炼焦工艺基础有关知识

煤隔绝空气进行加热，分别得到固体产品、液体产品和气体产品的过程，即为煤的干馏过程。根据煤被加热的最终温度，分为低温干馏（500～550℃），中温干馏（600～800℃）和高温干馏（900～1050℃）即炼焦过程。

早期的炼铁使用木炭作燃料和还原剂，1709年开始用焦炭代替木炭进行炼铁，从此推动了炼焦生产和技术的发展。

1、炼焦技术的发展阶段

四个发展阶段分别为：成堆炼焦与窑式、倒焰炉、废热式焦炉及现代的蓄热室焦炉。

现在炼焦技术的继续发展阶段：

1）焦炉容积大型化

2）装炉煤预处理技术：配型煤技术、捣固工艺、煤预热工艺等

3）环境保护

4）炼焦自动化技术

2、焦炭的作用与性能

高炉是竖形炉子，从上到下有炉喉、炉顶、炉身、炉腰、炉腹和炉缸五部分。原料包括铁矿石（或烧结矿）、焦炭和石灰石，交替地由炉顶通过装料装置装入炉内，焦炭和氧气不完全燃烧生成的一氧化碳是高炉内主要的还原剂。焦炭与氧燃烧反应所放出的热量是高炉冶炼过程热量的主要来源。加入石灰石的目的，在于同石灰石与矿石、焦炭中的高熔点酸性氧化物起反应，形成熔点较低、比重较小的炉渣与铁水分开，从炉缸中放出。

由于焦炭在高炉内起支撑料柱的骨架作用，保持炉料分布均匀、透气性好，要求焦炭有较高的抗碎强度和耐磨强度，还要有一定的块度，块度越均匀越好。随着高炉越来越大，高炉喷煤技术的使用，对焦炭强度和块度要求就更高。

焦炭的化学组成包括水分、灰分、挥发分、硫分、磷分等。

焦炭的水分与炼焦煤料的水分无关，也不取决于炼焦工艺条件，主要受熄焦方式的影响。另外焦炭水分要尽量稳定，有利于高炉配料稳定。

焦炭的灰分的主要成分是SiO2和Al2O3。焦炭灰分升高，不但使焦炭的强度降低，在高炉冶炼中需多用石灰石，铁产量下降。

焦炭的挥发分是焦炭成熟程度的标志。焦炭挥发分过高，说明焦炭没有完全成熟，出现“生焦”。焦炭挥发分过低时，说明焦炭过火，焦炭裂纹增多，易碎。

焦炭的硫分是受炼焦煤料影响的，它是生铁中的主要有害杂质，当焦炭含硫量高时，在高炉冶炼中为了脱硫，需多加石灰石，使铁产量降低。

焦炭的磷分含量很少，焦炭的含磷量多少取决于炼焦煤料，煤中的含磷几乎全部转入焦炭中，一般焦炭含磷量约0.02％。磷在炼铁过程中，进入生铁中使生铁产生冷脆性。

焦炭的工业分析及机械强度

焦炭的工业分析包括水分、灰分、硫分、挥发分含量等项。机械强度包括抗碎强度指标M40、耐磨指标M10。我国采用米库姆转鼓试验方法测定焦炭的机械强度。

焦炭的筛分组成是计算焦炭块度＞80mm、80～60mm、60～40mm、40～25mm等各粒级的百分含量。利用焦炭的筛分组成可以计算出焦炭的块度均匀系数k。k可由下式算出：

K =

焦炭强度的M40、M10转鼓指数都是焦炭的冷态特性，而焦炭在高炉中恰恰是在高达1000℃以上的热态下使用。

焦炭强度在高炉下部被削弱的主要原因是高温下CO2对焦炭的侵蚀作用，焦炭中的C被用于直接还原而消耗，失去了高温强度而发生粉化，失去了支架的透气作用，使高炉无法运行操作。因此，现代化大高炉要求的优质焦炭应该是在高温下不易被CO2所侵蚀的焦炭。

可以用焦炭的反应性(CRI)和反应后强度(CSR)来作为评价焦炭高温强度指标。

我国采用的测定方法与日本新日铁相同，即在1100℃恒定温度下用纯CO2与直径20mm焦球反应，反应时间为120min，试样重200g，以反应后失重百分数作为反应性指数(CRI)。反应后的焦炭在直径130mm、长700mm的I型转鼓中以每分钟20转，转动600转并经筛分，以大于1mm筛上物与入鼓试样总重的百分数作为反应后强度(CSR)。

3、炭化室内的结焦过程

炭化室内煤料的结焦过程基本特点有二：一是单向加热、成层结焦；二是结焦过程中传热特性随炉料的状态和温度而变化。

炭化室在装煤之前的墙面温度一般约为1100℃，装煤后常温的煤立即大量吸收墙体的热量，使炉墙表面的温度急剧下降，而紧靠炉墙的煤料快速升温，炭化室中心面的煤料仍处于常温。随着结焦时间的推移，靠近炉墙的煤料在装煤后的6～7个小时已经成焦。炭化室中心面的煤料的温度仅为100～200℃，也就是说此时从炭化室墙面到中心面之间的物料，处于结焦过程各个阶段的情况都有，紧靠炉墙处为焦炭层，接着依次分别为半焦层、塑性层、干煤层、湿煤层。在一个炭化室内结焦过程是从两侧炭化室墙面开始，一层层地逐渐向炭化室中心面推移，称为“成层结焦”。到了结焦末期，焦炭层逐渐移止中心面，整个炭化室全部成焦，因此结焦末期炭化室中心面的温度（焦饼中心温度）可以作为焦饼成熟程度的标志，成为炼焦最终温度。

炭化室墙面附近焦块两端的温度差大，因此焦块的裂纹多而深，该处的焦炭粒度小，而焦饼中心处焦块两端的温度差小，裂纹少而浅，焦块大。另外在焦饼中心处两侧的塑性区汇合时，塑性区厚度最大，塑性区产生热解气体排出的阻力最大，塑性体对两侧炉墙的侧压力也为最大，也即此时的膨胀压力最大。

4、焦炉用耐火材料

硅砖属于酸性耐火材料，SiO2含量在93%以上，具有良好的抗酸性侵蚀能力，它的导热性能好，荷重软化温度高，一般在1620℃以上。硅砖的导热性随着工作温度的升高而增大，没有残余收缩，在烘炉过程中，硅砖体积随着温度的升高而增大。

粘土砖是指Al2O3含量为30%~40%硅酸铝材料的粘土质制品。矿物组成主要是高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O）和6%~7%的杂质（钾、钠、钙、钛、铁的氧化物）。粘土砖的烧成过程，主要是高岭石不断失水分解生成莫来石（3Al2O3·2SiO2）结晶的过程。

粘土砖属于弱酸性耐火制品，能抵抗酸性熔渣和酸性气体的侵蚀，对碱性物质的抵抗能力稍差。粘土砖的热性能好，耐急冷急热。

粘土砖的耐火度与硅砖不相上下，高达1690~1730℃，但荷重软化温度却比硅砖低200℃以上。因为粘土砖中除含有高耐火度的莫来石结晶外，还含有接近一半的低熔点非晶质玻璃相。

在0~1000℃的温度范围内，粘土砖的体积随着温度升高而均匀膨胀，线膨胀曲线近似于一条直线，线膨胀率为0.6%~0.7%，只有硅砖的一半左右。当温度达1200℃后再继续升温时，其体积将由膨胀最大值开始收缩。粘土砖的残余收缩导致砌体灰缝的松裂，这是粘土砖的一大缺点。

粘土砖只能用于焦炉的次要部位，如蓄热室封墙，小烟道衬砖及蓄热室格子砖、炉门衬砖、炉顶以及上升管衬砖等。

高铝砖是Al2O3含量大于48%的硅酸铝或氧化铝质的耐火制品，高铝砖的致密度高，气孔率低，机械强度高且耐磨。焦炉燃烧室炉头及炭化室铺底砖的炉头部位，用高铝砖砌筑，效果较好。

5、焦炉炉体结构

现代焦炉炉体最上部是炉顶，炉顶之下为相间配置的燃烧室和炭化室，下部有蓄热室和连接蓄热室与燃烧室的斜道区，每个蓄热室下部的小烟道通过交换开闭器与烟道相连。烟道设在焦炉基础内或基础两侧，烟道末端通向烟囱。

焦炉由多个燃烧室和多个炭化室组成，相间排列。炭化室是装煤和炼焦的地方，燃烧室是煤气燃烧的地方，通过与两侧的隔墙向炭化室提供热量。装炉煤在炭化室内经高温干馏变成焦炭。燃烧室墙面温度高达1300~1400℃，而炭化室墙面温度约1000~1150℃，装煤和出焦时炭化室墙面温度变化剧烈，且装煤中的盐类对炉墙有腐蚀性。现代焦炉均采用硅砖砌筑炭化室墙。

燃烧室分成许多立火道、立火道的形式因焦炉炉型不同而异。从立火道盖顶砖的下表面到炭化室盖顶砖下表面之间的距离，称加热水平强度，它是炉体结构中的一个重要尺寸。如果该尺寸太小，炉顶空间温度就会过高，致使炉顶产生过多的沉积碳；反之，则炉顶空间温度过低，将出现焦饼上部受热不足，因而影响焦炭质量。另外，炉顶空间温度过高或过低，都会对炼焦化学产品质量产生不利影响。

为了回收利用焦炉燃烧废气的热量预热贫煤气和空气，在焦炉炉体下部设置蓄热室。现代焦炉蓄热室均为横蓄热室（其中心线与燃烧室中心线平行），以便于单独调节。

蓄热室墙一般用硅砖砌筑，在蓄热室中放置格子砖，以充分回收废气中的热量。格子砖要反复承受急冷急热的温度变化，故采用粘土质或半硅质材料制造。

蓄热室下部有小烟道，其作用是向蓄热室交替导入冷煤气和空气，或排出废气。温度差别大，为了承受温度的急剧变化，并防止气体对小烟道的腐蚀，须在小烟道内衬以粘土砖。

斜道区承受焦炉上部的巨大重量，同时处于1100~1300℃的高温区，所以也用硅砖砌筑。

炉顶区位于焦炉炉体的最上部。设有看火孔、装煤孔和从炭化室导出荒煤气用的上升管孔等。炉顶最下层为炭化室盖顶层，一般用硅砖砌筑，以保证整个炭化室膨胀一致。为减少炉顶散热，在炭化室顶盖层以上采用粘土砖、红砖和隔热砖砌筑。炉顶表面一般铺缸砖，以增加炉顶面的耐磨性。

6、焦炉机械与设备

1）护炉铁件：

护炉设备包括：炉柱、小炉柱、保护板、纵横拉条、弹簧等。护炉设备的作用是对砌体施加保护性压力，使砌体在烘炉及生产过程保持整体性，避免在温度及机械力冲击下产生破损。

纵拉条它的作用是通过弹簧组对焦炉纵向两端混凝土抵抗墙施加一定的压力，使焦炉纵向不至因自由膨胀或收缩而产生砌体裂缝或变形。

横拉条、弹簧和炉柱及小炉柱的作用是对焦炉横向施加保护性压力。

2）加热煤气设备：

加热煤气管道用于向焦炉输送煤气。高炉煤气管道由总管来的煤气分配到机焦侧主管中，然后经分管进入焦炉内。

焦炉煤气管道由总管来的煤气导入地下室的主管中，再经分管、横管、下喷管进入竖直砖煤气道中。

在总管和主管上设有煤气开闭器，用于调节和切断全炉的煤气。

主管上设有煤气压力自动调节翻板，按生产需要，自动的保持煤气压力的规定值。

为了防止萘、焦油等物质从煤气中冷凝析出堵塞管道和管件，并且为了稳定煤气的温度和以稳定供热的条件，在使用焦炉煤气加热时，要在总管上设置煤气预热器来预热焦炉煤气。

在分管上安装有调节旋塞、交换旋塞和孔板盒。调节旋塞用于切断或接通煤气。交换旋塞用于定期交换煤气和导入除炭用空气，使焦炉加热处于不同位置的加热状态。孔板用于控制各燃烧室进入的煤气量。

焦炉煤气管道上还设有冷凝液水封槽。管道中煤气冷凝下来的水和焦油自流排入该水封槽中。

3）废气设备

废气设备包括交换开闭器和总分烟道翻板等。

交换开闭器是控制进入蓄热室的加热煤气、空气和排出燃烧所生成废气的设备。

总烟道翻板和分烟道翻板是用来和稳定烟道吸力的设备。

4）交换设备

交换设备是用于切换焦炉加热系统气体流动方向的动力设备和传动机构，包括交换机和交换传动装置。

交换机是带动各传动拉条进行交换的动力机械。

交换机操作步骤都是三个：关煤气→交换废气和空气→开煤气。这种程序的目的是，切断煤气后，在没有煤气流通的情况下缓慢地交换空气及废气的流通方向，可避免未燃烧的煤气进入烟道而形成爆炸气体，空气废气正常流通后再向燃烧系统送入煤气，避免产生气流的紊乱甚至产生爆炸气体混合物。

5）荒煤气导出设备

荒煤气导出系统的设备包括：上升管、桥管、水封阀、集气管、吸气管、氨水喷洒系统等。

上升管直接与炭化室或通过上升管铸铁座与炭化室相连。上升管由钢板焊制成而，内砌粘土衬砖。其上部与桥管相连接。桥管为铸铁件内砌粘土衬砖。桥管上开有清扫孔，装设有高低压氨水喷头。

低压氨水喷洒是采用约75℃的热氨水将炭化室排出的荒煤气冷却到80-100℃，并使其中的大部分焦油冷却下来。采用热氨水喷洒有利于达到氨水汽化吸热而降低煤气温度。另外，采用热氨水冷却焦油使其保持良好的流动性，避免焦油凝固堵塞管路。

高压氨水喷洒只有在装煤时进行，靠高压氨水的喷射力产生吸力，造成装煤孔下的负压以防止烟尘及煤气外逸。

集气管是用钢板焊制而成的圆管或槽形结构，沿整个焦炉纵向置于炉柱托架上，用以汇集各炭化室的荒煤气。

每个集气管上还设有二个放散管，以备停风机、停氨水时因集气管压力过大或开工时放散用。每个放散管下部装有双水封阀。为减少焦炉煤气放散时对大气造成的污染，放散管顶部应设有自动点火装置，点燃被放散的焦炉煤气。

吸气弯管专供荒煤气排出，其上装有手动和自动调节翻板，用以调节集气管压力。

6）焦炉机械

炼焦生产中焦炉专用机械，顶装焦炉用的有装煤车、拦焦机、推焦机、熄焦车；捣固焦炉则用装煤推焦机（或推焦机与捣固装煤车分体）代替装煤车和推焦机，并增加捣固机和消烟车，以捣固煤饼和消除装煤时产生的烟尘。

7）焦炉生产工艺

推焦串序的定义及制定原则

推焦时，焦饼对两面炭化室墙产生一定的压力，炭化室墙如果受力不均衡就会变形，而煤料干馏过程中产生膨胀压力，在结焦中期最大。为了使炭化室墙两侧的压力能够互相抵消，就必须使推焦炭化室的两侧相邻的炭化室处于结焦中期。

炼焦 coking 装炉煤经过高温干馏转化为焦炭、焦炉煤气和化学产品的工艺过程。即煤炭焦化。

指主要从硬煤和褐煤中生产焦炭、煤气、干馏炭及煤焦油或沥青等副产品的炼焦炉的操作活动。

根据最终温度，有高温炼焦（900～1100℃）、中温炼焦（660～750℃）和低温炼焦（500～580℃）。通常指高温炼焦。

现代炼焦生产在焦化厂炼焦车间进行。炼焦车间一般由一座或几座焦炉及其辅助设施组成，焦炉的装煤、推焦、熄焦和筛焦组成了焦炉操作的全过程，每个炉组都配备有装煤车、推焦车、拦焦机、熄焦车和电机车，一侧还应设有焦台和筛焦站。近来开发的炼焦新工艺还有：配入部分型煤炼焦的配型煤工艺、用捣固法装煤的煤捣固工艺、煤预热工艺等。

产品包括：

（1）焦炭。炼焦最重要的产品，大多数国家的焦炭90%以上用于高炉炼铁，其次用于铸造与有色金属冶炼工业，少量用于制取碳化钙、二硫化碳、元素磷等。在钢铁联合企业中，焦粉还用作烧结的燃料。焦炭也可作为制备水煤气的原料制取合成用的原料气。

（2）煤焦油。焦化工业的重要产品，其产量约占装炉煤的3%~4%，其组成极为复杂，多数情况下是由煤焦油工业专门进行分离、提纯后加以利用

（3）煤气和化学产品。氨的回收率约占装炉煤的0.2%~0.4%,常以硫酸铵、磷酸铵或浓氨水等形试作为最终产品。粗苯回收率约占煤的1%左右。其中苯、甲苯、二甲苯都是有机合成工业的原料。硫及硫氰化合物的回收，不但为了经济效益，也是为了环境保护的需要。经过净化的煤气属中热值煤气，发热量为17500kj/Nm3左右，每吨煤约产炼焦煤气300~400 m3，其质量约占装炉煤的16%~20%，是钢铁联合企业中的重要气体燃料，其主要成分是氢和甲烷，可分离出供化学合成用的氢气和代替天然气的甲烷。