焦炭质量影响因素探讨

魏美迎，郑忠英

(1.新地能源工程技术有限公司，天津 300022;2.北京新元创能深冷技术有限公司，北京 100176)

焦炭质量影响因素探讨

魏美迎1，郑忠英2

(1.新地能源工程技术有限公司，天津 300022;2.北京新元创能深冷技术有限公司，北京 100176)

探讨了影响焦炭质量的因素，其中原料煤性质是主要因素，此外炼焦条件也起了很重要的作用，并分析了焦炭热态性能。结合经验理论和生产实际，提出要优化炼焦条件和配煤质量控制，尤其要重视灰分及矿物质组成检测。

焦炭质量;热态性能;矿物质组成

近年来，随着高炉大型化、高风温、精料、富氧和喷吹等新技术的采用，高炉炼铁对焦炭质量提出了更高的要求，同时也促使人们在对待焦炭质量的认识、研究方法和质量改善措施上都有很大变化。这一时期，人们对焦炭在高炉中行为的研究更加重视，深入研究了焦炭工艺性质及焦炭的结构和微观性质。此外，在炼焦配煤，炼焦工艺及生产管理等方面也进行了大量研究，取得了显著的经济和社会效益。

1 焦炭质量影响因素

影响焦炭质量的因素很多，总的来说可以分为原料煤性质、备煤工艺和炼焦条件三个方面。

1.1 原料煤性质

焦炭质量最关键的影响因素是原料煤性质。煤质的评价指标很多，与焦炭质量有关的且至目前世界各国用来预测焦炭质量的煤质指标一般可以分为三类，即煤化度(变质程度)、黏结性和岩相组成(活惰比)。要得到高质量焦炭，煤质指标一般需满足以下条件：

①配煤的黏结性。煤的黏结性指标很多，我国常用的有胶质层厚度y、基式流动度MF、奥亚膨胀度b、黏结指数G等。生产实践表明，只有适宜的配煤黏结性才能生产出满足高炉需要的焦炭。一般要求MF为50～1 000 ddpm，b大于20%，y值为14～18 mm，G值为65～85，配煤的黏结性与挥发分是表征配煤性质最常用的指标。

②配煤的挥发分。一般炼焦配煤的挥发分为25%～30%，高于35%时，即使配煤黏结性很好，也很难得到高强度焦炭，此时焦炭气孔多，气孔壁强度差;低于25%时，虽能得到高强度焦炭，但因为容易产生较大压力膨胀和较小焦饼收缩，造成炉墙受损和推焦困难。

③配煤中煤岩组分的比例。一般配煤的显微组分中的活性组分应占主要部分，惰性组分也应有适当比例。惰性组分的比例因煤化度不同而异，当配煤的平均最大反射率Rmax小于1.3时，以30% ～32%为好，当 Rmax大于1.3时，以25% ～30%为好［1］。

不同煤化度煤在配煤中的比例要适中，黏结性结焦性好的中等煤化度煤(Vdaf=20%～30%)的配入比对焦炭质量的影响最大，这种煤被称为配煤中的基础煤，配入比例一般不宜低于55%～60%，其余40%～45%的煤要根据所用高或低煤化度的黏结性来适当配入。

④配煤的灰分。煤的灰分是指煤中所有可燃物质完全燃烧时，煤中矿物质在一定温度下经过一系列分解、化合等复杂反应后剩下的残渣。煤的灰分与煤中矿物质有密切的关系。炼焦煤中的灰分会影响焦炭质量。灰分在炼焦生产中是一种无用的杂质，不仅不易破碎，造成炼焦煤料的细度不好，而且在炼焦时不熔融，不黏结也不收缩。煤中绝大部分灰分转入焦炭中，较大的颗粒在焦炭内形成裂纹中心，降低焦炭的机械强度。某些灰成分还使焦炭的热反应性增强，焦炭的反应后强度降低。一般认为，焦炭灰分增加1%，炼铁焦比增加2%～2.5%，石灰石增加4%，高炉产量下降3%。所以，一般要求炼焦用煤的灰分不应大于10%。

1.2 备煤工艺

在备煤工艺方面公认的影响因素及措施有［2-3］：

1.2.1 入炉煤的堆密度

堆密度增加则结焦性增加，提高堆密度是改善焦炭强度的主要途径。堆密度提高，炼焦煤在软化熔融阶段产生的胶质体数量和质量都会随之提高，提高了结合和包裹惰性物质的能力，因而有利于提高焦炭质量。提高堆密度对应的工艺有：煤料捣固、型煤压块、煤调湿技术等。

煤料捣固。将炼焦煤在炉外捣固，使其堆积密度提高到950～1 150 kg/m3，一般可使焦炭M40提高1%～6%，M10改善2%～4%，CSR提高1%～6%。在保证焦炭质量的情况下，采用煤料捣固还可以多配15%～20%的弱黏结性的气煤及气肥煤。

型煤压块。将炼焦装炉煤的一部分进行压块成型，与散状煤料混合装炉炼焦，通过提高装炉煤堆密度来改善焦炭质量。一般情况下，焦炭质量在一定范围内随型煤配入量的增加而提高，如果保持焦炭机械强度不变，则可增加10%～15%的弱黏结性煤的用量。如宝钢在炼焦用煤中多配入弱黏结性气煤，并满足4 000 m3大型高炉的生产要求，从新日铁引进的成型煤工艺，取得了较好的经济效益。

煤调湿技术。煤调湿技术是将炼焦煤料在装炉前除掉一部分水分，保持装炉煤水分稳定且相对较低(一般为6%左右)。这项技术因其具有显著的节能、环保和经济效益，以及提高焦炭质量等优势而受到普遍重视，并在日本得到迅速发展。第2代煤调湿技术以干熄焦发电机抽出的蒸汽为热源，在多管回转式干燥机内采用蒸汽与湿煤间接换热。第3代煤调湿技术在流化床内用焦炉烟道气与湿煤直接换热。煤调湿工艺可使焦炉生产能力提高7.7%，装炉煤堆密度提高4%～7%。

1.2.2 配合煤的细度和选择性粉碎

在炼焦过程中，肥煤和焦煤的黏结性较好不宜过度粉碎造成细度过大，而瘦煤气煤等惰性煤种应粉碎减小其粒度，先配后粉工艺存在如下缺点：要求粉碎细度小的肥煤、焦煤由于其硬度小，易粉碎而造成过细粉碎;相反，要求粉碎细度大的气煤、瘦煤由于其不易粉碎性造成粉碎细度过小，煤的粒度过大。先配后粉仅适用于煤种黏结性较好，煤质均匀的情况。配煤细度对焦炭质量的影响很大，一般需要控制细度在80%左右，同时需要进行选择性粉碎，将硬度大的瘦煤和气煤预粉碎，配入肥煤和焦煤后再将配合煤二次粉碎。

1.2.3 装炉煤水分

装炉煤水分对结焦过程有较大影响，水分增高将使结焦时间延长，通常水分每增加1%，结焦时间延长20 min，不仅影响产量，也影响炼焦速度。装炉煤水分还影响堆密度，煤料的堆密度随着煤料水分含量的化而变化，煤料水分低于7%时，随水分降低，堆密度增高，而且增高较快;水分为7%～10%时，煤料的堆密度最小;水分大于10%并逐渐增高时，堆密度也增高，这是由于水分的润滑作用，促进煤粒相对位移所致，但水分增高同时使结焦时间延长和炼焦耗热量增高，同时影响焦炭质量，故装炉煤水分不宜过高。

1.2.4 配添加物

当装炉煤的黏结性不足时，可以加入适当含活性黏结成份的黏结剂(煤焦油、煤沥青等)。当挥发性较高、黏结性足够时，配入细粉碎的瘦化剂(焦粉、半焦粉、延迟焦等)以减少半焦收缩和焦炭裂纹，从而提高焦炭质量。

1.3 炼焦条件

1.3.1 焦炉的加热制度

焦炉的加热要适合而稳定，使焦饼均匀成熟是保证焦炭强度的基本条件。加热制度主要有以下几方面：第一是炼焦速度，通常是指炭化室平均宽度与结焦时间的比值。炼焦速度反映炭化室内煤料结焦过程的平均升温速度，根据煤的成焦机理，提高升温速度可使塑性温度间隔变宽，流动性改善，有利于改善焦炭质量。但是在室式炼焦条件下，炼焦速度和升温速度的提高有限，所以其效果仅使焦炭的气孔结构略有改善，而对焦炭显微组分的影响则不明显。第二是炼焦终温。提高炼焦最终温度，使结焦后期的热分解与热缩聚程度提高。有利于降低焦炭挥发分和含氢量，使气孔壁材质致密性提高，从而提高焦炭显微强度、耐磨强度和反应后强度。但在气孔壁致密化的同时，微裂纹将扩展，因此抗碎强度则有所降低。第三是焖炉时间。焦饼成熟后适当延长焖炉时间，同样有利于提高结焦过程的热聚合程度，促进焦炭石墨化程度的提高，也有助于改善焦炭的微观性质。近年来，随着干熄焦技术的使用，日本提出先中温干馏(700～800℃)，中温半焦在干熄焦预存室再加热，使焦炭进一步成熟，以达到改质的效果。

1.3.2 干熄焦

干法熄焦(简称干熄焦CDQ)是采用惰性气体熄灭赤热焦炭的熄焦方法，具有节能、提高焦炭质量和环保三大优点。与湿法熄焦相比，焦炭的M40可提高3%～8%，M10改善0.3%～0.8%。干熄焦可降低高炉焦比，有利于高炉炉况顺行和提高高炉的生产能力，对采用富氧喷吹技术的大型高炉效果更加显著。国际上公认，大型高炉采用干熄焦炭可降低焦比2%，提高高炉生产能力1%;干熄焦技术还可在焦炭质量相同的情况下，降低强黏结性焦、肥煤配比，降低炼焦成本。

2 焦炭的热态性能

焦炭的热态性能主要有热反应性(CRI)反应后强度CSR。Díez等认为焦炭的反应后强度(CSR)是反映焦炭质量指标的重要因素，它受以下因素影响。煤的变质程度、有机组成和无机矿物质、炼焦条件等是影响反应后强度CSR的主要因素。反应后强度CSR和反应性CRI二者互相影响，CRI高，CSR就差，反之亦然。

焦炭反应性CRI和反应后强度CSR指标是近年来高炉冶金十分重视的参数，目前国内外虽无具体的标准，但有明确的要求。主要表现为以下方面：

①焦炭在炉身中部、下部和炉腰处经受CO2的气化反应及碱金属侵蚀作用，焦炭表面开始松动而产生龟裂现象，结果M10增大、粉末增多、透气性下降、气流分布变得不均匀，而CRI、CSR两个指标正是用来衡量焦炭在高炉中经受这些行为的能力，因此用焦炭的CRI、CSR来评价焦炭质量无疑要比常温机械强度更接近高炉的状况，更有意义。

②由于某种炼焦煤资源短缺而导致配煤制度及炼焦条件发生重大的改变时，更要注意焦炭的高温质量指标。如：两种不同的煤在不同的火道温度下炼焦时冷态强度M40、M10基本不变，但热态强度CRI、CSR可能变化很大。就其原因是由于配煤制度改变后，原料煤的煤质指标可能变化不大，但二者的矿物质组成发生很大变化，不同的矿物质对焦炭的催化作用不一样，从而影响了CRI、CSR指标。

③焦炭的反应性越低则它在风口处与鼓风的反应越慢，且风口前形成的焦炭燃烧面积越大，这样可以使燃料下降运行更加均匀;若反应性越高则相反。所以高炉容积越大要求CRI越低，CSR越高。

焦炭在高炉中加热到炼焦温度时，由于焦炭基质与灰分膨胀性不同，会在灰分周围产生裂纹，使焦炭加快碎化和粉化，灰分中的金属氧化物尤其是碱金属对焦炭与CO2的反应性起催化作用，对大容积高炉，焦炭灰分一般不大于12%。

一般来说焦炭的灰分越小越好，灰分较高时降低了焦炭的固定碳含量和发热值，从而不利于铁水温度的提高，且还增加了造渣量和热损失，此外焦炭中的灰分在炉缸内部高温下会形成熔渣吸附在焦炭的表面，阻碍铁水的渗碳，一般灰分降低1%，焦炭的消耗量约降低4%，铁水的温度升高10℃。一般铸造焦的挥发分也要低，因为挥发分高则固定碳含量低，熔化金属的焦比高，焦炭强度也变低。

高炉炉料中三分之二的硫来自于焦炭，其在焦炭中一部分以硫化物和硫酸盐形态存在于灰中，一部分以硫碳化合物的形态与焦炭紧密结合，对高炉及铁水质量造成严重后果。焦炭中硫分增加时要增加熔剂以便造渣脱硫，从而焦比也会升高。通常情况下，高炉焦的硫含量每增加0.1%，焦比则增加3%，生铁产量降低2%～5%。

3 结语

总体来说，焦炭质量主要取决于配煤指标和炼焦工艺。焦炭质量的主要指标为高温下焦炭的热态性能指标，而焦炭反应性指标和反应后强度受矿物质影响较大，焦炭的矿物质来源于配合煤，因此焦化企业必须做好来煤质量检测尤其要重视灰分及矿物质组成检测，加强煤场管理，优化炼焦条件，合理遵循焦炉温度制度和压力制度，以确保焦炭质量处于较高和稳定的水平。

［1］ 周师庸，赵俊国.炼焦煤性质与高炉焦炭质量［M］.第1版.北京：冶金工业出版社，2005：26-35.

［2］ 姚昭彰，郑明东.炼焦学［M］.第3版.北京：冶金工业出版社，2005：45-52.

［3］ 郑明东，水恒福.炼焦新技术［M］.第1版.北京：冶金工业出版社，2006：87-92.

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1003-3467(2012)06/08-0026-03

2012-03-21

魏美迎(1983-)，女，助理工程师，主要从事化工工程设计工作，电话：022-58861882-8038。