影響焦炭質(zhì)量的因素

一、焦炭的質(zhì)量指標(biāo)及要求焦炭是固體燃料的一種。由煤在約1000℃的高溫條件下經(jīng)干餾而獲得。主要成分為固定碳，其次為灰分，所含揮發(fā)分和硫分均甚少。呈銀灰色，具金屬光澤。質(zhì)硬而多孔?；诮固吭诟郀t內(nèi)的行為與作用，在生產(chǎn)中一般對(duì)焦炭有如下幾項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)的要求:1.粒度高爐操作順利與否的一個(gè)重要指標(biāo)是其爐內(nèi)料層的透氣性大小，而它與高爐爐料的均勻性有關(guān)，因此，一般要求焦炭粒度不應(yīng)比礦石粒度大得過(guò)多，二者應(yīng)盡量接近，保持均勻。一般冶金焦的平均粒度以50mm左右為宜，可控制在25~70mm范圍內(nèi)，特別是要提高40~60mm粒級(jí)的含量，目前中國(guó)出口冶金焦粒度一般以30~80mm，40~90mm兩個(gè)粒級(jí)居多。2.灰分焦炭中含有礦物質(zhì)，其燃燒時(shí)礦物質(zhì)會(huì)殘留形成灰分，灰分高會(huì)對(duì)焦炭產(chǎn)生不利影響。當(dāng)焦炭在焦?fàn)t的高溫環(huán)境中，燃燒產(chǎn)生灰分，灰分的增加破壞焦炭?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)使焦炭的裂紋增多，不僅使焦炭的強(qiáng)度降低，也會(huì)使焦炭的表面積增大，由于裂紋的增多，使CO2更容易從縫隙擴(kuò)散到焦炭的內(nèi)部，加劇熱性能變差?；曳质墙固恐械碾s質(zhì)和惰性物，其主要成分是SiO2、Al2O3等酸性氧化物，由于其熔點(diǎn)高，故在煉鐵時(shí)只能用CaO等熔劑與它們共生成低熔點(diǎn)化合物才能以熔渣形式排出高爐。因此要求冶金焦的灰分盡量低些。

3.硫分硫分是焦炭中的有害成分，高爐內(nèi)由爐料帶入的硫分中僅5%~20%隨高爐煤氣逸出，其余的參加爐內(nèi)硫循環(huán)，只能靠爐渣排出。焦炭含硫高會(huì)使生鐵含硫提高，降低生鐵質(zhì)量，或增加爐渣堿度使高爐操作指標(biāo)下降。因此，要求在生產(chǎn)焦炭時(shí)盡最大可能選擇低硫煤，以降低焦炭的硫分。

4.機(jī)械強(qiáng)度、熱強(qiáng)度焦炭強(qiáng)度指標(biāo)分為機(jī)械強(qiáng)度（抗碎強(qiáng)度及耐磨強(qiáng)度）和熱強(qiáng)度（反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度）。焦炭的機(jī)械強(qiáng)度是衡量焦炭能否起到支撐骨架的作用，確保高爐操作正常的重要指標(biāo)。焦炭熱強(qiáng)度是反映焦炭在高爐中抵抗化學(xué)侵蝕和保護(hù)爐料骨架作用能力，是綜合衡量與評(píng)價(jià)焦炭熱態(tài)穩(wěn)定性的主要指標(biāo)，較之機(jī)械強(qiáng)度更為重要。轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)既能測(cè)定焦炭的抗碎強(qiáng)度，又能測(cè)定焦炭的抗磨損程度，雖然還不能完全地反映出焦炭在高爐內(nèi)高溫狀態(tài)的全部實(shí)際情況，但能反映焦炭在進(jìn)入高爐前的運(yùn)輸以及在高爐中受機(jī)械破壞力的情況，因此得到廣泛地應(yīng)用。相關(guān)研究成果顯示，焦炭的強(qiáng)度指數(shù)每增高1%，高爐生產(chǎn)焦比可下降0.7%~1.5%，生鐵產(chǎn)量增加0.5%~1.5%，其影響十分顯著。因而希望焦炭的強(qiáng)度越高越好，對(duì)冶金焦的要求為：抗碎強(qiáng)度M40要大，而耐磨強(qiáng)度M10要小。

焦炭反應(yīng)性是指焦炭在使用過(guò)程中對(duì)所接觸氣體的化學(xué)反應(yīng)能力，其中焦炭與CO2反應(yīng)是在高爐中的最主要反應(yīng)，因此該指標(biāo)一般都是指焦炭在高溫下（1100℃）與CO2反應(yīng)的能力大小。焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度則是指焦炭在上述溫度與CO2反應(yīng)一定時(shí)間后，用特制的I型小轉(zhuǎn)鼓測(cè)得的“剩余”強(qiáng)度。焦炭在使用過(guò)程中與CO2反應(yīng)后，氣孔必然產(chǎn)生很大變化，因而強(qiáng)度明顯下降，但還必須保持一定強(qiáng)度方可繼續(xù)使用。中國(guó)最新頒布的冶金焦炭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)約定，一級(jí)冶金焦CRI≤30.0%、CSR≥60.0%，二級(jí)冶金焦CRI≤35.0%、CSR≥55.0%。

5.揮發(fā)分揮發(fā)分是衡量焦炭成熟程度的一個(gè)重要指標(biāo)，一般要求冶金焦的揮發(fā)分要低于1.8%，若揮發(fā)分含量高則說(shuō)明焦炭未成熟。同時(shí)，揮發(fā)分也是焦化廠污染控制的指標(biāo)之一，若焦炭揮發(fā)分升高，推焦時(shí)煙塵放散量會(huì)顯著增加。因此，一般要盡量保證焦炭揮發(fā)分不超過(guò)2%。

6.磷含量由于含磷高的焦炭將使生鐵冷脆性變大，因此在煉焦生產(chǎn)中應(yīng)盡量使配合煤的磷含量要低，一般要求低于0.030%，從而控制焦炭中的含磷量。二、影響焦炭質(zhì)量的因素焦炭作為熱源、還原劑和滲碳劑的作用不斷被取代，使得焦炭骨架作用越來(lái)越重要，這就對(duì)焦炭的強(qiáng)度提出了更高的要求。影響焦炭質(zhì)量的重要因素是煉焦煤和煉焦工藝。

1.1煉焦煤質(zhì)量煉焦煤是影響焦炭質(zhì)量最重要的因素，不同的煤在煉制焦炭過(guò)程中作用不同。氣煤是變質(zhì)程度低的煉焦煤，粘結(jié)性較差，塑性溫度區(qū)間較窄，單獨(dú)煉焦時(shí)半焦收縮量大，半焦固化時(shí)氣態(tài)析出速度大，因此單獨(dú)煉焦所得焦炭氣孔率高、強(qiáng)度低，由于層內(nèi)抗拉應(yīng)力能力差，焦炭產(chǎn)生的縱裂紋多，焦塊細(xì)長(zhǎng)且易碎。1/3焦煤在氣煤和肥煤之間，是一種揮發(fā)分和粘結(jié)性都很高的煉焦煤，在加熱過(guò)程中能產(chǎn)生較多的膠質(zhì)體，且熱穩(wěn)定性比氣煤好，可以單獨(dú)煉焦得到一定塊度和強(qiáng)度的焦炭。肥煤是強(qiáng)粘結(jié)性煉焦煤，在炭化過(guò)程中能產(chǎn)生大量膠質(zhì)體，塑性溫度區(qū)間寬，熱穩(wěn)定性較好，但單獨(dú)煉焦時(shí)由于層間剪應(yīng)力使焦炭橫裂紋多，氣孔率高，焦炭易碎。焦煤具有中等揮發(fā)分和較好的粘結(jié)性，單獨(dú)煉焦時(shí)所得焦炭縱橫裂紋均較少，塊度也較大，機(jī)械強(qiáng)度高，耐磨性好。瘦煤變質(zhì)程度高，熱解產(chǎn)物少，熔融性差，在煉焦過(guò)程中，收縮量少，所得焦炭裂紋率低，因此單獨(dú)煉焦所得焦炭塊度大，裂紋少，但強(qiáng)度較差。煤的變質(zhì)程度不同，顯微組分含量不同，在煉焦過(guò)程中產(chǎn)生的膠質(zhì)體數(shù)量和質(zhì)量不同，直接影響焦炭的結(jié)構(gòu)，使得焦炭的強(qiáng)度和塊度不同，1/3焦煤、肥煤、焦煤結(jié)焦性能相對(duì)好。配合煤質(zhì)量受煤種及煉焦工藝的影響，一般配合煤指標(biāo)用水分、灰分、揮發(fā)分、硫分、粘結(jié)指數(shù)G、膠質(zhì)層最大厚度Y、奧亞膨脹度b、基氏流動(dòng)度MF等表示。但鑒于目前混煤現(xiàn)象嚴(yán)重，必須結(jié)合煤巖設(shè)備通過(guò)檢測(cè)煤的顯微組分和鏡質(zhì)組反射率來(lái)進(jìn)行配煤煉焦。根據(jù)煤巖配煤理論，不同煤種巖相組成不同，不同煤粒有活性組分和惰性組分之分，活性組分起到粘結(jié)作用，惰性組分作為結(jié)焦中心起到骨架作用，活惰比是影響焦炭質(zhì)量的根本因素。不同粒度煤料的顯微組分含量也不同，因此可以通過(guò)煉焦工藝，控制粒度調(diào)整活惰比，改善焦炭質(zhì)量。

1.2

煉焦工藝在配煤煉焦工藝中影響焦炭質(zhì)量的因素有堆密度、水分、粒度及熱工制度等。

1)堆密度一方面堆密度增加，煤粒間孔隙容易互相填滿(mǎn)，使煤粒接觸更加充分，這樣在煤熱解過(guò)程中產(chǎn)生相同數(shù)量的膠質(zhì)體可以粘結(jié)更多的顆粒。另一方面堆密度增加，煤料接觸緊密，在熱解過(guò)程中產(chǎn)生的氣體不容易分解析出，使得煤粒之間的膨脹壓力増大；由于氣體析出時(shí)阻力增大，析出困難，使得膠質(zhì)體透氣性不好，促使變形煤粒之間更好的粘結(jié)；膨脹壓力大，透氣性差，都使得氣體在膠質(zhì)體中停留的時(shí)間變長(zhǎng)，這樣膠質(zhì)體的溫度間隔變寬，有利于煤熱解產(chǎn)生的自由基穩(wěn)定化，形成液體產(chǎn)物數(shù)量增加，產(chǎn)生更加穩(wěn)定的膠質(zhì)體；膠質(zhì)體數(shù)量增加且穩(wěn)定都有利于煤粒之間的粘結(jié)，達(dá)到提高焦炭強(qiáng)度的目的。但堆密度增大使相鄰層間結(jié)合牢固，在結(jié)焦過(guò)程中，減少了收縮應(yīng)力的松弛作用，使相鄰層間剪應(yīng)力大，易產(chǎn)生橫裂紋。提高堆密度的方法有調(diào)節(jié)水分、粒度及煤壓實(shí)，在工業(yè)上對(duì)煤料預(yù)處理采用煤加熱、粉碎及搗固來(lái)提高其堆密度。

2)水分入爐煤的水分影響煤料的堆密度，資料顯示，隨著水分的增加，煤料的堆密度逐漸降低，當(dāng)水分達(dá)到8%時(shí)堆密度最小，以后由于水分的潤(rùn)滑作用又隨著水分的增増加而上升。但水分增加在焦?fàn)t內(nèi)蒸發(fā)將需消耗更多的熱能，而且延長(zhǎng)了結(jié)焦時(shí)間，此外煉焦煤帶入焦?fàn)t的水分是焦化廢水的主要來(lái)源，這不僅影響煉焦速度而且造成能源浪費(fèi)，因而減少煉焦煤的水分能夠降低煉焦能耗、減少焦化廢水。研究表明入爐煤水分控制在6%左右得到的焦炭冷熱態(tài)強(qiáng)度比較理想?？刂迫霠t煤水分可以通過(guò)煤預(yù)熱、干燥、調(diào)濕技術(shù)控制。國(guó)內(nèi)外有關(guān)控制煉焦煤入爐水分的報(bào)道較多,鮑俊芳等對(duì)不同的入爐煤水分進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，降低入爐煤水分，堆密度增加，不僅提高生產(chǎn)能力而且升溫速率加快，使焦炭的結(jié)構(gòu)更加致密。

3)粒度煤料的粒度及粒度分布可以直接影響裝爐煤料的堆密度，使煤料顯微組分分布不同，在煉焦過(guò)程中接觸狀態(tài)不同，影響煤的粘結(jié)性，進(jìn)而影響到焦炭質(zhì)量及后續(xù)的化產(chǎn)系統(tǒng)。目前，焦化廠多利用細(xì)度指標(biāo)(<3mm粒級(jí)所占的含量)來(lái)控制裝爐煤的粒級(jí)。裝爐煤粒度太大，細(xì)度過(guò)低，使煤粒之間間隙增加，堆密度減??；此外，粒度太大，弱粘結(jié)性煤及礦物質(zhì)作為惰性物質(zhì)不能均勻的分布，造成傳熱不均勻，使得界面接觸效果差，不利于中間相的發(fā)展，因此導(dǎo)致焦炭裂紋多，強(qiáng)度下降。裝爐煤粒度太小，細(xì)度過(guò)高，不僅使煤料的堆密度下降，影響煤的粘結(jié)性，而且粉塵含量過(guò)高，使操作環(huán)境惡化，造成荒煤氣中夾帶煤粉現(xiàn)象嚴(yán)重，容易堵塞管道且產(chǎn)生的焦油渣增多，給化產(chǎn)回收系統(tǒng)帶來(lái)困難。

國(guó)內(nèi)一般規(guī)定，頂裝配煤時(shí)配合煤細(xì)度要求為72%~80%，配型煤煉焦時(shí)約為85%，搗固煉焦時(shí)為90%以上。研究表明，不同粒度煤的顯微組分不同，在煉焦過(guò)程中活性組分和惰性組分的接觸狀態(tài)不同，直接影響膠質(zhì)體的質(zhì)量和數(shù)量，所以控制各種煤最佳粉碎粒度及粒度分布，可以提高煤料的粘結(jié)性和結(jié)焦性，使各煤種最大限度的發(fā)揮其在配煤中的作用。為了使細(xì)度和粒度分布達(dá)到最佳，在工業(yè)上采取粉碎技術(shù)，現(xiàn)在多根據(jù)煤種不同采用預(yù)粉碎和選擇性粉碎。

4)熱工制度

結(jié)焦溫度和結(jié)焦時(shí)間是影響焦炭性質(zhì)的因素之一。提高煉焦最終溫度與延長(zhǎng)燜爐時(shí)間，可以使焦炭在結(jié)焦后期熱解更加充分，縮聚程度更高，有利于小分子的斷裂和析出，使得焦炭的結(jié)構(gòu)更加致密，氣孔和氣孔璧結(jié)構(gòu)得到改善，從而提高焦炭的機(jī)械強(qiáng)度和反應(yīng)后強(qiáng)度，降低焦炭的反應(yīng)性。日本采用“火落管理”法，即對(duì)“火落”后的焦餅繼續(xù)加熱，達(dá)到規(guī)定要求后才可以推焦，原理類(lèi)似于我們傳統(tǒng)的提高煉焦速度與延長(zhǎng)燜爐時(shí)間。趙麗樹(shù)等對(duì)將煉焦標(biāo)準(zhǔn)溫度提高30℃，延長(zhǎng)1h結(jié)焦時(shí)間結(jié)果測(cè)得耐磨強(qiáng)度和反應(yīng)后強(qiáng)度都有一定改善。工業(yè)上多采用干熄焦工藝來(lái)改善焦炭質(zhì)量。三、不同變質(zhì)程度煉焦煤鏡質(zhì)組特性分析煤中有機(jī)顯微組分主要包括鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組、殼質(zhì)組，不同組分其黏結(jié)性和結(jié)焦性不同。

在煉焦過(guò)程中，按照其黏結(jié)性和結(jié)焦性差異，將煤中的顯微組分劃分為活性組分和惰性組分兩大類(lèi)，前者主要包括鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組，后者主要包括惰質(zhì)組?；钚越M分在成焦過(guò)程中可以軟化熔融，是煤粉黏結(jié)成塊焦的主要原因，其黏結(jié)能力的大小和數(shù)量是決定焦炭性質(zhì)的必要條件。

我國(guó)煉焦煤中殼質(zhì)組含量較少，一般小于3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。變質(zhì)程度較大的煉焦煤基本不含殼質(zhì)組，可見(jiàn)殼質(zhì)組在成焦過(guò)程中作用有限，基本可忽略。

通常認(rèn)為鏡質(zhì)組是決定煉焦煤黏結(jié)性大小的主要因素，常將其作為焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)的一種參數(shù)。但并不是鏡質(zhì)組含量越高，其黏結(jié)能力及其生產(chǎn)的焦炭質(zhì)量就越好，不同煉焦煤其鏡質(zhì)組的性質(zhì)存在差異，因此了解鏡質(zhì)組黏結(jié)能力的大小對(duì)于指導(dǎo)煉焦配煤具有重要意義。鏡質(zhì)組是煤中主要顯微組分，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究合適的顯微組分分離方法，這對(duì)優(yōu)化配煤結(jié)構(gòu)具有指導(dǎo)意義。通過(guò)煤巖組成分析，可以測(cè)出煤中鏡質(zhì)組的含量，但是煤中鏡質(zhì)組的黏結(jié)能力大?。椿钚越M分質(zhì)量）受煤變質(zhì)程度、還原程度等諸多因素的影響。

為了進(jìn)一步確定鏡質(zhì)組黏結(jié)性大小，國(guó)內(nèi)有研究學(xué)者利用密度液富集分離方法，分離出煉焦煤中鏡質(zhì)組。往鏡質(zhì)組中添加不同比例的惰性物質(zhì)，測(cè)定其黏結(jié)能力的大??；并通