第二章 焦炭及其性质

1、 第二章 焦炭及其性质主讲人：张国伟 内容概要1、煤的性质2、煤的分类3、炼焦工艺的煤种适应性4、焦炭的性质 1、什么是煤，有哪些性质？2、煤有哪些分类？3、焦炭的性质哪些？1、原料煤的性质及分类、原料煤的性质及分类 煤炭是炼焦的主要原料，它也是我们日常生活中煤炭是炼焦的主要原料，它也是我们日常生活中的重要能源之一，被誉为工业的的重要能源之一，被誉为工业的“食粮食粮”、黑色的、黑色的“金子金子”，所以我们必须合理地利用煤矿资源。根据，所以我们必须合理地利用煤矿资源。根据成煤的原始物质条件不同，自然界的煤可分为三大类，成煤的原始物质条件不同，自然界的煤可分为三大类，即腐植煤、残植煤和腐泥煤。腐植

2、煤在自然界中分布即腐植煤、残植煤和腐泥煤。腐植煤在自然界中分布最广，储量最大，而且在煤炭利用和化学加工方面占最广，储量最大，而且在煤炭利用和化学加工方面占有主要的位置。有主要的位置。我国人均重要资源占世界平均水平%我国人均重要资源占世界平均水平%868645454040262625259.79.78 84.14.10 0101020203030404050506060707080809090100100煤煤铁铁耕地耕地铜铜水水铝铝石油石油天然气天然气资源品种资源品种占世界人均水平%占世界人均水平%煤的形成煤的形成 动物动物残植煤残植煤 煤煤炭炭腐植煤腐泥煤腐泥煤残植煤由低等植物（以藻类为主）和

3、浮由低等植物（以藻类为主）和浮游生物经过部分腐解而形成的煤游生物经过部分腐解而形成的煤称为腐泥煤，又可分为：藻煤、称为腐泥煤，又可分为：藻煤、胶泥煤、和油页岩等。胶泥煤、和油页岩等。由植物中含量较少，但在成煤初期最不易被微生物分解的组分形成。 由高等植物形成的煤称为由高等植物形成的煤称为腐植煤腐植煤，在自然界中，它的储量最大、分在自然界中，它的储量最大、分布最广。布最广。分类方法形成的形成的物质物质煤的分类原则煤的分类原则Vdaf=Vad/(100-Ad-Mad)干基无灰挥发分干基无灰挥发分煤类的划分和编码煤类的划分和编码 种类煤用两位阿拉种类煤用两位阿拉伯数码表示：伯数码表示： 十位数系按煤

4、的挥发分十位数系按煤的挥发分分组分组无烟煤为无烟煤为0，烟煤，烟煤为为14，褐煤为，褐煤为5 个位数个位数烟煤烟煤无烟煤无烟煤褐煤褐煤13煤煤化程度化程度16煤煤粘结性粘结性12煤煤化程度化程度n煤的分类煤的分类类别类别 符号符号 包括数码包括数码 分类指标分类指标 Vr,% Vr,% G G Y,mm Y,mm b,% b,% P% P% QGW-A.GN(MJ/kg)无烟煤无烟煤 WY WY 01,02,03 01,02,03 =10.0 10.010.020.0 20.0 =5 10.010.020.0 20.0 5520 20 瘦煤瘦煤 SM SM 13,14 13,14 10.010

5、.020.0 20.0 202065 65 焦煤焦煤 JM JM 242420.020.028.028.050506565=25.0 =25.0 (=150) (10.010.028 28 6565* * 肥煤肥煤 FM FM 16,26,36 16,26,36 =10.0=10.037.0 37.0 (85)(85)* * 25.0 25.0 * * 1/31/3焦煤焦煤 1/3JM 1/3JM 353528.028.037.0 37.0 6565* * =25.0 =25.0 (=150) (37.0 37.0 (85)(85)* * 25.0 25.0 (220) (220) 气煤气煤

6、QM QM 343428.028.037.037.050506060=25.0 =25.0 (=220) (37 37 35 35 1/21/2中粘煤中粘煤 1/2Z1/2ZN N 23,33 23,33 20.020.037 37 303050 50 弱粘煤弱粘煤 RN RN 22,33 22,33 20.020.037.0 37.0 5530 30 不粘煤不粘煤 BN BN 21,31 21,31 20.020.037.0 37.0 =5 37.0 37.0 =35 50 50 褐煤褐煤 HM HM 515137.037.0=30=30=24303050 50 无烟煤无烟煤焦炭强度焦炭强度

7、 褐煤褐煤 泥炭泥炭 烟煤烟煤种种类类 种类种类种种类类种类种类 转鼓试验是将一定量块度转鼓试验是将一定量块度大于某一规定值的焦炭试样，大于某一规定值的焦炭试样，放入一个特定结构尺寸的转放入一个特定结构尺寸的转鼓内，转鼓以恒定的转速转鼓内，转鼓以恒定的转速转动。动。 一定转数转达由于转鼓内一定转数转达由于转鼓内的提料板作用，焦炭在鼓内的提料板作用，焦炭在鼓内产生翻动和上下跌落运动。产生翻动和上下跌落运动。棕褐色或黑褐色的不均匀物棕褐色或黑褐色的不均匀物质，由植物变成煤的过程中质，由植物变成煤的过程中的产物。含有大量未分解的的产物。含有大量未分解的植物组织，另外，含水量也植物组织，另外，含水量也

8、很高。很高。 转鼓试验是将一定量块度转鼓试验是将一定量块度大于某一规定值的焦炭试样，大于某一规定值的焦炭试样，放入一个特定结构尺寸的转放入一个特定结构尺寸的转鼓内，转鼓以恒定的转速转鼓内，转鼓以恒定的转速转动。动。 一定转数转达由于转鼓内一定转数转达由于转鼓内的提料板作用，焦炭在鼓内的提料板作用，焦炭在鼓内产生翻动和上下跌落运动。产生翻动和上下跌落运动。外表呈褐色或暗褐色，无光泽，外表呈褐色或暗褐色，无光泽，外表上完全没有未分解的植物外表上完全没有未分解的植物组织残体。组织残体。 转鼓试验是将一定量块度转鼓试验是将一定量块度大于某一规定值的焦炭试样，大于某一规定值的焦炭试样，放入一个特定结构尺

9、寸的转放入一个特定结构尺寸的转鼓内，转鼓以恒定的转速转鼓内，转鼓以恒定的转速转动。动。 一定转数转达由于转鼓内一定转数转达由于转鼓内的提料板作用，焦炭在鼓内的提料板作用，焦炭在鼓内产生翻动和上下跌落运动。产生翻动和上下跌落运动。煤的特性外表呈灰黑色，带有金属光外表呈灰黑色，带有金属光泽，无明显条带。燃烧时无泽，无明显条带。燃烧时无烟，是煤化程度最高的一种烟，是煤化程度最高的一种煤。煤。自然界中最重要和分布最广自然界中最重要和分布最广的煤种。具有不同程度的光的煤种。具有不同程度的光泽，绝大多数呈条带状，暗泽，绝大多数呈条带状，暗条带和亮条带互相交替。燃条带和亮条带互相交替。燃烧时烟雾较多。烧时烟

10、雾较多。煤的化学性质煤的化学性质炭环原子网周围，它炭环原子网周围，它的含量随煤变质程度的含量随煤变质程度的加深而减少；的加深而减少；主要由成煤主要由成煤植物的蛋白植物的蛋白质转化而来，质转化而来，其含量通常其含量通常在在0.81.8%0.81.8%煤含硫量一般在煤含硫量一般在1.5%1.5%以以下，但高的也可达下，但高的也可达78%78%。 煤在变质过程煤在变质过程中不断放出二中不断放出二氧化碳和水，氧化碳和水，故煤中含氧量故煤中含氧量随变质程度的随变质程度的加深而迅速降加深而迅速降低。从泥炭到低。从泥炭到无烟煤，含氧无烟煤，含氧量由量由3040%3040%逐逐渐降到渐降到25%25%煤的指标

11、煤的指标灰分灰分挥发分挥发分B值值固定碳固定碳硫分硫分粘结指数粘结指数Y值值2、焦炭的性质及分类、焦炭的性质及分类焦体焦体 气孔壁是煤干气孔壁是煤干馏所得到的固体馏所得到的固体产物，称为焦质产物，称为焦质，它是焦炭中实，它是焦炭中实体部分。体部分。焦炭焦炭焦质焦质 是由粘结性是由粘结性煤在隔绝空气的煤在隔绝空气的条件下干馏所得条件下干馏所得到的多孔性固体到的多孔性固体块状物，用肉眼块状物，用肉眼可以观察到焦炭可以观察到焦炭表面的表面的裂纹和孔裂纹和孔隙结构隙结构。 沿大裂纹沿大裂纹裂开的焦块内裂开的焦块内还含有还含有微裂纹微裂纹，沿微裂纹分开沿微裂纹分开即是焦炭的焦即是焦炭的焦体，焦体是由体，

12、焦体是由气孔和气孔壁气孔和气孔壁构成。构成。 炭的裂纹和气孔结构对焦炭其它性质有很大的影响，尤其是焦炭的机械强度和反应性能。研究焦炭的外观与孔结构意义2.1焦炭的外观与孔结构焦炭的外观与孔结构 焦炭裂纹、焦炭气孔率、气孔平均直径与孔径分布、焦炭的多孔性与煤质关系研究焦炭的外观与孔结构研究内容 焦焦炭炭中中的的裂裂纹纹纵裂纹纵裂纹横裂纹横裂纹测量方法裂纹面与焦炉炭化室炉墙面裂纹面与焦炉炭化室炉墙面平行的裂纹称为横裂纹平行的裂纹称为横裂纹。 将方格(1(11cm)1cm)框架平放在焦块上，量出纵 裂纹的 投影长度即得，一次试验用2525块焦样，取其统计平均值。 炼焦生产规定裂纹面与焦炉炭化室炉场面

13、垂直的裂纹称为纵裂纹；评价指标裂纹度裂纹度利用焦炭的真密度和视利用焦炭的真密度和视密度，还可以用比孔容密度，还可以用比孔容积来表示，即单位重量积来表示，即单位重量焦炭内部气孔的总容积。焦炭内部气孔的总容积。焦炭气孔率：焦炭气孔率：计算方法计算方法 焦炭中气孔体积焦炭中气孔体积与焦炭总体积比的百与焦炭总体积比的百分数分数 在工业应用上，希望冶在工业应用上，希望冶金焦和铸造焦的气孔率尽金焦和铸造焦的气孔率尽可能低，从而降低焦炭的可能低，从而降低焦炭的反应性，提高焦炭质量反应性，提高焦炭质量 在特定的炼焦条件下，焦炭的在特定的炼焦条件下，焦炭的气孔率气孔率主主要取决于煤焦煤的煤质条件。一般情况下，要

14、取决于煤焦煤的煤质条件。一般情况下，焦炭的气孔率与煤的挥发份产率成正比，焦炭的气孔率与煤的挥发份产率成正比，即随煤化程度的增加，所得焦炭的气孔率即随煤化程度的增加，所得焦炭的气孔率下降。下降。二年级大孔大孔 直径为直径为2020100m100m的气孔的气孔 直径大于直径大于100m100m的气孔的气孔 直径小于直径小于20m 20m 的气的气孔孔微孔微孔中孔中孔吸附法测量方法测量方法即以孔中充满的液氮量等效为孔的体积即以孔中充满的液氮量等效为孔的体积 对于焦炭中的微孔，可采用气相吸对于焦炭中的微孔，可采用气相吸附法测定其孔径分布；而对于大孔，附法测定其孔径分布；而对于大孔，则采用则采用压汞法压

15、汞法进行测定，其原理是利进行测定，其原理是利用汞的表面张力较大的性质，当施加用汞的表面张力较大的性质，当施加外压力将汞压入微小气孔中时，气孔外压力将汞压入微小气孔中时，气孔的直径与所需施加的压力之间存在对的直径与所需施加的压力之间存在对应的关系，而且可由施加的外压力大应的关系，而且可由施加的外压力大小计算出对应的孔径尺寸。小计算出对应的孔径尺寸。 prcos2测量原理测量原理r r 外加压力外加压力p p时，汞能压入的气时，汞能压入的气孔的最小直径，孔的最小直径，m mp-p-外加压力，外加压力，PaPa；-汞的表面张力，汞的表面张力，J Jm m2 2； 汞与焦炭的接触角。汞与焦炭的接触角。

16、 测定过程中，逐步增加汞的压力，可以使汞进测定过程中，逐步增加汞的压力，可以使汞进入更加微小的气孔，这样由汞的体积变化可测出入更加微小的气孔，这样由汞的体积变化可测出孔径分布曲线，进一步计算出气孔平均直径。孔径分布曲线，进一步计算出气孔平均直径。 固体熔融后，气孔固体熔融后，气孔增大到最大尺寸；增大到最大尺寸；气孔收缩，导气孔收缩，导致在固化温度致在固化温度范围区间内形范围区间内形成结构紧密的成结构紧密的气孔结构气孔结构123煤的颗粒内生成小气孔；煤的颗粒内生成小气孔；当煤颗粒间的空隙完全当煤颗粒间的空隙完全被填满时，颗粒内的气被填满时，颗粒内的气孔增大，接着是气孔膨孔增大，接着是气孔膨胀和固

17、体熔融；胀和固体熔融；2.2焦炭的物理机械性能焦炭的物理机械性能 焦炭的机械性能主要通过粒度和机械强度来评定，高炉生产队焦炭的基本要求是：粒度均匀、耐磨性和抗碎性强。焦炭机械性能指标及工业要求 焦炭的粒度通过筛分组分组成来评定，焦炭的耐磨性和抗碎性靠转鼓试验来评定。焦炭物理机械性能评价方法 焦炭是外形和尺寸不规则的物料，只能用焦炭是外形和尺寸不规则的物料，只能用统计的方法来表示其粒度，即用筛分试验获得统计的方法来表示其粒度，即用筛分试验获得的筛分组成及计算的平均粒度进行表征。的筛分组成及计算的平均粒度进行表征。质量质量标准标准25mm25mm焦末含量焦末含量25mm25mm为大中块焦为大中块焦

18、25mm25mm252540mm40mm中块焦中块焦40mm40mm大块焦 大高炉使用的焦炭一定要作分级处理，大高炉使用的焦炭一定要作分级处理，甚至要对焦炭进行整粒。高炉焦的适宜粒甚至要对焦炭进行整粒。高炉焦的适宜粒度范围在度范围在2580mm之间，炼焦生产中应之间，炼焦生产中应尽可能增加该粒度范围内焦炭的产率。对尽可能增加该粒度范围内焦炭的产率。对于铸造用焦质量，则要求于铸造用焦质量，则要求80mm级为佳。级为佳。高炉生产对焦炭的块度要求高炉生产对焦炭的块度要求 焦炭的筛分组成主要与焦炭的筛分组成主要与炼焦配煤的性质和炼焦条件炼焦配煤的性质和炼焦条件有关，一般气煤炼制的焦炭有关，一般气煤炼制

19、的焦炭块度小，而焦煤和瘦煤炼制块度小，而焦煤和瘦煤炼制的焦炭块度大。的焦炭块度大。转鼓试验转鼓试验焦炭强度焦炭强度常温测定常温测定GB8729-88GB8729-88坠落试验坠落试验方方法法方法方法温温度度方法方法 转鼓试验是将一定量块度转鼓试验是将一定量块度大于某一规定值的焦炭试样，大于某一规定值的焦炭试样，放入一个特定结构尺寸的转放入一个特定结构尺寸的转鼓内，转鼓以恒定的转速转鼓内，转鼓以恒定的转速转动。动。 一定转数转达由于转鼓内一定转数转达由于转鼓内的提料板作用，焦炭在鼓内的提料板作用，焦炭在鼓内产生翻动和上下跌落运动。产生翻动和上下跌落运动。受这种复杂运动的作用力影受这种复杂运动的作

20、用力影响，抗碎能力差的焦块必定响，抗碎能力差的焦块必定碎裂；碎裂； 同时对于耐磨能力差同时对于耐磨能力差的焦炭，将产生表面焦炭层的焦炭，将产生表面焦炭层脱落而生成碎颗粒脱落而生成碎颗粒大于某一块度的焦炭占总的入大于某一块度的焦炭占总的入鼓焦炭的百分比作为鼓焦炭的百分比作为焦炭抗碎焦炭抗碎强度的指标强度的指标，小于某一较小粒，小于某一较小粒度的焦炭量度的焦炭量( (或大于或大于) )占总的入占总的入转鼓焦炭量的百分比作为转鼓焦炭量的百分比作为焦炭焦炭的耐磨强度的耐磨强度指标。指标。 转鼓试验是将一定量块度转鼓试验是将一定量块度大于某一规定值的焦炭试样，大于某一规定值的焦炭试样，放入一个特定结构尺

21、寸的转放入一个特定结构尺寸的转鼓内，转鼓以恒定的转速转鼓内，转鼓以恒定的转速转动。动。 一定转数转达由于转鼓内一定转数转达由于转鼓内的提料板作用，焦炭在鼓内的提料板作用，焦炭在鼓内产生翻动和上下跌落运动。产生翻动和上下跌落运动。大于某一块度的焦炭占总的入大于某一块度的焦炭占总的入鼓焦炭的百分比作为鼓焦炭的百分比作为焦炭抗碎焦炭抗碎强度的指标强度的指标，小于某一较小粒，小于某一较小粒度的焦炭量度的焦炭量( (或大于或大于) )占总的入占总的入转鼓焦炭量的百分比作为转鼓焦炭量的百分比作为焦炭焦炭的耐磨强度的耐磨强度指标。指标。 转鼓试验是将一定量块度转鼓试验是将一定量块度大于某一规定值的焦炭试样，

22、大于某一规定值的焦炭试样，放入一个特定结构尺寸的转放入一个特定结构尺寸的转鼓内，转鼓以恒定的转速转鼓内，转鼓以恒定的转速转动。动。 一定转数转达由于转鼓内一定转数转达由于转鼓内的提料板作用，焦炭在鼓内的提料板作用，焦炭在鼓内产生翻动和上下跌落运动。产生翻动和上下跌落运动。焦炭强度焦炭强度 转鼓试验是将一定量块度转鼓试验是将一定量块度大于某一规定值的焦炭试样，大于某一规定值的焦炭试样，放入一个特定结构尺寸的转放入一个特定结构尺寸的转鼓内，转鼓以恒定的转速转鼓内，转鼓以恒定的转速转动。动。 一定转数转达由于转鼓内一定转数转达由于转鼓内的提料板作用，焦炭在鼓内的提料板作用，焦炭在鼓内产生翻动和上下跌

23、落运动。产生翻动和上下跌落运动。 转鼓由电机带动，经减速后以转鼓由电机带动，经减速后以25r25rminmin的转速转动，每次试验共转的转速转动，每次试验共转100100转。转。转鼓试验后，将出鼓焦炭分别用转鼓试验后，将出鼓焦炭分别用40mm40mm和和10mm10mm的圆孔筛筛分，对筛分得到的大于的圆孔筛筛分，对筛分得到的大于40mm40mm、404010mm10mm、小于、小于10mm10mm三部分分别三部分分别称重，并计算强度指标。称重，并计算强度指标。 转鼓测焦炭的强度转鼓测焦炭的强度 抗碎强度抗碎强度用用M40M40表示，表示，按左式计算按左式计算入鼓焦炭重量组分的重量出鼓焦炭中大于

24、1004040mmM 耐磨强度耐磨强度用用M10M10表示，表示，按左式计算按左式计算100100mmM出鼓焦炭中小于1组分的重量入鼓焦炭重量 2.3焦炭的化学组成焦炭的化学组成磷焦炭硫氮氧氢碳 焦炭的工业分焦炭的工业分析包括析包括水分、灰水分、灰分、挥发分和固分、挥发分和固定碳定碳的测定。的测定。 来源于煤内的来源于煤内的矿物质，焦炭内矿物质，焦炭内大的灰分使焦炭大的灰分使焦炭的强度降低的强度降低焦炭的焦炭的残余挥发分残余挥发分是焦炭成熟是焦炭成熟度的标志，成熟良好的焦炭挥度的标志，成熟良好的焦炭挥发分为发分为0.90.91.01.0左右。当左右。当焦炭的挥发分大于焦炭的挥发分大于1.21.

25、2时，则时，则表明炼焦不成熟。成熟度不足表明炼焦不成熟。成熟度不足的焦炭耐磨性差，影响其强度。的焦炭耐磨性差，影响其强度。过熟的焦炭其块度将受到影响。过熟的焦炭其块度将受到影响。固定碳固定碳100100-(-(水分水分+ +灰分灰分+ +挥挥发分发分) ) 湿法熄焦时，焦炭的水湿法熄焦时，焦炭的水分可达分可达6 6以上，而采用干以上，而采用干法熄焦焦炭水分含量较低，法熄焦焦炭水分含量较低，因吸附大气中的水汽使其因吸附大气中的水汽使其含水约含水约1 11.51.5。磷焦炭硫氮氧氢碳碳和氢碳和氢是焦炭中的有效元素，是焦炭中的有效元素，氢元素的存在主要是焦炭中氢元素的存在主要是焦炭中残余挥发分而造成

26、的，氢含量残余挥发分而造成的，氢含量的高低也可以表征焦炭的成熟的高低也可以表征焦炭的成熟度，且可靠性更高。焦炭中碳度，且可靠性更高。焦炭中碳的微晶结构对焦炭的性质有较的微晶结构对焦炭的性质有较大的影响，因此单纯用碳含量大的影响，因此单纯用碳含量的值不能评定焦炭的质量的值不能评定焦炭的质量。 工业上一般只工业上一般只测定焦炭的全硫测定焦炭的全硫StSt, ,我国目前焦化我国目前焦化企业硫分企业硫分StSt一般一般控制在控制在0.40.40.60.6，磷也是焦炭中的有害元磷也是焦炭中的有害元素，高炉炉料中的磷全素，高炉炉料中的磷全部转入生铁。一般要求部转入生铁。一般要求生铁含磷低于生铁含磷低于0.01O.015。煤中的磷几。煤中的磷几乎全部残留在焦炭中，通乎全部残留在焦炭中，通常焦炭含磷约常焦炭含磷约0.02。焦炭中的氮元素是焦炭焦炭中的氮元素是焦炭燃烧生成燃烧生成NOx的来源。的来源。2.4 焦炭的化学反应性能焦炭的