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。基于焦炭在高爐內(nèi)的行為與作用，在生產(chǎn)中一般對焦炭有如下幾項質(zhì)量指標(biāo)的要求:1.粒度高爐操作順利與否的一個重要指標(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粒級的含量，目前中國出口冶金焦粒度一般以30~80mm，40~90mm兩個粒級居多。2.灰分焦炭中含有礦物質(zhì)，其燃燒時礦物質(zhì)會殘留形成灰分，灰分高會對焦炭產(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內(nèi)部結(jié)構(gòu)會使焦炭的裂紋增多，不僅使焦炭的強度降低，也會使焦炭的表面積增大，由于裂紋的增多，使CO2更容易從縫隙擴散到焦炭的內(nèi)部，加劇熱性能變差。灰分是焦炭中的雜質(zhì)和惰性物，其主要成分是SiO2、Al2O3等酸性氧化物，由于其熔點高，故在煉鐵時只能用CaO等熔劑與它們共生成低熔點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)焦炭時盡最大可能選擇低硫煤，以降低焦炭的硫分。

4.機械強度、熱強度焦炭強度指標(biāo)分為機械強度（抗碎強度及耐磨強度）和熱強度（反應(yīng)性及反應(yīng)后強度）。焦炭的機械強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)。焦炭熱強度是反映焦炭在高爐中抵抗化學(xué)侵蝕和保護爐料骨架作用能力，是綜合衡量與評價焦炭熱態(tài)穩(wěn)定性的主要指標(biāo)，較之機械強度更為重要。轉(zhuǎn)鼓試驗既能測定焦炭的抗碎強度，又能測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)的全部實際情況，但能反映焦炭在進(jìn)入高爐前的運輸以及在高爐中受機械破壞力的情況，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。因而希望焦炭的強度越高越好，對冶金焦的要求為：抗碎強度M40要大，而耐磨強度M10要小。

焦炭反應(yīng)性是指焦炭在使用過程中對所接觸氣體的化學(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)后強度則是指焦炭在上述溫度與CO2反應(yīng)一定時間后，用特制的I型小轉(zhuǎn)鼓測得的“剩余”強度。焦炭在使用過程中與CO2反應(yīng)后，氣孔必然產(chǎn)生很大變化，因而強度明顯下降，但還必須保持一定強度方可繼續(xù)使用。中國最新頒布的冶金焦炭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)約定，一級冶金焦CRI≤30.0%、CSR≥60.0%，二級冶金焦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)分含量高則說明焦炭未成熟。同時，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，推焦時煙塵放散量會顯著增加。因此，一般要盡量保證焦炭揮發(fā)分不超過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越重要，這就對焦炭的強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，單獨煉焦時半焦收縮量大，半焦固化時氣態(tài)析出速度大，因此單獨煉焦所得焦炭氣孔率高、強度低，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，可以單獨煉焦得到一定塊度和強度的焦炭。肥煤是強粘結(jié)性煉焦煤，在炭化過程中能產(chǎn)生大量膠質(zhì)體，塑性溫度區(qū)間寬，熱穩(wěn)定性較好，但單獨煉焦時由于層間剪應(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，單獨煉焦時所得焦炭縱橫裂紋均較少，塊度也較大，機械強度高，耐磨性好。瘦煤變質(zhì)程度高，熱解產(chǎn)物少，熔融性差，在煉焦過程中，收縮量少，所得焦炭裂紋率低，因此單獨煉焦所得焦炭塊度大，裂紋少，但強度較差。煤的變質(zhì)程度不同，顯微組分含量不同，在煉焦過程中產(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)，使得焦炭的強度和塊度不同，1/3焦煤、肥煤、焦煤結(jié)焦性能相對好。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)備通過檢測煤的顯微組分和鏡質(zhì)組反射率來進(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，使煤粒接觸更加充分，這樣在煤熱解過程中產(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)體中停留的時間變長，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，在工業(yè)上對煤料預(yù)處理采用煤加熱、粉碎及搗固來提高其堆密度。

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%時堆密度最小，以后由于水分的潤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，而且延長了結(jié)焦時間，此外煉焦煤帶入焦?fàn)t的水分是焦化廢水的主要來源，這不僅影響煉焦速度而且造成能源浪費，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)強度比較理想?？刂迫霠t煤水分可以通過煤預(yù)熱、干燥、調(diào)濕技術(shù)控制。國內(nèi)外有關(guān)控制煉焦煤入爐水分的報道較多,鮑俊芳等對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粒級所占的含量)來控制裝爐煤的粒級。裝爐煤粒度太大，細(xì)度過低，使煤粒之間間隙增加，堆密度減?。淮送?，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，強度下降。裝爐煤粒度太小，細(xì)度過高，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)帶來困難。

國內(nèi)一般規(guī)定，頂裝配煤時配合煤細(xì)度要求為72%~80%，配型煤煉焦時約為85%，搗固煉焦時為90%以上。研究表明，不同粒度煤的顯微組分不同，在煉焦過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燜爐時間，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，從而提高焦炭的機械強度和反應(yīng)后強度，降低焦炭的反應(yīng)性。日本采用“火落管理”法，即對“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，原理類似于我們傳統(tǒng)的提高煉焦速度與延長燜爐時間。趙麗樹等對將煉焦標(biāo)準(zhǔn)溫度提高30℃，延長1h結(jié)焦時間結(jié)果測得耐磨強度和反應(yīng)后強度都有一定改善。工業(yè)上多采用干熄焦工藝來改善焦炭質(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，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。活性組分在成焦過程中可以軟化熔融，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，可見殼質(zhì)組在成焦過程中作用有限，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，國內(nèi)學(xué)者通過大量實驗研究合適的顯微組分分離方法，這對優(yōu)化配煤結(jié)構(gòu)具有指導(dǎo)意義。通過煤巖組成分析，可以測出煤中鏡質(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)，測定其黏結(jié)能力的大??；并通