二氧化碳气氛下的焦炭反映行为.doc

二氧化碳气氛下的焦炭反映行为1. 焦炭的作用与用途1.1、焦炭在高炉中的作用焦炭在高炉中有一下几个方面的作用：1.发热剂：焦炭在风口前燃烧放出热量而产生高温，它使高炉内各种化学反应得以进行，并使渣、铁熔化。高炉冶炼所消耗的热量7080%是由焦炭燃烧来提供的。2.还原剂：焦炭中的固定碳C和它燃烧后产生的CO、H2与铁矿石中的各级氧化物反应后，将铁还原出来。铁矿石还原所需的还原剂几乎全部由燃料所供给。3.料柱骨架：高炉内的铁矿石和熔剂下降到高温区时，全部软化并熔化成液体，而焦炭则既不软化也不熔化，所以它可以作为高炉内料柱的骨架来支撑上部的炉料。焦炭在高炉料柱中约占整个体积的三分之一至二分之一，焦炭又是多孔的固体，同时它又起着改善料柱透气性的作用。4.渗碳的作用：使工件增碳表面层经淬火和低温回火后，能获得高硬度、耐磨性和疲劳强度，而工件心部仍有高的塑性和韧性。铁的溶碳，在高炉炼铁过程中焦炭中的碳是逐步渗透到生铁中。一般铸造生铁含碳3.9%左右，炼钢生铁在4.3%左右。生铁渗碳消耗焦炭7%10%。1.2、焦炭的其他用途焦炭通常按用途分为冶金焦（包括高炉焦、铸造焦和铁合金焦等）、气化焦和电石用焦等1.2.1.、气化焦是专用于生产煤气的焦炭。主要用于固态排渣的固体床煤气发生炉内，作为气化原料，生产以CO和H2为可燃成分的煤气。气化过程的主要反应有：C+O2CO2+408177KJCO2+C2CO-162142KJC+H2OCO+H2-118628KJC+2H2OCO2+2H2-755115DJ 因为产生CO和H2的过程均是吸热反应，需要的热量由焦炭的氧化、燃烧提供，因此气化焦也是气化工程的热源。气化焦要求灰份低、熔点高、块度适当和均匀。其一般要求如下：固定碳大于80%；灰份小于15%；灰熔点大于1250；挥发份小于3%；粒度15-35%和大于35mm两级。冶金焦虽可以用作气化焦，但由于受炼焦煤资源和价格等的限制，一般不用冶金焦制气。以高挥发份粘结煤为原料生产的气煤焦，块度小，强度低，不适用于高炉冶炼，但它的气化反应性好，可取代气化焦用于制气。1.2.2.、电石用焦是在生产电石的电弧炉中作导电体和发热用的焦炭。电石用焦加入电弧炉中，在电弧热和电阻热的高温（1800-2200）作用下，和石灰石发生复杂的发应，生成熔融状态的碳化钙（电石）。其生成过程可用下列发应式表示：CaO+3CCaC2+CO-46.52KJ 电石用焦应具有灰份低、反应性高、电阻率大和粒度适中等特性，还要尽量除去粉末和降低水分。其化学成分和粒度一般应符合如下要求：固定碳大于84%，灰份小于14%，挥发份小于2%，硫份小于1。5%，磷分小于0.04%，水分小于1.0%，粒度根据生产电石的电弧炉容量而定：电炉容量/KVA粒度/mm50003-125000-100003-1510000-200003-18200003-20粒度合格率要求在90%以上。2焦炭发展的历史与应用前景中国是世界上最早发现并利用煤炭的国家，也是世界上最早用煤炭炼焦用于冶炼生铁的国家。据考证，南宋年间，中国北方就有用煤炭炼焦的历史记录。但受当时经济发展水平的限制，中国的炼焦和炼铁工业一直处于手工作坊式经营，未能形成一种产业。 真正煤炭炼焦的诞生地在英国 十七世纪末，英国资本主义经济迅猛发展，极大地刺激了对钢铁的需求，也促使人们开始探索新的炼铁技术以提高产量。近代炼焦和焦炭炼铁技术正是在这一背景下应运而生的。 1709年，英国人亚伯拉罕达比（Abraham Darby，1678-1717）尝试以廉价的焦炭代替当时在英国已日益匮乏的木炭用于高炉炼铁。达比取得了巨大的成功，不但提高了生铁的产量，降低了成本，还大大提高了生铁的质量。 达比的突破具有划时代的意义，经常被后世视为是引燃世界工业革命的火种，因为它完全改变了当时英国工业的格局和发展历程。钢铁时代的真正到来 到十八世纪五十年代，随着焦炭炼铁技术被广泛采纳以及炼焦技术的逐渐成熟，原来以木炭为燃料的铁厂纷纷从林区迁往煤矿附近，以降低成本和扩大产量，使得为刚刚诞生的蒸汽机、机车、铁路和机械的生产提供充足原料成为可能。 在近代焦炭炼铁技术诞生后的几十年内，英国相继出现了铸铁的铁轨、机车轮和蒸汽机缸甚至铸铁的轮船，亚伯拉罕家族的铁厂也成了十八世纪英国最成功的炼铁及铸造企业。亚伯拉罕还发现焦炭在高炉内比木炭有更好的支撑性，并利用焦炭的这一特点建造出了比以往更大的高炉。据记载，由于焦炭大大提高了铸铁的强度，亚伯拉罕的长子在继承父业以后生产的薄铸铁几乎包揽了英国蒸汽机缸的铸造合同。 到十八世纪七十年代，铁已经基本上取代木材成为了英国机械制造业的主要原料。 北美的“蜂窝焦”一蜂而上 达比的焦炭炼铁技术迅速传播到了欧洲大陆和北美洲，极大地带动了当地的采矿、炼焦和炼铁业。在相继发现煤矿的美国亚拉巴马、田纳西、宾西法尼亚等地，焦炉如雨后春笋般出现。当时的拱形土焦炉多连片建在山坡上，有时多达数百孔，远看酷似蜂窝，被形象地称作“蜂窝焦炉（beehive oven）”，生产的焦炭被称作“蜂窝焦（Beehive coke）”，也就是我们现在所说的土焦。土焦的这一英文名称一直沿用至今。据记载19世纪在美国宾西法尼亚洲焦炭卖到了美元一车。虽然一车（wagon）到底相当于现在多少数量待考证，但这个价格在当时确实造就了一批富豪。 尽管随着新技术的产生和环保意识的提高，本世纪相继出现了顶装机焦(top-charging coke)、捣固机焦(stamp-charging coke)、捣固干熄焦(dry quenching coke)，单座焦炉年产能可以高达100万吨以上，但土焦依然在世界很多国家广泛存在,并产生了很多变种，比如无回收焦（non-recovery coke）和热回收焦（heat-recovery coke）等。 铸铁桥 - 炼焦工业的杰作 为了纪念亚伯拉罕达比对现代钢铁工业的贡献，1779年达比的孙子在焦炭工业诞生地英国塞文河畔的考布鲁克代尔镇（Coalbrookdale）主持建造了世界上第一座铸铁结构的建筑物铸铁大桥。这座被命名为“铁桥（Ironbridge）”的桥梁直到1881年才完全竣工，共耗铁400吨。这在木炭炼铁时代是不可想象的。铁桥跨越的河段也因此被更名为铁桥峡（Ironbridge Gorge）。 铁桥至今仍屹立在塞文河的铁桥峡上，见证着近代焦炭工业诞生的这段历史。 屹立在英国Severn河畔的这座Ironbridge铁桥已经作为人类的第一个钢铁建筑被联合国教科文组织列为世界文化遗产。3高炉中焦炭在二氧化碳气氛下反映的意义3.1高炉焦炭的理化性质一、 焦炭的化学性质 3.1.1 焦炭反应性 焦炭与二氧化碳、氧和水蒸汽等进行化学反应的能力。焦炭在高炉冶炼过程中，与CO2、O2和水蒸汽发生下列化学反应：C+O2 CO2393.3 (kJmol-1)C+1/2O2CO110.4 (kJmol-1)C+CO2 2 CO172.5 (kJmol-1)C+H2O COH2 131.3 (kJmol-1) 由于焦炭与O2和H2O的反应有与CO2反应相类似的规律，大多数国家都用焦炭与CO2间的反应特性评定焦炭反应性。焦炭反应性与焦炭块度、气孔结构、光学组织、比表面积、灰分的成分和含量等有关；还因测定是所采用的条件，如反应温度、反应气组成、反应气流量和压力等因素而成改变。所以，评定炭的反应性必须在规定的条件下（GB400083）进行试验， 以反应后失重百分数作为反应指数（Cr）。反应后的焦炭在直径130mm，长700mm的I型转鼓中以20r/min速度转动600转，然后用10mm筛子筛分，测量筛上物占装入转鼓的反应后焦炭量的百分数作为反应后强度Sar，多数国家要求Cr48%50%。在反应条件一定的情况下，焦炭反应性主要受炼焦煤料的性质、炼焦工艺、所得焦炭的结构以及焦炭灰成分的影响。 降低焦炭反应性的措施。一般认为，在炼焦配煤中适当多用低挥发分煤和中等挥分煤，少用高挥发煤；提高炼焦终温；闷炉操作；增加装炉煤散密度，调整装炉煤的粒度组成；干法熄焦；提高焦炭光学各向异性组织含量；降低气孔比表面积；降低焦炭灰分（金属氧化物具有正催化作用，B2O3具有负催化作用）。有的学者认为，配用低变质程度、弱黏结性的气煤类煤炼成的焦炭含有大量的各向同性结构，有着良好的抗高温碱侵蚀性能。2 焦炭的燃烧性 作为燃料是焦炭的主要用途，发热量、着火温度等是焦炭的重要参数。（1）焦炭的发热量。焦炭的发热量是用氧弹量热计测定的，按GB213标准进行，操作精细，误差可在125J/g以内。焦炭中的碳、氢、硫、氮都能与氧化合，由其反应热可以计算出焦炭的发热量，其值在3340033650J/g。对焦炭CO2反应性有影响的各因素对焦炭的燃烧性也具有相同的影响。（2）焦炭的着火点。 焦炭的着火点是指焦炭在干燥的空气中产生燃烧现象的最低温度。测定焦炭着火点的方法，习惯上采用1943年布莱登和赖利等人设计的方法，高炉焦着火温度为550650。3 焦炭抗碱性 它是焦炭在高炉冶炼过程中抵抗碱金属及其盐类作用的能力。虽然焦炭本身的钾、钠碱金属含量很低（约0.1%0.3%），但在高炉冶炼过程中，由矿石带入大量的钾、钠，并富集在焦炭中（可高达3%以上），对焦炭反应性、焦炭机械强度和焦炭结构均会产生有害的影响，危及高炉操作。提高焦炭抗碱能力的措施有：（1）采取各种措施降低焦炭与CO2的反应性，提高反应后强度。（2）从高炉操作采取措施，降低高炉炉身上部温度，减少碱金属在高炉的循环，从而降低焦炭中的钾、钠富集量。（3）炼焦煤料适当配用低变质程度弱黏结性气煤类煤。3.1.2焦炭的物理性质 焦炭的物理性质则包括焦炭的比热容、热导率、热膨胀系数、收缩率、热应力、电阻率、筛分组成、堆积密度、透气性、真密度、视密度和着火温度。3.2高炉中的主要化学反应C+O2=CO2C+CO2=2COCO+Fe2O3=Fe+CO2T1000C上缘T:11501200矿石开始软化收缩下缘T: 1400C,渣铁开始熔融滴落包括活性焦炭区和呆滞区T为14001500C鼓风T为11001300，在风口前端形成回旋区向炉缸中心延伸，产生大量热量和CO，产生空间使炉料下降3.3焦炭在高炉炼铁中的作用及其要求 焦炭在高炉炼铁中的地位和作用。焦炭在高炉炼铁中是不可缺少的炉料，对高炉炼铁技术进步的影响率在30%以上，在高炉炼铁精料技术中占有重要的地位。焦炭对高炉炼铁的作用是：一是主要的热量来源，高炉炼铁炭素(包括焦炭和煤粉)燃烧所提供的热量，占高炉炼铁总热量来源的 71%。随着喷煤比的提高，焦炭用量在逐步减少。但是，焦炭的用量总是要大于喷煤量。理论最低焦比为250kg/t, 焦炭在风口燃烧掉55%65%。二是还原剂，焦炭还原作用是以 C和 CO形式来对铁矿石起还原作用。炉料到风口焦炭溶反应为25%35%。三是生铁的溶碳，在高炉炼铁过程中焦炭中的碳是逐步渗透到生铁中。一般铸造生铁含碳3.9%左右，炼钢生铁在4.3%左右。生铁渗碳消耗焦炭7%10%。四是炉料的骨架作用，焦炭在高炉内是起骨架作用，支撑着炼铁原料(烧结矿，球团矿，天然块矿)，又起到煤气的透气窗作用。焦炭的 4种作用中，提供热源的主导作用不会改变，这就决定了理论焦比最低值。低于这个最低值，高炉炼铁就难以正常生产，或经济上就不合算了。在各种条件下高炉炼铁中碳的还原作用和渗碳功能不会有较大的变化。在高喷煤比条件下，焦炭的骨架作用会显得更加突出，相应对焦炭的质量要求也会越来越高。否则，是难以实现高喷煤比，高炉炼铁不能正常生产。焦炭从料线到风口平均粒度减少20%40%。劣质焦炭和热反应性差粉化率会很大。 焦炭质量变化对高炉炼铁的影响是比较大的。通过洗煤可以降低煤炭中的灰分和硫分，采用干法熄焦可以降低焦炭的水分，提高主焦煤的配比和条取综合技术装备可以改善焦炭的M40和M10指标。从技术上讲上述措施均是可行的。但是要把技术与经济管理相结合，找出最佳操作点，同时还要考虑到资源供给的条件。所以各企业要根据客观条件，本企业技术装备现状，科学、合理地提出不同时期不同炉容的高炉对焦炭质量标准。 高炉大型化以后对焦炭质量提出了新的更高要求，并对焦炭热性能等提出了要求。高炉大型化以后，料柱增高后，料的压缩率提高了，透气性变差。特别是炉缸容积变大以后，炉缸的焦炭状态对高炉生产的影响更大了。不同容积的高炉又对焦炭质量要求见下表，炉容越大，要求越趋于严格。 随着高炉炉容的大型化，对 M40的要求愈来愈高，而对 M10的要求愈来愈低；同理，对 CSR的要求愈来愈高，而对 CRI的要求愈来愈低；而对灰分和硫分要求倒是越来越小，总体，对焦炭的冷热态强度提出更高要求。高炉大型化对焦炭质量提出了更高要求。要使所炼焦炭质量能够适应高炉大型化发展，则可通过洗煤降低灰分和硫分；采用干法熄焦降低焦炭水分，提高主焦煤配比和采取综合技术装备可以改善焦炭的M10、M40 以及CSR 、CSI等指标。但在技术装备一定的情况下，扩大焦、肥配比是大部分钢铁企业提高焦炭强度的有效途径和常用方法。据统计，目前我国鞍本钢、首钢等大中型钢铁企业高炉大型化取得突破性进展，其焦肥比炼焦配比与传统配比相比，至少提高了 5-10个百分点。以此推算，2006-2007年大型高炉炼铁所需焦炭增耗焦、肥煤约 450万吨/年。同时，近年来，我国钢铁企业自配焦炉产能占国内新建焦炉产能的比重逐年上升，2005年、2006年、 2007年分别占到57.8%、42.2%和81.4%。据统计，2006年2008年全国新建、拟建的焦炭产能中钢铁企业自配焦炉产能达到 4100万吨，占所有新增产能的68%。这两方面因素共同影响，必将对稀缺的焦、肥煤资源形成旺盛需求，并将进一步加剧钢铁配套焦化厂与独立焦化企业竞购焦、肥煤的激烈程度。3.3焦炭质量及其测量指标焦炭的质量指标焦炭是高温干馏的固体产物，主要成分是碳，是具有裂纹和不规则的孔孢结构体（或孔孢多孔体）。裂纹的多少直接影响到焦炭的力度和抗碎强度，其指标一般以裂纹度（指单位体积焦炭内的裂纹长度的多少）来衡量。衡量孔孢结构的指标主要用气孔率（只焦炭气孔体积占总体积的百分数）来表示，它影响到焦炭的反应性和强度。不同用途的焦炭，对气孔率指标要求不同，一般冶金焦气孔率要求在 40 45% ，铸造