第1章-焦炭及其性質(zhì)ppt課件

1、焦炭及其性質(zhì),第一章,焦炭及其性質(zhì),第一節(jié) 焦炭的通性 第二節(jié) 高爐煉鐵 第三節(jié) 非高爐用焦的特性,焦炭及其性質(zhì),第一節(jié) 焦炭的通性 一、焦炭的宏觀構(gòu)造 焦炭:以碳為主要成分的含有裂紋和缺陷的不規(guī)則多孔體 一般真密度為1.81.95g/cm3, 視密度為0.081.08g/cm3, 堆密度為400500kg/m3。氣孔率為35%55% 焦塊：沿焦炭表面粗大的縱橫裂紋掰開，仍含有微裂紋的是焦塊。 焦體：將焦塊沿微裂紋分開，即得到焦炭多孔體，也稱焦體。由氣孔和氣孔壁構(gòu)成 焦質(zhì)：焦體內(nèi)的氣孔壁又稱焦質(zhì)，其主要成分是碳和礦物質(zhì),特性參數(shù)：由于焦體的孔孢結(jié)構(gòu)、焦塊微裂紋的多少與焦炭的耐磨強(qiáng)度和高溫反應(yīng)性

2、能有密切關(guān)系，因此將裂紋度、氣孔率、氣孔平均直徑與孔徑分布、 比表面積等作為特性參數(shù)描述焦炭的性質(zhì)，又稱為孔孢結(jié)構(gòu)參數(shù)。 孔孢結(jié)構(gòu)：通常用氣孔平均直徑、孔徑分布、氣孔壁厚度和比表面積等參數(shù)表示,焦炭及其性質(zhì),1. 裂紋度 裂紋度：焦炭單位面積上的裂紋長度。 焦炭中的裂紋有長短、深淺和寬窄的區(qū)分，可用裂紋度指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。 縱裂紋：裂紋面與焦?fàn)t炭化室爐墻面垂直的裂紋 橫裂紋：裂紋面與焦?fàn)t炭化室爐墻面平行的裂紋。 裂紋度測量：常用測量方法是將方格（1cm1cm）框架平放在焦塊上，量出縱裂紋與橫裂紋的投影長度即得。所用試樣應(yīng)有代表性，一次試驗(yàn)要用25塊試樣，取統(tǒng)計(jì)平均值,焦炭及其性質(zhì),氣孔率 定義：焦

3、炭的氣孔率是指氣孔體積與總體積比的百分率。 氣孔率計(jì)算：利用焦炭的真密度和視密度的測定值計(jì)算。 （1-1） 氣孔數(shù)量：用比孔容積來表示，即單位質(zhì)量多孔體內(nèi)部氣孔的總?cè)莘e，可用四氯化碳吸附法測定,一般真密度為1.81.95g/cm3,視密度為0.081.08g/cm3,氣孔率為35%55,焦炭及其性質(zhì),3氣孔平均直徑與孔徑分布 大氣孔：直徑大于100微米的氣孔為大氣孔， 中氣孔：直徑20100微米的為中氣孔， 微氣孔：直徑小于20微米的為微氣孔。 焦炭與CO2作用時(shí)，僅大的氣孔才能使CO2進(jìn)入，焦炭的孔徑分布常用壓汞法測量。 （1-2） 式中 外加壓力為 （kgf/cm2）時(shí)， 汞能進(jìn)入孔中的最

4、小孔徑,焦炭及其性質(zhì),焦炭及其性質(zhì),二、焦炭的物理機(jī)械性能 對焦炭的基本要求是：粒度均勻、耐磨性和抗碎性強(qiáng)。物理機(jī)械性能：篩分組成和轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)，評定焦炭的物理機(jī)械性能。 1篩分組成 用篩分試驗(yàn)獲得的篩分組成并計(jì)算平均粒度。 用具有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和規(guī)定孔徑的多級振動(dòng)篩將焦炭篩分，然后分別稱量各級篩上焦炭和最小篩孔的篩下焦炭質(zhì)量，算出各級焦炭的質(zhì)量百分率即焦炭的篩分組成。 篩分試驗(yàn)用方孔篩（以邊長L表示孔的大?。┖蛨A孔篩（以直徑D表示孔徑的大小）。相同尺寸的兩種篩，其實(shí)際大小不同，試驗(yàn)得出兩者關(guān)系為： D/L=1.1350.04 （1-4,焦炭及其性質(zhì),例：圓孔直徑為60mm時(shí),對應(yīng)的方孔篩 L = 60

5、/1.135 = 52.86mm,通過焦炭的篩分組成計(jì)算焦炭的平均粒度及粒度的均勻性， （1）平均粒度 根據(jù)篩分組成及篩孔的平均直徑可由下式來計(jì)算焦炭的平均粒度,各粒級質(zhì)量分率； 各粒級平均粒度, 算術(shù)平均直徑； 調(diào)和平均直徑（實(shí)際焦粒比表面與球體比表面相等確定的平均粒度,焦炭及其性質(zhì),2）粒度均勻性 粒度均勻性可由下式計(jì)算： （1-7） 式中 、 、 分別表示焦炭中2540mm、4080mm和80mm各粒級的百分含量。 K值愈大，粒度愈均勻。也可按 計(jì)算,焦炭及其性質(zhì),2耐磨強(qiáng)度和抗碎強(qiáng)度 焦炭強(qiáng)度通常用抗碎強(qiáng)度和耐磨強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)來表示。 焦炭在常溫下進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)可用來鑒別焦炭強(qiáng)度。 耐磨性

6、（耐磨強(qiáng)度）： 當(dāng)焦炭表面承受的切向摩擦力超過氣孔壁的強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生表面薄層分離現(xiàn)象形成碎屑或粉末，焦炭抵抗此種破壞的能力稱耐磨性或耐磨強(qiáng)度，用M10值表示。 （1-8,焦炭及其性質(zhì),抗碎性（抗碎強(qiáng)度） 當(dāng)焦炭承受沖擊力時(shí)，焦炭沿結(jié)構(gòu)的裂紋或缺陷處碎成小塊，焦炭抵抗此種破壞的能力稱焦炭的抗碎性或抗碎強(qiáng)度。用M25（M40）表示。 （1-9） 焦炭的孔孢結(jié)構(gòu)影響耐磨強(qiáng)度M10值，焦炭的裂紋度影響其抗碎強(qiáng)度M25值,焦炭及其性質(zhì),三、焦炭的化學(xué)組成 焦炭的化學(xué)組成主要用焦炭工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)來加以體現(xiàn)。 1工業(yè)分析 焦炭的工業(yè)分析包括焦炭水分、灰分和揮發(fā)分的測定以及焦炭中固定碳的計(jì)算。 （1）

7、水分（Mt） 焦炭的水分是焦炭試樣在一定溫度下干燥后的失重占干燥前焦樣的百分率。生產(chǎn)上要求穩(wěn)定控制焦炭的水分，水分波動(dòng)會(huì)使焦炭計(jì)量不準(zhǔn)，從而引起爐況波動(dòng),焦炭及其性質(zhì),焦炭水分提高會(huì)使M25偏高，M10偏低，給轉(zhuǎn)鼓指標(biāo)帶來誤差。但水分也不宜過低，否則會(huì)增加裝卸及使用中的粉塵污染。 焦炭水分：熄焦方式、焦炭粒度、焦粉含量、采樣地點(diǎn)、取樣方法等因素影響焦炭水分。 濕熄焦： 焦炭水分約4%6%，因噴水、瀝水條件和焦炭粒度不同而波動(dòng)； 干熄焦：焦炭在貯運(yùn)過程中也會(huì)吸附空氣中水汽，使焦炭水分達(dá)0.5%1%。 我國規(guī)定冶金焦水分為：40mm粒級為35%；25mm粒級為37%，含有適量水分，有利于降低高爐爐

8、頂溫度。 水分的測定方法見國標(biāo)GB200280,焦炭及其性質(zhì),2）灰分（Ad） 灰分是焦炭中的有害雜質(zhì)，主要成份是高熔點(diǎn)的SiO2和Al2O3等酸性氧化物. 焦炭在高爐內(nèi)被加熱到高于煉焦溫度時(shí)，由于焦質(zhì)和灰分熱膨脹性不同，會(huì)沿灰分顆粒周圍產(chǎn)生并擴(kuò)大裂紋，加速焦炭破碎或粉化。 灰分中的堿金屬還會(huì)加速焦炭同CO2的反應(yīng)，也使焦炭的破壞加劇,焦炭及其性質(zhì),焦炭灰分每增加1%，高爐焦比（每噸生鐵消耗焦炭量）約提高2%，爐渣量約增加3%,高爐熔劑用量約增加4%,高爐生鐵產(chǎn)量約下降2.23.0%。 幾個(gè)國家冶金用焦炭與精煤灰分國標(biāo)（Ad,高爐焦的灰分指標(biāo)偏高是焦炭質(zhì)量差的主要原因 焦炭灰分高的原因是煉焦精

9、煤的灰分高所致 若能將焦炭灰分由14.5%降至10.5%，以年產(chǎn)7000萬噸生鐵的高爐計(jì)算，可以節(jié)約焦炭385萬噸，同時(shí)可以增加生鐵1015萬噸，還可大大降低鐵路運(yùn)輸量,焦炭及其性質(zhì),3）揮發(fā)分（Vdaf）和固定碳（FC） 揮發(fā)分：是衡量焦炭成熟程度的標(biāo)志. 通常規(guī)定高爐焦的揮發(fā)分應(yīng)為1.2%左右，若揮發(fā)分大于1.9% 則表示生焦，其不耐磨，強(qiáng)度差；若揮發(fā)分小于0.7%， 則表示過火，過火焦裂紋多且易碎。 焦炭的揮發(fā)分同 原料煤的煤化度 煉焦最終溫度,圖1-2 焦炭揮發(fā)分與原料煤揮發(fā)分的關(guān)系 圖1-3 焦炭揮發(fā)分與煉焦溫度的關(guān)系,焦炭及其性質(zhì),焦炭揮發(fā)分也是焦化廠污染控制的指標(biāo)之一，揮發(fā)分升高

10、，推焦時(shí)粉塵放散量顯著增加，煙氣量及煙氣中的多環(huán)芳烴含量也增加。 固定碳：是煤干餾后殘留的固態(tài)可燃性物質(zhì)，由計(jì)算得： 固定碳含量 = 100水分灰分揮發(fā)分，% 焦炭揮發(fā)分的測定方法見國標(biāo)200280。 2元素分析 焦炭元素分析是指焦炭按碳、氫、氧、氮、硫和磷等元素組成確定其化學(xué)成分時(shí)，稱為元素分析,焦炭及其性質(zhì),1）碳和氫 碳是構(gòu)成焦炭氣孔壁的主要成分，氫則包含在焦炭的揮發(fā)分中. 測定：將焦炭試樣在氧氣中燃燒，生成的H2O和CO2分別用吸收劑吸收,由吸收劑的用量確定焦樣中的碳和氫。其成分為碳：92%96%，氫：1%1.5%。 結(jié)焦過程中，不同煤化度的煤中C、H、N元素含量隨干餾溫度升高而變化的

11、規(guī)律如圖1-4,從圖可以看出，由不同煤化度的煤制取的焦炭其含碳量基本相同。氫氣量隨煉焦溫度的變化比揮發(fā)分隨煉焦溫度的變化明顯，且測量誤差也小，因此以焦炭的氫含量可以更可靠地判斷焦炭的成熟程度,焦炭及其性質(zhì),2）氮 焦炭中的氮是焦炭燃燒時(shí)生成NOx的來源，結(jié)焦過程中氮含量變化不大，僅在干餾溫度達(dá)800oC以上時(shí)才稍有降低。 測定：焦樣在催化劑（K2SO4+CuSO4）存在的條件下，能和沸騰濃硫酸反應(yīng)使其中的氮轉(zhuǎn)化為NH4HSO4，再用過量NaOH反應(yīng)使NH3分出。經(jīng)硼酸溶液吸收，最后用硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，以確定焦樣中的含氮量。其成分為0.5%0.7,焦炭及其性質(zhì),3）氧 焦炭中氧含量很少，常用減差

12、法計(jì)算得到，其成分為0.4%0.7%。 （4）硫 焦炭中的硫包括： 煤和礦物質(zhì)轉(zhuǎn)變而來的無機(jī)硫化物（FeS 、CaS等）， 熄焦過程中部分硫化物被氧化生成的硫酸鹽（FeSO4 CaSO4）， 煉焦過程中生成的氣態(tài)硫化物在析出途中與高溫焦炭作用而進(jìn)入焦炭的有機(jī)硫，這些硫的總和稱全硫。 一般焦炭含硫每增加0.1%，高爐焦比約增加1.2%2.0%，高爐熔劑用量約增加2%，生鐵產(chǎn)量約減少2.0%2.5%。一些國家對高爐焦含硫指標(biāo)規(guī)定如表1-3所示,焦炭及其性質(zhì),表1-3 幾個(gè)國家的高爐焦硫分指標(biāo),5）磷 焦炭中的磷主要以無機(jī)鹽類形式存在。 煤中含磷幾乎全部殘留在焦炭中，高爐焦一般對含磷不作特定要求,焦

13、炭及其性質(zhì),四、焦炭的高溫反應(yīng)性 1反應(yīng)機(jī)理 焦炭的高溫反應(yīng)性是焦炭與二氧化碳、氧和水蒸氣等進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)，簡稱焦炭反應(yīng)性，反應(yīng)如下： C+O2 CO2+ 394kJ/mol （1） C+H2OH2 +CO2-131110kJ/mol （2） C+CO22CO-173 kJ/mol （3） 反應(yīng)（1）也稱焦炭的燃燒性，高爐內(nèi)主要發(fā)生在風(fēng)口區(qū)1600以上的部位。 反應(yīng)（2）也稱水煤氣反應(yīng)。 反應(yīng)（3）也稱碳素溶解反應(yīng)（高爐內(nèi)主要發(fā)生在9001300的軟融帶和滴落帶,焦炭及其性質(zhì),C+O2 CO2+ 394 kJ/mol （1） C+H2OH2 +CO2 -131110kJ/mol （2） C

14、+CO22CO-173 kJ/mol （3） 反應(yīng)(1)(2)有與反應(yīng)(3)類似的規(guī)律，因此大多數(shù)國家都用焦炭與二氧化碳間的反應(yīng)特性評定焦炭反應(yīng)性。 焦炭是一種碳質(zhì)多孔體，它與CO2間的反應(yīng)屬氣固相反應(yīng)，其反應(yīng)是通過到達(dá)氣孔表面上的CO2和C反應(yīng)來實(shí)現(xiàn). (3)反應(yīng)速度的影響因素: 化學(xué)反應(yīng)速度 CO2擴(kuò)散速度,焦炭及其性質(zhì),溫度低于1100時(shí):化學(xué)反應(yīng)速度較慢，焦炭氣孔內(nèi)表面產(chǎn)生的CO分子不多，CO2分子比較容易擴(kuò)散到內(nèi)表面上與C 發(fā)生反應(yīng)，因此整個(gè)反應(yīng)速度由化學(xué)反應(yīng)速度控制。 溫度為11001300時(shí):化學(xué)反應(yīng)速度加快，生成的CO使氣孔受堵，阻礙CO2的擴(kuò)散，因此，整個(gè)反應(yīng)速度由氣孔擴(kuò)散速

15、度控制。 溫度大于1300時(shí):化學(xué)反應(yīng)速度急劇增加，CO2分子與焦炭一接觸，來不及向內(nèi)擴(kuò)散就在表面迅速反應(yīng)形成CO氣膜，反應(yīng)速度受氣膜擴(kuò)散速度控制,焦炭及其性質(zhì),反應(yīng)速度與焦炭的化學(xué)性質(zhì)及氣孔比表面有關(guān)。 理論:只有采用粒徑為幾十到幾百微米的細(xì)粒焦進(jìn)行反應(yīng)性實(shí)驗(yàn)時(shí)，才能排除氣體擴(kuò)散的影響，獲得焦炭和CO2的化學(xué)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。 實(shí)際:通常從工藝角度評價(jià)焦炭的反應(yīng)性，均采用塊狀焦炭，要使所得結(jié)果有可比性，焦炭反應(yīng)性的測定應(yīng)規(guī)定焦樣粒度、反應(yīng)溫度、CO2濃度、反應(yīng)氣流量、壓力等,焦炭及其性質(zhì),2影響焦碳反應(yīng)性因素 （1）原料煤性質(zhì) 焦炭反應(yīng)性隨原料煤煤化度變化而變化,圖1-5 原料煤的煤化度與所得焦炭

16、反應(yīng)性的關(guān)系,低煤化度的煤煉制的焦炭反應(yīng)性較高； 相同煤化度的煤，當(dāng)流動(dòng)度和膨脹度高時(shí)制得的焦炭，一般反應(yīng)性較低； 不同煤化度的煤所制得的焦炭，其光學(xué)顯微組織不同，反應(yīng)性不同。 金屬氧化物對焦炭反應(yīng)性有催化作用，原料煤灰分中的金屬氧化物（K2O，Na2O，F(xiàn)e2O3，CaO，MgO等）含量增加時(shí)，焦炭反應(yīng)性增高，其中鉀、鈉的作用更大。 一般情況下，鉀、鈉在焦炭中每增加0.3%0.5%，焦炭與CO2的反應(yīng)速度約提高10%15,焦炭及其性質(zhì),2）煉焦工藝 提高煉焦最終溫度，結(jié)焦終了時(shí)采取燜爐等措施，可以使焦炭結(jié)構(gòu)致密，減少氣孔表面，從而降低焦炭反應(yīng)性。采用干熄焦可以避免水汽對焦炭氣孔表面的活化反應(yīng)

17、，也有助于降低焦炭反應(yīng)性。 （3）反應(yīng)速率參數(shù) 焦炭與CO2的反應(yīng)是氣固相反應(yīng)，其反應(yīng)速率決定于化學(xué)反應(yīng)速度和氣體的擴(kuò)散速度,FeO+CO=Fe+CO2+13.59MJ CO2+C= 2CO -165.6MJ FeO+C=Fe+CO-152.01MJ C+O2=CO2+399.440MJ CO2+C=2CO-165.6MJ,焦炭及其性質(zhì),第二節(jié) 高爐煉鐵 焦炭主要用于高爐冶煉，其次還用于鑄造、氣化、和生產(chǎn)電石等，它們對焦炭有不同的要求。高爐煉鐵用焦炭（冶金焦）的質(zhì)量要求為最高，用量也最大。 一、高爐煉鐵的化學(xué)反應(yīng),焦炭及其性質(zhì),第三節(jié) 非高爐用焦的特性 一、鑄造焦 1沖天爐熔煉過程 鑄造焦是沖

18、天爐熔鐵的主要燃料，用于熔化爐料，并使鐵水過熱，還起支撐料柱保證良好透氣性和供碳等作用,焦炭及其性質(zhì),二、氣化焦 氣化焦是用于生產(chǎn)發(fā)生爐煤氣或水煤氣的焦炭，以作為合成氨的原料或民用煤氣。 氣化的基本反應(yīng)是： 2C + O2 2CO C + H2O CO + H2 為提高氣化效率，氣化焦應(yīng)盡量減少雜質(zhì)以提高有效成分含量，力求粒度均勻，改善料層的透氣性。 氣化用焦的煉焦煤可以多配氣煤，甚至可以以單獨(dú)氣煤煉焦，氣化用焦的揮發(fā)分也可以高些，甚至半焦也可選用,焦炭及其性質(zhì),三、電石焦 電石焦是生產(chǎn)電石(CaC2)的原料。每生產(chǎn)1噸電石約需0.5噸焦炭。電石生產(chǎn)過程是在電爐內(nèi)將生石灰熔融，并使其與碳素材料發(fā)生如下反應(yīng)： CaO+3C CaC2+CO 對電石焦的要求如下： （1）生石灰粒度3mm40mm，生石灰的導(dǎo)熱系數(shù)約為焦炭的2倍，因此電石焦的粒度以3mm20mm為宜。 （2）電石焦作為碳素材料，含碳量要高，灰分要低，通常規(guī)定：碳80%；灰分8%10%。 焦炭和生石灰中的灰分在電爐內(nèi)會(huì)變成黏結(jié)性熔渣，引起出料困難；灰分中的氧化物部分會(huì)被焦炭還原，進(jìn)入電石