煤化工工藝學(xué)第三章煉焦

煤化工工藝學(xué)第三章課件煉焦第1頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月煤在焦?fàn)t內(nèi)隔絕空氣加熱到1000℃，可獲得焦炭、化學(xué)產(chǎn)品和煤氣。此過程稱高溫干餾或高溫?zé)捊?，一般簡稱煉焦。焦炭主要用于高爐煉鐵。煤氣可以用來合成氨，生產(chǎn)化學(xué)肥料或用作加熱燃料。煉焦所得化學(xué)產(chǎn)品種類很多，主要有硫銨、吡啶堿、苯、甲苯、二甲苯、酚、萘、蒽和瀝青等。1.概述第2頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月煉焦主要產(chǎn)品焦炭，是煉鐵原料，所以煉焦是伴隨鋼鐵工業(yè)發(fā)展起來的。初期煉鐵是用木炭，由于木材逐漸缺乏，使煉鐵發(fā)展受到限制，人們才開始尋求焦炭煉鐵，1725年焦炭煉鐵獲得成功。初期焦?fàn)t，都是結(jié)焦和加熱在一起進行，有一部分煤被燒掉。為了使結(jié)焦和加熱分開，縮短結(jié)焦時間，出現(xiàn)了倒焰式焦?fàn)t。第3頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月由于煉焦化學(xué)產(chǎn)品焦油和氨找到了用途，促使人們設(shè)計出燃燒室和炭化室完全隔開的焦?fàn)t，即所謂副產(chǎn)品回收焦?fàn)t。燃燒室出來的廢氣溫度很高，此部分廢熱沒有回收，有的用來加熱廢熱鍋爐，這種沒有廢熱回收的焦?fàn)t，稱作廢熱式焦?fàn)t。第4頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月為了少耗熱量，省出焦?fàn)t煤氣，由廢熱式進一步發(fā)展到回收廢熱的蓄熱式焦?fàn)t。蓄熱式焦?fàn)t在每個炭化室下方均有一個或兩個蓄熱室，蓄熱室填有蓄熱用的格子磚。當(dāng)廢氣經(jīng)過蓄熱室時，廢氣將格子磚加熱，格子磚蓄存了熱量，氣流方向換向后，格子磚把蓄存的熱量再傳給冷的空氣，使蓄存熱量又帶回燃燒室。第5頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月焦炭焦炭是煙煤在隔絕空氣的條件下（煉焦?fàn)t內(nèi)），加熱到950-1050℃，經(jīng)過干燥、熱解、熔融、粘結(jié)、固化、收縮等階段最終形成的產(chǎn)物，這一過程叫高溫?zé)捊梗ǜ邷馗绅s）。大多數(shù)國家的焦炭90%以上用于高爐煉鐵，其次用于鑄造與有色金屬冶煉工業(yè)，因此往往把高爐焦稱為冶金焦。少量用于制取碳化鈣、二硫化碳、元素磷等。在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中，焦粉還用作燒結(jié)的燃料。焦炭也可作為制備水煤氣的原料制取合成用的原料氣。第6頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1焦炭在高爐煉鐵中的作用高爐用燃料包括焦炭和噴吹燃料兩大類。焦炭在煉鐵過程中有四種作用：一是燃燒供給熱量（熱源）；二是作為料柱骨架（氣窗）；三是作為還原劑；四是作為生鐵形成過程中滲碳的碳源。高爐對焦炭的要求是：含碳高、強度好，有一定的塊度且塊度均勻，有合適的反應(yīng)性，灰分和雜質(zhì)低。2.焦炭及其性質(zhì)第7頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月焦炭是高溫干餾的固體產(chǎn)物，主要成分是碳，是具有裂紋和不規(guī)則的孔孢結(jié)構(gòu)體（或孔孢多孔體）。裂紋的多少直接影響到焦炭的力度和抗碎強度，其指標(biāo)一般以裂紋度（指單位體積焦炭內(nèi)的裂紋長度的多少）來衡量。衡量孔孢結(jié)構(gòu)的指標(biāo)主要用氣孔率（指焦炭氣孔體積占總體積的百分?jǐn)?shù)）來表示，它影響到焦炭的反應(yīng)性和強度。不同用途的焦炭，對氣孔率指標(biāo)要求不同，一般冶金焦氣孔率要求在40～45%，鑄造焦要求在35～40%，出口焦要求在30%左右。焦炭裂紋度與氣孔率的高低，與煉焦所用煤種有直接關(guān)系，如以氣煤為主煉得的焦炭，裂紋多，氣孔率高，強度低；而以焦煤作為基礎(chǔ)煤煉得的焦炭裂紋少、氣孔率低、強度高。焦炭強度通常用抗碎強度和耐磨強度兩個指標(biāo)來表示。第8頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月焦炭主要用途高爐煉鐵作用：供熱燃料，還原劑參數(shù)：強度大，塊度勻鑄造作用：供熱燃料參數(shù)：強度大，塊度大氣化作用：還原劑參數(shù)：灰熔點>1250~1300℃第9頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）水分：焦炭的水分與煉焦煤料的水分無關(guān)，也不取決于煉焦工藝條件，主要受熄焦方式的影響。煉焦廠使用濕法熄焦和干法熄焦兩種方式，濕法熄焦方式時，焦炭的水分約為2%～6%，因噴水、瀝水條件及焦炭粒度不同而波動。干法熄焦時，焦炭在貯存期間也會吸附空氣中水汽，使焦炭水分達1%～1.5%。干焦炭比濕焦炭容易篩分。所以，要控制焦炭水分適量，以免焦粉含量增高。另外焦炭水分要盡量穩(wěn)定，有利于高爐生產(chǎn)。2.2焦炭的化學(xué)組成第11頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）灰分：焦炭灰分的主要成分是SiO2和A12O3。焦炭灰分升高，對高爐冶煉不利。高爐容積不同，對焦炭灰分要求不同，中小型高爐的焦炭灰分可在14%～15%，對于大型高爐應(yīng)該更低些。第12頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）揮發(fā)分：焦炭的揮發(fā)分是焦炭成熟程度的標(biāo)志。焦炭的揮發(fā)分與煉焦煤料、煉焦最終溫度有關(guān)。煉焦煤揮發(fā)分高，在一定的煉焦工藝條件下，焦炭揮發(fā)分也高。隨著煉焦的最終溫度升高，焦炭揮發(fā)分降低。焦炭揮發(fā)分過高，說明焦炭沒有完全成熟，出現(xiàn)“生焦”。焦炭揮發(fā)分過低時，說明焦炭過火，焦炭裂紋增多，易碎。第13頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）硫分：焦炭的硫分是受煉焦煤料影響的，它是生鐵的主要有害雜質(zhì)。（5）磷分：焦炭的磷分含量很少，焦炭的含磷量多少取決于煉焦煤料，煤中的含磷幾乎全部轉(zhuǎn)入焦炭中，一般焦炭含磷量約0.02%。磷在煉鐵過程中，進入生鐵中使生鐵產(chǎn)生冷脆性。第14頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）焦炭的機械強度。用焦炭的抗碎強度和耐磨強度兩項指標(biāo)說明焦炭的機械強度。焦炭在外力沖擊下抵抗碎裂的能力稱為焦炭的抗碎強度。M25（或M40）是焦炭的抗碎強度指標(biāo)。焦炭抵抗摩擦力破壞的能力，稱為焦炭的耐磨強度。M10是焦炭的耐磨強度指標(biāo)。2.3焦炭的力學(xué)性能第15頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月焦炭的機械強度指標(biāo)數(shù)值是用米庫姆轉(zhuǎn)鼓試驗得來的。焦炭的機械強度是在冷態(tài)下試驗的結(jié)果，不能準(zhǔn)確地反映焦炭在高爐內(nèi)二次加熱下的熱強度。（2）焦炭塊度均勻系數(shù)。它是評價焦炭塊度是否均勻的指標(biāo)。適當(dāng)?shù)牧６仁歉纳屏现笟庑院拖虏苛现敢盒缘闹匾獥l件。一般表示為粒度值，要求為25～80mm。第16頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月目前，用于研究焦炭高溫下熱性質(zhì)的方法有高溫轉(zhuǎn)鼓和焦炭的CO2反應(yīng)性兩種。高溫轉(zhuǎn)鼓試驗只能反映出焦炭在高溫下的熱破壞，比常溫轉(zhuǎn)鼓試驗?zāi)芨咏诟郀t內(nèi)的情況，但國內(nèi)外試驗均表明，熱轉(zhuǎn)鼓試驗還不能準(zhǔn)確地解釋焦炭劣化真正原因。2.4焦炭的熱性質(zhì)第17頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

焦炭反應(yīng)性是焦炭在1100℃時與CO2的反應(yīng)能力，其好壞會顯著影響高爐燃料比，焦炭與CO2反應(yīng)后的強度與高爐料柱透氣性關(guān)系十分密切。焦炭反應(yīng)性高會降低焦炭強度，氣化反應(yīng)的發(fā)展會使焦炭內(nèi)部氣孔壁減薄，加速焦炭破損。要求焦炭的化學(xué)反應(yīng)性低些為好。第18頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月焦炭的顯微結(jié)構(gòu)就是焦炭氣孔壁的結(jié)構(gòu)。主要是由鑲嵌型、粒狀流動型和少量區(qū)域型所構(gòu)成，還有少量絲質(zhì)型、基礎(chǔ)型及礦物等組成。在結(jié)焦條件一定時，焦炭的顯微結(jié)構(gòu)取決于煤的變質(zhì)程度和煤巖組成。2.5焦炭的顯微結(jié)構(gòu)第19頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月焦炭的工業(yè)分析及機械強度焦炭反應(yīng)性（CRI）與反應(yīng)后強度（CSR）焦炭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)2.6焦炭的質(zhì)量指標(biāo)第20頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月焦炭由于用途不同，對其質(zhì)量要求也不同。供高爐冶煉用的冶金焦的質(zhì)量指標(biāo)包括焦炭的工業(yè)分析、機械強度、粒度篩分組成、塊度均勻系數(shù)等項。鑄造用的鑄造焦要求塊度大、強度高、氣孔率低和反應(yīng)性低。而對氣化用焦則應(yīng)具有盡可能大的反應(yīng)性、氣孔率大、耐磨性低些。焦炭的工業(yè)分析及機械強度第21頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月焦炭的工業(yè)分析包括水分、灰分、硫分、揮發(fā)分等項。機械強度包括抗碎強度指標(biāo)M25（或M40）、耐磨指標(biāo)M10，鑄造焦還有落下強度指標(biāo)。我國采用米庫姆轉(zhuǎn)鼓試驗方法測定焦炭的機械強度。世界各國的轉(zhuǎn)鼓試驗在裝置的尺寸、鼓內(nèi)結(jié)構(gòu)、試樣粒度和質(zhì)量、轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)數(shù)、篩孔、表示方法等不盡相同。第22頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月焦炭的篩分組成是計算焦炭塊度大于80mm、80～60mm、60～40mm、40～25mm等各粒級的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。利用焦炭的篩分組成可以計算出焦炭的塊度均勻系數(shù)k。第24頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月焦炭強度的M40、M10轉(zhuǎn)鼓指數(shù)都是焦炭的冷態(tài)特性，而焦炭在高爐中是在高達1000℃以上的熱態(tài)下使用。M40、M10轉(zhuǎn)鼓指數(shù)好的焦炭在高爐內(nèi)不見得就表現(xiàn)出很好的冶金性能。例如采用土法生產(chǎn)的焦炭，雖然M40、M10的指標(biāo)很好，但在實際冶煉應(yīng)用時的冶金性能卻不一定好。因此，人們更看重的是焦炭在冶煉熱態(tài)下的“高溫強度”。焦炭反應(yīng)性（CRI）與反應(yīng)后強度（CSR）第25頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月這是因為焦炭強度在高爐下部被削弱的主要原因是高溫下CO2對焦炭的侵蝕作用，焦炭中的C為CO2所氧化成CO。焦炭中的C被用于氣化反應(yīng)而消耗，失去了高溫強度，失去了支架的透氣作用，使高爐無法運行操作。因此，現(xiàn)代化大高爐要求的優(yōu)質(zhì)焦炭應(yīng)該是在高溫下不易被CO2所侵蝕的焦炭。第26頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月經(jīng)過長期的生產(chǎn)實踐和實驗，人們研究出，可以用焦炭的反應(yīng)性（CRI）和反應(yīng)后強度（CRS）來作為評價焦炭高溫強度的重要指標(biāo)。我國的測定方法與日本新日鐵相同，都是使實驗條件更接近高爐情況。即在1100℃恒定溫度下用純CO2與直徑20mm焦球反應(yīng)，反應(yīng)對間為120min，試樣重200g，以反應(yīng)后失重百分?jǐn)?shù)作為反應(yīng)性指數(shù)（CRI）。反應(yīng)后的焦炭在直徑130mm、長700mm的I形轉(zhuǎn)鼓中以每分鐘20轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動600轉(zhuǎn)，以大于10mm篩上物與入鼓試樣總重的百分比作為反應(yīng)后強度。第27頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月冶金焦質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T1996—1994《冶金焦炭》已經(jīng)被GB/T1996—2003替代。焦炭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)第28頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月煤的成因及種類煤的分子結(jié)構(gòu)煤的分類煤的組成與性質(zhì)3.煤的成因及分類第29頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月煤是由遠古植物殘骸沒入水中經(jīng)過生物化學(xué)作用，然后被地層覆蓋并經(jīng)過物理化學(xué)與化學(xué)作用而形成的有機生物巖。煤生成過程中的成煤植物來源與成煤條件的差異造成了煤種類的多樣性與煤基本性質(zhì)的復(fù)雜性，并直接影響煤的開采、洗選和綜合利用。根據(jù)成煤植物種類，可分為：腐植煤和腐泥煤。3.1煤的成因第30頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2煤的分子結(jié)構(gòu)

一、煤的分子結(jié)構(gòu)煤的分子結(jié)構(gòu)的研究一直是煤化學(xué)學(xué)科的中心環(huán)節(jié)，受到了廣泛的重視。但是，由于煤炭組成的復(fù)雜性，多樣性和不均一性，所以難于分離成簡單的物質(zhì)進行結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究分析。目前煤結(jié)構(gòu)的研究方法大致可歸納為三類：(1)物理研究法如紅外光譜、核磁共振波譜、射線衍射、顯微分光光度法掃描電鏡和各種物理性質(zhì)研究以及利用物理常數(shù)進行統(tǒng)計結(jié)構(gòu)分析；(2)物理化學(xué)方法如溶劑抽提和吸附性能研究等；(3)化學(xué)研究方法如氧化、加氫、鹵化、水解、熱解和官能團分析等方法。第31頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月長期以來，對煤的結(jié)構(gòu)研究，始終未能獲得突破性的結(jié)論，只是根據(jù)實驗結(jié)果分析推測，提出了煤的分子結(jié)構(gòu)模型——化學(xué)結(jié)構(gòu)模型和物理結(jié)構(gòu)模型。近年來，對煤的結(jié)構(gòu)研究取得一些進展。由于煤的顯微組分中往往以鏡質(zhì)組分為主，再加上它在成煤過程中變化比較均勻以及礦物質(zhì)含量低等優(yōu)點，一般采用煤的鏡質(zhì)組分作為研究結(jié)構(gòu)的對象。1．煤的基本結(jié)構(gòu)單元煤是以有機體為主，并具有不同的分子量，不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的一組“相似化合物”的混合物。第32頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月它不象一般的聚合物，是由相同化學(xué)結(jié)構(gòu)的單體聚合而成的。因此構(gòu)成煤的大分子聚合物的“相似混合物”被稱作基本結(jié)構(gòu)單元。也就是說，煤是許許多多的基本結(jié)構(gòu)單元組合而成的大分子結(jié)構(gòu)?；窘Y(jié)構(gòu)單元包括規(guī)則部分和不規(guī)則部分，規(guī)則部分為結(jié)構(gòu)單元的核心部分，由幾個或十幾個苯環(huán)、脂環(huán)、氧化芳香環(huán)及雜環(huán)（含氮、氧、硫）組成；在苯核的周圍連接著各種含氧基團和烷基側(cè)鏈，屬于基本結(jié)構(gòu)的不規(guī)則部分。隨著煤的煤化程度的提高，苯核逐漸增多，而不規(guī)則部分則逐漸減少，如圖2-1。第33頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-1不同煤的結(jié)構(gòu)單元(或部分)模第34頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2．煤基本結(jié)構(gòu)單元的邊緣基因在煤基本結(jié)構(gòu)單元的邊緣屬于不規(guī)則部分，主要有含氧官能團和烷基側(cè)鏈，還有少量的氮和硫的官能團以及橋鍵。一般其數(shù)量隨著煤化度的增加而減少。含氧官能團含有羥基、羧基、羰基、甲氧基和醌基等，煤中含氧官能團隨煤的變質(zhì)程度加深而減少，在年老的褐煤中基本不存在；其次是羧基，褐煤具有羧基是它的特征，到了煙煤階段，羧基的數(shù)量已大為減少，中變質(zhì)煙煤（含碳量85%左右）時，羧基已基本消失；羥基和羰基在整個煙煤階段都存在，甚至在無煙煤階段都存在。羰基的含量在煤中雖少，但隨著煤化程度的增加而減少的幅度并不大。第35頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月煤中的氧相當(dāng)一部分是以非活性狀態(tài)（即比較不易起化學(xué)反應(yīng)和不易熱分解的那部分氧）存在，主要是醚鍵和雜環(huán)中的氧，它們整個存在于成煤過程中，這一部分氧無法用直接方法測定。有人認(rèn)為，有一部分非活性氧經(jīng)KOH的酒精溶液水解之后，可以轉(zhuǎn)化為活性氧，因為，它們變成了羥基或羧基。在褐煤階段含氧官能團含量最高，在煙煤階段其含量就大大降低，而且以非活性氧為主，到無煙煤階段，含氧量則更低。煤中除含氧官能團之外，還存在著含氮官能團和含硫官能團。煤中含氮量在1～2%，主要是以胺基、亞胺基、五元雜環(huán)，六元雜環(huán)，吡啶和咔唑等形式存在。含硫官能團主要以硫醇、硫醚、二硫醚、硫醌及雜環(huán)硫等形式存在。煤的基本結(jié)構(gòu)單元上連接著烷基側(cè)鏈。烷基側(cè)鏈的平均長度，是隨煤化程度的增加而迅速減少。第36頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月3．煤的結(jié)構(gòu)參數(shù)由于煤的基本結(jié)構(gòu)單元的確切程度尚不清楚，為了描述其結(jié)構(gòu)情況，常采用若干“結(jié)構(gòu)參數(shù)”，如芳香度（芳碳率和芳氫率）、芳環(huán)率、環(huán)縮合度指數(shù)等加以說明。（1）芳碳率指煤的基本結(jié)構(gòu)單元中，屬于芳香族結(jié)構(gòu)的碳原子數(shù)與總的碳原子數(shù)之比。（2）芳氫率是煤的基本結(jié)構(gòu)單元中，屬于芳香族結(jié)構(gòu)的氫原子數(shù)與總的氫原子數(shù)之比。第37頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）芳環(huán)率是煤的基本結(jié)構(gòu)單元中，芳香環(huán)數(shù)與總環(huán)數(shù)

之比。（4）環(huán)縮合度指數(shù)——環(huán)縮合度指數(shù)，其中R為基本結(jié)構(gòu)單元中縮合環(huán)的數(shù)目，C為基本結(jié)構(gòu)單元中的碳原子數(shù)。環(huán)縮合度指數(shù)與芳碳率之間有如下關(guān)系：第38頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月腐植煤根據(jù)煤化度（煤的化學(xué)成熟程度，亦即煤化程度）的不同，它可分為泥炭、褐煤、煙煤和無煙煤四大類。各類煤具有不同的外表特征和特性，其典型的品種，一般肉眼就能區(qū)分。新的煉焦技術(shù)已能使用所有煙煤，甚至無煙煤作為原料，不局限于氣、肥、焦、瘦煤。3.3煤的分類第39頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月煤是由有機物和無機物組成，但以有機質(zhì)為主體。煤的有機質(zhì)主要由碳、氫、氧及少量的氮、硫、磷等元素構(gòu)成。通常所說的元素分析是指煤中碳、氫、氧、氮和硫的測定，這五種元素是組成煤有機質(zhì)的主體。煤的組成變化與煤的成因類型、煤的巖相組成和煤化度密切相關(guān)。煤的元素組成對研究煤的成因、類型、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和利用等都有十分重要的意義。3.4煤的組成與性質(zhì)第40頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月煤工業(yè)分析：包括水分、灰分、揮發(fā)分和固定炭含量四項測量。煙煤的熱解過程：將煙煤在隔絕空氣加熱，隨溫度升高，煙煤發(fā)生錯綜復(fù)雜的變化。從現(xiàn)象看大體經(jīng)歷以下階段：（1）干燥和預(yù)熱；（2）開始分解；（3）生成膠質(zhì)體；（4）膠質(zhì)體固化與半焦形成；（5）半焦收縮；（6）生成焦炭。第41頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月煤的黏結(jié)性就是煙煤在干餾時黏結(jié)其本身或外加惰性物的能力。它是煤干餾時所形成的膠質(zhì)體顯示的一種塑性。在煙煤中顯示軟化熔融性質(zhì)的煤稱為黏結(jié)煤，不顯示軟化熔融性質(zhì)的煤稱為非黏結(jié)煤。黏結(jié)性是評價煉焦用煤的主要指標(biāo)，還是評價低溫干餾、氣化或動力用煤的一個重要依據(jù)。煤的黏結(jié)性是煤結(jié)焦的必要條件，與煤的結(jié)焦性密切相關(guān)。煉焦煤中以肥煤的黏結(jié)性最好。煤的黏結(jié)性第42頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月煤的結(jié)焦性是煙煤在焦?fàn)t或模擬焦?fàn)t的煉焦條件下，形成具有一定塊度和強度的焦炭的能力。結(jié)焦性是評價煉焦煤的主要指標(biāo)。煉焦煤必須兼有黏結(jié)性和結(jié)焦性，兩者密切相關(guān)。煤的結(jié)焦性第43頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月煤的黏結(jié)性著重反映煤在于餾過程中軟化熔融形成膠質(zhì)體并固化黏結(jié)的能力。測定黏結(jié)性時，加熱速度較快，一般只測到形成半焦為止。煤的結(jié)焦性全面反映煤在干餾過程中軟化熔融直到固化形成焦炭的能力。測定結(jié)焦性時加熱速度一般較慢。煉焦煤中以焦煤的結(jié)焦性最好。第44頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月煤的熱解過程

1．煤的熱解過程所謂煤的熱解，是指煤在隔絕空氣的條件下進行加熱，煤在不同溫度下發(fā)生的一系列物理變化和化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜過程。其結(jié)果生成氣體（煤氣），液體（焦油）和固體（半焦或焦炭）等產(chǎn)品。煤的熱解也稱為煤的干餾或熱分解。目前煤加工的主要工藝仍是熱加工。按熱解最終溫度的不同可分為：高溫干餾（950～1050℃），中溫干餾（700～800℃）和低溫干餾（500～600℃）。煤的熱解是煤熱化學(xué)加工的基礎(chǔ)。有黏結(jié)性的煙煤熱解過程如圖2-2所示。第45頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-2有黏結(jié)性煙煤的熱解過程

第46頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月由圖可見：有黏結(jié)性的煙煤熱解過程大致可分為三個階段：（1）第一階段（室溫～300℃）主要是煤干燥、脫吸階段，煤沒有發(fā)生外形上的變化。①120℃前，煤脫水干燥；②120～200℃，煤釋放出吸附在毛隙孔中的氣體，如CH4、CO2、CO和N2等，是脫吸過程；③近300℃時，褐煤開始分解，生成CO2、CO、H2S，同時放出熱解水及微量焦油。而煙煤和無煙煤此時變化不大。第47頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）第二階段（300~550℃或600℃）

該階段以煤熱分解、解聚為主，形成膠質(zhì)體并固化而形成半焦。①300～450℃，此時煤劇烈分解，解聚，析出大量的焦油和氣體，焦油幾乎全部在這一階段析出。氣體主要是CH4及其同系物，還有H2、CO2、CO及不飽和烴等。這些氣體稱為熱解一次氣體。在450℃時析出焦油量最大，在此階段由于熱解，生成氣、液（焦油）、固（尚未分解的煤粒）三相為一體的膠質(zhì)體，使煤發(fā)生了軟化、熔融、流動和膨脹。液相中有液晶（或中間相）存在。②450～550℃（或600℃）時，

膠質(zhì)體分解、縮聚、固化成半焦。第48頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）第三階段550（600℃）~1000℃

該階段以縮聚反應(yīng)為主體，由半焦轉(zhuǎn)變成焦炭。①550（或600℃）~750℃，半焦分解析出大量氣體。主要是H2和少量CH4，稱為熱解的二次氣體。一般在700℃時析出的氫氣量最大，在此階段基本上不產(chǎn)生焦油。半焦因分解出氣體收縮而產(chǎn)生裂紋。②750~1000℃，半焦進一步分解，繼續(xù)析出少量氣體主要是H2，同時分解的殘留物進一步縮聚，芳香碳網(wǎng)不斷增大，排列規(guī)則化，半焦轉(zhuǎn)變成具有一定強度和塊度的焦炭。第49頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月煤的熱解包括上述三個階段，它是一個連續(xù)變化的過程，每一個后續(xù)階段，必須通過前面的各個階段。煤熱解的主要階段用差熱分析可得到證實。煤化程度低的煤（如褐煤），其熱解過程大體與煙煤相同，但不存在膠質(zhì)體形成階段，僅發(fā)生劇烈分解，析出大量氣體和焦油，無黏結(jié)性，形成的半焦是粉狀的。加熱到高溫時，生成焦粉。高變質(zhì)無煙煤的熱解過程比較簡單，是一個連續(xù)析出少量氣體的分解過程，即不能生成膠質(zhì)體，也不能生成焦油。因此無煙煤不適于用干餾的方法進行加工。第50頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．煤的差熱分析煤熱解的主要過程可由煤的差熱分析得到證實。差熱分析（DTA）的基本原理是：將試樣和參比物（用與試樣熱特性相似的，在實驗溫度范圍內(nèi)，不發(fā)生相變化和化學(xué)變化的熱惰性物質(zhì)為參比物）在相同的熱條件下加熱（或冷卻），記錄在程序控制溫度下，被測試樣和參比物的溫度差與溫度（或時間）的關(guān)系曲線（DTA曲線）如圖2-3所示。吸熱峰——被測試樣溫度低于參比物溫度的峰，溫度差△T為負值，差熱曲線為低谷。放熱峰——被測試樣溫度高于參比物溫度的峰，溫度差△T為正值，差熱曲線為高峰。煤在熱解過程中有明顯的吸熱峰和放熱峰。第51頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-3煤的差熱分析曲線(1)在150℃左右，有一個吸熱峰，表示此階段是吸熱效應(yīng)。是煤析出水分和吸附氣體的過程。相當(dāng)于前面熱化學(xué)分析的干燥脫吸階段。第52頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)

在350~550℃范圍內(nèi)，有一個吸熱峰，表明此階段是吸熱效應(yīng)。在這一階段煤發(fā)生解聚、分解生成氣體和煤焦油（蒸汽狀態(tài)）等低分子化合物。相當(dāng)于熱化學(xué)分析的膠質(zhì)體階段。(3)在750~850℃的范圍內(nèi)，有一個放熱峰，表明此階段為放熱效應(yīng)。是煤熱解殘留物互相縮聚，生成半焦的過程。相當(dāng)于熱化學(xué)分析的半焦生成階段。煤的差熱曲線上三個明顯的熱效應(yīng)峰與煤熱解過程化學(xué)分析的三個主要階段是一致的。差熱分析方法證實了煤的熱解過程的熱化學(xué)反應(yīng)。各種不同的煤，其熱解過程不同，所以差熱分析曲線上峰的位置、峰高也有明顯的區(qū)別。第53頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月煤的黏結(jié)和成焦機理

具有黏結(jié)性的煤，在高溫?zé)峤鈺r，從粉煤分解開始，經(jīng)過膠質(zhì)狀態(tài)到生成半焦的過程稱為煤的黏結(jié)過程。而從粉煤開始分解到最后形成焦塊的整個過程稱為結(jié)焦過程，如圖2-4所示。由圖可見煤的結(jié)焦過程大體可分為黏結(jié)過程和半焦收縮兩個階段。煤的黏結(jié)性取決于膠質(zhì)體的生成和膠質(zhì)體的性質(zhì)。圖2-4黏結(jié)與成焦過程階段示意圖第54頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月膠質(zhì)體的生成及性質(zhì)1．膠質(zhì)體液相的來源

膠質(zhì)體中的液相是形成膠質(zhì)體的基礎(chǔ)。膠質(zhì)體液相的來源是多方面的，煤分子結(jié)構(gòu)單元之間各種橋鍵的斷裂形成自由基碎片，其中分子量不太大的、含氫較多的生成液態(tài)產(chǎn)物，且以芳香族化合物居多。脂肪化合物的分解，其中分子量較大的那部分形成液態(tài)產(chǎn)物，分子量小的部分生成氣態(tài)析出，液相產(chǎn)物中，以脂肪化合物居多。基本結(jié)構(gòu)單元周圍的脂肪族側(cè)鏈和各官能團脫落，其中小部分可形成液體，而絕大部分則形成氣態(tài)產(chǎn)物析出。殘留煤（未分解的煤）在膠質(zhì)體液相中部分溶解，使膠質(zhì)體液相增加。第55頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．膠質(zhì)體的性質(zhì)在熱解過程中，膠質(zhì)體的液相分解、縮聚和固化而生成半焦，如圖2-5。圖2-5膠質(zhì)體的生成及轉(zhuǎn)化示意圖I—軟化開始階段；II—開始形成半焦階段；III—煤粒強烈軟化和半焦破裂階段1—煤；2—膠質(zhì)體；3—半焦第56頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月液膜外層開始固化生成半焦，中間仍為膠質(zhì)體，內(nèi)部有沒分解的煤粒，這種狀態(tài)維持時間很短。因為半焦隨著溫度升高而分解，收縮形成裂紋，膠質(zhì)體順著裂紋流出，又固化成半焦，直到煤粒全部轉(zhuǎn)變成半焦。形成的半焦質(zhì)量決定膠質(zhì)體的性質(zhì)。（1）溫度間隔

煤開始固化溫度（）與開始軟化溫度（）之間的范圍為膠質(zhì)體的溫度間隔（），即。它表示煤粒處在膠質(zhì)體狀態(tài)所停留的時間，也反映了膠質(zhì)體的熱穩(wěn)定性。如果溫度間隔大，則膠質(zhì)體停留時間長，其熱穩(wěn)定性好，煤粒間有充分的時間互相接觸，有利于黏結(jié)。反之，膠質(zhì)體停留時間短，很快分解，煤粒間的黏結(jié)性也差。

第57頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）透氣性

煤熱解的揮發(fā)產(chǎn)物，通過膠質(zhì)體時克服所受到的阻力而析出的能力，表示膠質(zhì)體的透氣性。透氣性對煤的黏結(jié)性影響較大，若透氣性差，則膨脹壓力大，有利于黏結(jié)。反之，若膠質(zhì)體的透氣性好或液相少，液相不能充滿顆粒之間，氣體容易析出，則膨脹壓力小，不利于黏結(jié)。（3）流動性

煤在膠質(zhì)狀態(tài)下的流動性，對黏結(jié)性影響較大。常以膠質(zhì)體的流動度來衡量。如果膠質(zhì)體的流動性差，不利于煤粒間或與惰性物質(zhì)之間的相互接觸，則煤的黏結(jié)性差。反之則有利于煤的黏結(jié)。第58頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）膨脹性

煤在膠質(zhì)狀態(tài)下，由于氣體析出和膠質(zhì)體的不透氣性，使膠質(zhì)體產(chǎn)生膨脹。若體積膨脹不受限制，則稱自由膨脹，若體積膨脹受到限制，就會產(chǎn)生一定的壓力，稱為膨脹壓力。一般膨脹性大的煤，黏結(jié)性好，反之則較差。膠質(zhì)體的性質(zhì)主要是由膠質(zhì)體中的液相的數(shù)量和性質(zhì)所決定的，它直接影響煤的黏結(jié)。同時，膠質(zhì)狀態(tài)下氣體析出量及析出的速度，以及固相產(chǎn)物數(shù)量等均對煤的黏結(jié)性有重要的影響。第59頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、煤的黏結(jié)性50年代膠質(zhì)體學(xué)說發(fā)展比較完善，并得到廣泛的承認(rèn)，使煤的黏結(jié)機理有了飛躍的發(fā)展。有些學(xué)者認(rèn)為，具有黏結(jié)性的煤中存在著某種“黏結(jié)要素”或瀝青質(zhì)，當(dāng)加熱時瀝青溶化，形成膠質(zhì)體。根據(jù)大分子結(jié)構(gòu)學(xué)說，液體產(chǎn)物是煤的大分子結(jié)構(gòu)上的側(cè)鏈和官能團的脫落所產(chǎn)生的。假設(shè)在550℃前熱分解放出的揮發(fā)分，主要是大分子結(jié)構(gòu)上脫落下來的側(cè)鏈和官能團，提出以下兩上指標(biāo)：

和。若兩個指標(biāo)都大，則說明總揮發(fā)分高，能生成熱穩(wěn)定性好的液態(tài)產(chǎn)物，其黏結(jié)性能好；若

大而小，生成的氣態(tài)產(chǎn)物多，而液體產(chǎn)物少，故黏結(jié)性差；若

小而大，熱解時產(chǎn)生的氣態(tài)、液態(tài)產(chǎn)物都少，故黏結(jié)性差。第60頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月這兩種學(xué)說雖然從不同的側(cè)面解釋了黏結(jié)成焦過程，但兩者都具有一定的片面性。60~70年代格良茲羅夫等人用偏光顯微鏡和射線照像技術(shù)，研究了具有黏結(jié)性的煤粒在加熱過程中的變化。70年代又有煤熱解時產(chǎn)生液晶相或中間相理論，使黏結(jié)成焦理論不斷深入發(fā)展。膠質(zhì)體是煤粒間進行黏結(jié)的基礎(chǔ)，當(dāng)煤受熱時，煤的大分子結(jié)構(gòu)發(fā)生熱分解和氫的重新分配，生成富氫而分子量小的液相及焦油蒸汽和氣體烴類。當(dāng)熱解產(chǎn)品的分子量在400~1500的變化范圍內(nèi)時，熱分解產(chǎn)生的液相才能使分解后的固相軟化，并生成呈膠體狀的膠質(zhì)體。第61頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月膠質(zhì)體中的液相不僅起軟化劑的作用，也起著隔離熱分解生成的游離基的作用，阻止它們之間的結(jié)合。煤轉(zhuǎn)變成膠質(zhì)體后，黏度逐漸變小，直至達到最大流動度。其最大流動度是液相產(chǎn)品濃度提高的結(jié)果。但煤的最大軟化發(fā)生在膠質(zhì)體液相下降的條件下，即當(dāng)煤處于最大軟化狀態(tài)時，液相的分解速度超過其生成速度，由于液相的分解，增加固相和氣相的生成，此時，膠質(zhì)體逐漸固化為半焦。膠質(zhì)體的固化是液相分解與縮聚的結(jié)果，縮聚作用既完成于液相之中，也發(fā)生在吸附液相和氣相的固體顆粒表面上。膠質(zhì)體的固化過程，是膠質(zhì)體中的化合物因脫氫、脫烴基和其它熱解反應(yīng)而引起的芳構(gòu)化和碳化的過程。第62頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

格良茲羅夫通過研究配煤半焦光片和煤熱解過程中放射性照像，他認(rèn)為煤粒熱解所產(chǎn)生的液相，其相互擴散只限于煤粒表面。由于液相擴散，使分散的煤粒粘在一起，為煤粒間的縮聚作用創(chuàng)造了條件。也可以認(rèn)為煤粒的黏結(jié)發(fā)生在煤粒之間的接觸交界面上，是一個復(fù)雜的物理和化學(xué)過程。綜上所述，煤在熱解中要形成黏結(jié)好的半焦，必須具備以下條件：（1）有足夠數(shù)量的液相，能使分解的煤粒表面潤濕并充滿顆粒間的空隙；（2）膠質(zhì)體的溫度間隔足夠大；（3）膠質(zhì)體的流動性好；（4）膠質(zhì)體有一定的黏度，能產(chǎn)生一定的膨脹壓力，將軟化的煤粒壓緊；（5）液相分解縮聚所形成的固相產(chǎn)物和未分解為液相的固體顆粒，本身應(yīng)具有足夠的強度；（6）黏結(jié)性不同的煤粒在空間要均勻分布。第63頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、煤的成焦機理煤料慢速升溫的成焦過程見圖2-4。在550℃左右形成半焦，溫度繼續(xù)升高，半焦進一步分解，析出分子量最小的氣態(tài)產(chǎn)物（主要是氫，也有少量甲烷），而不生成焦油，其原因是由于C脂—H和C芳—H斷裂的結(jié)果。半焦分解同時還產(chǎn)生許多游離基，游離基發(fā)生縮聚反應(yīng)，隨著溫度的升高，縮聚反應(yīng)不斷加強，使芳香碳網(wǎng)不斷增大，碳網(wǎng)間的排列也越來越規(guī)則化。前蘇聯(lián)的拉祖莫娃曾對不同溫度下的加熱固體殘留物進行了X射線衍射研究，碳網(wǎng)尺寸見表2-1。第64頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

在700℃以后，碳網(wǎng)尺寸增大較快，其原因是由于縮聚反應(yīng)在該溫度下劇烈的結(jié)果。半焦外型的變化產(chǎn)生裂紋，半焦熱縮聚必然引起體積收縮，而焦塊的剛性阻止其收縮，半焦內(nèi)便產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。隨著溫度的升高，其內(nèi)應(yīng)力不斷增加，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力大于半焦本身的強度時，使半焦破裂形成裂紋。當(dāng)溫度達到1000℃時，形成具有一定機械強度和一定塊度的銀灰色并具有金屬光澤的焦炭。表2-1不同熱解溫度下固體殘留物碳網(wǎng)的尺寸處理溫度/℃碳網(wǎng)尺寸/處理溫度/℃碳網(wǎng)尺寸/焦

煤氣

煤焦

煤氣

煤原煤（室溫）3004005001717212116161922600700800110026─384624303537第65頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

四、中間相理論

1．關(guān)于中間相理論的基本概念（1）液晶液晶是指某些分子量較高、分子結(jié)構(gòu)較長的芳烴化合物。它們既有液體的流動性和表面張力，又具有晶體的光學(xué)各向異性。如當(dāng)溫度高于液晶相的上限，則液晶就變成液體，光學(xué)異性消失，成為各向同性的液體；如溫度低于液晶相的下限，則液晶就變成晶體，失去流動性。液晶的這種轉(zhuǎn)變是可逆的物理過程。煤的成焦過程有液晶相出現(xiàn)。（2）中間相具有黏結(jié)性的煤和瀝青等加熱至350～500℃左右時，能在膠質(zhì)體的液相中形成由聚合液晶構(gòu)成的各向異性流動相態(tài)，這種新的相態(tài)稱為中間相。這種中間相存在的時間很短，很快就固化為半焦。中間相由向列聚合液晶構(gòu)成，它具有某些液晶的性質(zhì)，如可塑性、各向異性等，但又和液晶不完全相同，如中間相形成和演變是不可逆的。它的形成和發(fā)展變化過程不斷發(fā)生化學(xué)變化。第66頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．中間相的形成、發(fā)展和固化

有黏結(jié)性的煤和瀝青等加熱到350℃左右時，開始發(fā)生分解和縮聚反應(yīng)，低分子氣體析出，同時生成游離基縮聚成稠環(huán)芳烴；約在400℃左右，縮聚稠環(huán)芳烴的平均分子數(shù)增加到1500個左右（其中約有十幾至幾十個稠環(huán)芳烴）。由于溫度的升高，膠質(zhì)體流動性增加，稠環(huán)芳烴大分子在膠質(zhì)體熱擴散的作用下，平行堆砌，在各向同性的液相中形成各向異性的新相，呈現(xiàn)出球狀、蝌蚪狀、棒狀的可塑性物質(zhì)，這就是初生的中間相。中間相的發(fā)展和固化，以及發(fā)展過程如圖2-6所示。第67頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2~6中間相發(fā)展示意圖第68頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月中間相的發(fā)展可分為以下幾個階段：（1）熱縮聚

煤熱裂解產(chǎn)生大量不飽和化合物和游離基，同時，它們之間縮聚形成平面稠環(huán)大分子。（2）成球

稠環(huán)大分子由于熱擴散，在液相中遷移而平行堆砌，形成新相小球體。（3）小球體長大

每個小球體不斷吸附周圍的流動相而使其體積增大。（4）接觸

新的小球體不斷產(chǎn)生，原來的小球體不斷長大，使系統(tǒng)中小球體的濃度增加，球體間距縮小，直到球體與球相接觸。第69頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月

（5）融并

兩個接觸的單球或多個單球合并成一個復(fù)球，也可能多個單球與融合后的新球融并成為中間相體。（6）重排

中間相體和復(fù)球內(nèi)部的層片分子，不斷重排變形而規(guī)則化。（7）增黏

中間相進一步吸收周圍的流動相而長大，待各相同性基質(zhì)消耗將盡時，系統(tǒng)的黏性迅速增加。（8）變形

在析出氣體的壓力和剪切力的作用下，使高度聚集的彎曲層面分子排列進一步順序化，并因此而變形。（9）固化

因溫度升高而層片分子數(shù)迅速增大，形成不同尺寸的結(jié)構(gòu)單元，系統(tǒng)固化形成各種類型的光學(xué)結(jié)構(gòu)體（不同的焦炭顯微結(jié)構(gòu)體）。

第70頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月1.煉焦將煉焦煤在密閉的焦?fàn)t內(nèi)隔絕空氣高溫加熱放出水分和吸附氣體,隨后分解產(chǎn)生煤氣和焦油等,剩下以碳為主體的焦炭.這種煤熱解過程通常稱為煤的干餾.（又稱高溫干餾、煉焦）

2.煉焦產(chǎn)品⑴焦炭

90%用于高爐煉鐵，其余用于機械工業(yè)、鑄造、電石生產(chǎn)原料、氣化以及有色金屬冶煉。⑵化學(xué)產(chǎn)品硫酸銨、吡啶堿、苯、甲苯、二甲苯、酚、萘、蒽、瀝青等。用于化學(xué)肥料、農(nóng)藥、合成纖維的原料、塑料等。⑶煤氣可用來合成氨、生產(chǎn)化學(xué)肥料或用做加熱燃料。煉焦第71頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月3.煉焦?fàn)t的進展⑴煤成堆、窯式土法煉焦

將煤置于地上或地下的窯中，依靠干餾時產(chǎn)生的煤氣和部分煤的直接燃燒產(chǎn)生的熱量來煉制焦炭，稱為土法煉焦。土法煉焦成焦率低，焦炭灰分高，結(jié)焦時間長，化學(xué)產(chǎn)品不能回收，綜合利用差。⑵倒焰式將成焦的炭化室和加熱的燃燒室分開的焦?fàn)t，隔墻上設(shè)有通道，炭化室內(nèi)煤干餾時產(chǎn)生的煤氣經(jīng)此流入燃燒室內(nèi)，同來自爐頂?shù)耐L(fēng)道內(nèi)的空氣混合，白上而下的邊流動邊燃燒，故稱為倒焰式焦?fàn)t。干餾時所需熱量從燃燒室經(jīng)爐墻傳給炭化室內(nèi)的煤料。⑶廢熱式將炭化室和燃燒室完全隔開，炭化室內(nèi)生產(chǎn)的荒煤氣送到回收車間分離出化學(xué)產(chǎn)品后，再送回燃燒室內(nèi)燃燒或民用。燃燒后產(chǎn)生的高溫廢氣直接從煙囪排出。⑷蓄熱式高溫?zé)煔庀冉?jīng)蓄熱室后降溫，熱量用來預(yù)熱空氣等。第72頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第73頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月§3．2煤的成焦過程1.成焦過程

<350℃:煤干燥預(yù)熱階段350～480℃:膠質(zhì)體形成階段480～650℃:半焦形成階段650～950℃:焦炭形成階段煤干燥預(yù)熱膠質(zhì)體半焦焦炭氣態(tài)產(chǎn)物第74頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第75頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第76頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月成品焦碳第77頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月焦油第78頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2．煤的黏結(jié)和半焦收縮⑴．粘結(jié)性：①粘結(jié)性：

干餾時黏結(jié)本身與惰性物的能力，指煉焦時形成熔融焦炭的能力（經(jīng)過膠質(zhì)體生成塊狀半焦的能力）。②黏結(jié)性與結(jié)焦性關(guān)系黏結(jié)性好是結(jié)焦性好的前提及必要條件。（結(jié)焦性好的煤其黏結(jié)性一定好）第79頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月③提高黏結(jié)性⑵半焦收縮①半焦收縮：

半焦不穩(wěn)定部分受熱裂解，生成氣態(tài)產(chǎn)物；殘留部分不斷締合增炭，產(chǎn)生體積收縮②氣孔焦炭是孔狀體，氣孔率低，氣孔小，氣孔壁厚和氣孔壁強度高，則焦炭強度高。第80頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月③裂紋收縮應(yīng)力→裂紋（裂成焦塊，裂紋多則焦炭細）3.焦?fàn)t煤料中熱流動態(tài)⑴供熱兩側(cè)爐墻供熱（靠近爐墻煤料溫度先升高，溫度速度快；遠離爐墻的溫度后升高，升高速度慢）⑵不同部位煤料溫度隨加熱時間變化（圖3-2）.①爐墻溫度加入煤時，爐墻溫度迅速下降②靠近爐墻煤料溫度③炭化室中心溫度加煤后8小時方由100℃升高（才脫完水分）第81頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶不同部位煤料的升溫速度煤料升溫線（圖3-3）①100～350℃爐墻附近8.0℃/min

中心部位1.5℃/min②升溫速度不同，溫度梯度不同因而收縮梯度不同，升溫速度大的裂紋多，焦塊小。⑷炭化室內(nèi)不同部分煤料同一時間內(nèi)的情況（圖3-4）.①當(dāng)裝煤后加熱約8小時，水分蒸發(fā)完了時，中心面溫度上升。②當(dāng)加熱14至15小時，炭化室內(nèi)部溫度都接近1000℃，焦炭成熟。第82頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第83頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月4.炭化室內(nèi)成焦特征⑴炭化室內(nèi)同時進行著不同成焦階段①裝煤約8小時期間，炭化室同時存在著濕煤層、干煤層、膠質(zhì)體層、半焦層和焦炭層。②兩膠質(zhì)體層在裝煤后11小時左右在中心匯合。③裝煤后15小時左右，焦炭成熟。⑵膨脹壓力過大時可危及爐墻（最大膨脹壓力出現(xiàn)在兩膠質(zhì)體中心匯合時）。⑶裂紋靠近爐墻的焦炭裂紋多，有焦花之稱。⑷焦縫成熟焦餅中心面上有一條縫稱焦縫，上下直通。第84頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第85頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月5.氣體析出途徑⑴里行氣（10%左右）①形成與兩膠質(zhì)體之間，不可能橫穿過膠質(zhì)體，只能上行進入爐頂空間，這部分氣體稱為里行氣。②沒有經(jīng)歷二次解熱作用；含大量水蒸氣，含煤一次熱解產(chǎn)物（主要CH4及其同系物，還有H2、CO2、CO及不飽和烴等）⑵外行氣（90%左右）①產(chǎn)生膠質(zhì)體外側(cè)（由于膠質(zhì)體固化和半焦熱解產(chǎn)生大量氣態(tài)產(chǎn)物）沿焦餅裂縫及爐墻與焦餅間隙進入爐頂空間，此部分氣體稱外行氣。②經(jīng)過高溫區(qū)，經(jīng)二次熱解作用，二次熱解產(chǎn)物（主要H2，及少量CH4）。第86頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第87頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶氣體中的化學(xué)產(chǎn)品①原料煤性質(zhì)對化學(xué)產(chǎn)品產(chǎn)率的影響較大。揮發(fā)分高，煤氣和粗苯產(chǎn)率都高。②溫度對化學(xué)產(chǎn)品產(chǎn)率影響較大（爐墻溫度、焦餅溫度）。第88頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3配煤和焦炭質(zhì)量1.配煤的目的和意義⑴配煤：就是將兩種以上的單種煤料，按適當(dāng)比例均勻配合，以求制得各種用途所要求的焦炭質(zhì)量。⑵焦煤煉焦的缺點（單種煤煉焦）焦煤儲量不足推焦困難，容易損壞爐墻焦煤揮發(fā)分少，煉焦化學(xué)產(chǎn)品產(chǎn)率小⑶合理配煤的優(yōu)勢提高焦炭質(zhì)量擴大煉焦煤源，合理利用煤炭資源增加煉焦化學(xué)產(chǎn)品產(chǎn)率等第89頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2.煉焦用煤氣煤（QM）、肥煤（FM）、焦煤（JM）、瘦煤（SM）及中間過渡性牌號煤。⑴氣煤揮發(fā)性最大，黏結(jié)性差煉焦產(chǎn)品特點：焦炭碎、強度低、推焦易；可得較多化學(xué)產(chǎn)品⑵肥煤揮發(fā)份較高，灰分高，黏結(jié)性最好但結(jié)焦性差。煉焦產(chǎn)品特點：焦炭碎、強度低、推焦難；可提高化學(xué)產(chǎn)品產(chǎn)率和煤氣產(chǎn)率。⑶焦煤揮發(fā)分適中（＜肥煤），黏結(jié)性高，灰分高煉焦產(chǎn)品特點：焦炭塊大，強度高，推焦困難第90頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月⑷瘦煤揮發(fā)分低，黏結(jié)性差煉焦產(chǎn)品特點：焦炭塊大，抗碎強度高，耐磨性差（易成焦粉）；化學(xué)產(chǎn)品產(chǎn)率和煤氣產(chǎn)率低。×⑸貧煤沒有黏結(jié)性，不結(jié)焦，不能單獨煉焦；配煤中可起瘦化劑的作用。3.配煤的工藝指標(biāo)⑴配煤的工業(yè)分析①水分（一般＜10%，焦化廠8%~10%）水分高的不利影響：焦?fàn)t升溫慢，延長結(jié)焦時間，影響爐體壽命；影響裝爐煤堆密度ρ（圖3-7隨水分↑ρ↓）水分過低的不利影響：破碎和裝煤時造成煤塵飛揚惡化操作條件，使焦油中游離碳增加。第91頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月②灰分（配煤灰分＜12%，焦炭灰分＜15%）灰分的害處(配煤的灰分全部轉(zhuǎn)入焦炭)a:灰分是惰性物質(zhì)，灰分高則黏結(jié)性降低；灰分顆粒成為裂紋中心，配煤灰分高則焦炭強度降低。b:煉鐵用焦耗量高，高爐生產(chǎn)能力降低。③揮發(fā)分（中國生產(chǎn)配煤揮發(fā)分Vdaf一般25%~32%）a:揮發(fā)分高，化學(xué)產(chǎn)品產(chǎn)率高，煤氣產(chǎn)率高。b:揮發(fā)分過高焦炭平均粒度小，抗碎強度低。c:揮發(fā)分過低煤的黏結(jié)性差，耐磨強度降低，可導(dǎo)致推焦困難。第92頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月4.焦炭的用途⑴高爐煉鐵（供熱燃料、還原劑、疏松骨架）要求：冶金焦反應(yīng)率要小(C+CO2反應(yīng)降低焦炭強度)、一定的塊度、強度⑵鑄造用焦（熔化爐料：其作用是熔化爐料并使鐵水過熱，支撐料柱保持其良好的透氣性。）要求：鑄造焦應(yīng)具備塊度大、反應(yīng)性低、氣孔率小、具有足夠的抗沖擊破碎強度、灰分和硫分低等特點。⑶氣化用焦要求：反應(yīng)能力要高化工氣化用焦，對強度要求不嚴(yán)，但要求反應(yīng)性好，灰熔點較高；⑷電石焦對焦炭的質(zhì)量要求不高,要求盡量提高固定碳含量。第93頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月④硫分（配煤＜1.0%，一般焦炭＜1.0%~1.2%）硫分害處（配煤中有80%左右轉(zhuǎn)入焦炭）冶煉中焦炭中硫分轉(zhuǎn)入生鐵中，使生鐵呈熱脆性，加速鐵腐蝕。⑵黏結(jié)性和膨脹壓力①黏結(jié)性黏結(jié)性是結(jié)焦性的前提和必要條件。（黏結(jié)性的指標(biāo)：我國常用的是膠質(zhì)層最大厚度Y和粘結(jié)指數(shù)G）②膨脹壓力（安全膨脹壓力＜10~15KPa）其是黏結(jié)性煤的煉焦特征，提高堆ρ能增大膨脹壓力。⑶粉碎度（＜3mm的占90%）黏結(jié)性好的成分和易碎的不細碎，反之細碎。（弱黏結(jié)性的應(yīng)細碎；強黏結(jié)性的應(yīng)粗碎；肥煤、焦煤易碎應(yīng)粗碎；氣煤硬度大難碎應(yīng)細碎）第94頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月5.焦炭的質(zhì)量⑴物理性質(zhì)主要成分為碳,是具有一定強度、塊度的銀灰色固體，內(nèi)部有縱橫裂紋，沿焦炭縱橫裂紋分開即為焦塊，焦塊內(nèi)含微裂紋，沿微裂紋分開即為焦體，焦體由氣孔和氣孔壁（焦質(zhì)）。真密度：單位體積焦質(zhì)的質(zhì)量。視密度（假密度）：單位體積焦塊的質(zhì)量。堆密度：焦炭單位堆積體積的質(zhì)量。

氣孔率=（1-假密度/真密度）×100%＝＞P=（1-d0/d）×100%第95頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵化學(xué)成分①灰分(主要成分是SiO2和Al2O3)不利，灰分越低越好②硫分不利（硫易使生鐵鑄件脆裂）硫是生鐵冶煉的有害雜質(zhì)之一，它使生鐵質(zhì)量降低。在煉鋼生鐵中硫含量大于0.07%即為廢品。

③揮發(fā)分鑒別焦炭成熟度的重要指標(biāo)。揮發(fā)分＞1.5%為生焦揮發(fā)分小于0.5—0.7%,則表示過火;一般成熟的冶金焦揮發(fā)分為1%左右。第96頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月④水分（一般為2%～6%）水分要穩(wěn)定，否則引起爐溫波動。⑤堿性成分（K2O、Na2O）由于其催化和腐蝕作用，能嚴(yán)重降低焦炭強度。⑶機械強度①耐磨強度M10a:耐磨強度（M10↓、耐磨性↑）當(dāng)焦炭外表面承受的摩擦力超過氣孔壁強度時，就會產(chǎn)生表面薄層分離的現(xiàn)象，形成碎末，焦炭抵抗這種破壞的能力稱為耐磨強度。b:轉(zhuǎn)鼓測定耐磨強度指標(biāo)M10第97頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)鼓試驗：為了試驗焦炭的耐磨性和抗碎性，通常采用轉(zhuǎn)鼓試驗。轉(zhuǎn)鼓試驗就是模仿焦炭在高爐冶煉過程中的撞擊、擠壓、研磨，將一個十分復(fù)雜的受力情況加以簡化的試驗方法。在轉(zhuǎn)鼓中裝入大于60毫米的焦炭50千克，以每分鐘25轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)動4分鐘

M10一般用焦炭在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)破壞到一定程度后，粒度＜10mm的碎焦質(zhì)量m1占式樣質(zhì)量m總的分?jǐn)?shù)來表示耐磨強度。<一般7%～11%>M10=(m1/m總)×100%第98頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月②抗碎強度M40（M40↑、抗碎性↑）a:抗碎強度當(dāng)焦炭承受沖擊力時，焦炭沿裂紋或者缺陷處碎成小塊，焦炭抵抗這種破壞的能力稱為抗碎強度。b:轉(zhuǎn)鼓測定耐磨強度指標(biāo)M40

粒度＞40mm的塊焦質(zhì)量m2占式樣質(zhì)量m總的分?jǐn)?shù)來表示抗碎強度。<，一般70%～80%>M40=(m2/m總)×100%⑷焦碳的反應(yīng)性①反應(yīng)性大多數(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。

是指與CO2的碳溶反應(yīng)性第99頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月表6-1-11高爐用焦炭強度轉(zhuǎn)鼓強度指數(shù)（％）級別ⅠⅡⅢⅣM40≥80.0≥76.0≥72.0≥65.0M10<8.0<9.0<10.0<11.0第100頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月②影響焦碳反應(yīng)性的三大因素a：原料煤性質(zhì)（煤種、煤巖相的組成、煤灰分等）b：煉焦工藝因素（焦餅中心溫度、結(jié)焦時間、煉焦方式等）c：高爐冶煉條件（溫度、時間等）③焦炭反應(yīng)性（CRI

%）的測定：國內(nèi)：CO2測定稱取一定質(zhì)量的焦炭試樣，置于反應(yīng)器中，在1100+5℃時與CO2反應(yīng)2h后，以焦炭質(zhì)量損失的百分?jǐn)?shù)表示焦炭反應(yīng)性（CRI）。

容積速率：第101頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月§3．4現(xiàn)代焦?fàn)t1.焦?fàn)t概述⑴焦?fàn)t主要部分構(gòu)成（三大室）①炭化室煤隔絕空氣干鎦的地方，焦炭形成的場所。②燃燒室是煤氣燃燒的地方，煤氣與空氣在其中混合燃燒，產(chǎn)生的熱量傳給爐墻，間接加熱炭化室中煤料，對其進行高溫干餾。

③蓄熱室回收燃燒室廢氣的熱量來預(yù)熱空氣和貧煤氣的地方。第102頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第103頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第104頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第105頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵焦?fàn)t附加機械（四大車）①加煤車頂裝焦?fàn)t的裝煤車設(shè)在爐頂,其作用是從煤塔取出一定重量的煤料,通過炭化室頂部裝煤孔卸入炭化室內(nèi).②推焦車炭化室裝煤完畢后,煤落在室內(nèi)成錐形,由推焦機上的平煤桿將煤推平;打開,清掃與關(guān)閉機側(cè)的爐門;將成熟的焦炭從炭化室的機側(cè)推到焦側(cè)的導(dǎo)焦車上.③導(dǎo)焦車（攔焦車）攔著從炭化室推出來的焦炭落到熄焦車上,并打開,清掃與關(guān)閉焦側(cè)的爐門.

④熄焦車接受推出的赤熱焦炭,運到熄焦塔內(nèi)(或運到干法熄焦裝置用惰性氣體將余熱導(dǎo)走發(fā)電或補充管網(wǎng)的蒸汽),將赤熱焦炭熄滅,然后卸在涼焦臺上冷卻.

第106頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第107頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第108頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第109頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2.焦?fàn)t的結(jié)構(gòu)與特點⑴炭化室和燃燒室

兩側(cè)是燃燒室，炭化室與燃燒室依次相間，一墻之隔。頂部由3-4個加煤孔，并有1-2個導(dǎo)出干餾煤氣的上升管，它的兩端為內(nèi)襯耐火材料的鑄鐵爐門。

★一般，炭化室寬0.4～0.5m、長10～17m、高4～7.5m,頂部設(shè)有加煤孔和煤氣上升管(在機側(cè)或焦側(cè))，兩端用爐門封閉,炭化室機側(cè)窄焦側(cè)寬（有一定的錐度），炭化室頂部留有頂部空間以便導(dǎo)出粗煤氣。

★燃燒室由許多立火道構(gòu)成,燃燒室比炭化室多一個。

★蓄熱室位于爐體下部，分空氣蓄熱室和貧煤氣蓄熱室。例：JN43-58-Ⅱ型焦?fàn)t炭化室尺寸分為兩種寬度，即平均寬為407mm和450mm兩種形式，炭化室全高為4300mm，全長為14080mm，有效長為13350mm，炭化室的有效面積為21.7m3,加熱水平高度800mm。

焦?fàn)t燃燒室寬度為736mm和693mm（包括爐墻）。第110頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵斜道區(qū)連接蓄熱室和燃燒室的通道為斜道區(qū)，它位于蓄熱室頂部和燃燒室底部之間，用于導(dǎo)入空氣和貧煤氣，并將其分配到每個立火道中，同時排除廢氣。⑶蓄熱室位于焦?fàn)t爐體的下部，上部經(jīng)過斜道與燃燒室相連，下部經(jīng)廢氣盤分別與分煙道、貧煤氣管和大氣相通。燃燒室正下方為主墻，主墻內(nèi)有垂直磚煤氣道，焦?fàn)t煤氣（富氣）由地下室煤氣與主管經(jīng)此道送入立火道底部與空氣混合燃燒。⑷焦?fàn)t加熱系：燃燒室、斜道區(qū)、蓄熱室。變換時間：20~30min（氣流換向）第111頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月⑸爐頂區(qū)爐頂區(qū)砌有裝煤孔、上升管孔、看火孔、洪爐孔等。⑹基礎(chǔ)平臺基礎(chǔ)平臺位于爐體底部，它支撐整個爐體，爐體設(shè)施和機械的質(zhì)量，并把它傳到地基上。

第112頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第113頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第114頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月3.焦?fàn)t爐型⑴焦?fàn)t爐型的分類①按火道結(jié)構(gòu)形式的不同

a:雙聯(lián)火道:

燃燒室設(shè)計成偶數(shù)個立火道，每兩個分為一組，一個火道走上升氣流，另一個走下降廢氣，換向后氣流反向流動。

b:二分式：燃燒室火道分成兩半，彼此以水平集合煙道相連，一半走上升氣流，另一半走下降廢氣，換向后氣流反向流動。

c:過頂式:

兩個燃燒室為一組，彼此借助炭化室頂部且與水平集合煙道相連的過頂煙道相連，形成一個燃燒室全部火道走上升氣流，另一個全部走下降廢氣，換向后氣流呈反方向流動。第115頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第116頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第117頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第118頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第119頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月②按加熱煤氣種類的不同

a:單熱式焦?fàn)t（用貧煤氣）

b:復(fù)熱式焦?fàn)t(能用焦?fàn)t煤氣或貧煤氣加熱)③按煤氣入爐的方式不同

a:下噴式焦?fàn)t加熱用的富煤氣由爐體下部通過下噴管垂直地進入爐內(nèi)，空氣和貧煤氣則從交換開閉器和小煙道從焦?fàn)t側(cè)面進入爐內(nèi)。

b:側(cè)入式焦?fàn)t加熱用的富煤氣由焦?fàn)t機焦兩側(cè)水平磚煤氣道引入爐內(nèi)，空氣和貧煤氣則從交換開閉器和小煙道從焦?fàn)t側(cè)面進入爐內(nèi)。（例如：58型焦?fàn)t的全稱應(yīng)為：雙聯(lián)火道，廢氣循環(huán)，加熱煤氣下噴的復(fù)熱式焦?fàn)t。）第120頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月第121頁，課