课程内容第一章 焦炭的性质与用途第二章 配煤炼焦的原理与配煤工艺第三章 炼焦炉及生产过程第四章 非常规炼焦技术与工艺第五章 炼焦化学产品的回收与煤气净化第六章 煤气的冷却和输送以及焦油氨水的分离第七章 煤气中氨和粗轻吡啶的回收第八章 煤气中粗苯的回收第九章 煤气脱硫第十章 粗苯的精制第十一章 煤焦油的加工第一章 焦炭的性质与用途第一节焦炭的外观与孔结构第二节焦炭的化学组成第三节焦炭的物理机械性质第四节焦炭的化学反应性能第五节高炉用焦炭的作用第六节非高炉用焦炭第七节我国焦炭生产的基本现状第一节 焦炭的外观与孔结构 焦炭： 焦体：焦体： 焦质：焦质： 是由粘结性煤在隔绝空气的条件下干馏所得到的多孔性固体块状物，用肉眼可以观察到焦炭表面的裂纹和孔隙结构。沿大裂纹裂开的焦块内还含有微裂纹，沿微裂纹分开即是焦炭的焦体，焦体是由气孔和气孔壁构成。气孔壁是煤干馏所得到的固体产物，称为焦质，它是焦炭中实体部分。 焦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。一、焦炭裂纹二、焦炭气孔率三、气孔平均直径与孔径分布四、焦炭的多孔性与煤质关系第一节 焦炭的外观与孔结构纵裂纹：横裂纹：评价指标：测量方法：焦炭中的裂纹分为纵裂纹纵裂纹和横裂纹横裂纹两种炼焦生产规定裂纹面与焦炉炭化室炉场面垂直 的裂纹称为纵裂纹；裂纹面与焦炉炭化室炉墙面平行的裂纹称为横裂纹。裂纹度将方格(11cm)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25块焦样， 取其统计平均值。焦炭气孔率：焦炭中气孔体积与焦炭总体积比的百分数。计算方法：利用焦炭的真密度和视密度，还可以用比孔容积来表示，即单位重量焦炭内部气孔的总容积。二、焦炭气孔率三、 气孔平均直径与孔径分布大孔：直径大于100m的气孔；中孔：直径为20100m的气孔；微孔：直径小于20m 的气孔。 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，则采用压汞法进行测定，其原理是利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小计算出对应的孔径尺寸。 式中 r 外加压力p时，汞能压入的气孔的最小直径，m； p 外加压力，Pa； 汞的表面张力，Jm2； 汞与焦炭的接触角。 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孔径分布曲线，进一步计算出气孔平均直径。 （1-1）研究表明，焦炭的孔结构主要由煤在炼焦过程的塑性阶段内决定的，气孔的生成机理可划分为4个阶段：1)煤的颗粒内生成小气孔；2)当煤颗粒间的空隙完全被填满时，颗粒内的气孔增大，接着是气孔膨胀和固体熔融；3)固体熔融后，气孔增大到最大尺寸；4)气孔收缩，导致在固化温度范围区间内形成结构紧密的气孔结构，孔结构与炼焦温度的关系见图1-1。三、气孔平均直径与孔径分布 图1-1 焦炭孔结构与炼焦温度的关系 1-孔数；2-平均孔径；3-平均孔壁厚度 从图1-1可以看出，400500的温度范围是决定焦炭气孔性质的关键区段。四、 焦炭的多孔性与煤质关系在工业应用上，希望冶金焦和铸造焦的气孔率尽可能低，从而降低焦炭的反应性，提高焦炭质量。 在特定的炼焦条件下，焦炭的气孔率主要取决于煤焦煤的煤质质条件。一般情况下，焦炭的气孔率与煤的挥发份产率成正比，即随煤化程度的增加，所得焦炭的气孔率下降。第二节 焦炭的化学组成一、焦炭的工业分析二、焦炭的元素分析组成一、焦炭的工业分析焦炭的工业分析包括水分、灰分、挥发分和固定碳的测定。1、水分Mt 刚出炉的焦炭不含水分，湿法熄焦时，焦炭的水分可达6以上，而采用干法熄焦，焦炭水分含量较低，因吸附大气中的水汽使其含水约11.5。 水分的高低对焦炭质量影响不大，但作为冶金焦使用，水分含量的波动会影响高炉的操作。 炭中的灰分来自煤中的矿物质，灰分的存在，降低了焦炭的质量。对高炉生产带来了不利的影响。矿物质是煤中的惰性物质，在结焦过程中不粘结，焦炭内大的灰分使焦炭的强度降低。 高炉炼铁生产中，焦炭中的灰分和矿石中的杂质与熔剂转化成炉渣排出，焦炭灰分增高，使得高炉的生产能力受到影响，同时炼铁的能耗相应也增大。一般焦炭灰分每升高1，高炉熔剂消耗量约增加4，炉渣量约增加3，每吨生铁消耗焦炭量(焦比)增加1.72.0，生铁产量降低约2.23.0。因此降低炼焦用精煤的灰分对提高焦炭的质量具有重要意义。2、灰分Ad3、挥发分Vdaf和固定碳FCd焦炭的残余挥发分是焦炭成熟度的标志，成熟良好的焦炭挥发分为0.91.0左右。当焦炭的挥发分大于1.2时，则表明炼焦不成熟。成熟度不足的焦炭耐磨性差，影响其强度。过熟的焦炭其块度将受到影响。 挥发分指标也是焦炉生产中控制污染的一项考虑因素，因为在焦炉生产的推焦到熄焦过程中，焦炭中残余挥发产物必然造成对大气的污染。固定碳含量利用水分、灰分和挥发分的测定值进行计算得出： 固定碳100-(水分+灰分+挥发分) (1-2) 我国目前焦化企业的冶金焦质量大至分为：水分Mad大多数厂控制在6以下；灰分Ad在1115之间，小企业的控制值偏高；挥发分Vdaf控制在0.91.6之间，多数企业控制在1.3以下。3、挥发分Vdaf和固定碳FCd二、焦炭的元素分析组成焦炭的元素分析主要包括C、H、O、N、S、P等化学元素的测定，焦炭的元素组成是进行燃烧计算和评定焦炭中有害元素的依据。 碳和氢是焦炭中的有效元素，氢元素的存在主要是焦炭中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度，且可靠性更高。焦炭中碳的微晶结构对焦炭的性质有较大的影响，因此单纯用碳含量的值不能评定焦炭的质量。焦炭中硫含量的高低是决定焦炭质量的另一个重要指标。由于煤中硫的存在有多种形态，炼焦过程中，硫的变化以及所生成的气态硫化合物与高温焦炭反应，导致焦炭中的硫的存在形式也是多样的，工业上一般只测定焦炭的全硫St。二、焦炭的元素分析组成式中 S焦、S硫 分别为焦炭硫分和煤的硫分，； K 炼焦煤的成焦率，； S 煤料中硫分转入焦炭中的百分数，。 S值受煤料硫分和炼焦温度的影响，一般在70左右，在炼焦温度范围内，可以用下式估算： S = 137 0.054t (1-4) 式中 t 炼焦的最终温度，。 我国目前焦化企业硫分St一般控制在0.40.6，多数大企业控制在0.5以下，少数煤质条件差的企业硫分值高至0.8以上。焦炭中的硫分与煤的硫分有如下关系： (1-3)磷也是焦炭中的有害元素，高炉炉料中的磷全部转入生铁。一般要求生铁含磷低于0.01O.015。煤中的磷几乎全部残留在焦炭中，通常焦炭含磷约0.02。 对焦炭中氧和氮两种元素研究不多，一般认为焦炭中的氮元素是焦炭燃烧生成NOx的来源。二、焦炭的元素分析组成第三节 焦炭的物理机械性质一、焦炭的筛分组成与平均粒度二、焦炭的强度一、焦炭的筛分组成与平均粒度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，即用筛分试验获得的筛分组成及计算的平均粒度进行表征。我国现行冶金焦质量标准规定粒度25mm焦炭占总量的百分数为焦末含量，块度40mm称为大块焦，2540mm为中块焦，25mm为大中块焦。 高炉生产对焦炭的块度要求比较严格，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。高炉焦的适宜粒度范围在2580mm之间，炼焦生产中应尽可能增加该粒度范围内焦炭的产率。对于铸造用焦质量，则要求80mm级为佳。焦炭的筛分组成主要与炼焦配煤的性质和炼焦条件有关，一般气煤炼制的焦炭块度小，而焦煤和瘦煤炼制的焦炭块度大。一、焦炭的筛分组成与平均粒度二、焦炭的强度强度是冶金焦和铸造焦物理机械性能的重要的指标。 目前评价焦炭强度最通行的方法是采用各种转鼓试验来测定焦炭的强度，通常所指的焦炭强度是在常温下测得的结果，为了与高温下测得的焦炭强度加以区分，常温下测得的焦炭强度又称为焦炭的冷强度。 对于铸造焦质量的评价，美国认为采用坠落试验优于转鼓试验，我国现行的铸造焦炭国标GB8729-88同时给出两种强度考核指标，但当两个指标并列使用不一致时，以转鼓指标为准。转鼓试验方法 原理： 转鼓试验是将一定量块度大于某一规定值的焦炭试样，放入一个特定结构尺寸的转鼓内，转鼓以恒定的转速转动一定转数，由于转鼓内的提料板作用，焦炭在鼓内产生翻动和上下跌落运动，受这种复杂运动的作用力影响，抗碎能力差的焦块必定碎裂。 同时对于耐磨能力差的焦炭，将产生表面焦炭层脱落而生成碎颗粒。这样可用转鼓试验后大于某一块度的焦炭占总的入鼓焦炭的百分比作为焦炭抗碎强度的指标，而用转鼓试验后小于某一较小粒度的焦炭量(或大于)占总的入转鼓焦炭量的百分比作为焦炭的耐磨强度指标。 我国采用米贡(Micum)转鼓试验方法测定焦炭的强度，该方法采用的转鼓是由钢板制成的无穿心轴的密封圆筒。图1-2 米贡(Micum)转鼓结构示意图二、焦炭的强度转鼓由电机带动，经减速后以25rmin的转速转动，每次试验共转100转。转鼓试验后，将出鼓焦炭分别用40mm和10mm的圆孔筛筛分，对筛分得到的大于40mm、4010mm、小于10mm三部分分别称重，并计算强度指标。 二、焦炭的强度 抗碎强度用M40表示，按下式计算 在现行的国标GB/T1994-94冶金焦炭标准中，用M25代替M40评定焦炭的抗碎强度。（1-5）（1-6）耐磨强度用M10表示，按下式计算表1-1 焦炭常温转鼓实验方法为了能够评价焦炭在高温作用及受化学作用之后的焦炭强度，世界各国还发展了焦炭的高温机械强度和反应后强度的测定方法。各种研究方法的试验结果共同得到如下的结论： 1)焦炭在高温下的强度比常温下要低； 2)在室温下测得的焦炭强度不能代表高温下的强度； 3)当试验温度高于焦炭的制造温度时，则焦炭的高温强度下降； 4)炼焦时间延长可改善焦炭的高温强度； 5)焦炭的冷强度愈高，由温度而引起的高温强度的降低愈小。 二、焦炭的强度评价焦炭的强度还有显微强度、抗拉强度等，前者测定结果反映焦质中气孔壁的强度，后者是研究焦炭热破坏机理一种手段。二、焦炭的强度我国冶金焦炭质量标准 注：注：1.1.水分只作生产控制指标，不作质量考核依据。水分只作生产控制指标，不作质量考核依据。 2.2.焦末含量系指焦末含量系指25mm25mm以下部分，并以湿基计算。以下部分，并以湿基计算。 3.3.本表摘自国标本表摘自国标GBGBT1996-94T1996-94冶金焦炭冶金焦炭表1-2 冶金焦炭质量分级指标第四节 焦炭的化学反应性能尽管不同用途的焦炭在使用过程中所发挥的作用不完全相同，但是在使用中都存在焦炭与O2、CO2或水蒸气之间的化学反应，焦炭在与这些气体之间反应过程中所表现出的化学反应性能，对不同的生产过程有不同的影响。 对于冶金焦或铸造焦，要求反应性低，而对于气化焦则希望反应性高。 一、焦炭化学反应性与测定方法 二、 焦炭反应后强度一、焦炭化学反应性与测定方法焦炭与CO2或水蒸气反应的反应速率称为焦炭的化学反应性，可以用反应后气体中CO和CO2的百分浓度来表示，也可以用在一定反应条件下，反应一定时间之后所消耗的焦炭量占参加反应的焦炭量的百分率来表示。 目前一些国家采用块焦反应率这一指标，即将一定量的焦炭试样在规定的条件下与纯CO2气体反应一定时间，然后充氮气冷却、称重，这样反应前后焦炭试样重量差与焦炭试样重量之比的百分率即得到块焦反应率CRI。 式中 G0参加反应的焦炭试样重量，kg； G1反应后残存焦炭重量，kg。(1-7) (1-8) 也可用化学反应后，载气中CO浓度和(CO+CO2)浓度之比的百分率表示块焦反应率，即 式中 CO、CO2 - 反应后气体中CO、CO2气体浓度，。一、焦炭化学反应性与测定方法二、 焦炭反应后强度由于焦炭的高温转鼓试验受试验条件的制约，很难反映出焦 炭 受 化 学 反 应 的 影 响 。 因 此 ， 测 定 焦 炭 与 CO2反应后的转鼓强度，则成为评价焦炭反应性能和高温强度的一项简便的试验方法。 具体方法是将经CO2反应后的焦炭先用氮气冷却，然后全部装入特定的转鼓内进行转鼓试验，试验后粒度大于某规定值的焦炭重量G2占装入鼓反应后焦炭重量G1的百分率即为焦炭的反应后强度CSR。(1-9)第五节 高炉用焦炭的作用高炉是中空的竖炉，由上至下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸五段，为了使炉料顺利下移，高炉的炉身上口小，下口大形成倒锥状。炉料由铁矿石、熔剂和焦炭组成，生产中炉料从炉顶依次分批装入炉内，预热的高温空气(热风)由风口鼓入，焦炭在风口前激烈燃烧，释放出的热量为高炉冶炼过程提供热源。燃烧反应后生成的CO是高炉冶炼过程的还原剂。燃烧和还原反应生成的高温煤气穿过料层上升，对下降的炉料进行加热。 炉料在下降过程中，经预热、反应，矿石中的铁氧化物被还原成金属铁，高温下铁熔化后，铁水将顺焦炭表面落入炉缸。矿石中的脉石以及焦炭中的灰分将与熔剂反应生成炉渣，碱性的炉渣又起脱硫作用。铁水和液态炉渣分别定期地从高炉的铁口和渣口排出。在炉腹下部的高温区内，铁矿石和熔剂都将熔化、熔融，只有焦炭还以固态存在，焦炭的存在为炉内下部维持良好的透气性，因此在高炉内焦炭还起到高温填料的作用，也即通常所指的骨架作用。 归结起来，焦炭在高炉内有三方面的作用： 1)高温热源作用； 2)提供还原剂的作用； 3)疏松骨架作用。 第五节 高炉用焦炭的作用高炉内整个料柱的透气性是高炉操作的重要条件，在高炉炉料中，焦炭约占高炉有效容积50左右，因此焦炭在炉内的块度、强度以及焦块在高炉下部的停留时间，对高炉的透气性有直接的影响。随着高炉冶炼技术的不断提高，高炉向大型化方向发展，以及高炉采用喷吹技术，使得焦炭在高炉内用量逐渐减少，但所起的骨架作用却愈显得重要。 目前冶金企业入炉焦比在400550kg（焦）/t（铁），技术先进的高炉（上海宝钢集团公司）喷煤比达到230kg（煤）/t（铁），入炉焦比已降至300kg/t 以下。第五节 高炉用焦炭的作用第六节 非高炉用焦炭一、铸造焦二、气化焦一、铸造焦铸造焦用于冲天炉(也称化铁炉)作燃料，冲天炉的作用是将生铁熔化，并尽可能提高铁水温度，进而提高铸件的质量。焦炭的主要作用就是提供热量，并对铁水进行渗碳。因为冲天炉内不易脱硫，故铸造焦的硫分要求含硫量低。为了提高铁水温度，延长焦炭在冲天炉内高温过热区的停留时间，要求铸造焦的气孔率小、反应性低、块度大。 铸造焦在冲天炉内要经受下落的铁块的冲击，并承受重力和摩擦力的作用，对铸造焦的强度要求较高。铸造焦的块度以大于80mm为佳。因此生产铸造焦一般都选用主焦煤为骨架煤料，生产工艺以捣固炼焦为主。为了降低铸造焦的气孔率和反应性，增大块度，炼焦煤料中常添加无烟煤或焦粉，有时还添加石油沥青焦，以降低铸造焦的灰分和硫分。我国铸造焦的质量规格见表1-3。表1-3 我国铸造焦炭的质量标准GB8729-88注：注：1.1.表中的强度指标以大于表中的强度指标以大于80mm80mm为准；为准； 2.2.表内规定块度、灰分、硫分、强度都是质量考核指标，表内规定块度、灰分、硫分、强度都是质量考核指标， 其中任一项达不到规定的级别时，则不能作为该级别验收；其中任一项达不到规定的级别时，则不能作为该级别验收； 3.M3.M4040 与与SI4SI45050并列使用，若发生互相矛盾时，以并列使用，若发生互相矛盾时，以MM4040为准。为准。二、气化焦用于发生炉或水煤气生产的焦炭称为气化焦。气化过程要求焦炭具有良好的反应性，而对焦炭的强度并无特殊要求。因此气化焦可选用气孔率大、强度低、块度小的焦炭。 气化炉操作采用固态排渣方式，用焦炭作为气化原料时，要求焦炭的灰熔点ST在1250以上，保证气化炉操作不发生结渣困难。第七节 我国焦炭生产的基本现状新中国成立之后，我国焦炭产量从建国初期的不到60万t/a，发展到目前，焦炭产量增加了300多倍。在焦化厂设计、建设施工、炼焦设备能力构成、焦炉大型化与装备水平，焦炭质量等多方面取得了巨大成就。我国历年来焦炭、生铁、钢产量以及焦炭出口量见表1-4。 从表1-4中不难看出，我国焦炭工业的大发展期主要集中在上世纪90年代以后，特别是到2003年，焦炭产量更是出现飞跃式发展。这主要是因为我国钢铁工业发展带动的结果。但我国焦化工业的规模发展已达到一个新的历史阶段。近几十年来，钢铁工业通过设备大型化、技术进步、节能降耗等技术措施，吨钢能耗明显降低。由于钢积蓄量增加，大量使用废钢，炼钢对生铁的需求下降；在炼铁生产中喷吹煤粉技术的不断应用较低了焦炭的耗量。第七节 我国焦炭生产的基本现状表1-5 中国与世界历年产钢、产焦量计算社会综合焦钢比数据表明，世界钢产量(不计中国大陆)从 1991年的6.63亿t到2003年的7.228亿t，13年间增加了9，但其社会综合焦钢比却由1991年的0.404下降到2003年的0.314，降低了22.3。这是世界主要产钢国家通过钢铁工业设备大型化、科技进步取得的重要节能降耗成果。这一成果也为西方工业化国家压缩炼焦设备能力、减少炼焦生产对环境造成的污染创造了基础条件。然而我国钢产量由1991年的7100万t发展到2003年的22234万t，13年间钢产量增加了213，而焦钢比由1991年的1.021下降到2003年的0.733，仅下降了28.2。其焦钢比是世界综合焦钢比的23倍。由图1看出，1995年之后中国焦钢比正向世界平均水平走近，显示了我国钢铁工业正逐步减少焦炭消耗，向低能耗工业化道路迈进的趋势。第七节 我国焦炭生产的基本现状目前，宝钢炼铁喷吹煤粉量超过200kgt铁，炼铁人炉焦比低于300kgt铁。但国内高炉平均喷吹煤粉量仅为120kgt铁，人炉焦比430kgt铁。因此，我国在降低高炉炼铁焦比与节能降耗等方面潜力还相当大，从总体上看，我国还未能走出通过高投入、高耗能、高速度发展经济的模式。参照世界焦钢比走势，有关专家分析认为，当2010年前后，我国粗钢产量达到3.5亿t时，其焦钢比值大体会维持在0.6左右。这样，为保障3.5亿 ta钢铁生产就需要2.1亿ta焦炭。 另一方面，炼焦煤供应将严重制约炼焦能力的发挥。为保障2.1亿t国内焦炭需求，需要超过3亿ta (湿)的炼焦洗精煤，按全国平均洗煤回收率 51.5计算，人洗炼焦原煤量应不低于5.82亿 t，其洗煤能力应不少于6亿ta。2002年全国炼焦煤入洗能力仅3.52亿t左右，综上分析，当2010年我国粗钢产量达到3.5亿t时，实现在建、已批拟建焦化项目建设后，炼焦设备能力可以满足国内焦炭市场需求。第七节 我国焦炭生产的基本现状表表1-61-6我国焦炭生产能力地区分布我国焦炭生产能力地区分布（2004年2月）从地区分布上看，我国焦炭生产主要集中在山西、河北、山东、辽宁等省。这主要与我国炼焦煤资源分布有很大的关系。