炼焦.docx

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炼焦

1.炼焦

1.1.固态燃料的转化方法

使用原油固体燃料并不合理，因为会损失宝贵的化工生成物。

初始的热化学转化可以提取这些物质。

主要煤转化模式是：

•煤的气化：

把煤转化为可燃气体;

•加氢：

煤转化为液体，主要是生产机动车燃料或化工原料，在高温高压下通过加氢对燃料进行处理;

•热解：

煤转化为焦炭，即除去有用气体和液体（焦油）。

这个过程是基于有机物质的热分解利用温度超过400℃/1/的高温焦炉。

热解是焦炭生产的基本反应。

炼焦过程可定义为：

天然的有机物质（主要是固体材料）在真空状态下加热。

炼焦过程将被用于窖煤热炼从而产生冶金焦。

1.2.焦煤转化程序

表1.1为焦煤转化程序：

图1.1.现代炼焦厂流程图

焦煤的化学成分和物理性质受到用炭及炼焦条件的影响。

在煤场，煤被破碎机、烘干机和压块机混合。

最后两级料是可选的。

但现代炼焦应用渗碳技术，利用卡车把煤从煤仓运到煤炉。

如今，炼焦几乎全部用间接加热煤炉的横切面（或炉室）的方法。

该焦炉加热室是给其中一面加热。

从那里煤炭被加热到最高温度然后进行初始化。

焦化过程。

图1.2.炉室炼焦过程和温度变化

炉室里发生的化学反应取决于炉内不同位置的温度变化范围，下表为表1.2的补充：

a

<100°C

加热湿碳至干燥状态。

b

100-350°C

提取氮气、甲烷和二氧化碳，煤脱水。

在250度以上时煤热解首先产生氢气。

c

350-480°C

当煤开始软化并显示出塑性特征时，预脱气过程结束。

在这一区域，煤膨胀从而导致了最终成品的多孔结构。

沥青蒸发。

d

480-600°C

半焦形成阶段。

煤炭收缩觉定了裂缝的分布情况。

e

600-1100°C

最后焦炭中挥发物的清除。

炉室平均宽400-600毫米，高4-8米，有效长度12-18米。

这大约相当于30-70立方米的有效容积。

炉室年产量在6200-17000吨之间或产率为25-36kg/m3/h/2/。

50-70个焦室可以构成一个焦电池组。

表1.1给出了欧洲一些现代焦化厂的主要特点。

蒂森克虏伯钢铁股份有限公司的新型焦化厂有世界上最大炉腔的两个蓄电池组（每个蓄电池组有70个烤箱）：

炭化室高8.3米，长20.8米，有效容积93立方米（见表1.2）

表1.1欧洲最好的焦炭电池

工厂

电池

烤箱号

炉室型号

LxHxW,m

炉室体积

焦炭生产

吨/推动力

百万吨/年

Krupp

Mannesmann

德国

1

7

17.8×7.8×0.56

70.0

40.3

1.10

Sollac,Dunkerque

法国

7

55

16.2*6.35*0.46

44.4

26.4

0.77

Salzgitter

Stahl,

德国

AandB

2×54

16.6×6.2×0.47

42.6

26.2

2×0.71

ZKS,Dillingen,

德国

1and2*

2×45

17.0×6.2×0.50

43.6

32.3

2×0.70

平均值

-

55-

55.9

34.1

0.96

印章费

表1.2ThyssenKruppStahl年产量260万吨的新建焦化厂的主要数据

焦化室数量

2*70

炉室体积

20*8.3*0.6

有效炉室体积，立方米

93

焦化时间

24.9

通气管平均热温，摄氏度

<1325

焦化产物，吨/天

7250

气体处理厂容量，Nm3/h

155,000

从750-800公斤的焦煤中获得一吨煤炭，这些煤炭产生约320-330立方米可燃气体。

表1.3显示了在炼焦过程中提取的焦化室煤气量的体积。

挥发性物质在炼焦过程中从焦化室中以天然气的形式释放。

图1.3.焦化过程中焦化室内天然气的体积和温度

在煤炭的副产品回收厂，必须把该焦化室气体从硫磺和碳氢化合物中清理出来。

这些副产品包括粗焦油，苯酚，硫酸或者硫磺，硫酸铵，粗苯和萘。

通过提炼的焦化室煤气（焦炉煤气）是一种高发热量，可用于焦炉，考珀斯等加热使用的气体。

焦炉煤气的化学成分：

氢气55-60％，甲烷24-28％，一氧化碳6-8％，二氧化碳2-4％，碳氢化合物2-3％。

其余气体为：

氧气和氮气。

它的热值为18,000-19,000kJ/Nm3。

1.3.高炉中焦炭的作用

大部分的焦炭都消耗在了钢铁行业中，主要用于在高炉中生产生铁。

十八世纪初期，阿伯拉罕·达比在英格兰的煤溪谷首次用焦炭替代了高炉中的木炭（5）。

从那时起，焦炭实际上就成了常用的高炉燃料。

在巴西利亚，只有为数不多的厂家在使用木炭。

焦炭在高炉中主要有三个功能：

∙提供热量

∙充当还原剂

∙提供炉料

另外，焦炭还可以用作炭化剂和滤尘器。

一部分焦炭与鼓风口的风燃烧产生热量，产生的热量然后由吹进的热风带动。

焦炭和辅助燃料中的碳提供了加工所需的大部分热量，约占80%。

热量主要用于吸热反应，对负载进行预热和熔解，并对液体产品进行加热。

碳和氧要么通过直接反应生成一氧化碳（2C+O2=2CO）要么在高温通过布杜阿尔反应（C+O2=CO2和CO2+C=2CO）生成一氧化碳。

一氧化碳（以及氢气）可以作为还原剂。

低于900-1000摄氏度的时候，氧化铁可以被间接还原：

FenOm+mCO=nFe+mCO2。

这一过程会微微放热，在高于900-1000摄氏度的时候，就会出现直接的还原反应：

FenOm+mC=nFe+mCO。

直接还原反应是吸热反应，需要消耗热量。

焦炭还可以保持炉料的渗透性。

900～1350℃之间，内聚区中会出现第一液相（6）。

还原的铁和渣会通过热的固体焦炭支撑结构掉落小区。

高炉容量的大约一半都是焦炭，焦炭在到达轨道层之前都是固态。

由于铁的渗碳作用，所以熔点大幅度降低：

从纯铁的熔点1536摄氏度降到生铁碳含量为4.3%时的温度1147摄氏度（图1.4）。

熔点的降低可能会在较低的温度下产生出渣。

如果高温金属渗碳不充分，碳耐火材料在炉底的损耗会增加。

图1.4铁-碳相图

在诸如高比例替代燃料的过程中，炉底会产生灰尘和烟灰，而气流会把灰尘和烟灰带到上方。

灰尘和烟灰会恶化透气性，并降低液相的表观粘度。

当灰尘和烟灰覆盖焦炭块并发生反应时，这些负面影响会减少（6.7）。

灰尘和烟灰还会降低焦炭的活性。

1.4．焦炭在性质方面的质量和物理力学性质在高炉中极具重要性。

化学分析：

焦炭的有机成分含约96.5～97.5%的碳、0.5～0.8%的H2、0.3～0.4%的O2以及少量的S,N2,Na,K和其他元素（8）。

有机体的分析被称为最终分析。

碳含量是这一分析的主要特性。

但是，对于造铁厂家来说，关于碳含量所有成分的信息还不够。

焦炭有机体中所含的挥发物质在大约850摄氏度的时候会溜掉。

知道焦炭中的固定碳含量是很重要的，因为固定碳留在炉内起冶金的作用。

除此之外，最终分析不计算灰烬含量和水汽，这对高炉的操作具有根本影响。

焦炭的工业分析会给冶金工作者提供更有用的信息。

简捷是这种分析方法的一大优势。

灰烬（A）、挥发物质（VM）以及有些时候的硫（S）含量会出现在为焦炭干重量所做的工业分析中，分析中的湿气超过100%。

固碳含量在化学分析中没有规定，但是可以根据以下公式进行计算：

Cfix=100-（VM+A+S）orCfix=100-（VM+A）。

这种计算不是绝对正确的，因为氮、氧和氢不会随挥发物质完全消失。

结果，实际的固碳含量会增加0.5-1.5%。

但是，工业分析对于技术来说是完全足够的。

由于焦炭用作燃料和还原剂，所以其固定碳含量以及热值应尽可能的高。

灰分必须在炉渣中进行收集，而炉渣的形成和过热都需要热量。

这会增加每吨高温金属的焦炭消耗量，每增加1.5-2.5%的高温金属，焦炭就要增加1%。

灰烬的成分对于炉渣的形成过程是很重要的。

焦炭灰烬大部分都是酸性化合物：

50%～75%的SiO2+Al2O3，SiO2/Al2O3约为1.5～2.0。

氧化铁占10%～20%。

其余部分都是碱性氧化物（CaO,MgO）、SO2、P2O5、Mn3O4、碱金属。

硅的稀释需要石灰石。

焦炭中水含量不会影响高炉的操作。

更重要的是，水含量应为常数。

根据淬火法，湿淬火的水含量为3-6%，干淬火的水含量为0.3-0.7%。

但是，焦炭中的水与氯一样对于操作的效率也会是个大问题，因为它们会增加顶部气体的露点并会以更高的顶部气体温度影响无效热操作，或者如果顶部温度降得过低，那么就会造成气体在管道中的冷凝并对管道产生腐蚀作用，从而不得不对设备进行除尘。

（10）

硫含量对于高炉处理极其重要，因为炉中摄入的硫70～95%都来自于燃料。

冶金操作必须要使铁水中的硫含量尽可能低。

如果硫的输入量高，那么就需要更高的炉渣碱度、更高的炉渣量和更高的温度才能将硫消除掉。

焦炭中的硫含量每增加0.1%，就会让焦炭的消耗量增加0.5～1.8%，并让炉子的产量降低2%（8.11）。

焦炭中的硫含量约为0.5～1.5%，这取决于炼焦过程中所使用的煤种。

焦炭中含有少量的磷。

磷也会对生铁和钢的质量产生不利影响。

人们不希望看到灰烬中有大量碱金属，因为碱金属的循环会消耗热量。

碱金属还会增加焦炭的活性并降低其强度。

碱腐蚀会削弱细胞壁并增加焦炭的敏感度，导致焦炭还没装满就已经坍塌（9）。

坍塌的等级高会影响到高炉炉床的渗透性，从而造成操作不当（9.11.12）。

焦炭的成分不应该出现太大变化。

焦炭高度粉化使高炉料柱的透气性严重恶化，造成高炉悬料和高炉运行不顺。

焦炭的化学成分不应该有太大的波动。

焦炭的物理化学性质：

焦炭反应描述了焦炭的反应产物碳与还原性气体二氧化碳反应的过程。

新日铁公司的一项实验（NSC实验）对焦炭的反应性进行了测量（6）。

在实验炉中，焦炭在1100℃下被二氧化碳气化。

用实验前后的焦炭重量来计算“焦炭反应性指数”（CRI）。

特别是在喷出燃料比高时，这一数值应该低。

焦炭反应性受到焦炭、用于生产焦炭的煤、焦化时间以及炉子设计的影响。

（10）。

最近，德国亚琛工业大学的一项研究表明，更高的CRI一般与铁浴中更好的溶解状况有密切关系，但是某些焦炭并没有这种情况/14/。

焦炭的可燃性是由焦炭与氧气反应生成二氧化碳的反应速度决定的。

着火点也是可燃性的一个特点。

冶金焦的着火点为650-700℃，而木炭的着火点为250℃/8/。

焦炭的理论燃烧温度约为2400℃。

在高炉条件下，这一数值要低得多，因为焦炭燃烧得不充分（产生一氧化碳）。

焦炭的物理力学性能：

团块结构，力学性能，孔隙率，体密度在高炉炼焦过程中有重要影响。

焦炭的力学性能与高炉中碳渣的产生和渗透性有关。

大焦块和少量碳粉是产生良好的透液性及渣铁顺利排放的必要条件。

焦炭体积不得小于40毫米（40-60或40-80毫米）（9）。

焦炭的平均直径应该更高于大型高炉。

使用窄粒度焦炭可以达到最佳配气。

因为焦炭随着高炉内的化学分解、气化和磨耗而减少，焦炭浓度是最重要的。

在放到炉床之前焦炭应保持它的力学强度。

反应后，焦炭承受高温和压力的能力会自然下降。

尽管如此，焦炭在反应后仍能最大限度地承受压力。

焦炭的冷态强度和热态强度分别用l10和I40指数（晶粒尺寸不足10毫米或超过40毫米小于10mm的焦炭重量和大于40mm的焦炭重量）和CSR（反应后焦炭强度）来表示。

CSR值通过CRI的一个测试程序即焦炭与二氧化碳气化反应样本以大于十毫米的晶粒比例表示出来。

焦炭的孔隙度决定了它的比内表面，比内表面影响燃烧条件。

焦炭的孔隙度占焦炭体积的50%。

（8）焦炭的体密度取决于焦炭本身的团块结构和多孔性等。

这个值大约在平均值430-500kg/m3焦炭的体积密度平均为430-500kg/m3。

图1.5.分析了高炉操作中焦炭质量优劣对反应的影响。

焦炭质量对高炉操作的影响

图1.5.高炉中焦炭质量优劣对方应的影响（6）

对焦炭的质量要求取决于高炉的功能。

焦炭规格参数表：

随着高炉容积的增长以及焦比的急剧下降，对焦炭的参数要求也快速增长。

表1.3.给出了德国对焦炭性能的要求。

表1.3.德国对焦炭参数的要求（10）（15）

不同的国家和冶金公司对焦炭操作的质量要求也不同，因为有多种不同等级的焦炭都适用于焦化过程，符合在焦炭混合物中的比例、不同的焦化条件以及其它因素。

五个欧洲国家中的这些差异都列于表1.4.某些欧洲国家对焦炭参数的要求（17）

基于对焦炭品质的数量要求，有一点需要质疑，即要成功描述焦炭在高炉内的完全反应，仅现有的测定是否足够。

例如，（17）中作者认为，有必要进一步测定焦炭在高炉中的软化和液体区域的反应，并研发新的测试程序来测试焦炭的特性。

1.5新型炼焦技术

过去二十年间人们在传统多室系统炼焦技术上的努力带来了产量，焦炭质量，能量消耗和环境保护上多方面的进步。

然而，许多潜在的不可预见的问题仍然存在。

比如，当使用不适合炼焦的煤矿时，会涉及对环境保护和工业卫生更高的要求。

在这种情况下，如何在保障产品高质量的前提下，降低产品价格？

如果使用MCS技术，只能部分解决上述问题。

根据（18），结合Kaiserstuhl3炼焦设备的设计和建造，传统MCS技术已经达到了其发展空间的极限。

在过去的几年中，人们开发了一些新型的炼焦技术以满足当今的需要。

就此，下面将会简单介绍三种更具有优势的新型的技术。

不可循环和热循环系统

组合处理——SCOPE21

单室系统

不可循环系统（NRS）不同于19世纪的蜂房炼焦炉之处在于将浪费的热量用作蒸汽和发电。

（见图1.6）/10/这种程序的优势在于它的设计和操作简单，并且实现了副产物的循环利用。

而NRS的主要不足之处在于：

只适用于容易炼造的煤矿并且只能用不易挥发的热函；焦炭产量低；大量过热的废弃蒸汽必须通过相当长的距离达到中心锅炉房。

图1.6NRS

现在，美国普遍使用的是热循环系统（HRS）。

HRS系统是基于有模技术并体现了NRS技术的进一步发展。

印第安纳州的HarborCokeCompany（IHCC）（图1.7）/19/是HRS技术最新的体现。

这个年产焦炭120万吨的工厂于1998年投入使用。

这个燃烧室的主要特点有：

长14米，宽4.6米，高约1.2米，炼焦时间为48小时，年产焦炭约4500吨。

（2）

图1.7位于西芝加哥IHCC的炼焦炉

HRS的优点和其它方法类似，其反应堆设计及建造简单。

这个系统的主要缺陷在于产量低（每个炭化室的年产焦炭吨数），相对较高的资金投入，对空间大小的要求较高。

房室由于缺乏生热，必须时刻处于“充电”状态。

（2.20.20）日本钢铁企业正在研发一种三步式炼焦工艺SCOPE21.它将快速加热、结块以及中温渗碳结合在一起。

（见图1.8）/10,22/这种方法已经完成在实验室的测试。

计划将2001年建造一个试验工厂。

图1.8SCOPE-21方法

在欧洲，单室系统（SCS）项目是以竖式炼焦炉原理为基础的。

在德国，SCS的主要特征在于炼焦炉从电池复合物和尺寸选择的随机性中蜕变。

这个反应炉设计方面的主要特点是,单室系统与传统的多室系统截然相反。

SCS在基于独立有模技术过程操作的基础上，应该能够减少生产成本并且大幅增加生产的灵活性。

（18.24.20.2）

SCS技术的使用已经在德国得以实现。

1993年，一个含有煤炭预热装置和程式加热装置的实验厂在Prosper炼焦厂开始运作。

（图1.9）（10.15）测试取得了积极的结果。

图1.9单室系统

以上所提到多种不同的炼焦系统都非常注重环保以及规模生产的可能性。

传统的煤矿副产品在炼焦上具有较多的劣势。

比如，高额投资以及用于环保和工业为生上的生产成本。

/2/

双产品炼焦厂是一种通过只生产高质量焦炭和用于燃料或源动力的高热值气体的方式，解决煤炭副产品循环利用的方法。

这种方法最简单的运用应该是HRS工艺，在该工艺中，所有原始的气体都在炉的内部消耗，并且废热和余热将会在设备中循环利用。

由于炉内负压，煤的碳化过程中没有可见的排放物。

欧洲的观点包括在拥有大容量槽式炉的同时维护电池并且找到利用炼焦炉气体的新用处。

目前有两种可能性正在被研究：

（4）

1．用不完全氧化生产合成气

2．直接燃烧高温源气并用于生产用蒸汽或发电。