焦炭質(zhì)量影響因素探討

魏美迎，鄭忠英

(1.新地能源工程技術(shù)有限公司，天津 300022;2.北京新元創(chuàng)能深冷技術(shù)有限公司，北京 100176)

焦炭質(zhì)量影響因素探討

魏美迎1，鄭忠英2

(1.新地能源工程技術(shù)有限公司，天津 300022;2.北京新元創(chuàng)能深冷技術(shù)有限公司，北京 100176)

探討了影響焦炭質(zhì)量的因素，其中原料煤性質(zhì)是主要因素，此外煉焦條件也起了很重要的作用，并分析了焦炭熱態(tài)性能。結(jié)合經(jīng)驗理論和生產(chǎn)實際，提出要優(yōu)化煉焦條件和配煤質(zhì)量控制，尤其要重視灰分及礦物質(zhì)組成檢測。

焦炭質(zhì)量;熱態(tài)性能;礦物質(zhì)組成

近年來，隨著高爐大型化、高風(fēng)溫、精料、富氧和噴吹等新技術(shù)的采用，高爐煉鐵對焦炭質(zhì)量提出了更高的要求，同時也促使人們在對待焦炭質(zhì)量的認識、研究方法和質(zhì)量改善措施上都有很大變化。這一時期，人們對焦炭在高爐中行為的研究更加重視，深入研究了焦炭工藝性質(zhì)及焦炭的結(jié)構(gòu)和微觀性質(zhì)。此外，在煉焦配煤，煉焦工藝及生產(chǎn)管理等方面也進行了大量研究，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。

1 焦炭質(zhì)量影響因素

影響焦炭質(zhì)量的因素很多，總的來說可以分為原料煤性質(zhì)、備煤工藝和煉焦條件三個方面。

1.1 原料煤性質(zhì)

焦炭質(zhì)量最關(guān)鍵的影響因素是原料煤性質(zhì)。煤質(zhì)的評價指標很多，與焦炭質(zhì)量有關(guān)的且至目前世界各國用來預(yù)測焦炭質(zhì)量的煤質(zhì)指標一般可以分為三類，即煤化度(變質(zhì)程度)、黏結(jié)性和巖相組成(活惰比)。要得到高質(zhì)量焦炭，煤質(zhì)指標一般需滿足以下條件：

①配煤的黏結(jié)性。煤的黏結(jié)性指標很多，我國常用的有膠質(zhì)層厚度y、基式流動度MF、奧亞膨脹度b、黏結(jié)指數(shù)G等。生產(chǎn)實踐表明，只有適宜的配煤黏結(jié)性才能生產(chǎn)出滿足高爐需要的焦炭。一般要求MF為50～1 000 ddpm，b大于20%，y值為14～18 mm，G值為65～85，配煤的黏結(jié)性與揮發(fā)分是表征配煤性質(zhì)最常用的指標。

②配煤的揮發(fā)分。一般煉焦配煤的揮發(fā)分為25%～30%，高于35%時，即使配煤黏結(jié)性很好，也很難得到高強度焦炭，此時焦炭氣孔多，氣孔壁強度差;低于25%時，雖能得到高強度焦炭，但因為容易產(chǎn)生較大壓力膨脹和較小焦餅收縮，造成爐墻受損和推焦困難。

③配煤中煤巖組分的比例。一般配煤的顯微組分中的活性組分應(yīng)占主要部分，惰性組分也應(yīng)有適當比例。惰性組分的比例因煤化度不同而異，當配煤的平均最大反射率Rmax小于1.3時，以30% ～32%為好，當 Rmax大于1.3時，以25% ～30%為好［1］。

不同煤化度煤在配煤中的比例要適中，黏結(jié)性結(jié)焦性好的中等煤化度煤(Vdaf=20%～30%)的配入比對焦炭質(zhì)量的影響最大，這種煤被稱為配煤中的基礎(chǔ)煤，配入比例一般不宜低于55%～60%，其余40%～45%的煤要根據(jù)所用高或低煤化度的黏結(jié)性來適當配入。

④配煤的灰分。煤的灰分是指煤中所有可燃物質(zhì)完全燃燒時，煤中礦物質(zhì)在一定溫度下經(jīng)過一系列分解、化合等復(fù)雜反應(yīng)后剩下的殘渣。煤的灰分與煤中礦物質(zhì)有密切的關(guān)系。煉焦煤中的灰分會影響焦炭質(zhì)量?；曳衷跓捊股a(chǎn)中是一種無用的雜質(zhì)，不僅不易破碎，造成煉焦煤料的細度不好，而且在煉焦時不熔融，不黏結(jié)也不收縮。煤中絕大部分灰分轉(zhuǎn)入焦炭中，較大的顆粒在焦炭內(nèi)形成裂紋中心，降低焦炭的機械強度。某些灰成分還使焦炭的熱反應(yīng)性增強，焦炭的反應(yīng)后強度降低。一般認為，焦炭灰分增加1%，煉鐵焦比增加2%～2.5%，石灰石增加4%，高爐產(chǎn)量下降3%。所以，一般要求煉焦用煤的灰分不應(yīng)大于10%。

1.2 備煤工藝

在備煤工藝方面公認的影響因素及措施有［2-3］：

1.2.1 入爐煤的堆密度

堆密度增加則結(jié)焦性增加，提高堆密度是改善焦炭強度的主要途徑。堆密度提高，煉焦煤在軟化熔融階段產(chǎn)生的膠質(zhì)體數(shù)量和質(zhì)量都會隨之提高，提高了結(jié)合和包裹惰性物質(zhì)的能力，因而有利于提高焦炭質(zhì)量。提高堆密度對應(yīng)的工藝有：煤料搗固、型煤壓塊、煤調(diào)濕技術(shù)等。

煤料搗固。將煉焦煤在爐外搗固，使其堆積密度提高到950～1 150 kg/m3，一般可使焦炭M40提高1%～6%，M10改善2%～4%，CSR提高1%～6%。在保證焦炭質(zhì)量的情況下，采用煤料搗固還可以多配15%～20%的弱黏結(jié)性的氣煤及氣肥煤。

型煤壓塊。將煉焦裝爐煤的一部分進行壓塊成型，與散狀煤料混合裝爐煉焦，通過提高裝爐煤堆密度來改善焦炭質(zhì)量。一般情況下，焦炭質(zhì)量在一定范圍內(nèi)隨型煤配入量的增加而提高，如果保持焦炭機械強度不變，則可增加10%～15%的弱黏結(jié)性煤的用量。如寶鋼在煉焦用煤中多配入弱黏結(jié)性氣煤，并滿足4 000 m3大型高爐的生產(chǎn)要求，從新日鐵引進的成型煤工藝，取得了較好的經(jīng)濟效益。

煤調(diào)濕技術(shù)。煤調(diào)濕技術(shù)是將煉焦煤料在裝爐前除掉一部分水分，保持裝爐煤水分穩(wěn)定且相對較低(一般為6%左右)。這項技術(shù)因其具有顯著的節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟效益，以及提高焦炭質(zhì)量等優(yōu)勢而受到普遍重視，并在日本得到迅速發(fā)展。第2代煤調(diào)濕技術(shù)以干熄焦發(fā)電機抽出的蒸汽為熱源，在多管回轉(zhuǎn)式干燥機內(nèi)采用蒸汽與濕煤間接換熱。第3代煤調(diào)濕技術(shù)在流化床內(nèi)用焦爐煙道氣與濕煤直接換熱。煤調(diào)濕工藝可使焦爐生產(chǎn)能力提高7.7%，裝爐煤堆密度提高4%～7%。

1.2.2 配合煤的細度和選擇性粉碎

在煉焦過程中，肥煤和焦煤的黏結(jié)性較好不宜過度粉碎造成細度過大，而瘦煤氣煤等惰性煤種應(yīng)粉碎減小其粒度，先配后粉工藝存在如下缺點：要求粉碎細度小的肥煤、焦煤由于其硬度小，易粉碎而造成過細粉碎;相反，要求粉碎細度大的氣煤、瘦煤由于其不易粉碎性造成粉碎細度過小，煤的粒度過大。先配后粉僅適用于煤種黏結(jié)性較好，煤質(zhì)均勻的情況。配煤細度對焦炭質(zhì)量的影響很大，一般需要控制細度在80%左右，同時需要進行選擇性粉碎，將硬度大的瘦煤和氣煤預(yù)粉碎，配入肥煤和焦煤后再將配合煤二次粉碎。

1.2.3 裝爐煤水分

裝爐煤水分對結(jié)焦過程有較大影響，水分增高將使結(jié)焦時間延長，通常水分每增加1%，結(jié)焦時間延長20 min，不僅影響產(chǎn)量，也影響煉焦速度。裝爐煤水分還影響堆密度，煤料的堆密度隨著煤料水分含量的化而變化，煤料水分低于7%時，隨水分降低，堆密度增高，而且增高較快;水分為7%～10%時，煤料的堆密度最小;水分大于10%并逐漸增高時，堆密度也增高，這是由于水分的潤滑作用，促進煤粒相對位移所致，但水分增高同時使結(jié)焦時間延長和煉焦耗熱量增高，同時影響焦炭質(zhì)量，故裝爐煤水分不宜過高。

1.2.4 配添加物

當裝爐煤的黏結(jié)性不足時，可以加入適當含活性黏結(jié)成份的黏結(jié)劑(煤焦油、煤瀝青等)。當揮發(fā)性較高、黏結(jié)性足夠時，配入細粉碎的瘦化劑(焦粉、半焦粉、延遲焦等)以減少半焦收縮和焦炭裂紋，從而提高焦炭質(zhì)量。

1.3 煉焦條件

1.3.1 焦爐的加熱制度

焦爐的加熱要適合而穩(wěn)定，使焦餅均勻成熟是保證焦炭強度的基本條件。加熱制度主要有以下幾方面：第一是煉焦速度，通常是指炭化室平均寬度與結(jié)焦時間的比值。煉焦速度反映炭化室內(nèi)煤料結(jié)焦過程的平均升溫速度，根據(jù)煤的成焦機理，提高升溫速度可使塑性溫度間隔變寬，流動性改善，有利于改善焦炭質(zhì)量。但是在室式煉焦條件下，煉焦速度和升溫速度的提高有限，所以其效果僅使焦炭的氣孔結(jié)構(gòu)略有改善，而對焦炭顯微組分的影響則不明顯。第二是煉焦終溫。提高煉焦最終溫度，使結(jié)焦后期的熱分解與熱縮聚程度提高。有利于降低焦炭揮發(fā)分和含氫量，使氣孔壁材質(zhì)致密性提高，從而提高焦炭顯微強度、耐磨強度和反應(yīng)后強度。但在氣孔壁致密化的同時，微裂紋將擴展，因此抗碎強度則有所降低。第三是燜爐時間。焦餅成熟后適當延長燜爐時間，同樣有利于提高結(jié)焦過程的熱聚合程度，促進焦炭石墨化程度的提高，也有助于改善焦炭的微觀性質(zhì)。近年來，隨著干熄焦技術(shù)的使用，日本提出先中溫干餾(700～800℃)，中溫半焦在干熄焦預(yù)存室再加熱，使焦炭進一步成熟，以達到改質(zhì)的效果。

1.3.2 干熄焦

干法熄焦(簡稱干熄焦CDQ)是采用惰性氣體熄滅赤熱焦炭的熄焦方法，具有節(jié)能、提高焦炭質(zhì)量和環(huán)保三大優(yōu)點。與濕法熄焦相比，焦炭的M40可提高3%～8%，M10改善0.3%～0.8%。干熄焦可降低高爐焦比，有利于高爐爐況順行和提高高爐的生產(chǎn)能力，對采用富氧噴吹技術(shù)的大型高爐效果更加顯著。國際上公認，大型高爐采用干熄焦炭可降低焦比2%，提高高爐生產(chǎn)能力1%;干熄焦技術(shù)還可在焦炭質(zhì)量相同的情況下，降低強黏結(jié)性焦、肥煤配比，降低煉焦成本。

2 焦炭的熱態(tài)性能

焦炭的熱態(tài)性能主要有熱反應(yīng)性(CRI)反應(yīng)后強度CSR。Díez等認為焦炭的反應(yīng)后強度(CSR)是反映焦炭質(zhì)量指標的重要因素，它受以下因素影響。煤的變質(zhì)程度、有機組成和無機礦物質(zhì)、煉焦條件等是影響反應(yīng)后強度CSR的主要因素。反應(yīng)后強度CSR和反應(yīng)性CRI二者互相影響，CRI高，CSR就差，反之亦然。

焦炭反應(yīng)性CRI和反應(yīng)后強度CSR指標是近年來高爐冶金十分重視的參數(shù)，目前國內(nèi)外雖無具體的標準，但有明確的要求。主要表現(xiàn)為以下方面：

①焦炭在爐身中部、下部和爐腰處經(jīng)受CO2的氣化反應(yīng)及堿金屬侵蝕作用，焦炭表面開始松動而產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象，結(jié)果M10增大、粉末增多、透氣性下降、氣流分布變得不均勻，而CRI、CSR兩個指標正是用來衡量焦炭在高爐中經(jīng)受這些行為的能力，因此用焦炭的CRI、CSR來評價焦炭質(zhì)量無疑要比常溫機械強度更接近高爐的狀況，更有意義。

②由于某種煉焦煤資源短缺而導(dǎo)致配煤制度及煉焦條件發(fā)生重大的改變時，更要注意焦炭的高溫質(zhì)量指標。如：兩種不同的煤在不同的火道溫度下煉焦時冷態(tài)強度M40、M10基本不變，但熱態(tài)強度CRI、CSR可能變化很大。就其原因是由于配煤制度改變后，原料煤的煤質(zhì)指標可能變化不大，但二者的礦物質(zhì)組成發(fā)生很大變化，不同的礦物質(zhì)對焦炭的催化作用不一樣，從而影響了CRI、CSR指標。

③焦炭的反應(yīng)性越低則它在風(fēng)口處與鼓風(fēng)的反應(yīng)越慢，且風(fēng)口前形成的焦炭燃燒面積越大，這樣可以使燃料下降運行更加均勻;若反應(yīng)性越高則相反。所以高爐容積越大要求CRI越低，CSR越高。

焦炭在高爐中加熱到煉焦溫度時，由于焦炭基質(zhì)與灰分膨脹性不同，會在灰分周圍產(chǎn)生裂紋，使焦炭加快碎化和粉化，灰分中的金屬氧化物尤其是堿金屬對焦炭與CO2的反應(yīng)性起催化作用，對大容積高爐，焦炭灰分一般不大于12%。

一般來說焦炭的灰分越小越好，灰分較高時降低了焦炭的固定碳含量和發(fā)熱值，從而不利于鐵水溫度的提高，且還增加了造渣量和熱損失，此外焦炭中的灰分在爐缸內(nèi)部高溫下會形成熔渣吸附在焦炭的表面，阻礙鐵水的滲碳，一般灰分降低1%，焦炭的消耗量約降低4%，鐵水的溫度升高10℃。一般鑄造焦的揮發(fā)分也要低，因為揮發(fā)分高則固定碳含量低，熔化金屬的焦比高，焦炭強度也變低。

高爐爐料中三分之二的硫來自于焦炭，其在焦炭中一部分以硫化物和硫酸鹽形態(tài)存在于灰中，一部分以硫碳化合物的形態(tài)與焦炭緊密結(jié)合，對高爐及鐵水質(zhì)量造成嚴重后果。焦炭中硫分增加時要增加熔劑以便造渣脫硫，從而焦比也會升高。通常情況下，高爐焦的硫含量每增加0.1%，焦比則增加3%，生鐵產(chǎn)量降低2%～5%。

3 結(jié)語

總體來說，焦炭質(zhì)量主要取決于配煤指標和煉焦工藝。焦炭質(zhì)量的主要指標為高溫下焦炭的熱態(tài)性能指標，而焦炭反應(yīng)性指標和反應(yīng)后強度受礦物質(zhì)影響較大，焦炭的礦物質(zhì)來源于配合煤，因此焦化企業(yè)必須做好來煤質(zhì)量檢測尤其要重視灰分及礦物質(zhì)組成檢測，加強煤場管理，優(yōu)化煉焦條件，合理遵循焦爐溫度制度和壓力制度，以確保焦炭質(zhì)量處于較高和穩(wěn)定的水平。

［1］ 周師庸，趙俊國.煉焦煤性質(zhì)與高爐焦炭質(zhì)量［M］.第1版.北京：冶金工業(yè)出版社，2005：26-35.

［2］ 姚昭彰，鄭明東.煉焦學(xué)［M］.第3版.北京：冶金工業(yè)出版社，2005：45-52.

［3］ 鄭明東，水恒福.煉焦新技術(shù)［M］.第1版.北京：冶金工業(yè)出版社，2006：87-92.

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1003-3467(2012)06/08-0026-03

2012-03-21

魏美迎(1983-)，女，助理工程師，主要從事化工工程設(shè)計工作，電話：022-58861882-8038。