炼焦过程与配煤原理
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炼焦过程与配煤原理
本章内容:
第一节 第二节 第三节 第四节 炭化室内结焦过程特点 影响炭化室结焦过程的因素 配合煤的质量 配煤原理
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
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。
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,mm 500 450 407 350 结焦时间,h 20 17 15 12 炼焦速度，mm/h 25.0 26.5 27.1 29.2 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；
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 ~ 1000DDPM bt ≥50% Y = 17 ~ 22mm G = 58 ~ 72
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。
G焦×S焦
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 G气 ∵ A气 = 0 ∴ G煤A煤 = G焦A焦 G煤 G焦 则 A煤 = A焦（G焦/G煤） 焦炉 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，%
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：
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。
G
焦煤
肥煤
瘦煤
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
气煤
Vdaf 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。
定义:ΔS =G焦S焦) /(G煤×S煤) =(G焦/ G煤) × (S焦/S煤) = K × (S焦/S煤) 一般ΔS = 0.6--0.7, 即煤中的硫有60--70%转入焦炭中。 G气×S气 G煤×S煤 所以，S焦 = S煤×ΔS/K 焦 炉 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/ G煤 所以ΔS/K = 0.8--0.93, 即S焦/S煤 = 0.8--0.93
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
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
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%
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 FeS 2 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）。
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。
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=ΣAiXi 3、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=ΣSiXi
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。
Thank you!
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
本章内容:
第一节 第二节 第三节 第四节 炭化室内结焦过程特点 影响炭化室结焦过程的因素 配合煤的质量 配煤原理
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
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。
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,mm 500 450 407 350 结焦时间,h 20 17 15 12 炼焦速度，mm/h 25.0 26.5 27.1 29.2 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；
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 ~ 1000DDPM bt ≥50% Y = 17 ~ 22mm G = 58 ~ 72
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。
G焦×S焦
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 G气 ∵ A气 = 0 ∴ G煤A煤 = G焦A焦 G煤 G焦 则 A煤 = A焦（G焦/G煤） 焦炉 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，%
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：
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。
G
焦煤
肥煤
瘦煤
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
气煤
Vdaf 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。
定义:ΔS =G焦S焦) /(G煤×S煤) =(G焦/ G煤) × (S焦/S煤) = K × (S焦/S煤) 一般ΔS = 0.6--0.7, 即煤中的硫有60--70%转入焦炭中。 G气×S气 G煤×S煤 所以，S焦 = S煤×ΔS/K 焦 炉 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/ G煤 所以ΔS/K = 0.8--0.93, 即S焦/S煤 = 0.8--0.93
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
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
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%
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 FeS 2 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）。
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。
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=ΣAiXi 3、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=ΣSiXi
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。
Thank you!
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