炉孔试验是选取生产焦炉温度正常、炉墙无显著变形、属于一个顺序的4~10孔焦炉进行试验,按规定严格做好试验煤料的配制、粉碎和装炉,严格控制焦炉的加热制度和操作制度,执行标准化作业,主要试验煤料能否在焦炉中使用及焦炭质量能否达到预期要求。炉组试验一般是在炉孔试验达到要求的基础上进行的全炉性的大规模工业试验,一方面为精确测定结焦率、块焦率和化产品回收率等参数,给焦化厂设计提供可行、可靠的数据;另一方面是取得焦炭性质的工业数据和其在高炉中的使用情况,以及炼焦工艺对配煤炼焦的影响,炉组试验应记录全部生产技术操作指标,必要时应有经济对比,以便进行核算。 1.1.3 配合煤指标及对焦炭质量的影响 在进行炼焦配煤操作时,对配合煤的主要质量指标要求包括:化学成分指标,即灰分、硫分和矿物质组成;工艺性质指标,即挥发分、细度和黏结性等;煤岩组分指标和工艺条件指标,即水分、细度、堆密度等。高炉冶炼要求焦炭低灰、低硫、高强度、热性能稳定,为了保证焦炭的质量,配合煤的质量应该符合以下质量指标。 1.1.3.1 水分[14] 配合煤水分多少和其稳定与否,对焦炭产量、质量以及焦炉寿命有很大影响。 因水分汽化热较大,煤料导热性差,不能迅速将热量传给煤料内层。随配合煤水分每增加 1%,要求立火道温度上升 5~7℃,炼焦耗热量增加约 30kJ/kg,结焦时间将延长 10~15min,炼焦耗热量增加约 30kJ/kg[18] 。 在装煤初期,由于炭化室墙面与煤料温差很大、炉墙向煤料迅速传热,而本身温度剧降,煤料水分越大,炭化室墙面温度下降越多,当炉头的炭化室墙面温度降到 600℃以下,就会显著地损坏硅砖,影响炉体使用寿命。但煤料水分过低,使操作条件恶化,装煤时冒烟着火加剧,焦油渣含量增加,炭化室墙面石墨沉积加快,所以入炉煤料水分控制 7% ~10%左右为好[19] 。 由此可见,生产中装炉煤水分波动大时,造成炉温调节困难,焦饼温度过高或过低。因此操作规程中规定相邻班的配合煤水分波动不应大于1%。 第一章 文献综述 4 1.1.3.2 灰分[15] 焦炭的灰分来自配煤,因此要严格控制配煤灰分。 配煤的灰分全部转入焦炭,一般炼焦的全焦率约为75%,因此焦炭灰分是配煤灰分的1.3倍左右。配合煤的灰分高,炼出的焦炭强度低,高灰分的焦炭,在高炉冶炼中,一方面在热作用下裂纹继续扩展,焦炭粉化,影响高炉透气性;另一方面高温下焦炭结构强度降低,热强度差,使焦炭在高炉中进一步破坏。焦炭的灰分愈高,炼铁时焦炭及石灰石消耗量就增多,高炉的生产能力降低。一般焦炭灰分每增加1%,高炉中焦炭用量增加2~2.5%,石灰石增加4%,生铁产量降低2.2~3.0%,同时灰分中的大颗粒在焦炭中形成裂纹中心,使焦炭的抗碎强度降低,也使焦炭的耐磨性变坏[20] 。所以配合煤的灰分应控制在一定范围之内。配合煤的灰分是根据各单种煤的灰分按加权平均计算的。如果在配合煤中使用了一两种灰分较高的精煤,则其余成分必须选配较低灰分的单种煤,才能保证焦炭的灰分符合要求。 我国配合煤灰分普遍较高,一般为10%左右,最高达14%以上,所以焦炭中灰分也较高,一般在12%以上。我国配合煤灰分高的原因是洗精煤灰分偏高,尤其是焦煤、肥煤含灰高且难洗。而高挥发分弱粘结煤不仅储量多,且灰分低又易洗。所以多配高挥发分低灰分煤。适量少配高灰煤采用预热煤炼焦或配型煤、捣固炼焦是降低配合煤灰分的一条有效途径。为稳定焦炭质量,相邻班组配合煤灰分波动应控制在±0.5%范围内。 若按全焦率75%计算,生产一级冶金焦要求装炉煤的灰分A d ≤9%。 1.1.3.3 硫分[16] 硫在煤中以黄铁矿、硫酸盐及硫的有机化合物三种形态存在。 硫分也是有害杂质,焦炭中的硫在炼铁时转入铁中,降低铁的质量。煤中硫分约60~70%转入焦炭。所以焦炭硫分约为配合煤硫分的80~90%。据此可以算出配合煤硫分的上限值。配合煤硫分可由单种煤按加和性计算。我国东北和华北地区的煤含硫分较低。中南和西南的煤含硫分较高。在配煤过程中通过控制配煤比来调剂配合煤的硫分[21] 。焦炭的硫分一般要求小于0.6~1.0%。 焦炭含硫量高,将使生铁含硫量提高,降低质量;另外增加炉渣碱度;特别是焦炭含硫量波动较大时对高炉操作指标影响很大。当焦炭硫分每增加0.1%,炼铁焦比增加1.2~2.0%,生铁产量减少2%以上。当焦炭作为燃料时,硫燃烧后生成硫化物气体,它对金属起腐蚀作用。当焦炭用于气化时,所生成煤气需要脱除硫化物,才能使用。因此配合煤硫分应严格控制。 第一章 文献综述 5 一般要求配煤的硫分应小于0.9%。为降低配合煤中的硫分可采用洗选法、萃取法等脱硫技术。但均未形成经济实用的工业法。从当前实际情况出发用配入含硫量较低煤种来降低配合煤的硫分是常用的途径之一[22] 。 1.1.3.4 挥发分[17] 配煤的挥发分高低,决定煤气和化学产品的产率,同时对焦炭强度也有影响。鞍山钢铁厂生产实践表明:配煤挥发分 V daf 增加 1%,焦炭抗碎强度指标 M 40 下降 2%,焦炭耐磨强度指标增加 0.2%。这是由于挥发分过高使炼焦煤料的收缩系数大,焦炭的平均粒度小,抗碎强度低。大型高炉用焦的常规炼焦配合煤的挥发分指标控制在 26~28%为宜。在保证焦炭质量的前提下,尽可能地多配高挥发分弱粘结性煤,考虑地区资源及用户要求等,可以使配煤挥发分控制在 28~32%之间。中、小型高炉用焦的配煤挥发分可以更高一些。另外,还要结合粘结性指标的适宜范围统筹考虑。配合煤的挥发分可以按加和性近似计算,也可直接测定。 1.1.3.5 黏结性 粘结性是煤在炼焦时,能形成塑性物的性能。煤加热生成塑性体中的液体部分多少决定了煤粘结性的好坏。为了获得熔融良好,耐磨性能好的焦炭,配煤应有足够的粘结性。煤的粘结性是有相加性的。煤的粘结性指标,国际煤分类中用罗加指数和标准坩埚观察焦饼形态的方法。我国采用胶质层最大厚度y值和粘结指数G值的方法[23] 。 膨胀压力是粘结性煤成焦的特征,不粘结煤没有膨胀压力。膨胀压力可以使胶质体均匀地分布于煤粒之间,有助于煤料的粘结作用。膨胀压力过大,对炉墙有损害。安全膨胀压力应小于10~15kPa。膨胀压力和y值,可以作为胶质体的质量指标,结焦性好的煤其膨胀压力为8~15kPa,y值为16~18mm。 生产配煤的y值一般为16~20mm,粘结指数G值为58~72。配煤的y值和G值均可按加和性近似计算,也可直接测定。 配合煤的膨胀压力不能从各单种煤的膨胀压力按可加性计算,所以配合煤的膨胀压力只能用实验测定。在确定配煤方案时,有两点可以作参考:一是在常规炼焦配煤的范围内,煤的变质程度高时,膨胀压力大;二是增大堆密度,膨胀压力增大。 1.1.3.6 细度 细度是煤料经粉碎之后,小于3mm的煤料占全部煤料的质量百分数。目前我国大多数焦化厂,对顶装焦炉一般控制炼焦煤细度为80%左右,对捣固焦炉一般控制炼焦煤细度为90%左右。相邻班组细度波动不应大于1%。 细度过低,煤粒之间混合不均匀,势必影响焦炭内部结构不均一,使焦炭强度降低。但细度过高不仅增加了粉碎机的动力消耗,生产能力降低,还使得装炉 第一章 文献综述 6 操作困难,由于煤尘的增多,加速上升管堵塞,焦油渣量增大,使焦油质量不合格;更重要的是由于细度过高,使粘结性煤产生“破粘”现象,降低焦炭质量。当煤料细度过高时,使得装炉煤的堆密度下降,因而也影响了焦炭质量。当细度从80%提高90%时,堆密度呈下降趋势[24] 。 影响焦炭质量的不仅与煤料细度,还与煤料的粒度组成有关。但煤料是非常复杂的有机矿物,而且粒度分布与堆密度有关。所以最佳粒度组成要确保焦炭组织的均一性。 1.1.3.7 配合煤的煤岩组分 配合煤中煤岩组分的比例要恰当,其显微组分中的活性组分占主要部分,但也应有适当的惰性组分作为骨架,以利于形成致密的焦炭,同时也可以缓解收缩应力,减小裂纹的形成。惰性组分的适宜比例因煤化度不同而异,当配合煤的镜质组最大反射率R max <1.3时,惰性组分为30~32%;当镜质组最大反射率R max >1.3时,惰性组分为25~30%为好。采用高挥发分煤时,需考虑稳定组分的含量。 1.1.3.8 配合煤的堆密度 该质量控制指标是指焦炉炭化室中单位容积煤的质量,常以kg/m 3 表示。配合煤堆密度大,不仅可以增加焦炭产率,而且有利于改善焦炭质量[25] 。但随着堆密度的增加,膨胀压力也增大,而配合煤膨胀压力过大会引起焦炉炉体损坏。因此,提高配合煤堆密度以改善焦炭质量的同时,要严格防止膨胀压力超过极限值,一些国家对膨胀压力极限值视试验条件不同而不同,其范围波动在10~24kPa范围之内。 提高堆密度的有效途径主要有:合理控制煤的水分和粒度分布、采用煤捣固工艺、煤调湿工艺、煤预热工艺或配型煤工艺等。 1.2 扩大配煤炼焦资源、改善焦炭质量的技术措施 因为扩大炼焦煤资源和改善焦炭质量受多种因素影响,并与焦炭生产的每一个环节息息相关。为了全面了解扩大炼焦煤资源和改善焦炭质量的技术措施,下面从炼焦生产的各个环节进行分析、叙述。 1.2.1 原料煤的预处理技术 1.2.1.1 捣固炼焦技术[26] 装炉煤料捣固成煤饼后从焦炉的机侧装入炭化室,其体积密度可以提高到950~1150kg/m 3 ,重量增加 27%。炼出的焦炭比顶装煤焦炉生产的焦炭 M 40 (抗碎强度)提高 1%~6%,M 10 (耐磨强度)改善 2%~4%,CSR(反应后强度) 第一章 文献综述 7 提高 1%~6%。在相同焦炭质量下,可多用 20~25%的高挥发分弱黏结性煤,可使入炉煤料中高挥发分弱黏结性煤的配入量高达 70~80%。 1.2.1.2 配型煤炼焦技术 在配煤比相同的条件下,配型煤炼焦生产的焦炭与常规粉煤炼焦生产的焦炭比较, M 40 提高 2%~3%,M 10 变化不大或稍有改善 1%~2%,15015DI (JIS 转鼓试验指标)提高 1%~3%,CRI(反应性)降低 5%~8%,CSR 提高 5%~12%。焦炭筛分组成有所改善,大于 80mm级产率有所下降,80mm~25mm 级显著增加(一般可增加 5%~10%),小于 25mm 级变化不大,因而提高了焦炭的粒度均匀系数[27] 。 1.2.1.3 煤调湿技术(CMC) 采用煤调湿技术将入炉煤的水分降低至 6~7%,使炼焦耗热量降低。如果按正常入炉煤水分为 11%,则采用煤调湿技术后水分降低了 5%,以 1kg干煤为基准,炼焦耗热量降低约 300~350kJ。 由于装炉煤水分的降低,堆密度增加约 7.7%,焦炭的产量也将有所增加[28] 。同时,由于入炉煤的堆密度增加和炭化室装煤初期升温速度的提高都能促使焦炭品质的提高,焦炭的粒级分布更趋均匀,粉焦率减少约 2%,15015DI 提高 0.8%~1.5%。 1.2.1.4 煤的预粉碎[29] 一般进行预粉碎的煤种性能较差。气煤和瘦煤硬度较大,一般只对气煤进行预粉碎。这样可以改善煤料的粒度分布,对于不同的配煤选择适宜的预粉碎细度和配合煤细度有助于提高焦炭质量。有试验表明:对气煤预粉碎炼焦后,M 40 提高 2%以上,M 10 改善 0.5%以上。 1.2.1.5 配添加剂 所谓配添加物就是在装炉煤中配入适量的黏结剂和抗裂剂等非煤添加物,以改善其结焦性的一种炼焦煤准备特殊技术措施[30] 。