煉焦結(jié)焦機(jī)理

煤的有機(jī)質(zhì)基本結(jié)構(gòu)單元，是以芳香族稠環(huán)為主體，周圍連接側(cè)鏈雜環(huán)和官能團(tuán)的大分子。煤在結(jié)焦過程中受熱到350～480℃，大分子劇烈分解，斷裂后的側(cè)鏈繼續(xù)裂解，其中分子量小的呈氣態(tài)，分子量適中的呈液態(tài)，分子量大的和不熔組分呈固態(tài)，相互滲透的三相物組成膠質(zhì)體。煤的粘結(jié)性強(qiáng)弱，取決于膠質(zhì)體的數(shù)量以及流動性和熱穩(wěn)定性。當(dāng)溫度繼續(xù)升高到 450～550℃時，液相產(chǎn)物進(jìn)一步分解，其中一部分又呈氣態(tài)析出，剩余部分逐漸變稠，與分散的固相顆粒融成一體，最后縮聚并固化，形成半焦。在這過程中，氣態(tài)產(chǎn)物通過膠質(zhì)體逸出，產(chǎn)生膨脹壓力，使固體顆粒結(jié)合得更加牢固。聚積在膠質(zhì)體中的氣態(tài)產(chǎn)物則形成氣孔。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高到700～1000℃時，半焦主要析出氣體，碳網(wǎng)繼續(xù)縮聚，體積變小，焦質(zhì)變硬，形成多孔的焦炭。這時，熱解產(chǎn)物已無液相出現(xiàn)。由于半焦的收縮，各點(diǎn)的溫度和升溫速度不同，使收縮量和收縮速度不均，產(chǎn)生焦炭裂紋。

裝爐煤經(jīng)過高溫干餾轉(zhuǎn)化為焦炭、焦?fàn)t煤氣和化學(xué)產(chǎn)品的工藝過程。即煤炭焦化。指主要從硬煤和褐煤中生產(chǎn)焦炭、煤氣、干餾炭及煤焦油或?yàn)r青等副產(chǎn)品的煉焦?fàn)t的操作活動。

根據(jù)最終溫度，有高溫?zé)捊?900～1100℃）、中溫?zé)捊?660～750℃）和低溫?zé)捊?500～580℃）。通常指高溫?zé)捊埂?

現(xiàn)代煉焦生產(chǎn)在焦化廠煉焦車間進(jìn)行。煉焦車間一般由一座或幾座焦?fàn)t及其輔助設(shè)施組成，焦?fàn)t的裝煤、推焦、熄焦和篩焦組成了焦?fàn)t操作的全過程，每個爐組都配備有裝煤車、推焦車、攔焦機(jī)、熄焦車和電機(jī)車，一側(cè)還應(yīng)設(shè)有焦臺和篩焦站。開發(fā)的煉焦新工藝還有：配入部分型煤煉焦的配型煤工藝、用搗固法裝煤的煤搗固工藝、煤預(yù)熱工藝等。

煉焦產(chǎn)品

⑴焦炭。煉焦最重要的產(chǎn)品，大多數(shù)國家的焦炭90%以上用于高爐煉鐵，其次用于鑄造與有色金屬冶煉工業(yè)，少量用于制取碳化鈣、二硫化碳、元素磷等。在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中，焦粉還用作燒結(jié)的燃料。焦炭也可作為制備水煤氣的原料制取合成用的原料氣。

⑵煤焦油。焦化工業(yè)的重要產(chǎn)品，其產(chǎn)量約占裝爐煤的3%~4%，其組成極為復(fù)雜，多數(shù)情況下是由煤焦油工業(yè)專門進(jìn)行分離、提純后加以利用

⑶煤氣和化學(xué)產(chǎn)品。氨的回收率約占裝爐煤的0.2%~0.4%，常以硫酸銨、磷酸銨或濃氨水等形試作為最終產(chǎn)品。粗苯回收率約占煤的1%左右。其中苯、甲苯、二甲苯都是有機(jī)合成工業(yè)的原料。硫及硫氰化合物的回收，不但為了經(jīng)濟(jì)效益，也是為了環(huán)境保護(hù)的需要。經(jīng)過凈化的煤氣屬中熱值煤氣，發(fā)熱量為17500kj/Nm3左右，每噸煤約產(chǎn)煉焦煤氣300~400 m3，其質(zhì)量約占裝爐煤的16%~20%，是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中的重要?dú)怏w燃料，其主要成分是氫和甲烷，可分離出供化學(xué)合成用的氫氣和代替天然氣的甲烷。

煉焦簡史

中國明代以前就已采用土窯煉焦，并用焦炭冶鐵。到20世紀(jì)初，經(jīng)過發(fā)展的土窯有圓窯和長窯兩種，前者適用于地下水位不高、煤結(jié)焦性較好的地區(qū)；后者因爐底高于地面，操作受地下水的影響較小，結(jié)焦時間較短，適用于多雨而煤結(jié)焦性略差的地區(qū)。土窯的特點(diǎn)是結(jié)焦室和燃燒室不分開，煉焦熱源靠煤干餾時產(chǎn)生的煤氣和部分煤料燃燒提供，因而成焦率低，焦炭灰分高，結(jié)焦時間長（約8～12晝夜），化學(xué)產(chǎn)品不能回收利用，對大氣污染嚴(yán)重。后經(jīng)改進(jìn)，出現(xiàn)一種帶固定拱頂?shù)膱A窯，稱為蜂窩式煉焦?fàn)t（圖1）。每孔爐的裝煤量5～7噸，結(jié)焦時間48～72小時。焦炭在爐內(nèi)熄火，最初用人工出焦，后來改為機(jī)械化出焦。

19世紀(jì)中葉出現(xiàn)了倒焰式煉焦?fàn)t。倒焰爐的炭化室和燃燒室用磚墻分開，但上部相通，使炭化室發(fā)生的煤氣轉(zhuǎn)入燃燒室，并從燃燒室上部引入空氣，使煤氣燃燒，火焰由上“倒焰”而下，經(jīng)爐底煙道排入煙囪。這種煉焦?fàn)t不回收化學(xué)產(chǎn)品，加熱用煤氣量不能調(diào)節(jié)，結(jié)焦末期煤氣產(chǎn)量小，供熱不足。

自20世紀(jì)80代以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的煉焦產(chǎn)業(yè)也進(jìn)入了一個快速發(fā)展期。

1991年，我國的焦炭產(chǎn)量躍居世界第一，1994年，我國焦炭年產(chǎn)量首度超過1億噸，到2000年，我國焦炭出口量占到世界焦炭貿(mào)易量的60%，成為全球最大的焦炭生產(chǎn)國。

截至2011年末，我國煉焦產(chǎn)業(yè)規(guī)模以上企業(yè)有733家，資產(chǎn)總額達(dá)5982.22億元，同比增長24.32%。2011年，煉焦產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)銷售收入6212.91億元，同比增長35.72%;實(shí)現(xiàn)利潤總額178.77億元，同比增長26.14%。從企業(yè)經(jīng)濟(jì)類型來看，私營企業(yè)數(shù)量最多，其企業(yè)數(shù)量占行業(yè)的52.52%，資產(chǎn)占行業(yè)的33.11%。

隨著國內(nèi)及世界鋼鐵工業(yè)迅猛發(fā)展，其對煉焦產(chǎn)品的需求急劇增長，投資日趨升溫，行業(yè)產(chǎn)能迅速擴(kuò)張。但是煉焦產(chǎn)業(yè)資源消耗高，生產(chǎn)排放大，特別是排放物中有害物質(zhì)多，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，對國民經(jīng)濟(jì)健康可持續(xù)發(fā)展帶來巨大壓力，從而也阻礙了煉焦產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

為了加快調(diào)整煉焦產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，使焦化企業(yè)向規(guī)?；?、現(xiàn)代化、環(huán)保型方向發(fā)展，國家制定了“焦化行業(yè)準(zhǔn)入條件”標(biāo)準(zhǔn)。如企業(yè)的焦?fàn)t炭化室高4.3m以上(含4.3m)，規(guī)模能力60萬噸以上，環(huán)比基本達(dá)到國家要求等，經(jīng)省級環(huán)保部門核實(shí)推薦和專家組評議標(biāo)準(zhǔn)合格，可進(jìn)入“焦化行業(yè)準(zhǔn)入條件”行列，并由主管部門發(fā)布。

近幾年來，全國各煉焦大省也先后按照國家政策，加大了調(diào)整煉焦產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的力度。山西省在淘汰2600多萬噸的土焦、改良焦的基礎(chǔ)上，又淘汰了一批落后的小焦?fàn)t;內(nèi)蒙古自治區(qū)關(guān)掉小焦?fàn)t20多座，河南省關(guān)掉落后焦?fàn)t生產(chǎn)企業(yè)20多家，貴州省關(guān)掉落后焦?fàn)t生產(chǎn)企業(yè)19家，黑龍江、山東、云南等省淘汰落后焦?fàn)t都取得了較大的成績。

有下述程序：煉焦煤料的制備簡稱備煤，是將煤礦運(yùn)來的各種精煤（或低灰分原煤）制備成配比準(zhǔn)確、粒度適當(dāng)、質(zhì)量均一、符合煉焦要求的煤料。一般包括：卸煤、貯存和混勻、配合、粉碎和混合，并將制備好的煤料送到焦?fàn)t貯煤塔。嚴(yán)寒地區(qū)，還應(yīng)有解凍庫和破凍塊設(shè)備。煉制優(yōu)質(zhì)焦炭，必須對備煤操作給予足夠的重視。把煤混勻好，提高配煤的準(zhǔn)確度，使煤質(zhì)波動最小，保證焦炭的化學(xué)成分和物理機(jī)械性能的穩(wěn)定，以穩(wěn)定焦炭質(zhì)量。因此配煤設(shè)備必須準(zhǔn)確地按給定值配煤；配煤槽要均勻連續(xù)下煤。煤中雜物要除凈，水分不能過高。煤料的合理粉碎，可以有效地提高焦炭的機(jī)械強(qiáng)度。必須根據(jù)具體情況對不同的煤料確定最適宜的粉碎粒度。

改進(jìn)備煤流程，是擴(kuò)大煉焦煤源和改善焦炭質(zhì)量的途徑。中國絕大多數(shù)焦化廠都采用先按規(guī)定比例配合的混合粉碎流程。這種流程不能根據(jù)各種煤的硬度差異分別進(jìn)行處理，因此只適用于粘結(jié)性較好、煤質(zhì)較均勻的煉焦煤料。較新的備煤流程有三種：①單獨(dú)粉碎流程，是將各種煤先單獨(dú)進(jìn)行粉碎，然后按規(guī)定的比例配合，再進(jìn)行混合；②分組粉碎流程，是先將硬度相近的各煤種，按比例配合成組，各組分別送往各自的粉碎機(jī)粉碎到要求的粒度，再進(jìn)行混合；③選擇粉碎流程，是將粉碎到一定程度的煤過篩，將篩出的粗粒級組分進(jìn)行再粉碎，這樣可使粘結(jié)性差、惰性物含量高的粗粒級組分粉碎得較細(xì)，避免粘結(jié)性好的巖相組分過度粉碎。

已經(jīng)制備好的煤料從煤塔放入裝煤車，分別送至各個炭化室裝爐。干餾產(chǎn)生的煤氣經(jīng)集氣系統(tǒng)，送往化學(xué)產(chǎn)品回收車間加工處理。經(jīng)過一個結(jié)焦周期（即從裝爐到推焦所需的時間，一般為14～18小時，視炭化室寬度而定），用推焦機(jī)將煉制成熟的焦炭經(jīng)攔焦機(jī)推入熄焦車；熄焦后，將焦炭卸入涼焦臺；然后篩分、貯藏。

煉焦車間一般由兩座煉焦?fàn)t組成一個爐組。兩座煉焦?fàn)t布置在同一中心線上，中間設(shè)一個煤塔。一個爐組配有相應(yīng)的焦?fàn)t機(jī)械──裝煤車、推焦機(jī)、攔焦機(jī)、熄焦車和電機(jī)車；還配備一套熄焦設(shè)施，包括熄焦塔、熄焦泵房、粉焦沉淀池及粉焦抓斗等，布置在爐組的端部。熄焦塔中心與爐端炭化室中心的距離一般不小于40米。如采用干法熄焦，則需設(shè)干熄焦站。煉焦車間還裝備有必要的管道和換向系統(tǒng)。

從煉焦?fàn)t出爐的高溫焦炭，需經(jīng)熄焦、涼焦、篩焦、貯焦等一系列處理。為滿足煉鐵的要求，有的還需進(jìn)行整粒。

煉焦熄焦

有濕法熄焦和干法熄焦兩種方式。前者是用熄焦車將出爐的紅焦載往熄焦塔用水噴淋。后者是用180℃左右的惰性氣體逆流穿過紅焦層進(jìn)行熱交換，焦炭被冷卻到約200℃，惰性氣體則升溫到800℃左右，并送入余熱鍋爐，生產(chǎn)蒸汽。每噸焦發(fā)生蒸汽量約400～500公斤，干法熄焦可消除濕法熄焦對環(huán)境的污染，提高焦炭質(zhì)量，同時回收大量熱能，但基建投資大，設(shè)備復(fù)雜，維修費(fèi)用高。

煉焦涼焦

將濕法熄焦后的焦炭，卸到傾斜的涼焦臺面上進(jìn)行冷卻。焦炭在涼焦臺上的停留時間一般要30分鐘左右，以蒸發(fā)水分，并對少數(shù)未熄滅的紅焦補(bǔ)行熄焦。

煉焦篩焦

根據(jù)用戶要求將混合焦在篩焦樓進(jìn)行篩分分級。中國鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的焦化廠，一般將焦炭篩分成四級，即粒度大于40毫米為大塊焦，40～25毫米為中塊焦，25～10毫米為小塊焦，小于10毫米為粉焦。通常大、中塊焦供冶金用，小塊焦供化工部門用，粉焦用作燒結(jié)廠燃料。

煉焦貯焦

將篩分處理后的各級焦炭，分別貯存在貯焦槽內(nèi)，然后裝車外運(yùn)，或由膠帶輸送機(jī)直接送給用戶。

整粒將大于80（或75）毫米級的焦炭預(yù)先篩出，經(jīng)切焦機(jī)破碎后再過篩，得到粒度80～25（或75～25）毫米級焦炭用于煉鐵。這樣可以提高焦炭粒度的均勻性，并避免大塊焦炭沿固有的裂紋在高爐內(nèi)碎裂，從而提高焦炭的機(jī)械強(qiáng)度，有利于煉鐵生產(chǎn)。

煤按其在煉焦過程中的性狀，可分為煉焦煤和非煉焦煤。

（1）煉焦煤是指用單種煤煉焦時，可以生成具有一定塊度和機(jī)械強(qiáng)度的焦炭的煤。這類煤具有粘結(jié)性，主要供煉焦用。煙煤中的氣煤、肥煤、氣肥煤、1/3焦煤、焦煤和瘦煤都屬于煉焦煤。煉焦煤中的焦煤可以單獨(dú)煉焦，生產(chǎn)出符合要求的高爐焦。但是焦煤的資源從世界范圍來說，都是匱乏的。因此，通常把兩種或兩種以上煤牌號的煉焦煤。以適當(dāng)比例進(jìn)行配煤，然后煉焦，以滿足對焦炭質(zhì)量的各種要求。

（2）非煉焦煤在單獨(dú)煉焦時不軟化、不熔融、不能生成塊狀焦炭。這類煤沒有或僅有極弱的粘結(jié)性，一般不作為煉焦用煤。但當(dāng)配煤中粘結(jié)組分過?；蛐枰a(chǎn)特殊焦炭(如鑄造焦)時，可以配入少量非煉焦煤，作為瘦化劑用。非煉焦煤也可以作為生產(chǎn)型煤或型焦的原料。褐煤、無煙煤以及煙煤中的長焰煤、不粘煤和貧煤，都屬于非煉焦煤。

為了擴(kuò)大煉焦用煤資源，在中國煤炭分類國家標(biāo)準(zhǔn)中，還劃分一些過渡性煤種如貧瘦煤、1/2中粘煤和弱粘煤等.根據(jù)各地資源特點(diǎn)以及配煤和煉焦技術(shù)的發(fā)展水平，有的焦化廠可在配合煤中配入部分過渡煤;如在有一定量強(qiáng)肥煤的情況下，配用一些低灰低硫的弱粘煤，以降低焦炭的灰分和硫分。根據(jù)中國冶金系統(tǒng)主要焦化廠1990年的統(tǒng)計(jì)，煉焦用煤的煤種比例(%)為:瘦煤9.8，焦煤31.2，肥煤16.9。氣煤25.9，1/3焦煤12.8，氣肥煤1.7，其他煤1.7。 2100433B

在選擇煉焦用煤時，還必須考慮煤在煉焦過程中的膨脹壓力。低揮發(fā)分的煤，因其膠質(zhì)體粘度人，煉焦時容易產(chǎn)生高的膨脹壓力，對焦?fàn)t砌體造成損害，這需要從配煤方面加以解決。此外，在焦化廠的生產(chǎn)成本中，煉焦用煤占很大比重，因此在選擇煉焦用煤時，還必須考慮煤的價格和運(yùn)輸距離等經(jīng)濟(jì)因素世界煤炭資源尚豐富，但煉焦用煤資源有限，故必須注意節(jié)約使用和擴(kuò)大其范圍。

煉焦用煤是指煉焦?fàn)t煉焦條件下，用于生產(chǎn)一定質(zhì)量焦炭的原料煤。為保證焦炭質(zhì)量，選擇煉焦用煤的最基本要求是考察它的揮發(fā)分、粘結(jié)性和結(jié)焦件，保證盡可能低的灰分、硫分和磷含量。因此，絕大部分煉焦用煤必須經(jīng)過洗選。煉焦用煤必須具有良好的結(jié)焦性，通常用具有粘結(jié)性的氣煤、肥煤、焦煤和瘦煤（或其中的二、三種）按比例配成煉焦原料。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，為擴(kuò)大煉焦用煤資源，長焰煤、弱粘煤、不粘煤、貧煤和無煙煤等也可以少量地參與煉焦。除粘結(jié)性外，煉焦用煤要求低灰（Aad≤10%）、低硫（St,d<1.0%）和低磷（P<0.02%），以保證獲得高強(qiáng)度、低雜質(zhì)的優(yōu)質(zhì)焦炭。煉焦的副產(chǎn)品有焦?fàn)t煤氣和煤焦油，它們都是重要的化工原料。從煤焦油中分離和測定的化合物已經(jīng)近百種。