煉焦廠結焦過程及配煤煉焦與生產操作實踐

◎劉洋

目前，由于世界范圍內優質煉焦煤資源明顯短缺并日趨嚴重，優質焦炭與優質煤源之間的矛盾是推動配煤煉焦技術以及非煉焦煤煉焦技術發展的主要原因和動力。為了擴大煉焦煤源，將弱黏結煤和不黏結煤用于煉焦，適合于焦爐配煤煉焦的各種新技術，成為解決用較差的煉焦煤煉出優質焦炭的主要方法。

一、炭化室內的結焦過程

（一）煤的成焦過程機理

煙煤是組成復雜高分子有機物混合物，其基本結構單元是不同縮合程度的芳香核，核周邊帶有側鏈，結構單元間以交聯鍵連接。高溫煉焦過程大致分為以下階段。

1.干燥預熱階段。煤由常溫加熱到350℃失去水分。

2.膠質體形成階段。在煤受熱到350-480℃時，有的側鏈和交聯鍵斷裂，出現縮聚和重排反應，形成相對分子質量較小的有機物。黏結性煤轉化為膠質狀態，相對分子質量較小的以氣的形態析出或存在于膠質體中，相對分子質量較大的以固態形式存在于膠質體中，形成膠質體。由于液相在煤粒表面形成，把諸多粒子匯集在一起，膠質體的形成對煤的黏結成焦非常重要。不能形成膠質體的煤缺乏黏結性；黏結性好的煤熱解時形成的膠質狀的液相物質多，熱穩定性好。

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

4.焦炭形成階段。在當溫度升高到650-1000℃時，半焦內的不穩定有機物不斷熱分解和熱縮聚，這時熱分解的產物主要是氣體，前期主要是甲烷和氫，之后，氣體相對分子質量越來越小，750℃以后主要是氫。隨著氣體的析出，半焦的質量減少很多，體積收縮。由于煤在干餾時是分層結焦的，在同一時刻，煤料內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，因此產生較大的內應力，應力在大于焦餅強度時，焦餅上形成裂紋，焦餅分裂成焦塊。

（二）煤在炭化室內的結焦

l.單向供熱、成層結焦。由于炭化室的測向供熱，炭化室內煤料的結焦過程需要的熱能是以高溫爐墻側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志，即為煉焦最終溫度。在煉焦生產上常測定焦餅中心溫度以考察焦炭的成熟程度，并要求測溫管位于炭化室的中心線上。

2.結焦過程中，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由于單向供熱和成層結焦，各層的升溫速度也不同，結焦過程中不同狀態的各種中間產物的熱容、導熱系數、相變熱、反應熱等都不同，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別必然造成焦炭質量的差異。所以炭化室內煤料中是不均勻、不穩定溫度場，在傳熱過程屬不穩定傳熱。

3.炭化室內產生膨脹壓力。由于成層結焦，兩個大體上平行于兩側炭化室墻面的塑性層從兩側向炭化室中心面不斷移動，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形成塑性層。這樣，圍繞中心煤料形成的塑性層如同一個膜袋，膜袋內的煤熱解出現氣態產物，因其塑性層的不透氣性而使膜袋膨脹，這種壓力一般稱為膨脹壓力。

膨脹壓力的大小隨結焦過程而變化，在兩個塑性層面在炭化中心匯合時，兩邊外側已是焦炭和半焦，焦炭和半焦需熱少而傳熱好，造成塑性層內的溫度急劇升高，氣態迅速增加，這時膨脹壓力達到最大值。煤料結焦過程中產生適當大小的膨脹壓力，這有利于煤的黏結，要根據炭化室墻的結構強度。煉焦爐組的相鄰兩個炭化室總是處于不同的結焦階段，每個炭化室內煤料膨脹壓力方向都是從炭化室中心向兩側炭化室墻面。

二、配煤煉焦

（一）煉焦用煤及其結焦特性

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。以上各種煤的結焦特性如下：

1.氣煤。氣煤的煤化程度較小，揮發性大。成焦后裂紋最多、最寬、最長，大多數為縱裂紋。

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

3.焦煤：焦煤的揮發分適中，比肥煤低，膨脹壓力很大。半焦最大收縮的溫度（即開始出現裂紋的溫度）較高，約為600℃-700℃，收縮過程緩和，最終收縮量也較低，焦塊裂紋少、塊大、氣孔壁厚、機械強度高。焦煤是能煉制出高質量焦炭最優質的煤。煉焦時，為提高焦炭強度，調節配合煤半焦的收縮度，可適量配入優質焦煤，但也不宜多用。由于我國焦煤儲量少，膨脹壓力大，收縮量小，在煉焦過程中對爐墻非常不利，并且還可能導致推焦困難。

4.瘦煤：瘦煤煤化程度較高，是低揮發分的中等變質程度的黏結性煤，熱解時產生的液體產物少，熱解溫度區間最窄，其黏結性差。半焦收縮過程平緩，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，其碳結構的層面間容易撕裂，耐磨性能也較差。

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

（二）配合煤的質量指標

1.水分：要力求使配煤的水分穩定，以利于焦爐加熱制度穩定。來煤應盡量避免直接進配煤槽，應在煤場堆放上一段時間，瀝水穩定水分，或通過干燥，穩定裝爐煤的水分。配合煤水分穩定在10%-12%較為合適。

2.灰分。配合煤灰分可直接測定，也可把各單種煤的灰分用加權平均計算得到。為了降低配煤中的灰分，應適當少配中等煤化度的焦煤、肥煤，多配高揮發分弱黏煤。

3.揮發分。煤的揮發分是煤中有機質熱分解的產物，可按配煤中各單種煤的揮發分加權平均計算得到。配煤揮發分的高低，決定煤氣和化工產品的產率，也對焦炭強度產生影響。對大型高爐用焦炭，在常規煉焦時，配合煤料適宜的揮發分在25%-28%，這時焦炭的氣孔率和比表面積最小，焦炭的強度最好。若揮發分過高，焦炭的平均粒度小，抗碎強度低，而且焦炭的氣孔率高，各向異性程度低，對焦炭質量不利。合理利用煤炭資源，提高化學產品的產率，盡可能多配氣煤，也可使配煤揮發分控制在28%-30%。

4.硫分。我國不同地區所產煤含硫量不同，東北、華北地區的煤含硫較低。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，配煤的硫分應控制在1%以下。降低配煤硫含量的途徑，通過洗選除掉部分無機硫，配合煤料時，要把高、低硫煤調配使用。

5.黏結性。黏結性是配煤煉焦中首先考慮的指標。煤的黏結性是指煙煤粉碎后，發生熱分解，產生具有流動性的膠質體，可與一定量的惰性顆?；烊劢Y合，形成氣、液、固相的均勻體，其體積有所膨脹，這種在干餾時黏結本身和惰性物的能力，就是煤的黏結性。

6.膨脹壓力。膨脹壓力也是配煤中必須考慮的指標。膨脹壓力的大小與煤的黏結性和煤在熱解時形成的膠質體性質相關。揮發分高的弱黏結性煤，膨脹壓力??；膠質體不透氣性強，膨脹壓力大。膨脹壓力可促進膠質體均勻化，加強煤的黏結。對黏結性弱的煤，可通過提高堆密度的辦法增大膨脹壓力。而膨脹壓力過大，會損壞爐墻。

7.煤料細度。煤料必須粉碎才能均勻混合。細度過低，配合煤混合不均勻，焦炭內部結構不均一，強度降低。要盡量減少粒度小于0.5mm 的細粉含量，以減輕裝爐時的煙塵逸散，以防止導致集氣管內焦油渣增加，焦油質量變壞，造成上升管的堵塞。

三、煉焦生產實踐操作

（一）焦爐裝煤的要求

l.裝滿。裝煤不滿會減少產量，而且會使爐頂空間溫度升高，酵素煤氣的裂解沉積炭的形成，易導致推焦困難和堵塞上升管；而也不宜過滿，以防堵塞裝煤孔，使荒煤氣困難而大量冒煙冒火，導致環境污染并有損爐體，裝煤過滿還會使上部供熱不足而出現生焦。

2.壓實。煤塔和煤車放煤必須迅速，使裝煤緊實，既可增加裝煤量，改善焦炭質量，還可減少裝煤時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?，F象，以利荒煤氣暢流。為縮短平煤時間及減少平煤帶出量，煤車各斗取煤量應適當，放煤順序必須合理，平煤桿不要過早伸入炭化室內。

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，會使焦炭的成熟度不一樣，爐溫均勻性受到破壞，甚至出現高溫事故。因此，每孔炭化室裝煤量應均衡。

5.焦爐裝煤過程的煙塵控制，裝爐時產生的煙塵可用以下方法加以控制：上升管噴射、順序裝煤、使用連通管、裝煤車帶有強制抽煙和凈化設備。以上方法各有優缺點，實踐中往往把幾種方法組合并用，才能完全消除煙塵的散發。同時，提高爐頂操作的機械化、自動化程度是改善爐頂操作的重要措施。

（二）焦爐出焦

1.出焦操作的要求。

出焦操作的總體要求是準時、穩準。焦爐出焦時，必須注意以下幾點：

（1）焦爐的出焦必須嚴格有計劃進行，以實現均衡生產。使整個爐組實現定時、準點出焦。

（2）出焦時，只有接到攔焦車和熄焦車巳經做好接焦準備的信號時方能推焦。

（3）推焦后及時清掃尾焦。爐門必須關閉嚴密，嚴防爐門冒煙、冒火。

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

2.推焦串序。

一座焦爐的各炭化室裝煤、出焦是根據一定的順序進行的，此順序即為推焦串序。（l）相鄰炭化室的結焦時間最好相差一半。（2）充分發揮焦爐機械的使用效率，減少機械操作全爐的行程次數。（3）新裝煤的炭化室必須均勻分布于全爐，以利集氣管長方向煤氣壓力和爐組縱長方向溫度的均勻分布，改善操作條件。

3.出焦過程的煙塵控制。

（l）出焦過程的煙塵來源。熄焦時，赤熱的焦炭在熄焦塔內，用水噴灑時，產生大量水蒸氣并快速上升，蒸汽流將粉焦帶出并散發。此時散發的粉塵量與裝煤時的相近。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）出焦過程的煙塵控制。①在爐子的焦側安裝固定棚罩。②移動罩——移動式氣體凈化裝置。在熄焦車上，安裝固定集塵罩，它封閉了熄焦車的三個側面和頂部，僅向焦爐的側面敞開，以接受焦炭。在熄焦塔內，噴灑水可由該側面進入車內。導焦槽的兩個側面和頂、底部也被密封，當熄焦車停在推焦位置時，敞開側可被攔焦車上安設的密封擋板構成第四個側面。提高了收塵效率。③移動罩——固定式氣體凈化裝置。推焦時散發的煙塵，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（每個爐孔一個），由氣動閘門或連通器等裝置接通。

（三）熄焦

1.濕法熄焦。

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

熄焦過程的關鍵是控制水分穩定，全焦水分應小于6%。因此，熄焦車接焦時的行車速度要與焦餅推出速度相適應，使焦炭分布均勻。

2.干法熄焦。

干熄焦技術早在30年代就開始出現.多年來曾過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，技術與設備不夠完善，有投資高、漏氣多、散熱大、熱效率低等缺點，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，有如下優點：（l）有效地利用焦炭的熱量，避免環境污染。由焦爐熱平衡可知，焦炭離開焦爐時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廢熱鍋爐出現蒸汽，每噸紅焦可產生蒸汽400kg 以上。由于熄焦在密閉的循環系統中進行，不需熄滅水，消除對空氣和水的污染。（2）提高了焦炭質量。焦炭在惰性氣流通過時，被緩慢而均勻地冷卻，沒有濕法熄焦過程中的劇冷現象，而且焦炭是干的。所以，得到的焦炭塊度均勻，強度和真密度都提高，粉焦率少，反應性降低。（3）提高焦爐的生產能力。由于焦炭質量的提高，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%。高爐生產能力提高。

3.熄焦過程的防塵。

煉焦生產過程中，熄焦是陣發性污染源，排放的粉塵量約占焦爐總排放量10%以上。干法熄焦的防塵方法類似出焦過程的處理方法，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道內設置擋板和過濾網，能夠捕集絕大部分隨熄焦蒸汽散發至大氣并散落在熄焦塔周圍地區的大量粉塵。為清除擋板和過濾網上的粉塵，要增添噴霧水泵，在擋板和過濾網上部噴灑水霧。這種方式在現用的熄焦塔上安裝方便，集塵效果較好，而由于塔內氣體阻力增加，蒸汽常會從熄焦塔下部噴出。