第二章 室式炼焦过程与配煤原理.ppt

第二章室式炼焦过程与配煤原理 本章内容 第一节炭化室内结焦过程特点第二节影响炭化室结焦过程的因素第三节配合煤的质量第四节配煤原理第五节焦炭质量预测安排 4学时 第一节炭化室内结焦过程特点特点 1 单向供热 成层结焦 2 结焦过程中的传热性能随炉料的状态和温度而变化一 温度变化与炉料动态1 成层结焦过程与炼焦最终温度由于单向供热 且炉料导热系数低 故在结焦过程的大部分时间内炭化室中心面法线方向上炉料内温度梯度较大 在同一时间内 离炭化室墙面不同距离的各层煤料因温度不同而处于结焦过程的不同阶段 整个炭化室内炉料的状态则随结焦过程的进行而不断变化 如图所示 成层结焦 结焦过程从两侧炭化室墙面开始 一层层地逐渐向炭化室中心面扩展 称为成层结焦 炼焦最终温度 结焦末期炭化室中心面温度 称为炼焦最终炼焦温度 作为焦饼成熟程度的标志 2 等温线分布 升温速度 温度梯度 膨胀压力结焦过程中煤料的状态随时间而变化 不同状态的各种中间产物的热容 导热系数 相变热 反应热等均不同 所以炭化室内煤料的温度场是不均匀 不稳定温度场 其传热过程属于不稳定传热 炭化室结焦过程中煤料的温度变化如图所示 由图可说明如下几点 1 在任一温度区间内 各层的温度梯度和升温速度均不同 2 湿煤装炉时 炭化室中心面煤料温度升到100 以上所需时间相当于结焦时间的一半左右 3 由于成层结焦两个大体上平行于炭化室墙面的塑性层也从两侧向炭化室中心面逐渐移动 同时 由于炉顶和炉底的传热 在上部和下部也形成塑性层 这样就构成了一个膜袋 膜袋内的煤热解产生气态产物使膜袋膨胀 又通过半焦层 焦炭层而施于炭化室墙以侧压力 膨胀压力 当膜袋在炭化室中心面上会合时的膨胀压力最大 又称为最大膨胀压力 通常所说的膨胀压力 指的就是最大膨胀压力 二 各层温度梯度 升温速度和焦炭质量由以上的讨论可知 各层的温度梯度和升温速度不同 因此导致各层焦炭的质量也有一定的差异 如图所示 靠近炉墙的煤料 温度梯度大 升温速度快 塑性温度区间变宽 塑性体内煤热解产物之间作用改善 从而改善了焦炭质量 真密度 导电率 显微强度增大 气孔率降低 反应性降低 反应后强度提高 但裂纹深 粒度小 熔融性好 致密 靠近炉墙面的焦炭面扭曲如菜花俗称焦花 三 室式炼焦过程中煤料硫分 灰分与焦炭硫分 灰分的关系1 硫的动态与焦炭硫分装炉煤中的硫分 一部分如硫酸盐和FeS2转化为FeS CaS和FenSn 1而残留于焦炭中 S残 另一部分如有机硫则转化为气态硫物 其中部分随荒煤气析出 S气 部分则在流经高温焦炭层缝隙时与焦炭反应生成复杂的硫碳复合物而进入焦炭中 S复 定义 S G焦S焦 G煤 S煤 G焦 S煤 S焦 S煤 K S焦 S煤 一般 S 0 6 0 7 即煤中的硫有60 70 转入焦炭中 所以 S焦 S煤 S K式中 S焦 焦炭硫分 S煤 入炉煤硫分 K 全焦率 一般为74 75 K G焦 S煤所以 S K 0 8 0 93 即S焦 S煤 0 8 0 93 G煤 S煤 G焦 S焦 G气 S气 焦炉 2 焦炭灰分煤料中的灰分全部转入焦炭中 由物料衡算可得 G煤A煤 G焦A焦 G气A气 A气 0 G煤A煤 G焦A焦则A煤 A焦 G焦 G煤 记K G焦 G煤则A焦 A煤 K 式中 A焦 焦炭灰分 A煤 煤料灰分 G煤 G焦 G气 焦炉 四 二次热解与化学产品1 炼焦最终温度与化学产品组成高温炼焦的化学产品组成不同于低温干馏化学产品 高温炼焦的化学产品不是煤热分解直接生成的一次热解产物 而是一次热解产物在析出途中经高温作用二次热解产物 其产率取决于装炉煤的挥发分 其组成取决于荒煤气在析出途中所经受的温度 停留的时间和装炉煤的水分 如下表所示 2 气体析出途径与二次热解反应煤结焦过程的气态产物大部分是在塑性温度区间 特别是在固化温度以上产生的 炭化室内干煤层热解生成的气态产物和塑性层内产生的气态产物的一部分从塑性层内侧和顶部流经炭化室顶部空间而排出 这部分气态产物称为 里行气 约占气态产物的10 25 塑性层内产生的气态产物中的大部分及半焦层内产生的气态产物则穿过高温焦炭层缝隙 沿焦饼与炭化室墙之间的缝隙向上流经炭化室顶部空间而排出 这部分气态产物称为 外行气 约占气态产物的75 90 外行气要发生裂解 脱氢 缩合 脱烃基等二次热解反应 第二节影响炭化室结焦过程的因素一 装炉煤堆密度增大密度可以改善焦炭质量 特别对弱粘结煤尤为明显 二 装炉煤水分水分影响结焦时间和炼焦耗热量 水分每增加1 结焦时间处长20分钟 水分影响装炉煤的堆密度 如图所示 三 炼焦速度 指炭化室平均宽度与结焦时间的比值 mm h 炼焦速度反映炭化室内煤料结焦过程的平均速度 根据结焦机理 提高升温速度可以使塑性温度间隔变宽 流动性改善 有利于改善焦炭质量 表现为 熔融性改善 耐磨强度提高 但裂纹率增加 块度变小 炼焦速度与炭化室宽度有关 炭化室宽度 mm500450407350结焦时间 h20171512炼焦速度 mm h25 026 527 129 2炼焦速度的选择 1 当入炉煤粘结性较差时 宜采用窄炭化室 高炼焦速度 2 当入炉煤粘结性较强时 宜采用宽炭化室 低炼焦速度 以降低膨胀压力 四 炼焦最终温度和焖炉时间提高炼焦最终温度与延长焖炉时间 可使结焦后期的热分解和热缩聚程度提高 有利于降低焦炭的挥发分含量和氢含量 使气孔壁材质密度提高 从而提高焦炭显微强度 耐磨强度和反应后强度 但气孔壁致密化的同时 微裂纹将扩展 因此 块度和抗碎强度降低 见下表和图 第三节配合煤的质量一 配合煤质量要求1 配煤的目的与意义单种煤炼焦从数量 资源 上和质量上都不能满足现代大型高炉对焦炭质量的要求 2 配煤原则 1 配合煤性质与本厂预煤处理工艺及炼焦条件相适应 焦炭质量满足用户的要求 2 符合本地区煤炭资源条件 有利于扩大炼焦煤源 3 有利于增加炼焦化学产品 避免膨胀压力过大 推焦困难 4 缩短煤源平均运距 便于车皮调配 避免煤车对流 要特殊情况下有调节余地 5 来煤数量稳定 质量均匀 6 在上述前提下 尽量降低生产成本 以期提高经济实效 二 配合煤质量指标1 水分配合煤水分应力求稳定 以利于焦炉加热制度的稳定和炼焦耗热量的降低 2 灰分灰分是有害杂质 配合煤的灰分可根据单种煤的灰分按加和性计算 也可实测 A AiXi3 硫分硫分是有害杂质 配合煤的硫分可根据单种煤的灰分按加和性计算 也可实测 S SiXi 4 煤化度常用的指标有 Vdaf和Rmax 二者有很强的相关性 Rmax 2 35 0 041Vdaf 相关系数r 0 947 二者均可按加和性计算 前者有误差 当Vdaf 25 28 Rmax 1 1 1 4 时 焦炭的气孔率和比面积最小 当Vdaf 18 30 Rmax 1 1 1 6 时 焦炭的各向异向程度较高 当Vdaf 18 30 Rmax 1 15 1 30 时 焦炭的耐磨强度和反应后强度处于最佳范围 一般认为 对于大型高炉用焦炭其配合煤的煤化度指标应控制在 Vdaf 26 28 Rmax 1 2 1 3 5 粘结性配合煤的粘结性指标影响焦炭强度的重要因素 根据结焦机理 配合煤中各单种煤的塑性温度区间应彼此衔接和依次重叠 粘结性一般没有加和性 常用的指标较多 各国都有自己的指标 一般认为其适宜范围为 MF 70 1000DDPMbt 50 Y 17 22mmG 58 72 6 细度 是指配合煤中小于3mm粒级占全部配合煤的质量百分数 常规炼焦时约为72 80 配型煤炼焦时约为85 捣固炼焦时应大于90 7 膨胀压力膨胀压力与粘结性指标间不存在规律的相关关系 只能实测 8 配煤图以煤化度指标为横座标 以粘结性指标为纵座标 将炼焦用各种单种煤和配合煤的适宜区域绘制在一张图上 即得配煤用图 常称为配煤图 用来指导配煤生产 如图所示 对角线两侧的煤具有良好的配伍性 Vdaf G 气煤 肥煤 焦煤 瘦煤 配煤原理图 第四节配煤原理一 胶质层重叠原理该原理要求配合煤中各单种煤的胶质体的软化区间和温度间隔能较好的搭接 这样可使配合煤料在炼焦过程中能在较大的温度范围内处于塑性状态 从而改善粘结过程 并保证焦炭的结构均匀性 不同的牌号的炼焦煤的塑性温度区间如图所示 二 互换性配煤原理该原理为日本人城博提出 他把煤的有机质分成 粘结组分 即煤的吡啶抽出物 决定煤的粘结能力 纤维质组分 煤的吡啶抽提残留物 决定焦质的强度 该原理认为 要制得强度好的焦炭 配合煤的粘结组分和纤维组分应有适宜的比例 而且纤维质组分应有足够的强度 当配合煤达不到相应的要求时 可以用添加粘结剂或瘦化剂的办法来加以调整 所此 提出了如图所示的互换性配煤原理图 并指导配煤 第五节焦炭质量预测一 理论基础焦炭质量 f 煤质 工艺条件 焦炭质量 Mt Ad Vdaf St M10 M40 CRI CSR等煤质 Mt Ad Vdaf G St MCI等 Vdaf G MCI工艺条件 备煤工艺条件 炼焦工艺条件 constant焦炭质量 焦炭强度 f 煤质 f Vdaf G MCI 根据理论分析和生产经验 冷态强度 f Vdaf G 热态强度 f Vdaf G MCI 二 焦炭强度的预测方法1 冷态强度 1 等强曲线法 如图所示 根据大量的实验绘制成等强度曲线图 再根据配合煤的煤化度指标Vdaf和粘结性指标G查图求得焦炭的M40和M10 2 回归方程法 将实验或生产数据 进行回归分析 求出焦炭强度与煤化度指标和粘结性指标的关系 用于指导炼焦生产 如鞍钢的回归方程 1 M40 126 147 2 104Vdaf 0 144Gr 0 925M10 12 794 0 452Vdaf 0 243Gr 0 8862 M40 127 881 1 947Vdaf 0 227Yr 0 928M10 9 085 0 201Vdaf 0 363Yr 0 910 2 热性能的预测焦炭的热性能是指焦炭的反应性CRI和焦炭的反应后强度CSR 焦炭的反应性和反应后强度不仅与炼焦煤料的性质有关而且还与煤料的灰成分有关 1 日本神户钢铁公司的预测模型为 CSR 70 9R0 7 8lgMF 89MBI 32CRI CSR 10式中 碱度指数MBI Fe2O3 K2O Na2O CaO Si2O Al2O3 2 美国内陆钢铁公司的预测模型为 CSR 28 91 0 63 T CI式中 塑性温度区间 T T3 T1 固化温度与开始软化温度之差 催化指数 CI 14 04St d 9 64Ad Fe2O3 K2O Na2O CaO MgO SiO2 Al2O3 3 我国的一些方法杨俊和法CRI 48 09 4 08Vd 0 103Vd2 8 95MCIR 0 9453CSR 5 4227 7 628Vd 0 1508Vd2 17 33MCIR 0 9241当以煤中的灰分表达时 当以焦炭中的灰分表达时 4 根据焦炭的光学显微组分预测焦炭的反应性和反应后强度1 鞍山热能院的预测方法CSR 50 06 0 56I 0 76FM 0 14CM 0 13F