化工原理第八讲-煤和焦炭

第八讲 煤资源及焦炭 冶金原料课程 本讲主要内容 煤 焦炭：主要燃料 煤粉：喷吹燃料 第一部分 煤 煤 煤的作用 概况 煤的形成 煤的结构和性质 煤资源和分类 煤的作用 项目 1985 1990 1995 1996 1997 发电与供热 金 工 材 活 项合计占总消费的比例 煤过程 成煤序列 项目 植物 泥炭 褐煤 烟煤 无烟煤 转变条件 水中，细菌，数千年到数万年 地下（不太深），数百万年 地下（深处），数千万年以上 主要影响因素 生化作用，氧供应状况 压力（加压失水），物化作用为主 温度、压力、时间、化学作用为主 转变阶段 第一阶段泥炭化阶段 第二阶段成岩阶段 煤化阶段变质阶段 中国煤的成煤期 中国煤的分类 煤的结构 煤的岩相组成 宏观煤岩成分包含镜煤、亮煤、暗煤和丝炭。 煤的煤岩显微组分主要分为镜质组、半镜质组、稳定组（壳质组）、丝质组（惰质组）和矿物等。 煤的工业分析 煤的工业分析包括煤中水分、灰分、挥发分的测定及固定碳的计算。 各种基准 空气干燥基：以与空气湿度达到平衡状态的煤为基准，表示符号为 干燥基：以假想无水状态的煤为基准，表示符号为 d（ 收到基：以收到状态的煤为基准，表示符号为 as 干燥无灰基：以假想无水、无灰状态的煤为基准，表示符号为 干燥无矿物质基：以假想无水、无矿物质状态的煤为基准，表示符号为 煤的元素分析 煤的元素分析：确定煤中碳、氢、氧、氮和硫等元素的含量，来检验煤化学组成和煤的有机质特性的方法。 由于在煤的无机质中也含有少量碳、氢、氧、硫等元素，因此在分析煤中有机质的元素组成以及进行煤的分类时，应以在重液（相对密度为 选后的精煤来测定，采用干燥无灰基指标。 煤的元素分析 煤的发热量 煤的发热量是单位质量的煤完全燃烧时放出的热量，单位为 kJ/J/ 目前，国内外均采用氧弹方法测定发热量。它是把一定量的分析煤样置于氧弹热量计中，在充入过量氧的氧弹内，使煤完全燃烧。氧弹热量计的热容量通过在相似条件下和燃烧一定量的基准量热物苯甲酸确定。氧弹预先放在一个盛满水的容器中，根据煤燃烧后水温的升高，计算试样煤的发热量。 煤的发热量定义 煤的发热量有多种表示方式，其中包括弹筒发热量、恒容高位发热量和恒容低位发热量。 弹筒发热量 是单位质量的煤试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧化碳、硝酸和硫酸、液态水以及固态灰时放出的热量。 恒容高位发热量 是单位质量的煤试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧产物组成为 态水以及固态灰时放出的热量。恒容高位发热量也即由弹筒发热量减去硝酸和硫酸校正热后得到的发热量。 恒容低位发热量 是单位质量的煤试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧产物组成为 气态水以及固态灰时放出的热量。低位发热量也即由高位发热量减去水（煤中原有的水和煤中氢含量燃烧生成的水）的气化热后得到的发热量。 煤的性质 煤的物理性质 ：煤的光泽、颜色、煤的密度； 煤的表面性质 ：润湿性、比表面积和孔隙度等； 煤的光学性质 ：折射率、反射率； 煤的热性质 ：煤的比热容、热导率和热稳定性； 煤的力学性质 ：硬度、强度和煤的可磨性； 煤的化学性质 ：煤与各种化学试剂在一定条件下产生不同化学反应的性质，包括：煤的氧化、加氢、卤化、水解、烷基化等反应，煤与 有煤用不同溶剂萃取的可萃取性； 煤的工艺性质 ：煤在一定加工条件下或转化过程中所呈现的特性，如：煤的塑性、煤的可选性、煤的粘结性、煤的结焦性、煤灰熔融性和煤的结渣性等。 我国煤资源特点 我国已探明的炼焦煤和无烟煤的可采储量不多； 我国的炼焦煤资源的地区分布很不均匀 ， 在全国各省 (市 、区 )中 ， 山西省炼焦煤的可采储量占 50 。 安徽 、 贵卅 、山东 、 河北 、 黑龙江和河南等六省炼焦煤的可采储量稍多 ， 但其中储量最多的安徽也不到全国的 10 ； 我国炼焦煤的资源 、 生产能力 、 产量及洗选能力和各煤种精煤产量与焦炭生产的实际需求很不匹配 ， 气煤和 1 3焦煤过大 ， 而肥煤和焦煤在地域分布方面过于集中 ，将 长 期 造 成 西 煤 东 运 、 北 煤 南 运 的 困 难 局 面 ； 我国不同类别炼焦烟煤的可选性 、 灰分和硫分等均有明显差异 ， 通常以气煤和 1 3焦煤的硫分较低 ， 可选性较好 ， 其洗选后的精煤回收率可高达 70% 90 ， 而肥煤以中硫份煤为主 ， 焦煤的灰分相对较高 。 且肥煤和焦煤的可选性一般较差 ， 精煤回收率常低至 30% 60 。 2003年世界前 7位产煤国家 排序 国家 生产量 （亿吨油当量） 占世界 % 1 中国 美国 澳大利亚 印度 南非 俄罗斯 7 波兰 界合计 00 中国产量排在第一！占世界 2003年世界煤炭储量前 7位国家 排序 国家 探明储量 (亿吨） 占世界 储采比 1 美国 58 2 俄罗斯 500 3 中国 1145 9 4 印度 30 5 澳大利亚 36 6 德国 660 22 7 南非 207 世界合计 00 192 中国储量排在第三！储采比 69！ 2003年世界消耗煤炭前 7位国家 排序 国家 消费量 （亿吨油当量） 占世界 % 1 中国 2 美国 3 印度 4 日本 5 俄罗斯 6 南非 7 德国 世界合计 00 中国的消耗量也排在第一！占世界 中国各省的煤炭资源 我国煤资源特点 按各主要聚煤期所形成的煤炭资源的数量差别较大（以侏罗纪成煤最多，占总量的 ）； 从地域上看，煤炭资源相对比较集中（主要集中在山西 内蒙古 宁夏中部成煤地带，所占比例约为 70%以上）； 从煤类上看，从褐煤、烟煤到无烟煤的各煤类资源都有，但数量和分布却极不均衡； 我国煤的可选性差 。 新闻媒体的评述 2003年，山西焦炭生产能力已经达到 8000万吨，产量增幅达 35以上，在建项目超过 5000万吨，还有大批拟建并将在两年内投产的生产能力，届时，山西焦炭产能将达到 果按此产能计算，全省一年将消耗 40年后，山西的焦煤资源将消耗殆尽 ; 2006年 2月焦炭市场会上山西焦炭协会秘书长说，按 2004年山西焦炭产量计算，山西的肥、焦煤资源只能用 70 2005年又一项评述 根据最新统计 ， 我国可用煤炭总储量接近 1900亿吨 ，如果维持 2004年预计的耗用 19亿吨 ， 可以开采 100年 。但是如果再考虑到目前不到 40%的资源回采率 ， 实际上每年将耗用 50亿吨煤炭 ， 这样计算 ， 1900亿吨煤炭也只能用 40年左右 。 著名煤炭问题专家 、 中国能源网 新财经 说 ， 总体来看 ， 现在可以开采的控制的煤炭资源约有 2000亿吨 ， 现在我们每年采煤约 20亿吨 ，而回采率国有煤矿也就约 30%， 小矿可能只有 15%；按 30%计 ， 则每年耗费煤炭资源 60亿吨 ， 那就意味着只能用 30多年 。 第二部分 焦炭 焦 炭 焦炭是由粘结性煤在隔绝空气的条件下干馏所得到的多孔性固体块状物。 焦炭按用途分为冶金焦（包括高炉焦、铸造焦和铁合金焦等）、气化焦和电石用焦等。另外，由煤粉加压成型煤、再经炭化等后处理制成的新型焦炭称为型焦。 冶金焦炭的作用 发热剂：提供 80%的热量； 还原剂： C、 剂，吨铁最低需要 50 透气骨架：高炉内煤气通过的通道； 渗碳剂：吨铁需要 050 炼焦煤种类 炼焦煤种类 单独可以炼焦的煤 主焦煤。 配合后可以炼焦的煤 肥煤：胶质层过厚； 气煤：挥发分过高，可增加炼焦过程的压力； 气肥煤：挥发分高、胶质层过厚； 瘦煤：挥发分低、胶质层薄，粘结性低； 贫瘦煤：挥发分很低、胶质层很薄，粘结性低。 我国的焦煤资源 能用于炼焦的炼焦煤资源不是很多； 优质炼焦煤资源更不多； 我国的炼焦煤资源基本上难以适应对焦炭质量不断提高的要求和形势发展的需要。 冶金焦炭的质量要求 固定碳高、灰分低、挥发分低，成分稳定； 硫磷杂质低，水分稳定； 机械强度高 :转鼓指数 10； 高温冶金性能好，包括： 对 反应后强度 製造法 室炉式製造法 成形製造法 副産物回収方式 副産物非回収式 冷間成形方式 熱間成形方式 ： 日 ) ， 独 ) ( 独 ) ： 新型 ( 米 ) 開発技術 ： 日 ) ， 米 ) 他 ： 独 ) ， 独 / 英 ) 他 製造法類型開発技術 配 煤 混合 机 选择破碎 粉 碎机 煤调湿 干燥机 水分 焦 炉 炽热焦炭 1000 熄焦 冷焦 煤矿 水分 10 高炉 焦炭生产流程 燃烧室 炭 化室 蓄 热 室 焦炉的构造 烟煤的焦化过程 炭化室内炉料的状态 焦炭层软化层炼焦煤层炭化室燃烧室燃烧室加热加热焦 化 过 程 第三部分 煤粉喷吹 煤粉喷吹的意义 以低价煤代替日趋匮乏且价格昂贵的冶金焦，降低焦比，使高炉炼铁成本大幅下降； 高炉喷煤可以作为一种调剂炉况的手段； 高炉喷煤可以改善炉缸工作状态，使高炉顺行； 为高炉接受高风温和富氧鼓风创造条件； 喷吹煤粉的氢含量比焦炭高，炉内氢浓度的增加有助于提高煤气的还原能力和扩散能力，有利于矿石的还原和高炉操作指标的改善； 喷吹煤粉代替部分焦炭，不仅缓解焦煤供需紧张状况，也减少对炼焦设施的投资和建设，更降低炼焦生产对环境的污染。 高炉喷煤系统 原煤储运系统干燥气体制备系统煤粉制备系统煤粉输送系统煤粉喷吹系统高炉供气系统（空气、氮气）原煤储运系统干燥气体制备系统煤粉制备系统煤粉输送系统煤粉喷吹系统高炉供气系统（空气、氮气）D i s t r i bu t e GA i 袋除尘器原煤仓磨煤机煤粉仓干燥炉 喷吹罐分配器混合器流化气加压气 2 18给煤机宝钢 1号高炉喷煤工艺流程 煤场 原煤用汽车或火车运至原煤场进行堆放、贮存、破碎、筛分及去除其中金属杂物等，同时将过湿的原煤进行自然干燥 给煤机 给煤机位于原煤仓下面，向磨煤机提供原煤。 目前常用埋刮板给煤机 ，优点 :密封性好，能调节刮板运行速度和输料厚度，能够发送断煤信号。 球磨机： 优点：对煤种适应性强，安全可靠，维护工作量少； 缺点：噪声大，电耗高，外形尺寸大。 中速磨： 优点：电耗低，噪音小，防爆性好，调节性和均匀性好。 缺点：对煤种变化敏感。 磨煤设备 加热炉 将高炉煤气在燃烧炉内燃烧生成的热烟气送入制粉系统，用来干燥煤粉。 粗粉分离器 将磨煤机送出的煤粉中的不合格粗粉从气、粉混合物中分离出来，送回磨煤机继续磨碎的装置。 布袋收粉器 灰装置、脉冲清灰系统等组成。箱体由多个室组成，每个室配有两个脉冲阀和一个带气缸的提升阀。进气口与灰斗相通，出风口通过提升阀与清洁气体室相通，脉冲阀通过管道与储气罐相连 。 入口出口1234567气箱式脉冲布袋收粉器结构示意图 1提升阀 2脉冲阀 3阀板 4隔板 5滤袋及袋笼； 6灰斗 7叶轮给煤机或螺旋输送机 煤粉仓 将原煤经过磨碎和干燥制成煤粉，再将煤粉从干燥气中分离出来存入煤粉仓内。 喷吹罐 分配器 单管路喷吹必须设置分配器。 煤粉由设在喷吹罐下部的混合器供给，经喷吹总管送入分配器，在分配器四周均匀布置了若干个喷吹支管，喷吹支管数目与高炉风口数相同，煤粉经喷吹支管和喷枪喷入高炉。 分配器结构示意图 1分配器外壳； 2中央锥体； 3煤粉分配刀； 4中间法兰； 5喷煤支管； 6喷煤主管 喷煤枪 由耐热无缝钢管制成，直径 15 25 （ 1） 斜插式：从直吹管插入 ， 喷枪中心与风口中心线有一夹角 ， 一般为 12 14。 斜插式喷枪的操作较为方便 ，直接受热段较短 ， 不易变形 ， 但煤粉流冲刷直吹管壁 。 （ 2） 直插式：喷枪从窥视孔插入 ， 喷枪中心与直吹管的中心线平行 ， 喷吹煤粉流不易冲刷风口 ， 但是妨碍高炉操作者观察风口 ， 并且喷枪受热段较长 ， 喷枪易变形 。 （ 3）风口固定式：喷枪由风口小套水冷腔插入，无直接受热段，停喷时不需拔枪，操作方便，但是制造复杂，成品率低，并且不能调节喷枪伸入长度。 喷枪三种插入方式 氧煤枪 富氧的方法有两种： 一是在热风炉前将氧气混入冷风； 二是将有限的氧气由风口及直吹管之间，用适当的方法加入 。 氧煤枪有三种结构： 氧煤控制系统 喷吹用煤的评价因素 元素分析及工业分析：灰分，硫含量，挥发分 煤的可磨性 煤的燃烧性 煤的灰熔点 喷吹用煤的经济性 喷吹用煤粉 种类选择： 烟煤和无烟煤的混合煤，挥发分 20%左右，灰分小好 。 粒度控制： 0%。 喷吹量控制： 喷吹量大于 100该考虑风口前理论燃烧温度的提高，也就是温度补偿。 提高喷吹量的措施： 提高风温 富氧鼓风 提高焦炭质量，改善料柱透气性 提高铁矿石入炉品位，降低渣量 优化煤种和合理配煤 世界高炉喷煤水平现状 近二十年来，世界各国大力开发、采用和普及喷煤技术，西欧、日本等国喷煤技术的发展迅速 ； 国外先进高炉平均喷煤量 180 200 kg/料比约 500 kg/煤率为 35% 40%，高炉实现低焦比和低燃料比操作； 目前，西欧、日本等国的月平均喷煤量 200 kg/ 喷煤率在 40%以下的高炉都在制定下一步继续提高喷煤率到 50%（即焦煤各半）的计划； 高炉喷煤技术进展主要表现在：喷吹煤种的多样化、重视制粉工艺的选择、喷吹工艺以浓相输送为主要特征 ； 1998年日本福山 3号高炉创造了喷煤量 266kg/世界记录。 日本高炉喷煤量的变化 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001360390420450480510540年份燃料比及焦比，kg/kg/ 新型制粉、喷吹工艺的形成和完善及其装备水平提高； 储量丰富的烟煤得到利用； 自动化水平提高； 喷煤比不断提高和富氧高煤比喷吹成功； 全国喷煤总量提高； 氧煤燃烧技术等新技术应用； 高炉喷煤成为炼铁系统工艺结构和能源结构优化核心。 我国高炉喷煤量的变化 年份 1997 1998 1999 2000 2001 全国重点企业喷煤总量，万 t 072 1365 1645 全国重点企业生铁产量，万 t 0214 11025 11947 平均煤比， kg/8 69 105 123 136 我国高炉喷煤水平的差距 从总体上看 ， 由于工艺落后 、 设备简单 、 监控水平低等多方面原因 ， 致使目前我国的高炉喷煤技术相对于欧洲和日本等发达国家已完全失去了优势 ， 与国际先进水平相比仍有不小差距 ， 甚至于在许多方面都已落后了 。 目前 ， 全国平均高炉喷煤比仍普遍偏低 ， 喷吹煤种单一的状况仍较突出 ， 大部分厂家仍仅喷吹灰分较高的无烟煤 。 日本 喷煤新工艺 浓相输送 两段式喷吹 一喷三技术 喷吹的自动控制 稀相输送与浓相输送 传统的稀相输送： 1）煤粉空气耗量大，喷吹浓度低，喷吹管路气粉流速快，管路磨损严重； 2）在喷吹计量方面，由于均压气体的浮力干扰，倒罐期间易出现计量偏差； 3）压力波动大，易出现堵枪和堵管，对高炉影响大； 4）喷吹能力低。 浓相输送： 1）粉气比高，实际生产常在 50 80 kg/2）载气量小，煤粉输送速度低（ 2 3m/s），对管道及设备的磨损小，节省能源； 3）与稀相输送比较，输送管道的截面积显著减少，节省材料和相关设备的投资； 4）输送气量少，对回旋区燃烧温度及还原气氛影响小； 5）管道内煤粉脉动、堵塞现象减少，煤粉在各支管分配更均匀；6）采用浓相输送时，由于输送浓度高，已远远超过了煤粉在气相中的爆炸范围，加之产生的静电小，有利于烟煤喷吹操作的安全。 两段式喷吹 第二段喷吹未燃煤粉局部过量将导致高炉操作不稳定未燃煤粉在炉内应均匀分布未燃煤粉只有与焦炭共存，存在 冷却效果未燃煤粉应存在于炉墙附近两段式煤粉喷吹工艺风口喷吹第二段喷吹未燃煤粉局部过量将导致高炉操作不稳定未燃煤粉在炉内应均匀分布未燃煤粉只有与焦炭共存，存在 的条件下保护焦炭强度未燃煤粉应存在于碳的气化反应带碳的气化反应强吸热，有冷却效果未燃煤粉应存在于炉墙附近两段式煤粉喷吹工艺风口喷吹一喷三技术 高炉合理的燃料结构 问题的提出 昂贵的焦炭 高炉炼铁使用的焦炭是采用焦煤炼制的，焦煤占煤炭总量的比例非常低，导致冶金焦炭价格昂贵； 炼焦过程对环境污染严重，在西欧、北美和日本，建造焦炉受到环保人士的反对，导致新焦炉难以建造； 70年代建造的焦炉都已经到一代寿命，很多焦炉即将停产。 高炉合理的燃料结构 降低焦比的努力 为了替代昂贵的焦炭，高炉采用了喷吹辅助燃料的措施，使用低廉价格的燃料代替焦炭； 80年代前，由于石油价格低廉，吹入高炉对降低焦比，改善炉况十分有利，且 1重油）以世界各国都实行高炉喷吹液体燃料。最低焦比达