煉焦工業(yè)結(jié)焦機理

煤的有機質(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 。

煉焦工業(yè)的原料是煉焦煤，由丁煉焦方式和焦炭質(zhì)量的限制，只有煙煤類別中具有一定粘結(jié)性的煤才能用于煉焦。工業(yè)國家的煤炭產(chǎn)量中約有10~20%用于煉焦。但各國強粘結(jié)性煤的貯存址不同，資源貧乏的國家往往依賴進(jìn)口煤或改進(jìn)配煤幾藝以擴大本國煤資源利月和改善焦炭質(zhì)量。

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、干餾炭及煤焦油或瀝青等副產(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、熄焦車和電機車，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 。

焦炭的生產(chǎn)起源于煤的成堆干餾。1709年英國試驗在高爐中以焦炭代替木炭煉鐵成功以后，到18世紀(jì)末歐洲大部分高爐都已使用焦炭煉鐵，促進(jìn)了焦炭生產(chǎn)向較大規(guī)模發(fā)展，但由于技術(shù)水平所限，焦炭的生產(chǎn)仍分散在煤礦附近，以成堆干餾方式進(jìn)行，這是煉焦工業(yè)初始的狀態(tài)。19世紀(jì)中葉，世界生鐵年產(chǎn)量已接近1000萬t，主要集中于歐洲。焦炭年需要量則在2000萬t以上，與此同時，煉焦副產(chǎn)的氨、苯、煤焦油等都成了正在興起的化學(xué)工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)所不可缺少的原料。對焦炭的大量需要促使煉焦技術(shù)發(fā)生一系列變革，形成大規(guī)模生產(chǎn)所必需的工業(yè)結(jié)構(gòu)。世界生鐵年產(chǎn)量達(dá)6600萬t，焦炭需要量達(dá)1億t以上，僅用于煉焦的原煤就達(dá)2億t，這一生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品的社會需要使煉焦工業(yè)成為當(dāng)時一個重要行業(yè) 。

煉焦工業(yè)(coking industry)是指以煤為原料，經(jīng)過高溫干餾生產(chǎn)焦炭，同時獲得煤氣、煤焦油，并回收其他化工產(chǎn)品的工業(yè)。煉焦工業(yè)中高溫干餾是在水平的室式焦?fàn)t中進(jìn)行的。立式爐也可將煤干餾，但它以煤氣為主要產(chǎn)品，它生產(chǎn)的焦炭不能用于高爐煉鐵，且在整個焦炭產(chǎn)量中的比重很小 。

煉焦煤料的制備簡稱備煤，是將煤礦運來的各種精煤(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械強度。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單獨粉碎流程，是將各種煤先單獨進(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)，用推焦機將煉制成熟的焦炭經(jīng)攔焦機推入熄焦車；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機械──裝煤車、推焦機、攔焦機、熄焦車和電機車；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) 。2100433B

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、干餾炭及煤焦油或瀝青等副產(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、熄焦車和電機車，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)中的重要氣體燃料，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。

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械強度的焦炭的煤。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)組分過剩或需要生產(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，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

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。