焦和熄焦后送到熄焦塔。湿法熄焦后再放到晾焦台，由胶带运输筛分成各个粒级的焦炭。 其流程如图1 4 所示。 煤_ 坚竺 5 丽丽i 原煤仓l 一圆盘给料机i1 破碎机 机侧煤塔l l - j 刮板机l l 一_ j 皮带机l l _ j 皮带式卸料机 推焦车装煤箱r 1 捣圃成煤饼r 1 炭化室r 焦炭 图1 4 捣固炼焦生产工艺流程 1 3 2 1 捣固炼焦的理论依据1 4 7 l 目前已采用增加煤料堆密度的新方法有：煤预热、压块型焦、捣固装煤等来生产焦炭。 以此扩大了炼焦煤源，大大降低了生产成本的同时也提高了焦炭质量。用捣固提高装炉料 煤的堆密度，同时配煤结构可以作很大的调整，大量配入气煤和瘦煤等结焦性差的煤。相 比煤预热方法，该方法投资小、设备简单、生产便利；相比压块型焦方法，产量大、成本 低，故应以捣固炼焦技术当先。 采用捣固技术主要是使入炉煤料堆密度提高，其次捣固炼焦对煤料细度要求较高，故 可使煤岩显微组分大小各异的煤种各粒级组分变的均匀，这正是其它工艺所不具备的优 势。 首先是捣固炼焦组分的成焦机理f 3 】。镜质、半镜质、惰质和壳质构成煤中的显微组分， 不同煤阶的煤硬度和强度有异。按照常规炼焦工艺破碎，顶装煤粉碎过细，反而有下降的 堆密度，如太细的镜煤和亮煤( 粘结组分) ，黏结性会降低；而硬度较大丝炭和暗煤太粗， 会使煤料各级组分粒径相差很多。捣固炼焦采用预粉工艺，同时通过捣固就可避免上述问 题。改善了煤料的黏结性，这也是顶装煤、煤预热和配型煤等炼焦工艺所无法媲美的。 其次是胶质层的机理：捣固炼焦通过对捣固煤料，增加了堆密度和改善了黏结性，进 而提高焦炭质量。煤粒间距因捣固而缩小，因此在结焦过程中胶质体需求量也对应减少， 即可以使较少胶质体液态产物均匀分布在煤料的表面，从而在煤粒之间形成的界面结合较 强。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 由于煤粒间较小的间隙使炼焦过程中产生的荒煤气不易析出，煤料有很大的膨胀压 力，从而煤粒的接触面积一旦增加，就对煤热解产生的游离基和不饱和化合物，以及气体 中不饱和化合物的缩合反应有利，同时热分解的中间产物或热解产物中带自由基的原子团 在足够的时间罩相互作用，导致分子量稳定的适度物质产生，胶质体内不挥发的液相产物 变多，胶质体逐步稳定，分解再裂解后质量提高，煤料的黏结性得到改善。 由上述讨论可知：捣固炼焦能改善煤料的黏结性，因此只要焦炭质量有保证，就可多 配入气煤、瘦煤和贫煤等弱黏煤。 1 3 2 2 技术要点 如下是该技术的主要工艺操作参数【4 8 】： ( 1 ) 可配入6 0 到7 0 的高挥发分气煤或者1 3 焦煤，焦煤和瘦煤适量，挥发分要求 约3 0 ，胶质层最大厚度y 值约为l l 至1 4 m m ，此配煤结构所得焦炭质量最好； ( 2 ) 细度范围：不大于3 m m 粒度的煤有9 0 , - - 9 3 。不大于o 5 m m 粒度应在4 0 至5 0 。 硬度较大粉碎较难的煤要在配煤前加一步预粉碎工艺； ( 3 ) 捣固水分最佳范围为8 至1 1 ，尽可能控制在9 至l o ： ( 4 ) 应尽可能稳定配煤煤种，煤种频繁变换对生产操作和焦炭质量有影响。 1 3 2 3 捣固炼焦工艺在国内外的应用 鉴于捣固炼焦工艺有诸多优点，才被许多国家大量采用，这些国家煤炭资源大多以弱 黏煤为主，尽可能少用或不用强黏煤是为了降低炼焦生产成本。长期的生产实践表明【4 9 一， 该工艺是成熟可行的，生产出来的焦炭m l o 和m 4 0 明显改善和提高，能满足大型高炉焦炭 使用的要求。随着工艺的不断发展，由此引起的环境问题也已解决。如德国迪林根6 米捣 固焦炉采用了焦侧除尘及地面站抽烟清洗后，环境大为好转。 德国萨尔堡捣固技术是目前国际上较先进的捣固炼焦技术，采用多锤捣固，薄层给料 连续，大幅提升了操作效率。世界广泛应用该技术，例如我国青岛管道燃气公司就引用了 此种技术。萨尔堡技术情况在国外应用见表1 3 。 表1 3 国外应用萨尔堡捣固技术的情况 我国虽然在上世纪五六十年代就开始应用捣固炼焦技术，但传统炼焦技术思想根深蒂 固，所以捣固炼焦技术得不到普及。目前，国内有十余家工厂采用了捣固工艺，焦炉总共 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 七百多孔，4 0 0 多万吨的年产焦炭量。最近，随着强黏煤逐步难以供应，国内的一些钢铁 企业将捣固焦炭用在1 0 0 0 m 3 级的高炉上，效果显著。 1 3 2 4 国内外捣固炼焦发展的方向1 5 i i ( 1 ) 高炉大型化是主要趋势 目前国内的2 0 0 0 多座常规焦炉很多都面临大修改造，为了我国钢铁行业的健康发展， 新建一批焦炉是必然的。而7 米以上的大型焦炉可以提高今后炼焦业的自动化水平。从上 个世纪六十年代开始，增加焦炉炭化室宽度、长度和高度，以此来扩大焦炉容积的趋势至 今不衰。高炉设备水平和生产都在不断地提高，越来越多的大型甚至巨型高炉逐渐取代了 过去的中、小型高炉。纵观全世界，虽然高炉的数量越来越少，但生铁产量却有愈演愈烈 的势头。然而也并非是高炉越大越好，到底该采用多大容积的高炉目前仍是一个未知数。 据日本人的分析显示，随着高炉容积的增大，单位容积的设备费用会减少，但是随着炉容 的进一步增大，这种趋势会逐渐减缓。 ( 2 ) 煤预热捣固炼焦 这也是未来焦化发展的方向之一。将煤预热与捣固两者结合起来，即融合了煤预热节 约结焦时间和捣固炼焦可扩大煤资源的优点，这样就能最大限度地将焦炉的社会效益提上 去，同时利用弱黏结性煤炼焦还可获得极佳的经济效益。 ( 3 ) 提高作业效率 改革捣固焦炉机械，推焦机和装煤机分开平行工作，同时设计高效率的新型捣固机， 采用自动控制技术，连续加煤，实行固定薄层捣固。 ( 4 ) 对装煤出焦的烟尘进行治理 在炼焦过程中，装煤推焦严重污染环境。装煤时产生的荒煤气污染指数超过全国污染 的6 0 ，故捣固炼焦技术成熟与否，还得顾忌到环境保护的要求。尤其是近几年来，捣固 工艺对环保的要求越来越高，为此经过不懈努力，该炼焦方式的装煤和出焦取得了多项成 果，如装煤与出焦二合一燃料法湿式除尘车、车载式燃烧法湿式装煤除尘车、车载式燃烧 法干法除尘车与地面站相结合的除尘系统都是很好的先例。通过不断改进国内外捣固装煤 除尘技术，装煤出焦时冒烟和冒火等问题已基本得到解决，污染问题也有大大改善。 1 3 3 两种炼焦工艺的对比 由于两种工艺利用的原理的差异，这就导致了一系列的不同点。主要是用煤的不同， 成本的不同，焦炭质量的不刚5 2 】。 ( 1 ) 用煤的差异 相比常规炼焦只能配入约3 5 的高挥发分煤，捣固炼焦工艺却能高达5 5 左右。而且 前者的煤料黏结性可选择的范围很小，后者可选择较宽范围黏结性的煤料，不管是采用高 还是低黏结性的煤料，只要配煤合理，焦炭质量都可以有很好的保证。目前我国的优质炼 焦煤储量上来讲，跟气煤是无法相提并论的，所以捣固炼焦工艺可以弥补。 ( 2 ) 成本的差异 对于同样生产能力的顶装焦炉和捣固焦炉而言【5 3 】，其总投资基本相当，只是煤料的 第1 2 页武汉科技大学硕上学位论文 费用差别很明显，焦炭成本费用的7 0 7 5 为煤料的费用。常规焦炉为了保证焦炭质量， 价格较高的优质强黏结煤配入较大，成本较大；而捣固法炼焦可配入价廉的弱黏结性煤， 降低了成本。 另外，捣固焦炉在配入岛挥发分煤的基础卜，无烟煤和焦粉等也可以配入，既降低了 烟煤的配比，焦炭的机械强度得到改善，又可以对低价值无烟煤和焦粉进行利用等，低成 本地保证了焦炭质量。 ( 3 ) 焦炭质量的差异 常规炼焦跟捣固炼焦最根本的区别就是煤料堆积密度的不同。前者是从焦炉顶部将配 合煤装入炭化室，其煤料的堆密度一般为07 2 o7 5 f f m 3 ，而后者是在煤箱内将煤料预先捣 打成煤饼，从而堆密度可提高到11 0 一l1 5 t i m 3 。这样捣固炼焦工艺可将煤粒间的距离缩小 2 8 3 3 ，故在结焦过程中，胶质体很容易均匀分布在不同性质的煤料表面，这样可| 三i 使较 少胶质体液态产物填充浸润煤粉的之间的空隙。从俺较强的界面结合会在煤粒之间形成 ( 见图1 5 ) 。 影： 饕 媾，“镶 蚓i f i 增j j u 堆积密度后煤粒热分解时黏结忡改善帕原胖目 a 一堆积密度人的煤料：b 一堆积密度小的煤料； c 堆积密度夫的煤料热分解时煤粒问的黏结状况； d 一堆积密度小的煤粒问的黏结状况 我国强粘结性炼焦煤可选性差、高扶和高硫，常规顶装焦炉强黏结性煤配入量达6 0 ， 焦炭灰分势必较高，继而影响其强度；我国气煤一般含灰6 - 9 。捣固焦炉可以多配气煤， 从而焦炭的灰分降低，质量提高。另外实践证明【洲，只要煤料配t e 相同，捣固焦炭的耐磨 强度和抗碎强度，都较常规顶装焦炭有很大改等，其m l o 约降低2 q ，m 4 0 提高5 缸76 ， c s r 提高1 6 ，因此通过捣固炼焦工艺柬提高焦炭强度是一种有效途径。 综上所述，捣固炼焦与顶装炼焦的主要工艺特点对比见表14 。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 入炉煤水份 入炉煤细度 焦炉机械 相同配比时焦炭质量 多用弱粘煤 入炉煤成本 生产稳定性 装煤环保 焦炉寿命 一般控制在8 札1 0 般在7 8 8 0 重量小，简单，维修费用低重量人，结构复 杂，维修费用高 与入炉煤配比相当 必须增加型煤、煤调湿等煤预处理措施才可 多用1 1 5 弱粘煤煤的配入量不能太多 为提高焦炭质量，配煤成本较高 生产稳定性 装煤车、拦焦车与地面除尘设备结合，效果 良好 一般为3 5 年以上 严格控制在8 1 1 控制在8 8 9 0 以上 捣同机出现问题会影响装煤操作 和焦炭质量 m 椰提高1 6 百分点，m l ( j 改善2 4 百 分点，c s r 提高l 6 百分点 可多用2 0 札2 5 弱粘煤：当为大 型高炉生产高质量焦炭时，弱粘 比顶装焦炉低2 0 3 0 元t 煤 出现煤饼倒塌现象影响生产 采用u 型管导烟车( c g t 车) ，烟尘 治理效果较好 一般为2 0 年以上 1 3 4 我国捣固技术存在的问题 从目前我国现有捣固炼焦生产实践来看，限制我国该技术发展的瓶颈主要是捣固机械 的问题f 5 6 】。与国外的捣固设备性能相比，国产的捣固设备存在的差距主要体现在如下几方 面【57 】：一是捣固装置规模小，大多小于3 8 米，且年产只有1 0 万吨。与同等规模的顶装焦 炉相比虽然有一定优势，但小规模制约了经济效益的发展。国外的捣固焦炉生产规模相对 较大；二是低效率的捣固设备。煤饼捣固耗时较长，制约了其发展，另外长时问的捣固也 限制了焦炉孔数，焦炉生产能力受影响；三是捣出的煤饼质量不好。国内捣固机械捣出的 煤饼堆密度不足1 1 0f f m 3 ，进而限定了焦炉炭化室的高度，焦炉向大型化方向发展较难。 而国外捣固机械捣出的煤饼堆密度则较大，可达1 1 0 1 1 5f f m 3 。这样就可以增大炭化室高 度，提高焦炭的产量和质量。此外，捣固炼焦工艺还存在的煤饼易坍塌、温控不合理、集 气管及焦油盒发生堵塞和装煤时烟易从炉头易出等四个方面的问题也不得不引起重视【5 引。 近年来，随着新型捣固机试验研究的不断发展，我国也取得了一些成果，但仍不能与 国外先进技术相比。故大力发展捣固工艺，大量投入人力物力，将捣固焦炉大型化，在适 当时候引进高效机械，对加快该技术更新换代十分重要。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章实验方案及方法 2 1实验方案 本实验的目的是为了掌握常规炼焦与捣固炼焦的基本原理与操作，并通过比较两种工 艺生产出的焦炭性能与质量，从而指导生产。拟从实验室实验和生产实验两方面着手，即 首先在不同的堆密度下对单种煤、配合煤进行实验室5 k g 的小焦炉炼焦，研究常规炼焦与 捣固炼焦的一些特点和规律；在实验室研究的基础上，研究生产焦炭。其实验流程见下图。 图2 1 实验方案流程图 2 2 实验方法 2 2 1 煤样制备 实验煤样均取自武钢焦化公司。 将各单种煤样先用3 m m 方孔筛筛分，筛上部分用鄂式破碎机破碎，再用3 m m 方孔筛筛 分，筛上部分再用对辊破碎机破碎，然后用巾1 0 m m 的圆孔筛筛分，直到全部通过由1 0 m m 的圆孔筛。混匀、测定水分后装桶密封备用。因此，入炉煤的细度大于9 0 ，且全部通过 由1 0 m m 的圆孔筛。 2 2 1 炼焦实验 取单种煤或按配煤比取一定数量的制备好的各单种煤，充分混匀后取分析样，然后加 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 水将水分调至约1 0 9 6 ，再充分混合均匀后装炉炼焦。炼焦试验在实验焦炉( 见图2 2 ) 上 进行。铁箱装煤( 见图2 3 、图24 ) ，铁箱尺寸：2 0 0 2 1 0 2 4 0 有效容积00 l 一，人 工捣打