第二章 室式炼焦过程与配煤原理

第二章室式炼焦过程与配煤原理煤结焦过程的一般规律如《煤化学》所述，本章以室式炼焦工艺为对象，阐述炭化室内结焦过程的特点，进而讨论配合煤质量指标、配煤原理与焦炭质量预测。第一节，尽化室内结焦过程特点炭化室内结焦过程的基本特点有二：一是单向供热、成层结焦；二是结焦过程中的传热性能随炉料状态和温度而变化。基于此，炭化室内各部位焦炭质量与特征有所差异。一、温度变化与炉料状态1．成层结焦过程-炭化室内煤料热分解、形成塑性体、转化为半焦和焦炭所需的热量，由两侧炉墙提供，由于煤和塑性体的导热性很差，使从炉墙到炭化室的各个平行面之间温度差较大。因此，在同一时间，离炭化室墙面不同距离的各层炉料因温度不同而处于结焦过程的不同阶段（图2－1右），焦炭总是在靠近炉墙处首先形成，而后逐渐向炭化室中心推移，这就是“成层结焦”，当炭化室中心面上最终成焦并达到相应温度时，炭化室结焦才终了，因此结焦终了时炭化室中心温度可作为整个炭化室焦炭成熟的标志，该温度称炼焦最终温度，按装炉煤性质和对焦炭质量要求的不同，该温度为950~1050。2．炭化室炉料的温度分布√在同一结焦时刻内处于不同结焦阶段的各层炉料，由于热物理性质(比热、热导率、相变热等)和化学变化(包括反应热)的不同，传热量和吸热量也不同，因此炭化室内的温度场是不均匀的。图2—1左给出的等时线，标志着同一结焦时刻从炉墙初炭化室中心的温度分布；图2—1的等时线也可改绘制成以离炭化室墙的距离x和结焦时刻τ为坐标的等温（t）线(图2—2)或以t－τ为坐标的等距线。在图2—2中，两条等温线的温度图2一l不同结焦时刻炭化室内各层炉料的状态和温度(等时线)．图2-2炭化室内炉料等温线差为Δt，两条等温线间的水平距离为时间差Δτ，垂直距离为距离差Δx。Δt／Δτ表示升温速度，Δt／Δx表示温度梯度。综合图2-1和2-2可以说明如下几点：1)任一温度区间，各层的升温速度和温度梯度均不相同。在塑性温度区间(350~480℃)，不但各层升温速度不同，且多数层的升温速度很慢；其中靠近炭化室墙面处的升温速度最快，约5℃／mln以上；接近炭化室中心处最慢，约2℃／min以下。在半焦收缩阶段出现第一收缩峰的温度区间(500～600℃)，各层温度梯度有明显差别。2)湿煤装炉时，炭化室中心面煤料温度在结焦前半周期不超过100～120℃。这是因为水的汽化潜热大而煤的热导率小，而且湿煤层在结焦过程中始终处于两侧塑性层之吼水汽不易透过而使大部水汽走向内层温度较低的湿煤层，并在其中冷凝，使．内层湿煤水分增加，而不能升高温度。装炉煤水分愈多，结焦时间愈长，炼焦耗热量愈大。3)炭化室墙面处结焦速度极快，不到1h的结焦时间就超过500℃，形成半焦后的升温速度也很快，因此既有利于改善煤的粘结性，又使半焦收缩裂纹增多加宽。炭化室中心面处，结焦的前期升温速度较慢，当两侧塑性层汇合后，外层已形成热导率大的半焦和焦炭，且需热不多，故热量迅速传向炭化室中心，使500℃后的升温速度加快，也增加中北面处焦炭的裂纹。4)由于成层结焦，两侧大致平行于炭化室墙面的塑性层也逐渐向中心移动，同时炭化室顶部和底面因温度较高，也会受热形成塑性层。由于四面塑性层形成的膜袋的不易透气性，阻碍了其内部煤热解气态产物的析出，使膜袋膨胀，并通过半焦层和焦炭层将膨胀压力传递给炭化室墙。当塑性层在炭化室中心汇合时，该膨胀压力达到最大值，通常所说的膨胀压力就是指该最大值。适当的膨胀压力有利于煤的粘结，但要防止过大有害于炉墙的结构完整，相邻两个炭化室处于不同的结焦阶段，故产生的膨胀压力不一致，使相邻炭化室之间的燃烧室墙受到因膨胀压力差产生的侧负荷ΔP，为保证炉墙结构不致破坏，焦炉设计时，要求ΔP小于导致炉墙结构破裂的侧负荷允许值——极限负荷。二、炭化室各部位的焦炭特征与质量差异对于一定的炼焦煤料，处于炭化室不同部位的焦炭，用肉眼观察就能按它们的特征加以区分，它们的性质也有明显差异。如上所述，这是由于不同部位的焦炭，其升温速度及温度梯度的不同，提高升温速度可以改善焦质的强度(M10)，但不利于块度的增大；而温度梯度及收缩系数则主要影响焦炭的裂纹形成及块度大小。1．炭化室内焦炭裂纹的形成根本的原因在于半焦的热分解和热缩聚产生的不均匀收缩，引起的内应力超过焦炭多孔体强度时，导致裂纹形成。在炭化室内由于成层结焦，相邻层间存在着温度梯度，且各层升温速度也不同，使半焦收缩阶段各层收缩速度不同，收缩速度相对较小的层将阻碍邻层收缩速度较大层的收缩，则在层间将产生剪应力，层内将产生拉应力。剪应力会导致产生平行于炭化室墙面(垂直于热流方向)的横裂纹，拉应力会导致产生垂直于炭化室墙面(平行于热流方向)的纵裂纹。在炭化室中心部位，当两侧塑性层汇合时，膜袋内热解气体引起的膨胀所产生的侧压力会将焦饼沿中心面推向两侧，从而形成焦饼中心裂缝。由于纵、横裂纹和中心裂纹的产生，使炭化室内的焦饼分隔成大小不同的焦块。焦块大小取决于裂纹率的多少，而裂纹率的数量和大小又主要取决于半焦收缩阶段的半焦收缩系数和相邻层的温度梯度。图2--3为几个单独煤炼焦时的半焦收缩特性曲线，在500℃前后产生的第一收缩峰取决于煤的挥发分，煤的挥发分高则收缩系数大，当温度图2-3几种煤的半焦收缩曲线1—第一收缩峰；2—第二收缩峰梯度一定时，焦炭裂纹率高，裂纹间距小，则焦炭块度小。第二收缩峰发生在750℃左右，它与煤的挥发分关系不大，但随加热速度提高而加大，因此力口热速度高时，收缩加剧，使裂纹率增高。2．炭化室各部位的焦炭特征靠近炭化室墙面的焦炭(焦头)，由于加热速度快，故熔融良好、结构致密，但温度梯度较大，因此裂纹多而深，焦面扭曲如菜花，常称“焦花”，焦炭块度较小。炭化室中心部位处的焦炭(焦尾)，结焦前期加热速度慢，而结焦后期加热速度快，故焦炭粘结、熔融均较差，裂纹也较多。距炭化室墙面较远的内层焦炭(焦身)，加热速度和温度梯度均相对较小，故焦炭结构的致密程度差于焦头而优于焦尾，但裂纹较少而浅，焦炭块度较大。沿炭化室宽向焦炭质量的变化趋势如图2-4图2-4沿炭化室宽向不同部位焦炭的质量3．不同煤化度煤的焦炭特征气煤或以气煤为主的配合煤，塑性温度区间较窄，粘结性较差，在成层结焦条件下形成的半焦层较薄；但半焦收缩量大，第一收缩峰的收缩系数高，半焦固化时气态产物析出速度大。故半焦强度低、气孔率高，抗拒层内拉应力的能力低，产生较多的纵裂纹。焦炭多呈细条型，焦块内裂纹也多，粘结熔融差，易碎成小块焦。肥煤等强粘结性煤，塑性温度间隔宽，半焦层厚且结构致密，半焦收缩时，层内拉应力的破坏作用居次要，主要因层间剪应力使相却层裂开，焦炭粘结熔融性好，横裂纹较多。焦煤焦炭的粘结熔融性好，纵横裂纹均较少，块度也较大。瘦煤焦炭的粘结熔融性差，但由于第一收缩峰的收缩系数小，总收缩量少，裂纹率低，故焦炭块度较大但强度不高。配合煤中增加中、高煤化度的煤；可以减小收缩，增大块度。三、二次热解与化学产品1．炼焦终温与化学产品高温炼焦的化学产品产率、组成与低温干馏有明显差别(见第十章表10-1)，这是因为高温炼焦的化学产品不是煤热分解直接生成的一次热解产物，而是一次热解产物在析出途径中受高温作用后的二次热解产物。高温炼焦的化学产品，其产率主要决定于装炉煤的挥发分产率，其组成主要决定于粗煤气在析出途径上所经受的温度，停留时间及装炉煤水分。2．气体析出途径与二次热解反应煤结焦过程的气态产物大部分在塑性温度区间，特别是固化温度以上产生。炭化室内干煤层热解生成的气态产物和塑性层内产生的气态产物中的一部从塑性层内侧和顶部流经炭化室顶部空间排出，这部分气态产物称“里行气”(图2-5)，约占气态产物的10~25％。塑性层内产生的气态产物中的大部分和半焦层内的气态产物，则穿过高温焦炭层缝隙，沿焦饼与炭化室墙之间的缝隙向上流经炭化室顶部空间而排出，这部分气态产物称“外行气”，约占气态产物的75—90％。图2-5化学产品析出途径示意图从干煤层、塑性层和半焦层内产生的气态产物称一次热解产物，在流经焦炭层、焦饼与炭化室墙间隙(外行气)及炭化室顶部空间(外行气和里行气)时，受高温作用发生二次热解反应，生成二次热解产物。主要的二次热解反应有里行气和外行气由于析出途径、二次热解反应温度和反应时间不同，以及两者的一次热解产物也因热解温度而异，故两者的组成差别很大(表2-1)，出炉煤气是该两者的混合物。由于外行气占75—90％，且析出途径中经受二次热解反应温度高、时间长，因此外行气的热解深度对炼焦化学产品的组成起主要作用。凡同外行气析出途径有关的温度(火道温度、炉顶空间温度)和停留时间(炉顶空间高度，炭化室高度、单、双集气管等)均影响炼焦化学产品的组成。一般炉顶空间温度宜控制在750—800~C，过高将降低甲苯、酚等贵重的炼焦化学产品产率，且会提高焦油中游离碳、萘、蒽和沥青的产率。炼焦化学产品的产量和组成还随结焦时间而变。表2-1里行气与外行气的组成比较煤气组成％烃及衍生物组成％项目H2CH4C2HC2H4C3H9C]H6COC02N2初馏分苯甲苯二甲苯酸性化合物碱性化合物其他里行气2053102332524047109525外行气602712.50.20.35223.573174.5－－2第二节影响炭化室结焦过程的因素焦炭质量主要取决于装炉煤性质，也与备煤及炼焦条件有密切关系。在装炉煤性质既定的条件下，对室式炼焦，备煤与炼焦条件是影响结焦过程的主要因素。一、装炉煤堆密度增大堆密度可以改善焦炭质量，特别对弱粘结煤尤为明显。在室式炼焦条件下，增大堆密度的方法，如捣固、配型煤，煤干燥等均已在工业生产中应用(见第三章)。装炉煤的粒度组成对堆密度影响很大，配合煤细度高则堆密度减小，且装炉烟尘多，有关装炉煤的粒度分布原则将在第三章中进一步阐述。二、装炉煤水分．装炉煤水分对结焦过程有较大影响，水分增高将使结焦时间延长，通常水分每增加1％，结焦时间约延长20分钟，不仅影响产量，也影响炼焦速度。国内多数厂的装炉煤水分大致为10—11％。装炉煤水分还影响堆密度(图2-6)，由图可见，煤料水分低于6~7％时，随水分降低堆密度增高。水分大于7％，堆密度也增高，这是由于水分的润滑作用，促进煤粒相对位移所致，但水分增高同时使结焦时间延长和炼焦耗热量增高，故装炉煤水分不宜过高。图2-6煤料堆密度与水分关系三、炼焦速度通常是指炭化室平均宽度与结焦时间的比值，例如炭化室平均宽度为450、407、350mm时，结焦时间为17、15、12h，则炼焦速度分别为26.5、27.1和29.2mm／h。炼焦速度反映炭化室内煤料结焦过程的平均升温速度，根据结焦机理，提高升温速度可使塑性温度间隔变宽，流动性改善，有利于改善焦炭质量。但是在室式炼焦条件下，炼焦速度和升温速度的提高幅度有限，所以其效果仅使焦炭的气孔结构略有改善，而对焦炭显微组分的影响则不明显。提高炼焦速度使焦炭裂纹率增大，降低焦炭块度。因此，炼焦速度的选择应多方权衡，例如：1）若原料煤粘结性较差，而用户对焦炭粒度下限要求不严时，宜采用窄炭化室，以使炼焦速度较大。2)若原料煤粘结性较强，膨胀压力较高，宜采用较低的炼焦速度，即采用较宽炭化室。3)高炉焦要求耐磨强度和反应后强度高，平均粒度约50mm，粒度范围为25~75mm，所以结焦速度可以提高一些，当采用较宽炭化室时，可通过采用热导率较大的致密硅砖，并减薄炉墙等措施，提高炼焦速度。这样，不仅可改善焦炭质量，还可提高生产能力。四、炼焦终温与焖炉时间提高炼焦最终温度与延长焖炉时间，使结焦后期的热分解与热缩聚程度提高。有利于降低焦炭挥发分和含氢量，使气孔壁材质致密性提高，从而提高焦炭显微强度、耐磨强度和反应后强度。但气孔壁致密化的同时，微裂纹将扩展，因此抗碎强度则有所降低(表2-2、图2－7）表2-2炼焦终温对焦炭质量影响的实例炼焦终沮，℃强度，％筛分组成，％平均粒度,mm反应性能，％M40M100I15025~4040~6060~8080~11025~8025~8025~110块焦反应率反应后强度944107572.970.410.99.379.580.36.