魏美迎，鄭忠英

(1.新地能源工程技術有限公司，天津 300022;2.北京新元創(chuàng)能深冷技術有限公司，北京 100176)

焦炭質量影響因素探討

魏美迎1，鄭忠英2

(1.新地能源工程技術有限公司，天津 300022;2.北京新元創(chuàng)能深冷技術有限公司，北京 100176)

探討了影響焦炭質量的因素，其中原料煤性質是主要因素，此外煉焦條件也起了很重要的作用，并分析了焦炭熱態(tài)性能。結合經(jīng)驗理論和生產(chǎn)實際，提出要優(yōu)化煉焦條件和配煤質量控制，尤其要重視灰分及礦物質組成檢測。

焦炭質量;熱態(tài)性能;礦物質組成

近年來，隨著高爐大型化、高風溫、精料、富氧和噴吹等新技術的采用，高爐煉鐵對焦炭質量提出了更高的要求，同時也促使人們在對待焦炭質量的認識、研究方法和質量改善措施上都有很大變化。這一時期，人們對焦炭在高爐中行為的研究更加重視，深入研究了焦炭工藝性質及焦炭的結構和微觀性質。此外，在煉焦配煤，煉焦工藝及生產(chǎn)管理等方面也進行了大量研究，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。

1 焦炭質量影響因素

影響焦炭質量的因素很多，總的來說可以分為原料煤性質、備煤工藝和煉焦條件三個方面。

1.1 原料煤性質

焦炭質量最關鍵的影響因素是原料煤性質。煤質的評價指標很多，與焦炭質量有關的且至目前世界各國用來預測焦炭質量的煤質指標一般可以分為三類，即煤化度(變質程度)、黏結性和巖相組成(活惰比)。要得到高質量焦炭，煤質指標一般需滿足以下條件：

①配煤的黏結性。煤的黏結性指標很多，我國常用的有膠質層厚度y、基式流動度MF、奧亞膨脹度b、黏結指數(shù)G等。生產(chǎn)實踐表明，只有適宜的配煤黏結性才能生產(chǎn)出滿足高爐需要的焦炭。一般要求MF為50～1 000 ddpm，b大于20%，y值為14～18 mm，G值為65～85，配煤的黏結性與揮發(fā)分是表征配煤性質最常用的指標。

②配煤的揮發(fā)分。一般煉焦配煤的揮發(fā)分為25%～30%，高于35%時，即使配煤黏結性很好，也很難得到高強度焦炭，此時焦炭氣孔多，氣孔壁強度差;低于25%時，雖能得到高強度焦炭，但因為容易產(chǎn)生較大壓力膨脹和較小焦餅收縮，造成爐墻受損和推焦困難。

③配煤中煤巖組分的比例。一般配煤的顯微組分中的活性組分應占主要部分，惰性組分也應有適當比例。惰性組分的比例因煤化度不同而異，當配煤的平均最大反射率Rmax小于1.3時，以30% ～32%為好，當 Rmax大于1.3時，以25% ～30%為好［1］。

不同煤化度煤在配煤中的比例要適中，黏結性結焦性好的中等煤化度煤(Vdaf=20%～30%)的配入比對焦炭質量的影響最大，這種煤被稱為配煤中的基礎煤，配入比例一般不宜低于55%～60%，其余40%～45%的煤要根據(jù)所用高或低煤化度的黏結性來適當配入。

④配煤的灰分。煤的灰分是指煤中所有可燃物質完全燃燒時，煤中礦物質在一定溫度下經(jīng)過一系列分解、化合等復雜反應后剩下的殘渣。煤的灰分與煤中礦物質有密切的關系。煉焦煤中的灰分會影響焦炭質量?；曳衷跓捊股a(chǎn)中是一種無用的雜質，不僅不易破碎，造成煉焦煤料的細度不好，而且在煉焦時不熔融，不黏結也不收縮。煤中絕大部分灰分轉入焦炭中，較大的顆粒在焦炭內(nèi)形成裂紋中心，降低焦炭的機械強度。某些灰成分還使焦炭的熱反應性增強，焦炭的反應后強度降低。一般認為，焦炭灰分增加1%，煉鐵焦比增加2%～2.5%，石灰石增加4%，高爐產(chǎn)量下降3%。所以，一般要求煉焦用煤的灰分不應大于10%。

1.2 備煤工藝

在備煤工藝方面公認的影響因素及措施有［2-3］：

1.2.1 入爐煤的堆密度

堆密度增加則結焦性增加，提高堆密度是改善焦炭強度的主要途徑。堆密度提高，煉焦煤在軟化熔融階段產(chǎn)生的膠質體數(shù)量和質量都會隨之提高，提高了結合和包裹惰性物質的能力，因而有利于提高焦炭質量。提高堆密度對應的工藝有：煤料搗固、型煤壓塊、煤調(diào)濕技術等。

煤料搗固。將煉焦煤在爐外搗固，使其堆積密度提高到950～1 150 kg/m3，一般可使焦炭M40提高1%～6%，M10改善2%～4%，CSR提高1%～6%。在保證焦炭質量的情況下，采用煤料搗固還可以多配15%～20%的弱黏結性的氣煤及氣肥煤。

型煤壓塊。將煉焦裝爐煤的一部分進行壓塊成型，與散狀煤料混合裝爐煉焦，通過提高裝爐煤堆密度來改善焦炭質量。一般情況下，焦炭質量在一定范圍內(nèi)隨型煤配入量的增加而提高，如果保持焦炭機械強度不變，則可增加10%～15%的弱黏結性煤的用量。如寶鋼在煉焦用煤中多配入弱黏結性氣煤，并滿足4 000 m3大型高爐的生產(chǎn)要求，從新日鐵引進的成型煤工藝，取得了較好的經(jīng)濟效益。

煤調(diào)濕技術。煤調(diào)濕技術是將煉焦煤料在裝爐前除掉一部分水分，保持裝爐煤水分穩(wěn)定且相對較低(一般為6%左右)。這項技術因其具有顯著的節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟效益，以及提高焦炭質量等優(yōu)勢而受到普遍重視，并在日本得到迅速發(fā)展。第2代煤調(diào)濕技術以干熄焦發(fā)電機抽出的蒸汽為熱源，在多管回轉式干燥機內(nèi)采用蒸汽與濕煤間接換熱。第3代煤調(diào)濕技術在流化床內(nèi)用焦爐煙道氣與濕煤直接換熱。煤調(diào)濕工藝可使焦爐生產(chǎn)能力提高7.7%，裝爐煤堆密度提高4%～7%。

1.2.2 配合煤的細度和選擇性粉碎

在煉焦過程中，肥煤和焦煤的黏結性較好不宜過度粉碎造成細度過大，而瘦煤氣煤等惰性煤種應粉碎減小其粒度，先配后粉工藝存在如下缺點：要求粉碎細度小的肥煤、焦煤由于其硬度小，易粉碎而造成過細粉碎;相反，要求粉碎細度大的氣煤、瘦煤由于其不易粉碎性造成粉碎細度過小，煤的粒度過大。先配后粉僅適用于煤種黏結性較好，煤質均勻的情況。配煤細度對焦炭質量的影響很大，一般需要控制細度在80%左右，同時需要進行選擇性粉碎，將硬度大的瘦煤和氣煤預粉碎，配入肥煤和焦煤后再將配合煤二次粉碎。

1.2.3 裝爐煤水分

裝爐煤水分對結焦過程有較大影響，水分增高將使結焦時間延長，通常水分每增加1%，結焦時間延長20 min，不僅影響產(chǎn)量，也影響煉焦速度。裝爐煤水分還影響堆密度，煤料的堆密度隨著煤料水分含量的化而變化，煤料水分低于7%時，隨水分降低，堆密度增高，而且增高較快;水分為7%～10%時，煤料的堆密度最小;水分大于10%并逐漸增高時，堆密度也增高，這是由于水分的潤滑作用，促進煤粒相對位移所致，但水分增高同時使結焦時間延長和煉焦耗熱量增高，同時影響焦炭質量，故裝爐煤水分不宜過高。

1.2.4 配添加物

當裝爐煤的黏結性不足時，可以加入適當含活性黏結成份的黏結劑(煤焦油、煤瀝青等)。當揮發(fā)性較高、黏結性足夠時，配入細粉碎的瘦化劑(焦粉、半焦粉、延遲焦等)以減少半焦收縮和焦炭裂紋，從而提高焦炭質量。

1.3 煉焦條件

1.3.1 焦爐的加熱制度

焦爐的加熱要適合而穩(wěn)定，使焦餅均勻成熟是保證焦炭強度的基本條件。加熱制度主要有以下幾方面：第一是煉焦速度，通常是指炭化室平均寬度與結焦時間的比值。煉焦速度反映炭化室內(nèi)煤料結焦過程的平均升溫速度，根據(jù)煤的成焦機理，提高升溫速度可使塑性溫度間隔變寬，流動性改善，有利于改善焦炭質量。但是在室式煉焦條件下，煉焦速度和升溫速度的提高有限，所以其效果僅使焦炭的氣孔結構略有改善，而對焦炭顯微組分的影響則不明顯。第二是煉焦終溫。提高煉焦最終溫度，使結焦后期的熱分解與熱縮聚程度提高。有利于降低焦炭揮發(fā)分和含氫量，使氣孔壁材質致密性提高，從而提高焦炭顯微強度、耐磨強度和反應后強度。但在氣孔壁致密化的同時，微裂紋將擴展，因此抗碎強度則有所降低。第三是燜爐時間。焦餅成熟后適當延長燜爐時間，同樣有利于提高結焦過程的熱聚合程度，促進焦炭石墨化程度的提高，也有助于改善焦炭的微觀性質。近年來，隨著干熄焦技術的使用，日本提出先中溫干餾(700～800℃)，中溫半焦在干熄焦預存室再加熱，使焦炭進一步成熟，以達到改質的效果。

1.3.2 干熄焦

干法熄焦(簡稱干熄焦CDQ)是采用惰性氣體熄滅赤熱焦炭的熄焦方法，具有節(jié)能、提高焦炭質量和環(huán)保三大優(yōu)點。與濕法熄焦相比，焦炭的M40可提高3%～8%，M10改善0.3%～0.8%。干熄焦可降低高爐焦比，有利于高爐爐況順行和提高高爐的生產(chǎn)能力，對采用富氧噴吹技術的大型高爐效果更加顯著。國際上公認，大型高爐采用干熄焦炭可降低焦比2%，提高高爐生產(chǎn)能力1%;干熄焦技術還可在焦炭質量相同的情況下，降低強黏結性焦、肥煤配比，降低煉焦成本。

2 焦炭的熱態(tài)性能

焦炭的熱態(tài)性能主要有熱反應性(CRI)反應后強度CSR。Díez等認為焦炭的反應后強度(CSR)是反映焦炭質量指標的重要因素，它受以下因素影響。煤的變質程度、有機組成和無機礦物質、煉焦條件等是影響反應后強度CSR的主要因素。反應后強度CSR和反應性CRI二者互相影響，CRI高，CSR就差，反之亦然。

焦炭反應性CRI和反應后強度CSR指標是近年來高爐冶金十分重視的參數(shù)，目前國內(nèi)外雖無具體的標準，但有明確的要求。主要表現(xiàn)為以下方面：

①焦炭在爐身中部、下部和爐腰處經(jīng)受CO2的氣化反應及堿金屬侵蝕作用，焦炭表面開始松動而產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象，結果M10增大、粉末增多、透氣性下降、氣流分布變得不均勻，而CRI、CSR兩個指標正是用來衡量焦炭在高爐中經(jīng)受這些行為的能力，因此用焦炭的CRI、CSR來評價焦炭質量無疑要比常溫機械強度更接近高爐的狀況，更有意義。

②由于某種煉焦煤資源短缺而導致配煤制度及煉焦條件發(fā)生重大的改變時，更要注意焦炭的高溫質量指標。如：兩種不同的煤在不同的火道溫度下煉焦時冷態(tài)強度M40、M10基本不變，但熱態(tài)強度CRI、CSR可能變化很大。就其原因是由于配煤制度改變后，原料煤的煤質指標可能變化不大，但二者的礦物質組成發(fā)生很大變化，不同的礦物質對焦炭的催化作用不一樣，從而影響了CRI、CSR指標。

③焦炭的反應性越低則它在風口處與鼓風的反應越慢，且風口前形成的焦炭燃燒面積越大，這樣可以使燃料下降運行更加均勻;若反應性越高則相反。所以高爐容積越大要求CRI越低，CSR越高。

焦炭在高爐中加熱到煉焦溫度時，由于焦炭基質與灰分膨脹性不同，會在灰分周圍產(chǎn)生裂紋，使焦炭加快碎化和粉化，灰分中的金屬氧化物尤其是堿金屬對焦炭與CO2的反應性起催化作用，對大容積高爐，焦炭灰分一般不大于12%。

一般來說焦炭的灰分越小越好，灰分較高時降低了焦炭的固定碳含量和發(fā)熱值，從而不利于鐵水溫度的提高，且還增加了造渣量和熱損失，此外焦炭中的灰分在爐缸內(nèi)部高溫下會形成熔渣吸附在焦炭的表面，阻礙鐵水的滲碳，一般灰分降低1%，焦炭的消耗量約降低4%，鐵水的溫度升高10℃。一般鑄造焦的揮發(fā)分也要低，因為揮發(fā)分高則固定碳含量低，熔化金屬的焦比高，焦炭強度也變低。

高爐爐料中三分之二的硫來自于焦炭，其在焦炭中一部分以硫化物和硫酸鹽形態(tài)存在于灰中，一部分以硫碳化合物的形態(tài)與焦炭緊密結合，對高爐及鐵水質量造成嚴重后果。焦炭中硫分增加時要增加熔劑以便造渣脫硫，從而焦比也會升高。通常情況下，高爐焦的硫含量每增加0.1%，焦比則增加3%，生鐵產(chǎn)量降低2%～5%。

3 結語

總體來說，焦炭質量主要取決于配煤指標和煉焦工藝。焦炭質量的主要指標為高溫下焦炭的熱態(tài)性能指標，而焦炭反應性指標和反應后強度受礦物質影響較大，焦炭的礦物質來源于配合煤，因此焦化企業(yè)必須做好來煤質量檢測尤其要重視灰分及礦物質組成檢測，加強煤場管理，優(yōu)化煉焦條件，合理遵循焦爐溫度制度和壓力制度，以確保焦炭質量處于較高和穩(wěn)定的水平。

［1］ 周師庸，趙俊國.煉焦煤性質與高爐焦炭質量［M］.第1版.北京：冶金工業(yè)出版社，2005：26-35.

［2］ 姚昭彰，鄭明東.煉焦學［M］.第3版.北京：冶金工業(yè)出版社，2005：45-52.

［3］ 鄭明東，水恒福.煉焦新技術［M］.第1版.北京：冶金工業(yè)出版社，2006：87-92.

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1003-3467(2012)06/08-0026-03

2012-03-21

魏美迎(1983-)，女，助理工程師，主要從事化工工程設計工作，電話：022-58861882-8038。