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第一章炼焦原理与焦炭质量
1、什么是煤的干馏？
煤隔绝空气加热，放出水分和吸附气体，随后分解产生煤气和焦油等，剩下以碳为主体的焦炭。这种煤热分解的过程称为煤的干馏。
2、煤的干馏分为哪几种？
煤的干馏分为低温干馏、中温干馏和高温干馏三种。它们的主要区别在于干馏的最终温度不同。低温干馏在500℃～600℃；中温干馏在700℃～800℃；高温干馏在900℃～1000℃。
目前的炼焦炉绝大多数属于高温炼焦炉，主要生产冶金焦、炼焦煤气和高温炼焦的化学产品。后面叙述的都是指高温炼焦，即高温干馏过程。
3、煤在炭化室内是怎样变成焦炭的？
配合煤在炼焦炉的炭化室内转变为焦炭，大体上要经过干燥、热解、半焦收缩和焦炭形成等四个阶段。这四个阶段互相交错，不能截然分开。
我们从煤结构的研究知道，煤的结构是非常复杂的。在构成煤的基本构造单位的周围存在许多热稳定性各不相同，而且都比基本构造单位差的部分，我们把这部分物质称为侧链。在煤被加热时，这些侧链由于热稳定性差，先后断开而形成分子量不等的物质。分子量较小的物质呈气态，分子量中等的呈液态。如果高沸点液体的数量很多，就能把基本构造单位和气体的物质包合在一起，形成胶质体。当进一步加热时，胶质体进一步分解、聚缩固化而形成半焦。半焦进一步受热，结果一方面分解析出气体（主要是氢气），另一方面基本构造单位进一步缩合、变大、焦质变紧、变硬，最终形成焦炭。在高温下，热分解产生的焦油蒸气和炼焦煤气会分解产生游离碳，这些游离碳沉积在焦炭的表面上，使焦炭成银灰色。在这过程中，煤的粘结性起着主要作用。成焦的过程表示如下：
4、炼焦要经过哪些主要阶段？
把炼焦配煤在常温下装入炭化室后，煤在隔绝空气的条件下受到来自炉墙和炉底（1000 ℃ 一1100 ℃）的热流加热。煤料即从炭化室墙到炭化室中心方向，一层一层地经过干燥、预热、分解、产生胶质体、胶质体固化、半焦收缩和半焦转变为焦炭等阶段（见图1）。这就是所谓“层状炼焦”的特点。现将煤在炭化室内成焦的各个阶段分述如下：
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图1 炭化室内层状炼焦示意图
(l）干燥和预热（20℃～200 ℃）：析出水分，放出吸附于煤中的二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）等气体。
(2）开始热分解（200 ℃～350 ℃）。不同变质程度的煤开始热分解的温度是不同的，例如，气煤在210 ℃ 左右开始分解，肥煤约260 ℃，焦煤约300 ℃，瘦煤约390 ℃。煤在转变成胶质体状态前就开始分解，此时主要产生化合水（H2O）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）等气体和少量的焦油蒸气和液体。
(3）胶质体产生（350 ℃～450 ℃）：煤在进一步受热分解后，产生大量的焦油和沥青等液体。这些液体、气体和残余的固体一起成为胶质状态。
(4）胶质体固化（粘结）(450℃ 一500℃)：在进一步加热时，胶质体热解更加激烈，并伴随有聚缩和合成等反应。胶质体固化时析出大量挥发物。随着气体析出，固态物质形成，即开始产生半焦。
(5）半焦收缩（500 ℃～650 ℃）：半焦物质形成后，由于进一步加热的结果，在半焦内热解出大量的挥发物（主要是氢气和甲烷），这样，半焦收缩使焦质变紧，并产生裂纹。
(6）半焦转变为焦炭（650 ℃～950℃）：在此阶段中，继续析出气体，主要是氢。半焦进一步收缩，使焦质变紧变硬，裂纹增大，最终转变为焦炭。
5、在炼焦过程中，煤在炭化室内产生的气体是怎样析出的？
实践表明，装入炭化室的煤内部气体析出的途径，对化学产品的质量和焦炭生成的过程均有影响。经研究认为，煤装入炭化室内不久（不到半小时），不仅在炭化室两侧，而且在炉底受热分解而产生胶质体，此外，煤饼的上部也受到炉顶的热辐射而形成一层胶质体。这几部分的胶质体汇合成为一个封闭的袋状物。胶质体有一定的粘度而且透气性不好，因此成为气体透过的障碍物。这样便造成胶质层外侧的压力大大低于内层的压力。由于气流在装炉煤中是沿
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着阻力最小的途径流动的，因此，在胶质层外侧，在形成半焦和焦炭的过程中，析出的煤气只能通过焦炭层中的裂缝流向炭化室墙。另外，在胶质层区域内产生的气体，克服不了半焦层的阻力，一少部分沿着胶质层与半焦层的交界缝隙移向炉顶，大部分进入胶质层内侧的煤料内，自下而上流动，并突破煤饼顶部比较薄弱的胶质层进入炭化室顶部空间。由此可见，在炭化室中气体流动有三种途径，其中以顺着炭化室墙流动的途径为主，这部分煤气称为“外行气”随着炭化室内两侧胶质层逐渐向中心移动，自热侧流向炭化室顶部的气体量增加。实验证明，大约有20 %～25 ％的气体自胶质层内侧的装炉煤内析出，其余的75 % ～80 % 的煤气则从热侧流出。在炭化室内气体析出的途径如图2 所示。
图2 炭化室内干馏煤气析出的途径
6、在炭化室内为什么存在层状结焦的特点？
在炭化室内，由于热流是从炭化室两则的炉墙同时传给煤料的，而且结焦过程是从两侧同时进行的，因此，装入煤自炭化室墙到炭化室中心各层都要依次地经过前面叙述的焦炭形成过程的各个阶段。靠近炭化室两侧墙的煤层首先受热形成胶质层，以后随着加热过程的进行，胶质层逐渐向炭化室中心方向发展。这样，在胶质层内侧为湿煤和已经开始蒸发其中水分的干煤（图1）。而在胶质层的外侧形成半焦。半焦随着结焦温度的增高而慢慢形成焦炭。由此可以看出，在近代炼焦炉的炭化室内，沿炭化室宽度方向上各处的煤料不是同时成焦的，而是依次地经过结焦过程的各个阶段，这就是“层状结焦”的特点。
7、在炼焦过程中，炼焦煤气及焦油等是怎样产生的？
在结焦过程中，炼焦煤气及焦油的生成大致可分为两个阶段：(l）炼焦化学产品生成的初期阶段：在550 ℃ 以前生成的炼焦化学产品，通常称为一次分解产物。在350 ℃～550 ℃ 的温度范围内，焦油大量生成。这些焦油不含芳烃类和简单的酚类物质，而是含有羟基的芳烃、带有侧链的芳烃类和高级酚类；煤气的成分主要是甲烷等烷烃、不饱和烃和氢气等气体。
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(2）炼焦化学产品生成的最终阶段：一次分解产物在离开炭化室之前要发生很大的变化，这是由于这些产物经过高温炭化室墙和赤热的焦炭时会产生二次裂解的缘故。在此阶段开始时，煤气产率不断增加，直到结焦末期为止。而焦油产率在550 ℃ 以前是逐渐升高的，以后则开始下降，直到温度高于850 ℃ 时，焦油产率才保持不变。但是，此时的焦油密度和焦油中的游离碳的含量却随着温度的升高而增大，焦油的成分也发生很大的变化，酚含量减少、芳烃的含量开始增加。正常的高温炼焦的芳香族焦油是在温度大约为800 ℃ 以上得到的。
8、为什么在焦炭成熟后，打开炭化室炉门会发现焦饼离开炉墙和焦饼中心有缝等现象？
在炼焦过程中，由于炭化室内的煤料获得的热量是从炭化室两边炉墙传过来的，因此，煤料沿炭化室的宽度方向依次分层结焦。当两边胶质层汇合时，中间部分的煤气跑不出去，就把胶质层压向两边。当胶质层继续受热形成半焦，以及半焦收缩而最终形成焦炭时，整个焦饼便沿炭化室中心线分裂为两部分（见图3）。整个焦饼由于收缩的缘故，在接近结焦末期便离开炭化室墙。
图3 炭化室内煤料成焦后的状态
9、焦炭的裂纹是怎样产生的？
由于焦饼的最终收缩和焦饼内传热情况变化等原因，成熟的焦炭便形成多种形式的裂纹，现分述各种裂纹产生的原因：
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(1）焦饼中心裂纹：原因见前题所述。
(2）纵裂纹：距炉墙不同距离的各层，由于受到的加热温度、作用时间和结焦速度不同，所以产生不同的向上方和下方收缩的内应力，使焦饼和焦块形成纵裂纹。气煤炼制的纵裂纹较多，所以气煤焦瘦长且呈指状。
(3）横裂纹：在层状炼焦的过程中，由于沿炭化室宽度方向有一层胶质体存在，而这层胶质体的传热性又很差，因此，从炭化室两侧传入的热流使焦炭层和半焦层的温度迅速升高。由于各层温度和受热时间相差很大，即产生不同的收缩速度，这样便产生横裂纹。肥煤的焦炭横裂纹较多。
(4）焦花：所谓焦花，是指紧贴炉墙的焦饼表面产生很宽、很深、形象似菜花的那部分焦炭。由于装入炉内的煤料与1100℃ 左右温度的炭化室墙直接接触，这部分煤迅速被加热，分解产生大量的液体，而液体不与炉墙结合，在表面张力的作用下发生扭曲，加之迅速收缩、固化，因而产生很大的收缩应力。这样便产生很宽、很深的裂纹，形成似菜花的“焦花”。
(5）焦炭的内部裂纹：由于煤料内存在颗粒较大、且灰分较高的物质，而这些物质在焦炭内很容易形成裂纹中心，所以焦炭内部产生裂纹。
10、焦炭的气孔是怎样形成的？
煤在炼焦过程中软化分解，产生胶质体。胶质体有一定的粘度，把热分解产生的气体包在里面。随着热分解过程的进行，胶质体内的气体不断产生，当气体的压力达到一定程度时，一部分气体则冲破胶质体跑出来，没有跑出来的气体留在胶质体内部或表面上时便留下一个空隙，一旦胶质体固化，这些空隙便成为气孔。
11、影响焦炭气孔率的因素有哪些？
焦炭的气孔率是指焦炭气孔所占的体积与焦块体积之比。它可以借测得的焦炭的真密度与假密度的值来求得：
气孔率＝1假密度×100％ 真密度影响气孔率的因素有：
(1）胶质体多且流动性好时，胶质体内的气体不易透过，因此气孔率大。例如，气煤和肥煤所生成的焦炭的气孔率比焦煤和瘦煤的大。
(2）在胶质状态下，如果从胶质体内析出的气体越多，则气孔率就越大。例如，气煤的焦炭气孔率就比较大。
(3）胶质层厚度越小，气体越容易透过，不容易停留在胶质体内，所以气孔率就越小。
(4）堆密度大。气孔率小。例如，捣固装煤所产的焦炭或型焦的气孔率就比较小。
12、什么是煤的膨胀压力？
煤在一定体积的炭化室中受热分解时，不能自由膨胀，因而对炭化室墙或者测定膨胀压力装置的壁产生一定的压力，此压力称为膨胀压力。
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13、在炼焦过程中什么是最大膨胀压力？
煤在层状结焦的过程中，当两侧的胶质层汇合时，胶质层内的气体最难跑出，此时压向两侧炉墙的膨胀压力最大，我们把此时的膨胀压力称为最大膨胀压力。当焦饼的中心缝形成后，此种压力才迅速下降。
14、影响膨胀压力的因素有哪些？
(l）煤的种类：不同变质程度的煤种具有不同的膨胀压力。例如，气煤的膨胀压力为3kPa ～15kPa，肥煤为5kPa～20kPa，焦煤为15kPa～35kPa（有的可达50kPa ～60kPa)，瘦煤为20kPa～80kPa。
(2）加热速度越快，膨胀压力越大。(3）煤料堆密度越大，膨胀压力越大。
(4）煤的氧化能降低膨胀压力。煤的氧化能使胶质体的流动性和胶质层的厚度降低，使胶质体内的气体容易透过，因此，氧化可显著地降低煤的膨胀压力，甚至可以完全解除膨胀压力。但是，氧化却使煤的粘结性降低或丧失。
(5）加入瘦化剂可以降低煤的膨胀压力。例如，加入焦粉和无烟煤等瘦化剂，可使膨胀压力降低。
15、焦炭有什么用途？各种用途对焦炭质量有什么要求？
焦炭的用途很广，如炼铁、烧结、铸造、生产电石、造气及有色金属冶炼等各个工业部门都需要焦炭。国内外用于炼铁的焦炭消耗量占全部焦炭的60 ％～90 ％。
表1 冶金焦炭
灰分Ag/﹪ 硫分SgQ/﹪ 种类 牌号牌号Ⅱ 牌号Ⅲ Ⅰ类不Ⅱ类 Ⅲ类
Ⅰ不大于 大于
大块焦
（大于40mm）
12.00 12.01～13.51～0.60 0.61～0.81～大中块焦
13.50 15.00 0.80 1.00（大于25mm）
中块焦（25mm～40mm）
注：①水分只作为生产操作中控制指标，不作质量考核依据。
②焦末含量系指25mm以下部分，并以湿基计算。
③西南地区因受煤炭资源的限制，可执行灰分牌号Ⅲ不大于16.00％，硫分Ⅲ类不大于1.20％。
各种用途对焦炭的要求如下：
(l）对炼铁用焦的要求：供高炉冶炼用的冶金焦的质量要求见表1。(2）对铸造用焦的要求：铸造用焦炭应该是大块、强度高、气孔率低和反应性低的焦炭。通常铸造用焦炭的标准见表2。
表2
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指标 块度/mm
特级
水分Mad/﹪ 灰分Ad/﹪ ≤8.0 挥发分Vdaf/﹪ 硫分St1d/﹪ ≤0.60 转鼓强度M40/﹪ ≥85.0 落下强度SI450/﹪ ≥92.0 显气孔率Ps/﹪ ≤40.0 碎焦率（
机械强度/﹪
抗碎强度/M40 耐磨强度/M10
级别
一级 ﹥80 80～60 ﹥60 ≤5.0 8.01～10.00
≤1.5 ≤0.80 ≥81.0 ≥88.0 ≤45.0 ≤4.0
二级
10.01～12.00 ≤0.80 ≥77.0 ≥84.0 ≤45.0 Ⅰ组不小于 Ⅱ组不小于 Ⅲ组不小于 Ⅳ组不小于 Ⅰ组不小于 Ⅱ组不小于 Ⅲ组不小于 Ⅳ组不小于
挥发
焦末含
分Vr水分
量﹪不
﹪不WQ﹪
大于
大于
4.04.0
±1.0 80.0 76.0 72.0 65.0 8.0 9.0 10.0 11.0 1.9
4.05.0 ±1.0 不大12.0
— — 于
12.0(3）对气化用焦炭的要求：气化用焦应具有尽可能大的反应性，可以使用气孔率大、耐磨性差的小块焦；气化要求焦炭具有较高的灰分熔点，使灰分不易熔化结块而破坏气流沿发生炉断面的分布。气化用焦炭（或煤）的要求见表3。
表3 气化用焦（或煤）的要求
项目 指标
焦炭 无烟煤 >25 >40 粒度/mm
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>270 转鼓值/kg —
原料耗量/t/t氮 1.4～1.5 1.7～2.0(4）有色金属冶炼对焦炭的要求：冶炼有色金属时，不要求焦炭具有高的机械强度，并且硫分适当的高（不大于2.3 %）是有利的因素，因为这样可以少加含硫熔剂。
(5）对电石用焦的要求：生产电石要求焦炭固定碳高、灰分低；不要求高强度，粒度为15mm～20mm。因此，用含有石油延迟焦的配合煤炼制电石用焦较为适宜。
16、冶金焦的化学特性和物理机械性能指的是什么？这些性质对高炉冶炼有什么影响？
冶金焦的化学特性指的是挥发分、灰分、硫分、水分、磷分。物理机械性质指的是筛分组成、耐磨性和抗碎性。
(l）挥发分：挥发分的大小是衡量焦炭成熟度的一个指标。挥发分过高，意味着焦炭欠熟，耐磨性差，会导致高炉的透气性不好；挥发分低，说明焦炭过火了，焦炭则易碎，在高炉操作中会落入炉渣内，使排渣困难，高炉风口易损坏。焦炭过碎不容易燃烧，如果落入炉缸内会使铁液含碳量增加。
(2）灰分：焦炭的灰分大部分由SiO2 和Al2O3 组成。灰分过高的焦炭进入高炉时，就要增加石灰石用量，以便灰分变成熔渣。这就使高炉的生产率降低，使高炉各项技术经济指标下降。
(3）水分：焦炭的水分高会降低焦炭的发热量，水分波动大会破坏高炉的操作制度。
(4）硫分：焦炭的硫分对高炉是一种十分有害的杂质。焦炭含硫每增加0.1 %，焦比就增加1.2 %～2.0 %，生铁产量降低约2.0 ％。含硫多的铁不适合于炼钢和铸造。因此，一般要求冶金焦的硫分少于1 ％。
(5）磷分：焦炭中的磷分含量很少，且集中在焦炭的矿物质中。磷在生铁内会使生铁产生冷脆性。
(6）焦炭的筛分：主要是评价焦炭块度是否均匀的指标。一般通过筛分试验，得出25mm～40 mm、40 mm～80mm、大于80mm 这三级块度的重量（％)，并按照下式求出块度均匀系数k值：
(40~80)k=(80)(25~40)
式中(25～40)—块度为25mm～40mm 等级的重量，％;(40～80)—块度为40mm～80mm 等级的重量，％;(> 80)—块度为大于80 mm 等极的重量，％。
显然,k值大有利于改善高炉透气性，使高炉操作稳定。
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(7）焦炭的抗碎强度与耐磨强度：焦炭在运输过程和在高炉生产过程中要受到撞击、挤压、研磨和高温作用，所以它必须具有一定的强度，才能在到达风口一带时保持原来的块状。如果焦炭强度不够，则很容易碎成小块或变成焦末。这样，当这些小块和焦末进入高炉后，就会恶化高炉炉料的透气性，造成高炉操作困难。因此，焦炭的抗碎强度和耐磨强度是高炉冶炼对焦炭要求的重要指标。
17、如何检验焦炭的化学性质？
焦炭的水分、灰分和硫分均按煤的工业分析方法进行测定。焦炭的挥发分的测定是取一定量的焦样在马弗炉内（85 0℃ 士2 0℃）烧3min，然后取出冷却后称量，计算其挥发分产率。
18、焦炭的抗碎强度与耐磨强度是怎样测定的？
目前，常用落下试验和转鼓试验来测定焦炭的抗碎强度和耐磨强度。现分述如下：
(1）落下试验：焦炭从筛焦站过筛分级后，运到高炉之前要经过儿次倒运；到达炉顶以后，又要经过料钟加料时的撞击。落下试验就是模拟焦炭受到撞击的过程，把经过撞击后的焦炭进行筛分，以留在筛子上大块的焦炭占全部试验的焦炭数量的百分数作为指标。落下试验装置见图4。试验方法是：取50kg 大于50mm 的焦炭，自1.85m 的高处，往一块10mm 厚的钢板坠落四次，算出大于40mm 焦炭百分数为抗碎强度指标（又称落下指数）。
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图4落下试验装置结构图
(2）转鼓试验：为了鉴定焦炭的耐磨性，目前国内外都在使用不同构造的转鼓进行试验。我国常用的转鼓有松格林式转鼓和米库姆转鼓，现分述如下：）松格林转鼓（一般称作大转鼓）的结构如图5 所示。它的直径为2m，宽为800mm。在两壁的铁盘间装上直径为25mm、长为800mm 的圆铁棍，铁棍之间的间隔为25mm，铁棍的根数为127 根，转鼓的两壁用厚为8mm 的钢板制成。试验方法是：取400kg 大于25mm 的焦炭放入鼓内，以10r / min 的速度转15min，共150r，取留在鼓内的焦炭重量作为抗碎强度指标。从鼓内漏出的焦炭用25mm、10mm 的筛子筛分，取小于10mm 的粉焦重量作为耐磨强度指标。
此种转鼓由于焦炭在鼓内的装满程度较大（装满程度指焦炭试样体积与鼓腔体积之比），而鼓腔体积较小，所以在鼓内的焦炭不能自由落下，而且能沿着堆积体的表面滚动，所以破碎力很小，不能使焦炭内所有的裂纹裂开。由此可见，大转鼓的强度指标对反映破碎强度是有局限性的，而由于试验时间较长，则反映耐磨强度的指标较为有代表性。
图5松格林转鼓的结构图
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图6 小转鼓结构图a一纵剖面；b—横剖面）米库姆转鼓（一般称为小转鼓）见图6。它是用8 mm ～ 12mm 厚的钢板卷成直径为lm、宽lm 的封闭的转鼓。鼓身内均匀地焊上四 根100mm×100mm×10mm 的角钢。试验方法是：取50kg 大于40mm 的焦炭，按80mm、60mm、40mm 各级重量比分级取样装入鼓内，以25r / min 的速度转4min，共100r，取出以80mm、60mm、40mm、25mm、l0mm 筛子进行筛分称重，把大于l0mm 的焦块重新入鼓，再以上述的转速转5min，共225r，取出以80mm、60mm、4Omm、25mm、l0mm 的筛子筛分，把l00r、225r 后大于40mm 的百分数为抗碎强度指标，而以小于10mm 的百分数为耐磨强度指标。
此种转鼓内有四块角铁，当转鼓转动的时候，角铁把焦炭带起约0.45m 的高处自由落下，破碎能力已足够大，得出的强度指标基本上可以反映焦炭冷态下的机械强度性质。
近年来，有人认为焦炭在高炉内经受的热态强度的特性尤其重要，所以设计和制造出所谓“热转鼓”。用热转鼓测出的数值，可以反映焦炭在高炉内部的条件下的抵抗破碎、研磨和气体侵蚀的能力。
19、影响焦炭质量的因素有哪些？
(1）配合煤的成分和性质：配合煤的成分和性质决定了焦炭中的灰分、硫分和磷分的含量，而且焦炭的块度和强度在很大程度上也决定于原料煤的性质。例如，配煤中硫分和灰分低，得出的焦炭也是低灰低硫的；在配煤中增加高挥发分、低变质程度的气煤、就会使焦炭变得细长，块度变小；如果在配煤中增加焦煤和瘦煤，就会使焦炭的收缩裂纹减少，块度增大；配合煤中含有的矿物杂质多，便会影响焦炭的强度；配合煤的粉碎细度也会影响焦炭的强度。由于煤的结构复杂，对细度的要求不能一概而论。
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(2）炼焦的加热制度：影响加热制度的主要因素是加热速度和结焦末期温度。许多研究工作表明，当加快结焦速度时，可以使胶质体的流动性增加，炼出比较坚固的焦炭。但是，加快结焦速度，会使焦炭的收缩裂纹增加，焦炭的块度变小。例如，当结焦时间由16h ～15.5h 缩短到14h ～13.5h 时，80mm ～40mm 级焦炭的产率约降低5 ％～8 %（配煤比不同将有所变化）, 40mm ～25mm 级的产率相应地增加，而焦炭的平均块度有所降低。
提高结焦末期的温度，可以增加焦炭的耐磨性（即减少小于lomm 的焦末的产率），但是会减低焦炭的块度。因为焦炭最终收缩增加，势必使小裂纹增加，因而焦块容易沿着这些裂纹裂开。因此，必须合理地确定炼焦的加热制度，以使焦炭有尽可能小的磨损度和尽可能大的块度。
(3）炭化室内煤料的堆密度：增大炭化室内煤料的堆密度，可使煤粒紧密粘结，可获得机械强度高的焦炭。如预热煤炼焦、捣固炼焦和配型煤炼焦等，都会增加装炉煤的堆密度，改善焦炭质量。
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