影响焦炭质量的因素

一、焦炭的质量指标及要求焦炭是固体燃料的一种。由煤在约1000℃的高温条件下经干馏而获得。主要成分为固定碳，其次为灰分，所含挥发分和硫分均甚少。呈银灰色，具金属光泽。质硬而多孔。基于焦炭在高炉内的行为与作用，在生产中一般对焦炭有如下几项质量指标的要求:1.粒度高炉操作顺利与否的一个重要指标是其炉内料层的透气性大小，而它与高炉炉料的均匀性有关，因此，一般要求焦炭粒度不应比矿石粒度大得过多，二者应尽量接近，保持均匀。一般冶金焦的平均粒度以50mm左右为宜，可控制在25~70mm范围内，特别是要提高40~60mm粒级的含量，目前中国出口冶金焦粒度一般以30~80mm，40~90mm两个粒级居多。2.灰分焦炭中含有矿物质，其燃烧时矿物质会残留形成灰分，灰分高会对焦炭产生不利影响。当焦炭在焦炉的高温环境中，燃烧产生灰分，灰分的增加破坏焦炭内部结构会使焦炭的裂纹增多，不仅使焦炭的强度降低，也会使焦炭的表面积增大，由于裂纹的增多，使CO2更容易从缝隙扩散到焦炭的内部，加剧热性能变差。灰分是焦炭中的杂质和惰性物，其主要成分是SiO2、Al2O3等酸性氧化物，由于其熔点高，故在炼铁时只能用CaO等熔剂与它们共生成低熔点化合物才能以熔渣形式排出高炉。因此要求冶金焦的灰分尽量低些。

3.硫分硫分是焦炭中的有害成分，高炉内由炉料带入的硫分中仅5%~20%随高炉煤气逸出，其余的参加炉内硫循环，只能靠炉渣排出。焦炭含硫高会使生铁含硫提高，降低生铁质量，或增加炉渣碱度使高炉操作指标下降。因此，要求在生产焦炭时尽最大可能选择低硫煤，以降低焦炭的硫分。

4.机械强度、热强度焦炭强度指标分为机械强度（抗碎强度及耐磨强度）和热强度（反应性及反应后强度）。焦炭的机械强度是衡量焦炭能否起到支撑骨架的作用，确保高炉操作正常的重要指标。焦炭热强度是反映焦炭在高炉中抵抗化学侵蚀和保护炉料骨架作用能力，是综合衡量与评价焦炭热态稳定性的主要指标，较之机械强度更为重要。转鼓试验既能测定焦炭的抗碎强度，又能测定焦炭的抗磨损程度，虽然还不能完全地反映出焦炭在高炉内高温状态的全部实际情况，但能反映焦炭在进入高炉前的运输以及在高炉中受机械破坏力的情况，因此得到广泛地应用。相关研究成果显示，焦炭的强度指数每增高1%，高炉生产焦比可下降0.7%~1.5%，生铁产量增加0.5%~1.5%，其影响十分显著。因而希望焦炭的强度越高越好，对冶金焦的要求为：抗碎强度M40要大，而耐磨强度M10要小。

焦炭反应性是指焦炭在使用过程中对所接触气体的化学反应能力，其中焦炭与CO2反应是在高炉中的最主要反应，因此该指标一般都是指焦炭在高温下（1100℃）与CO2反应的能力大小。焦炭的反应后强度则是指焦炭在上述温度与CO2反应一定时间后，用特制的I型小转鼓测得的“剩余”强度。焦炭在使用过程中与CO2反应后，气孔必然产生很大变化，因而强度明显下降，但还必须保持一定强度方可继续使用。中国最新颁布的冶金焦炭质量标准约定，一级冶金焦CRI≤30.0%、CSR≥60.0%，二级冶金焦CRI≤35.0%、CSR≥55.0%。

5.挥发分挥发分是衡量焦炭成熟程度的一个重要指标，一般要求冶金焦的挥发分要低于1.8%，若挥发分含量高则说明焦炭未成熟。同时，挥发分也是焦化厂污染控制的指标之一，若焦炭挥发分升高，推焦时烟尘放散量会显著增加。因此，一般要尽量保证焦炭挥发分不超过2%。

6.磷含量由于含磷高的焦炭将使生铁冷脆性变大，因此在炼焦生产中应尽量使配合煤的磷含量要低，一般要求低于0.030%，从而控制焦炭中的含磷量。二、影响焦炭质量的因素焦炭作为热源、还原剂和渗碳剂的作用不断被取代，使得焦炭骨架作用越来越重要，这就对焦炭的强度提出了更高的要求。影响焦炭质量的重要因素是炼焦煤和炼焦工艺。

1.1炼焦煤质量炼焦煤是影响焦炭质量最重要的因素，不同的煤在炼制焦炭过程中作用不同。气煤是变质程度低的炼焦煤，粘结性较差，塑性温度区间较窄，单独炼焦时半焦收缩量大，半焦固化时气态析出速度大，因此单独炼焦所得焦炭气孔率高、强度低，由于层内抗拉应力能力差，焦炭产生的纵裂纹多，焦块细长且易碎。1/3焦煤在气煤和肥煤之间，是一种挥发分和粘结性都很高的炼焦煤，在加热过程中能产生较多的胶质体，且热稳定性比气煤好，可以单独炼焦得到一定块度和强度的焦炭。肥煤是强粘结性炼焦煤，在炭化过程中能产生大量胶质体，塑性温度区间宽，热稳定性较好，但单独炼焦时由于层间剪应力使焦炭横裂纹多，气孔率高，焦炭易碎。焦煤具有中等挥发分和较好的粘结性，单独炼焦时所得焦炭纵横裂纹均较少，块度也较大，机械强度高，耐磨性好。瘦煤变质程度高，热解产物少，熔融性差，在炼焦过程中，收缩量少，所得焦炭裂纹率低，因此单独炼焦所得焦炭块度大，裂纹少，但强度较差。煤的变质程度不同，显微组分含量不同，在炼焦过程中产生的胶质体数量和质量不同，直接影响焦炭的结构，使得焦炭的强度和块度不同，1/3焦煤、肥煤、焦煤结焦性能相对好。配合煤质量受煤种及炼焦工艺的影响，一般配合煤指标用水分、灰分、挥发分、硫分、粘结指数G、胶质层最大厚度Y、奥亚膨胀度b、基氏流动度MF等表示。但鉴于目前混煤现象严重，必须结合煤岩设备通过检测煤的显微组分和镜质组反射率来进行配煤炼焦。根据煤岩配煤理论，不同煤种岩相组成不同，不同煤粒有活性组分和惰性组分之分，活性组分起到粘结作用，惰性组分作为结焦中心起到骨架作用，活惰比是影响焦炭质量的根本因素。不同粒度煤料的显微组分含量也不同，因此可以通过炼焦工艺，控制粒度调整活惰比，改善焦炭质量。

1.2

炼焦工艺在配煤炼焦工艺中影响焦炭质量的因素有堆密度、水分、粒度及热工制度等。

1)堆密度一方面堆密度增加，煤粒间孔隙容易互相填满，使煤粒接触更加充分，这样在煤热解过程中产生相同数量的胶质体可以粘结更多的颗粒。另一方面堆密度增加，煤料接触紧密，在热解过程中产生的气体不容易分解析出，使得煤粒之间的膨胀压力増大；由于气体析出时阻力增大，析出困难，使得胶质体透气性不好，促使变形煤粒之间更好的粘结；膨胀压力大，透气性差，都使得气体在胶质体中停留的时间变长，这样胶质体的温度间隔变宽，有利于煤热解产生的自由基稳定化，形成液体产物数量增加，产生更加稳定的胶质体；胶质体数量增加且稳定都有利于煤粒之间的粘结，达到提高焦炭强度的目的。但堆密度增大使相邻层间结合牢固，在结焦过程中，减少了收缩应力的松弛作用，使相邻层间剪应力大，易产生横裂纹。提高堆密度的方法有调节水分、粒度及煤压实，在工业上对煤料预处理采用煤加热、粉碎及捣固来提高其堆密度。

2)水分入炉煤的水分影响煤料的堆密度，资料显示，随着水分的增加，煤料的堆密度逐渐降低，当水分达到8%时堆密度最小，以后由于水分的润滑作用又随着水分的增増加而上升。但水分增加在焦炉内蒸发将需消耗更多的热能，而且延长了结焦时间，此外炼焦煤带入焦炉的水分是焦化废水的主要来源，这不仅影响炼焦速度而且造成能源浪费，因而减少炼焦煤的水分能够降低炼焦能耗、减少焦化废水。研究表明入炉煤水分控制在6%左右得到的焦炭冷热态强度比较理想。控制入炉煤水分可以通过煤预热、干燥、调湿技术控制。国内外有关控制炼焦煤入炉水分的报道较多,鲍俊芳等对不同的入炉煤水分进行了研究，结果表明，降低入炉煤水分，堆密度增加，不仅提高生产能力而且升温速率加快，使焦炭的结构更加致密。

3)粒度煤料的粒度及粒度分布可以直接影响装炉煤料的堆密度，使煤料显微组分分布不同，在炼焦过程中接触状态不同，影响煤的粘结性，进而影响到焦炭质量及后续的化产系统。目前，焦化厂多利用细度指标(<3mm粒级所占的含量)来控制装炉煤的粒级。装炉煤粒度太大，细度过低，使煤粒之间间隙增加，堆密度减小；此外，粒度太大，弱粘结性煤及矿物质作为惰性物质不能均匀的分布，造成传热不均匀，使得界面接触效果差，不利于中间相的发展，因此导致焦炭裂纹多，强度下降。装炉煤粒度太小，细度过高，不仅使煤料的堆密度下降，影响煤的粘结性，而且粉尘含量过高，使操作环境恶化，造成荒煤气中夹带煤粉现象严重，容易堵塞管道且产生的焦油渣增多，给化产回收系统带来困难。

国内一般规定，顶装配煤时配合煤细度要求为72%~80%，配型煤炼焦时约为85%，捣固炼焦时为90%以上。研究表明，不同粒度煤的显微组分不同，在炼焦过程中活性组分和惰性组分的接触状态不同，直接影响胶质体的质量和数量，所以控制各种煤最佳粉碎粒度及粒度分布，可以提高煤料的粘结性和结焦性，使各煤种最大限度的发挥其在配煤中的作用。为了使细度和粒度分布达到最佳，在工业上采取粉碎技术，现在多根据煤种不同采用预粉碎和选择性粉碎。

4)热工制度

结焦温度和结焦时间是影响焦炭性质的因素之一。提高炼焦最终温度与延长焖炉时间，可以使焦炭在结焦后期热解更加充分，缩聚程度更高，有利于小分子的断裂和析出，使得焦炭的结构更加致密，气孔和气孔璧结构得到改善，从而提高焦炭的机械强度和反应后强度，降低焦炭的反应性。日本采用“火落管理”法，即对“火落”后的焦饼继续加热，达到规定要求后才可以推焦，原理类似于我们传统的提高炼焦速度与延长焖炉时间。赵丽树等对将炼焦标准温度提高30℃，延长1h结焦时间结果测得耐磨强度和反应后强度都有一定改善。工业上多采用干熄焦工艺来改善焦炭质量。三、不同变质程度炼焦煤镜质组特性分析煤中有机显微组分主要包括镜质组、惰质组、壳质组，不同组分其黏结性和结焦性不同。

在炼焦过程中，按照其黏结性和结焦性差异，将煤中的显微组分划分为活性组分和惰性组分两大类，前者主要包括镜质组和壳质组，后者主要包括惰质组。活性组分在成焦过程中可以软化熔融，是煤粉黏结成块焦的主要原因，其黏结能力的大小和数量是决定焦炭性质的必要条件。

我国炼焦煤中壳质组含量较少，一般小于3%(质量分数)。变质程度较大的炼焦煤基本不含壳质组，可见壳质组在成焦过程中作用有限，基本可忽略。

通常认为镜质组是决定炼焦煤黏结性大小的主要因素，常将其作为焦炭质量预测的一种参数。但并不是镜质组含量越高，其黏结能力及其生产的焦炭质量就越好，不同炼焦煤其镜质组的性质存在差异，因此了解镜质组黏结能力的大小对于指导炼焦配煤具有重要意义。镜质组是煤中主要显微组分，国内学者通过大量实验研究合适的显微组分分离方法，这对优化配煤结构具有指导意义。通过煤岩组成分析，可以测出煤中镜质组的含量，但是煤中镜质组的黏结能力大小（即活性组分质量）受煤变质程度、还原程度等诸多因素的影响。

为了进一步确定镜质组黏结性大小，国内有研究学者利用密度液富集分离方法，分离出炼焦煤中镜质组。往镜质组中添加不同比例的惰性物质，测定其黏结能力的大小；并通