炼焦厂结焦过程及配煤炼焦与生产操作实践

◎刘洋

目前，由于世界范围内优质炼焦煤资源明显短缺并日趋严重，优质焦炭与优质煤源之间的矛盾是推动配煤炼焦技术以及非炼焦煤炼焦技术发展的主要原因和动力。为了扩大炼焦煤源，将弱黏结煤和不黏结煤用于炼焦，适合于焦炉配煤炼焦的各种新技术，成为解决用较差的炼焦煤炼出优质焦炭的主要方法。

一、炭化室内的结焦过程

（一）煤的成焦过程机理

烟煤是组成复杂高分子有机物混合物，其基本结构单元是不同缩合程度的芳香核，核周边带有侧链，结构单元间以交联键连接。高温炼焦过程大致分为以下阶段。

1.干燥预热阶段。煤由常温加热到350℃失去水分。

2.胶质体形成阶段。在煤受热到350-480℃时，有的侧链和交联键断裂，出现缩聚和重排反应，形成相对分子质量较小的有机物。黏结性煤转化为胶质状态，相对分子质量较小的以气的形态析出或存在于胶质体中，相对分子质量较大的以固态形式存在于胶质体中，形成胶质体。由于液相在煤粒表面形成，把诸多粒子汇集在一起，胶质体的形成对煤的黏结成焦非常重要。不能形成胶质体的煤缺乏黏结性；黏结性好的煤热解时形成的胶质状的液相物质多，热稳定性好。

3. 半焦形成阶段。在温度超过胶质体固化温度480℃-650℃时，液相的热缩聚速度超过其热解速度，增加了气相和固相的生成，煤的胶质体不断固化，形成半焦。胶质体的固化是液相缩聚的结果，此种缩聚出现于液相间或吸附了液相的固体颗粒表面。

4.焦炭形成阶段。在当温度升高到650-1000℃时，半焦内的不稳定有机物不断热分解和热缩聚，这时热分解的产物主要是气体，前期主要是甲烷和氢，之后，气体相对分子质量越来越小，750℃以后主要是氢。随着气体的析出，半焦的质量减少很多，体积收缩。由于煤在干馏时是分层结焦的，在同一时刻，煤料内部各层处于的成焦阶段不同，收缩速度也不同；又由于煤中有惰性颗粒，因此产生较大的内应力，应力在大于焦饼强度时，焦饼上形成裂纹，焦饼分裂成焦块。

（二）煤在炭化室内的结焦

l.单向供热、成层结焦。由于炭化室的测向供热，炭化室内煤料的结焦过程需要的热能是以高温炉墙侧向炭化室中心逐渐传递的。炭化室中心面上炉料温度始终最低，所以，结焦末期炭化室中心面温度（焦饼中心温度）可作为焦饼成熟程度的标志，即为炼焦最终温度。在炼焦生产上常测定焦饼中心温度以考察焦炭的成熟程度，并要求测温管位于炭化室的中心线上。

2.结焦过程中，各层炉料的传热性能随温度的不同而变化。各层煤料的温度与状态由于单向供热和成层结焦，各层的升温速度也不同，结焦过程中不同状态的各种中间产物的热容、导热系数、相变热、反应热等都不同，如最靠近炉墙的炉料升温速度最快，约5℃/min 以上，而位于炭化室中心部位的炉料升温速度最慢，约2℃/min 以下，这种温度上的变化区别必然造成焦炭质量的差异。所以炭化室内煤料中是不均匀、不稳定温度场，在传热过程属不稳定传热。

3.炭化室内产生膨胀压力。由于成层结焦，两个大体上平行于两侧炭化室墙面的塑性层从两侧向炭化室中心面不断移动，因炭化室底面温度和顶面温度很高，在煤料的上层和下层也会形成塑性层。这样，围绕中心煤料形成的塑性层如同一个膜袋，膜袋内的煤热解出现气态产物，因其塑性层的不透气性而使膜袋膨胀，这种压力一般称为膨胀压力。

膨胀压力的大小随结焦过程而变化，在两个塑性层面在炭化中心汇合时，两边外侧已是焦炭和半焦，焦炭和半焦需热少而传热好，造成塑性层内的温度急剧升高，气态迅速增加，这时膨胀压力达到最大值。煤料结焦过程中产生适当大小的膨胀压力，这有利于煤的黏结，要根据炭化室墙的结构强度。炼焦炉组的相邻两个炭化室总是处于不同的结焦阶段，每个炭化室内煤料膨胀压力方向都是从炭化室中心向两侧炭化室墙面。

二、配煤炼焦

（一）炼焦用煤及其结焦特性

炼焦用煤有气煤、肥煤、焦煤、瘦煤等，其煤化程度依次增大，挥发分依次减小。半焦收缩度依次减小，收缩裂纹依次减少，块度依次增加。以上各种煤的结焦特性如下：

1.气煤。气煤的煤化程度较小，挥发性大。成焦后裂纹最多、最宽、最长，大多数为纵裂纹。

2.肥煤。肥煤的煤化程度比气煤高，属中等变质程度的煤。在配煤过程中，加肥煤后能起到提高黏结性的作用，为多配入黏结性差的煤的前提条件，如多加瘦煤等弱黏煤，既可扩大煤源，又可减轻炭化室墙的压力，以利推焦。然而，肥煤的结焦性较差，配合煤中用此煤时，气煤用量必须减少。

3.焦煤：焦煤的挥发分适中，比肥煤低，膨胀压力很大。半焦最大收缩的温度（即开始出现裂纹的温度）较高，约为600℃-700℃，收缩过程缓和，最终收缩量也较低，焦块裂纹少、块大、气孔壁厚、机械强度高。焦煤是能炼制出高质量焦炭最优质的煤。炼焦时，为提高焦炭强度，调节配合煤半焦的收缩度，可适量配入优质焦煤，但也不宜多用。由于我国焦煤储量少，膨胀压力大，收缩量小，在炼焦过程中对炉墙非常不利，并且还可能导致推焦困难。

4.瘦煤：瘦煤煤化程度较高，是低挥发分的中等变质程度的黏结性煤，热解时产生的液体产物少，热解温度区间最窄，其黏结性差。半焦收缩过程平缓，收缩量最低，最大收缩温度较高，瘦煤炼成的焦炭块度大，裂纹少，而熔融性较差，其碳结构的层面间容易撕裂，耐磨性能也较差。

炼焦时，在黏结性较好、收缩量大的煤中适当配入，能够增大焦炭的块度，还可充分利用煤炭资源。

（二）配合煤的质量指标

1.水分：要力求使配煤的水分稳定，以利于焦炉加热制度稳定。来煤应尽量避免直接进配煤槽，应在煤场堆放上一段时间，沥水稳定水分，或通过干燥，稳定装炉煤的水分。配合煤水分稳定在10%-12%较为合适。

2.灰分。配合煤灰分可直接测定，也可把各单种煤的灰分用加权平均计算得到。为了降低配煤中的灰分，应适当少配中等煤化度的焦煤、肥煤，多配高挥发分弱黏煤。

3.挥发分。煤的挥发分是煤中有机质热分解的产物，可按配煤中各单种煤的挥发分加权平均计算得到。配煤挥发分的高低，决定煤气和化工产品的产率，也对焦炭强度产生影响。对大型高炉用焦炭，在常规炼焦时，配合煤料适宜的挥发分在25%-28%，这时焦炭的气孔率和比表面积最小，焦炭的强度最好。若挥发分过高，焦炭的平均粒度小，抗碎强度低，而且焦炭的气孔率高，各向异性程度低，对焦炭质量不利。合理利用煤炭资源，提高化学产品的产率，尽可能多配气煤，也可使配煤挥发分控制在28%-30%。

4.硫分。我国不同地区所产煤含硫量不同，东北、华北地区的煤含硫较低。硫是高炉炼铁的有害成分，焦炭硫分一般要求小于10%-1.2%，因此，配煤的硫分应控制在1%以下。降低配煤硫含量的途径，通过洗选除掉部分无机硫，配合煤料时，要把高、低硫煤调配使用。

5.黏结性。黏结性是配煤炼焦中首先考虑的指标。煤的黏结性是指烟煤粉碎后，发生热分解，产生具有流动性的胶质体，可与一定量的惰性颗粒混熔结合，形成气、液、固相的均匀体，其体积有所膨胀，这种在干馏时黏结本身和惰性物的能力，就是煤的黏结性。

6.膨胀压力。膨胀压力也是配煤中必须考虑的指标。膨胀压力的大小与煤的黏结性和煤在热解时形成的胶质体性质相关。挥发分高的弱黏结性煤，膨胀压力小；胶质体不透气性强，膨胀压力大。膨胀压力可促进胶质体均匀化，加强煤的黏结。对黏结性弱的煤，可通过提高堆密度的办法增大膨胀压力。而膨胀压力过大，会损坏炉墙。

7.煤料细度。煤料必须粉碎才能均匀混合。细度过低，配合煤混合不均匀，焦炭内部结构不均一，强度降低。要尽量减少粒度小于0.5mm 的细粉含量，以减轻装炉时的烟尘逸散，以防止导致集气管内焦油渣增加，焦油质量变坏，造成上升管的堵塞。

三、炼焦生产实践操作

（一）焦炉装煤的要求

l.装满。装煤不满会减少产量，而且会使炉顶空间温度升高，酵素煤气的裂解沉积炭的形成，易导致推焦困难和堵塞上升管；而也不宜过满，以防堵塞装煤孔，使荒煤气困难而大量冒烟冒火，导致环境污染并有损炉体，装煤过满还会使上部供热不足而出现生焦。

2.压实。煤塔和煤车放煤必须迅速，使装煤紧实，既可增加装煤量，改善焦炭质量，还可减少装煤时间并减轻装煤冒烟程度。

3..拉平。放煤后必须平好煤，不能有缺角、塌腰、堵塞装煤孔等不正常现象，以利荒煤气畅流。为缩短平煤时间及减少平煤带出量，煤车各斗取煤量应适当，放煤顺序必须合理，平煤杆不要过早伸入炭化室内。

4.均匀。装煤均匀是影响加热制度、焦饼成熟均匀的重要因素。炭化室的供热量一样，若各炭化室的装煤量不均匀，会使焦炭的成熟度不一样，炉温均匀性受到破坏，甚至出现高温事故。因此，每孔炭化室装煤量应均衡。

5.焦炉装煤过程的烟尘控制，装炉时产生的烟尘可用以下方法加以控制：上升管喷射、顺序装煤、使用连通管、装煤车带有强制抽烟和净化设备。以上方法各有优缺点，实践中往往把几种方法组合并用，才能完全消除烟尘的散发。同时，提高炉顶操作的机械化、自动化程度是改善炉顶操作的重要措施。

（二）焦炉出焦

1.出焦操作的要求。

出焦操作的总体要求是准时、稳准。焦炉出焦时，必须注意以下几点：

（1）焦炉的出焦必须严格有计划进行，以实现均衡生产。使整个炉组实现定时、准点出焦。

（2）出焦时，只有接到拦焦车和熄焦车巳经做好接焦准备的信号时方能推焦。

（3）推焦后及时清扫尾焦。炉门必须关闭严密，严防炉门冒烟、冒火。

（4）推焦时，应注意推焦电流。焦饼难推的原因是多方面的。常见的有：焦饼收缩不好、过火碎裂并倒塌、装煤孔堵服、炉墙变形、炉门框夹焦、炉墙石墨过厚、喷浆面突出和推焦杆变形等。在出焦困难时，第一次未推出，必须查明原因，根据具体情况采取措施后，再继续推焦。需用人工扒出部分焦炭，以减少推焦时阻力后再推焦。

2.推焦串序。

一座焦炉的各炭化室装煤、出焦是根据一定的顺序进行的，此顺序即为推焦串序。（l）相邻炭化室的结焦时间最好相差一半。（2）充分发挥焦炉机械的使用效率，减少机械操作全炉的行程次数。（3）新装煤的炭化室必须均匀分布于全炉，以利集气管长方向煤气压力和炉组纵长方向温度的均匀分布，改善操作条件。

3.出焦过程的烟尘控制。

（l）出焦过程的烟尘来源。熄焦时，赤热的焦炭在熄焦塔内，用水喷洒时，产生大量水蒸气并快速上升，蒸汽流将粉焦带出并散发。此时散发的粉尘量与装煤时的相近。如采用含酚废水熄焦，上升的蒸汽中还有酚等有毒气体，造成大气污染。

（2）出焦过程的烟尘控制。①在炉子的焦侧安装固定棚罩。②移动罩——移动式气体净化装置。在熄焦车上，安装固定集尘罩，它封闭了熄焦车的三个侧面和顶部，仅向焦炉的侧面敞开，以接受焦炭。在熄焦塔内，喷洒水可由该侧面进入车内。导焦槽的两个侧面和顶、底部也被密封，当熄焦车停在推焦位置时，敞开侧可被拦焦车上安设的密封挡板构成第四个侧面。提高了收尘效率。③移动罩——固定式气体净化装置。推焦时散发的烟尘，由位于熄焦上部的集尘罩，集尘罩上的出气管与固定通道的支管（每个炉孔一个），由气动闸门或连通器等装置接通。

（三）熄焦

1.湿法熄焦。

熄焦在熄焦塔内进行，熄焦水由水泵直接送熄焦塔喷洒管，用水量为2m3/t 干煤。熄焦过程中约20%的水蒸发，可用生化处理后的水补充；澄清后的水流水池循环使用。沉淀池中的焦粉由抓斗机抓出，脱水外运。熄焦后的焦炭，卸至焦台停留30-40min，使其水分蒸发和冷却，剩余红焦在此补充消火。

熄焦过程的关键是控制水分稳定，全焦水分应小于6%。因此，熄焦车接焦时的行车速度要与焦饼推出速度相适应，使焦炭分布均匀。

2.干法熄焦。

干熄焦技术早在30年代就开始出现.多年来曾过多种形式的干熄焦装置，有多室式、笼箱式和集中槽式等。前两种属于早期研制，技术与设备不够完善，有投资高、漏气多、散热大、热效率低等缺点，已逐渐被淘汰。集中槽式为目前普遍采用的一种干熄焦装置。干法熄焦与湿法熄焦相比，有如下优点：（l）有效地利用焦炭的热量，避免环境污染。由焦炉热平衡可知，焦炭离开焦炉时带出的热量约占炼焦耗热量的40%。在湿法熄焦中，这部分热量被全部损失掉了，而且污染环境。而干法熄焦利用惰性气体冷却焦炭，被加热的惰性气体经废热锅炉出现蒸汽，每吨红焦可产生蒸汽400kg 以上。由于熄焦在密闭的循环系统中进行，不需熄灭水，消除对空气和水的污染。（2）提高了焦炭质量。焦炭在惰性气流通过时，被缓慢而均匀地冷却，没有湿法熄焦过程中的剧冷现象，而且焦炭是干的。所以，得到的焦炭块度均匀，强度和真密度都提高，粉焦率少，反应性降低。（3）提高焦炉的生产能力。由于焦炭质量的提高，可增加配煤中气煤和弱黏煤的配比，使高炉冶炼的焦比降低0.5%-2.3%。高炉生产能力提高。

3.熄焦过程的防尘。

炼焦生产过程中，熄焦是阵发性污染源，排放的粉尘量约占焦炉总排放量10%以上。干法熄焦的防尘方法类似出焦过程的处理方法，即采用集尘罩、洗涤器等。

湿法熄焦的粉尘治理可在熄焦塔自然通风道内设置挡板和过滤网，能够捕集绝大部分随熄焦蒸汽散发至大气并散落在熄焦塔周围地区的大量粉尘。为清除挡板和过滤网上的粉尘，要增添喷雾水泵，在挡板和过滤网上部喷洒水雾。这种方式在现用的熄焦塔上安装方便，集尘效果较好，而由于塔内气体阻力增加，蒸汽常会从熄焦塔下部喷出。