煉焦廠結(jié)焦過(guò)程及配煤煉焦與生產(chǎn)操作實(shí)踐

◎劉洋

目前，由于世界范圍內(nèi)優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源明顯短缺并日趨嚴(yán)重，優(yōu)質(zhì)焦炭與優(yōu)質(zhì)煤源之間的矛盾是推動(dòng)配煤煉焦技術(shù)以及非煉焦煤煉焦技術(shù)發(fā)展的主要原因和動(dòng)力。為了擴(kuò)大煉焦煤源，將弱黏結(jié)煤和不黏結(jié)煤用于煉焦，適合于焦?fàn)t配煤煉焦的各種新技術(shù)，成為解決用較差的煉焦煤煉出優(yōu)質(zhì)焦炭的主要方法。

一、炭化室內(nèi)的結(jié)焦過(guò)程

（一）煤的成焦過(guò)程機(jī)理

煙煤是組成復(fù)雜高分子有機(jī)物混合物，其基本結(jié)構(gòu)單元是不同縮合程度的芳香核，核周邊帶有側(cè)鏈，結(jié)構(gòu)單元間以交聯(lián)鍵連接。高溫?zé)捊惯^(guò)程大致分為以下階段。

1.干燥預(yù)熱階段。煤由常溫加熱到350℃失去水分。

2.膠質(zhì)體形成階段。在煤受熱到350-480℃時(shí)，有的側(cè)鏈和交聯(lián)鍵斷裂，出現(xiàn)縮聚和重排反應(yīng)，形成相對(duì)分子質(zhì)量較小的有機(jī)物。黏結(jié)性煤轉(zhuǎn)化為膠質(zhì)狀態(tài)，相對(duì)分子質(zhì)量較小的以氣的形態(tài)析出或存在于膠質(zhì)體中，相對(duì)分子質(zhì)量較大的以固態(tài)形式存在于膠質(zhì)體中，形成膠質(zhì)體。由于液相在煤粒表面形成，把諸多粒子匯集在一起，膠質(zhì)體的形成對(duì)煤的黏結(jié)成焦非常重要。不能形成膠質(zhì)體的煤缺乏黏結(jié)性；黏結(jié)性好的煤熱解時(shí)形成的膠質(zhì)狀的液相物質(zhì)多，熱穩(wěn)定性好。

3. 半焦形成階段。在溫度超過(guò)膠質(zhì)體固化溫度480℃-650℃時(shí)，液相的熱縮聚速度超過(guò)其熱解速度，增加了氣相和固相的生成，煤的膠質(zhì)體不斷固化，形成半焦。膠質(zhì)體的固化是液相縮聚的結(jié)果，此種縮聚出現(xiàn)于液相間或吸附了液相的固體顆粒表面。

4.焦炭形成階段。在當(dāng)溫度升高到650-1000℃時(shí)，半焦內(nèi)的不穩(wěn)定有機(jī)物不斷熱分解和熱縮聚，這時(shí)熱分解的產(chǎn)物主要是氣體，前期主要是甲烷和氫，之后，氣體相對(duì)分子質(zhì)量越來(lái)越小，750℃以后主要是氫。隨著氣體的析出，半焦的質(zhì)量減少很多，體積收縮。由于煤在干餾時(shí)是分層結(jié)焦的，在同一時(shí)刻，煤料內(nèi)部各層處于的成焦階段不同，收縮速度也不同；又由于煤中有惰性顆粒，因此產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)力在大于焦餅強(qiáng)度時(shí)，焦餅上形成裂紋，焦餅分裂成焦塊。

（二）煤在炭化室內(nèi)的結(jié)焦

l.單向供熱、成層結(jié)焦。由于炭化室的測(cè)向供熱，炭化室內(nèi)煤料的結(jié)焦過(guò)程需要的熱能是以高溫爐墻側(cè)向炭化室中心逐漸傳遞的。炭化室中心面上爐料溫度始終最低，所以，結(jié)焦末期炭化室中心面溫度（焦餅中心溫度）可作為焦餅成熟程度的標(biāo)志，即為煉焦最終溫度。在煉焦生產(chǎn)上常測(cè)定焦餅中心溫度以考察焦炭的成熟程度，并要求測(cè)溫管位于炭化室的中心線上。

2.結(jié)焦過(guò)程中，各層爐料的傳熱性能隨溫度的不同而變化。各層煤料的溫度與狀態(tài)由于單向供熱和成層結(jié)焦，各層的升溫速度也不同，結(jié)焦過(guò)程中不同狀態(tài)的各種中間產(chǎn)物的熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、相變熱、反應(yīng)熱等都不同，如最靠近爐墻的爐料升溫速度最快，約5℃/min 以上，而位于炭化室中心部位的爐料升溫速度最慢，約2℃/min 以下，這種溫度上的變化區(qū)別必然造成焦炭質(zhì)量的差異。所以炭化室內(nèi)煤料中是不均勻、不穩(wěn)定溫度場(chǎng)，在傳熱過(guò)程屬不穩(wěn)定傳熱。

3.炭化室內(nèi)產(chǎn)生膨脹壓力。由于成層結(jié)焦，兩個(gè)大體上平行于兩側(cè)炭化室墻面的塑性層從兩側(cè)向炭化室中心面不斷移動(dòng)，因炭化室底面溫度和頂面溫度很高，在煤料的上層和下層也會(huì)形成塑性層。這樣，圍繞中心煤料形成的塑性層如同一個(gè)膜袋，膜袋內(nèi)的煤熱解出現(xiàn)氣態(tài)產(chǎn)物，因其塑性層的不透氣性而使膜袋膨脹，這種壓力一般稱(chēng)為膨脹壓力。

膨脹壓力的大小隨結(jié)焦過(guò)程而變化，在兩個(gè)塑性層面在炭化中心匯合時(shí)，兩邊外側(cè)已是焦炭和半焦，焦炭和半焦需熱少而傳熱好，造成塑性層內(nèi)的溫度急劇升高，氣態(tài)迅速增加，這時(shí)膨脹壓力達(dá)到最大值。煤料結(jié)焦過(guò)程中產(chǎn)生適當(dāng)大小的膨脹壓力，這有利于煤的黏結(jié)，要根據(jù)炭化室墻的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。煉焦?fàn)t組的相鄰兩個(gè)炭化室總是處于不同的結(jié)焦階段，每個(gè)炭化室內(nèi)煤料膨脹壓力方向都是從炭化室中心向兩側(cè)炭化室墻面。

二、配煤煉焦

（一）煉焦用煤及其結(jié)焦特性

煉焦用煤有氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤等，其煤化程度依次增大，揮發(fā)分依次減小。半焦收縮度依次減小，收縮裂紋依次減少，塊度依次增加。以上各種煤的結(jié)焦特性如下：

1.氣煤。氣煤的煤化程度較小，揮發(fā)性大。成焦后裂紋最多、最寬、最長(zhǎng)，大多數(shù)為縱裂紋。

2.肥煤。肥煤的煤化程度比氣煤高，屬中等變質(zhì)程度的煤。在配煤過(guò)程中，加肥煤后能起到提高黏結(jié)性的作用，為多配入黏結(jié)性差的煤的前提條件，如多加瘦煤等弱黏煤，既可擴(kuò)大煤源，又可減輕炭化室墻的壓力，以利推焦。然而，肥煤的結(jié)焦性較差，配合煤中用此煤時(shí)，氣煤用量必須減少。

3.焦煤：焦煤的揮發(fā)分適中，比肥煤低，膨脹壓力很大。半焦最大收縮的溫度（即開(kāi)始出現(xiàn)裂紋的溫度）較高，約為600℃-700℃，收縮過(guò)程緩和，最終收縮量也較低，焦塊裂紋少、塊大、氣孔壁厚、機(jī)械強(qiáng)度高。焦煤是能煉制出高質(zhì)量焦炭最優(yōu)質(zhì)的煤。煉焦時(shí)，為提高焦炭強(qiáng)度，調(diào)節(jié)配合煤半焦的收縮度，可適量配入優(yōu)質(zhì)焦煤，但也不宜多用。由于我國(guó)焦煤儲(chǔ)量少，膨脹壓力大，收縮量小，在煉焦過(guò)程中對(duì)爐墻非常不利，并且還可能導(dǎo)致推焦困難。

4.瘦煤：瘦煤煤化程度較高，是低揮發(fā)分的中等變質(zhì)程度的黏結(jié)性煤，熱解時(shí)產(chǎn)生的液體產(chǎn)物少，熱解溫度區(qū)間最窄，其黏結(jié)性差。半焦收縮過(guò)程平緩，收縮量最低，最大收縮溫度較高，瘦煤煉成的焦炭塊度大，裂紋少，而熔融性較差，其碳結(jié)構(gòu)的層面間容易撕裂，耐磨性能也較差。

煉焦時(shí)，在黏結(jié)性較好、收縮量大的煤中適當(dāng)配入，能夠增大焦炭的塊度，還可充分利用煤炭資源。

（二）配合煤的質(zhì)量指標(biāo)

1.水分：要力求使配煤的水分穩(wěn)定，以利于焦?fàn)t加熱制度穩(wěn)定。來(lái)煤應(yīng)盡量避免直接進(jìn)配煤槽，應(yīng)在煤場(chǎng)堆放上一段時(shí)間，瀝水穩(wěn)定水分，或通過(guò)干燥，穩(wěn)定裝爐煤的水分。配合煤水分穩(wěn)定在10%-12%較為合適。

2.灰分。配合煤灰分可直接測(cè)定，也可把各單種煤的灰分用加權(quán)平均計(jì)算得到。為了降低配煤中的灰分，應(yīng)適當(dāng)少配中等煤化度的焦煤、肥煤，多配高揮發(fā)分弱黏煤。

3.揮發(fā)分。煤的揮發(fā)分是煤中有機(jī)質(zhì)熱分解的產(chǎn)物，可按配煤中各單種煤的揮發(fā)分加權(quán)平均計(jì)算得到。配煤揮發(fā)分的高低，決定煤氣和化工產(chǎn)品的產(chǎn)率，也對(duì)焦炭強(qiáng)度產(chǎn)生影響。對(duì)大型高爐用焦炭，在常規(guī)煉焦時(shí)，配合煤料適宜的揮發(fā)分在25%-28%，這時(shí)焦炭的氣孔率和比表面積最小，焦炭的強(qiáng)度最好。若揮發(fā)分過(guò)高，焦炭的平均粒度小，抗碎強(qiáng)度低，而且焦炭的氣孔率高，各向異性程度低，對(duì)焦炭質(zhì)量不利。合理利用煤炭資源，提高化學(xué)產(chǎn)品的產(chǎn)率，盡可能多配氣煤，也可使配煤揮發(fā)分控制在28%-30%。

4.硫分。我國(guó)不同地區(qū)所產(chǎn)煤含硫量不同，東北、華北地區(qū)的煤含硫較低。硫是高爐煉鐵的有害成分，焦炭硫分一般要求小于10%-1.2%，因此，配煤的硫分應(yīng)控制在1%以下。降低配煤硫含量的途徑，通過(guò)洗選除掉部分無(wú)機(jī)硫，配合煤料時(shí)，要把高、低硫煤調(diào)配使用。

5.黏結(jié)性。黏結(jié)性是配煤煉焦中首先考慮的指標(biāo)。煤的黏結(jié)性是指煙煤粉碎后，發(fā)生熱分解，產(chǎn)生具有流動(dòng)性的膠質(zhì)體，可與一定量的惰性顆?；烊劢Y(jié)合，形成氣、液、固相的均勻體，其體積有所膨脹，這種在干餾時(shí)黏結(jié)本身和惰性物的能力，就是煤的黏結(jié)性。

6.膨脹壓力。膨脹壓力也是配煤中必須考慮的指標(biāo)。膨脹壓力的大小與煤的黏結(jié)性和煤在熱解時(shí)形成的膠質(zhì)體性質(zhì)相關(guān)。揮發(fā)分高的弱黏結(jié)性煤，膨脹壓力?。荒z質(zhì)體不透氣性強(qiáng)，膨脹壓力大。膨脹壓力可促進(jìn)膠質(zhì)體均勻化，加強(qiáng)煤的黏結(jié)。對(duì)黏結(jié)性弱的煤，可通過(guò)提高堆密度的辦法增大膨脹壓力。而膨脹壓力過(guò)大，會(huì)損壞爐墻。

7.煤料細(xì)度。煤料必須粉碎才能均勻混合。細(xì)度過(guò)低，配合煤混合不均勻，焦炭?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)不均一，強(qiáng)度降低。要盡量減少粒度小于0.5mm 的細(xì)粉含量，以減輕裝爐時(shí)的煙塵逸散，以防止導(dǎo)致集氣管內(nèi)焦油渣增加，焦油質(zhì)量變壞，造成上升管的堵塞。

三、煉焦生產(chǎn)實(shí)踐操作

（一）焦?fàn)t裝煤的要求

l.裝滿。裝煤不滿會(huì)減少產(chǎn)量，而且會(huì)使?fàn)t頂空間溫度升高，酵素煤氣的裂解沉積炭的形成，易導(dǎo)致推焦困難和堵塞上升管；而也不宜過(guò)滿，以防堵塞裝煤孔，使荒煤氣困難而大量冒煙冒火，導(dǎo)致環(huán)境污染并有損爐體，裝煤過(guò)滿還會(huì)使上部供熱不足而出現(xiàn)生焦。

2.壓實(shí)。煤塔和煤車(chē)放煤必須迅速，使裝煤緊實(shí)，既可增加裝煤量，改善焦炭質(zhì)量，還可減少裝煤時(shí)間并減輕裝煤冒煙程度。

3..拉平。放煤后必須平好煤，不能有缺角、塌腰、堵塞裝煤孔等不正常現(xiàn)象，以利荒煤氣暢流。為縮短平煤時(shí)間及減少平煤帶出量，煤車(chē)各斗取煤量應(yīng)適當(dāng)，放煤順序必須合理，平煤桿不要過(guò)早伸入炭化室內(nèi)。

4.均勻。裝煤均勻是影響加熱制度、焦餅成熟均勻的重要因素。炭化室的供熱量一樣，若各炭化室的裝煤量不均勻，會(huì)使焦炭的成熟度不一樣，爐溫均勻性受到破壞，甚至出現(xiàn)高溫事故。因此，每孔炭化室裝煤量應(yīng)均衡。

5.焦?fàn)t裝煤過(guò)程的煙塵控制，裝爐時(shí)產(chǎn)生的煙塵可用以下方法加以控制：上升管?chē)娚?、順序裝煤、使用連通管、裝煤車(chē)帶有強(qiáng)制抽煙和凈化設(shè)備。以上方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)踐中往往把幾種方法組合并用，才能完全消除煙塵的散發(fā)。同時(shí)，提高爐頂操作的機(jī)械化、自動(dòng)化程度是改善爐頂操作的重要措施。

（二）焦?fàn)t出焦

1.出焦操作的要求。

出焦操作的總體要求是準(zhǔn)時(shí)、穩(wěn)準(zhǔn)。焦?fàn)t出焦時(shí)，必須注意以下幾點(diǎn)：

（1）焦?fàn)t的出焦必須嚴(yán)格有計(jì)劃進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)均衡生產(chǎn)。使整個(gè)爐組實(shí)現(xiàn)定時(shí)、準(zhǔn)點(diǎn)出焦。

（2）出焦時(shí)，只有接到攔焦車(chē)和熄焦車(chē)巳經(jīng)做好接焦準(zhǔn)備的信號(hào)時(shí)方能推焦。

（3）推焦后及時(shí)清掃尾焦。爐門(mén)必須關(guān)閉嚴(yán)密，嚴(yán)防爐門(mén)冒煙、冒火。

（4）推焦時(shí)，應(yīng)注意推焦電流。焦餅難推的原因是多方面的。常見(jiàn)的有：焦餅收縮不好、過(guò)火碎裂并倒塌、裝煤孔堵服、爐墻變形、爐門(mén)框夾焦、爐墻石墨過(guò)厚、噴漿面突出和推焦桿變形等。在出焦困難時(shí)，第一次未推出，必須查明原因，根據(jù)具體情況采取措施后，再繼續(xù)推焦。需用人工扒出部分焦炭，以減少推焦時(shí)阻力后再推焦。

2.推焦串序。

一座焦?fàn)t的各炭化室裝煤、出焦是根據(jù)一定的順序進(jìn)行的，此順序即為推焦串序。（l）相鄰炭化室的結(jié)焦時(shí)間最好相差一半。（2）充分發(fā)揮焦?fàn)t機(jī)械的使用效率，減少機(jī)械操作全爐的行程次數(shù)。（3）新裝煤的炭化室必須均勻分布于全爐，以利集氣管長(zhǎng)方向煤氣壓力和爐組縱長(zhǎng)方向溫度的均勻分布，改善操作條件。

3.出焦過(guò)程的煙塵控制。

（l）出焦過(guò)程的煙塵來(lái)源。熄焦時(shí)，赤熱的焦炭在熄焦塔內(nèi)，用水噴灑時(shí)，產(chǎn)生大量水蒸氣并快速上升，蒸汽流將粉焦帶出并散發(fā)。此時(shí)散發(fā)的粉塵量與裝煤時(shí)的相近。如采用含酚廢水熄焦，上升的蒸汽中還有酚等有毒氣體，造成大氣污染。

（2）出焦過(guò)程的煙塵控制。①在爐子的焦側(cè)安裝固定棚罩。②移動(dòng)罩——移動(dòng)式氣體凈化裝置。在熄焦車(chē)上，安裝固定集塵罩，它封閉了熄焦車(chē)的三個(gè)側(cè)面和頂部，僅向焦?fàn)t的側(cè)面敞開(kāi)，以接受焦炭。在熄焦塔內(nèi)，噴灑水可由該側(cè)面進(jìn)入車(chē)內(nèi)。導(dǎo)焦槽的兩個(gè)側(cè)面和頂、底部也被密封，當(dāng)熄焦車(chē)停在推焦位置時(shí)，敞開(kāi)側(cè)可被攔焦車(chē)上安設(shè)的密封擋板構(gòu)成第四個(gè)側(cè)面。提高了收塵效率。③移動(dòng)罩——固定式氣體凈化裝置。推焦時(shí)散發(fā)的煙塵，由位于熄焦上部的集塵罩，集塵罩上的出氣管與固定通道的支管（每個(gè)爐孔一個(gè)），由氣動(dòng)閘門(mén)或連通器等裝置接通。

（三）熄焦

1.濕法熄焦。

熄焦在熄焦塔內(nèi)進(jìn)行，熄焦水由水泵直接送熄焦塔噴灑管，用水量為2m3/t 干煤。熄焦過(guò)程中約20%的水蒸發(fā)，可用生化處理后的水補(bǔ)充；澄清后的水流水池循環(huán)使用。沉淀池中的焦粉由抓斗機(jī)抓出，脫水外運(yùn)。熄焦后的焦炭，卸至焦臺(tái)停留30-40min，使其水分蒸發(fā)和冷卻，剩余紅焦在此補(bǔ)充消火。

熄焦過(guò)程的關(guān)鍵是控制水分穩(wěn)定，全焦水分應(yīng)小于6%。因此，熄焦車(chē)接焦時(shí)的行車(chē)速度要與焦餅推出速度相適應(yīng)，使焦炭分布均勻。

2.干法熄焦。

干熄焦技術(shù)早在30年代就開(kāi)始出現(xiàn).多年來(lái)曾過(guò)多種形式的干熄焦裝置，有多室式、籠箱式和集中槽式等。前兩種屬于早期研制，技術(shù)與設(shè)備不夠完善，有投資高、漏氣多、散熱大、熱效率低等缺點(diǎn)，已逐漸被淘汰。集中槽式為目前普遍采用的一種干熄焦裝置。干法熄焦與濕法熄焦相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：（l）有效地利用焦炭的熱量，避免環(huán)境污染。由焦?fàn)t熱平衡可知，焦炭離開(kāi)焦?fàn)t時(shí)帶出的熱量約占煉焦耗熱量的40%。在濕法熄焦中，這部分熱量被全部損失掉了，而且污染環(huán)境。而干法熄焦利用惰性氣體冷卻焦炭，被加熱的惰性氣體經(jīng)廢熱鍋爐出現(xiàn)蒸汽，每噸紅焦可產(chǎn)生蒸汽400kg 以上。由于熄焦在密閉的循環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行，不需熄滅水，消除對(duì)空氣和水的污染。（2）提高了焦炭質(zhì)量。焦炭在惰性氣流通過(guò)時(shí)，被緩慢而均勻地冷卻，沒(méi)有濕法熄焦過(guò)程中的劇冷現(xiàn)象，而且焦炭是干的。所以，得到的焦炭塊度均勻，強(qiáng)度和真密度都提高，粉焦率少，反應(yīng)性降低。（3）提高焦?fàn)t的生產(chǎn)能力。由于焦炭質(zhì)量的提高，可增加配煤中氣煤和弱黏煤的配比，使高爐冶煉的焦比降低0.5%-2.3%。高爐生產(chǎn)能力提高。

3.熄焦過(guò)程的防塵。

煉焦生產(chǎn)過(guò)程中，熄焦是陣發(fā)性污染源，排放的粉塵量約占焦?fàn)t總排放量10%以上。干法熄焦的防塵方法類(lèi)似出焦過(guò)程的處理方法，即采用集塵罩、洗滌器等。

濕法熄焦的粉塵治理可在熄焦塔自然通風(fēng)道內(nèi)設(shè)置擋板和過(guò)濾網(wǎng)，能夠捕集絕大部分隨熄焦蒸汽散發(fā)至大氣并散落在熄焦塔周?chē)貐^(qū)的大量粉塵。為清除擋板和過(guò)濾網(wǎng)上的粉塵，要增添噴霧水泵，在擋板和過(guò)濾網(wǎng)上部噴灑水霧。這種方式在現(xiàn)用的熄焦塔上安裝方便，集塵效果較好，而由于塔內(nèi)氣體阻力增加，蒸汽常會(huì)從熄焦塔下部噴出。