煤化工-3.ppt

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1、煤化工煤化工第三章炼焦第三章炼焦3.1焦炭及其性质焦炭及其性质一、焦炭的宏观构造一、焦炭的宏观构造 焦焦炭炭是是一一种种质质地地坚坚硬硬，以以碳碳为为主主要要成成分分的的含含有有裂裂纹纹和和缺缺陷陷的的不不规规则则多多孔孔体体,呈呈银银灰灰色色。真真密密度度为为1.81.81.95g/cm1.95g/cm3 3,视视密密度度为为0.080.081.08g/cm1.08g/cm3 3,气气孔孔率率为为35%35%55%,55%,堆堆密密度度为为400400500kg/m500kg/m3 3。焦焦体体由由气气孔孔和和气气孔孔壁壁构构成成，气气孔孔壁壁又又称称焦焦质质，其其主主要要成成分分是是碳碳和

2、和矿矿物物质质。焦焦炭炭的的裂裂纹纹多多少少直直接接影影响响焦焦炭炭的的粒粒度度和和抗抗碎碎强强度度。孔孔孢孢结结构构通通常常用用气气孔孔平平均均直直径径、孔孔径径分分布布、气孔壁厚度和比表面积等参数表示。气孔壁厚度和比表面积等参数表示。1 1气孔率气孔率 焦焦炭炭的的气气孔孔率率是是指指气气孔孔体体积积与与总总体体积积比比的的百百分分率率。气气孔孔率率可可以以利利用用焦焦炭炭的的真真密密度度和和视视密密度度的的测测定定值值加加以以计计算算。焦焦炭炭的的气气孔孔数数量量还还可可以以用用比比孔孔容容积积来来表表示示，即即单单位位质质量量多多孔孔体体内内部气孔的总容积，可用四氯化碳吸附法测定。部气

3、孔的总容积，可用四氯化碳吸附法测定。（3-1）l在一定的四氯化碳蒸汽相对压力下，使四氯化碳蒸汽在催在一定的四氯化碳蒸汽相对压力下，使四氯化碳蒸汽在催化剂内孔中凝聚。凝聚的四氯化碳体积即为催化剂内孔的化剂内孔中凝聚。凝聚的四氯化碳体积即为催化剂内孔的总容积。总容积。l毛细管凝聚根据开尔文公式，当温度一定，改变吸附质的毛细管凝聚根据开尔文公式，当温度一定，改变吸附质的相对压力（相对压力（P/P0），吸附质在不同孔径的毛细孔中凝聚成），吸附质在不同孔径的毛细孔中凝聚成液体。液体。P/P0越大，可凝聚的孔越大，当越大，可凝聚的孔越大，当P/P0大于大于0.95时，时，吸附质在催化剂颗粒之间也产生凝聚，

4、致使测定结果偏高，吸附质在催化剂颗粒之间也产生凝聚，致使测定结果偏高，所以通常采用相对压力为所以通常采用相对压力为0.95（在四氯化碳中加入一定量（在四氯化碳中加入一定量的十六烷，即可做到）。的十六烷，即可做到）。l在上述条件下，测定固体催化剂对四氯化碳的平衡吸附量，在上述条件下，测定固体催化剂对四氯化碳的平衡吸附量，由下式计算：由下式计算：l lW2：样品称量瓶吸附四氯化碳的总重量（克）；：样品称量瓶吸附四氯化碳的总重量（克）；lW1：空称量瓶吸附四氯化碳的重量（克）；：空称量瓶吸附四氯化碳的重量（克）；lW：样品重量（克）；：样品重量（克）；ld：吸附温度下四氯化碳的比重（克：吸附温度下四

5、氯化碳的比重（克/毫升）毫升）2 2气孔平均直径与孔径分布气孔平均直径与孔径分布 焦焦炭炭中中存存在在的的气气孔孔大大小小是是不不均均一一的的，一一般般称称直直径径大大于于100100微微米米的的气气孔孔为为大大气气孔孔，2020100100微微米米的的为为中中气气孔孔，小小于于2020微微米米的的为为微微气气孔孔。焦焦炭炭与与COCO2 2作作用用时时，仅仅大大的的气气孔孔才才能能使使COCO2 2进入，因此焦炭的孔径分布常用压汞法测量。进入，因此焦炭的孔径分布常用压汞法测量。（3-23-2）式式中中 外外加加压压力力为为 （kgf/cmkgf/cm2 2）时时，汞汞能能进进入入孔孔中中的的

6、最最小小孔径。孔径。设设半半径径在在 到到 范范围围内内的的孔孔体体积积为为 ，孔孔径径大大小小的的分分布布函数为函数为D(rD(r)，则，则对（对（3-23-2）式微分得）式微分得 代入上式得代入上式得 （3-33-3）和和 可可由由实实验验测测出出，由由此此可可按按式式（3-23-2），（3-33-3）分分别别得得出出 和和 ，按按 对对 绘绘图图，即即得得孔孔径径分分布布曲曲线线，进进而而算算出气孔平均直径。出气孔平均直径。3.3.比表面积比表面积 指指单单位位质质量量焦焦炭炭内内部部的的表表面面积积（m m2 2/g/g），一一般般用用气气相相吸吸附法或色谱测定。附法或色谱测定。l该法

7、所用的流动气体是一种吸附质与一种惰性气体的混合该法所用的流动气体是一种吸附质与一种惰性气体的混合物，通常采用氮气作为吸附质，氦气作载气。由于条件限物，通常采用氮气作为吸附质，氦气作载气。由于条件限制，本实验采用氮气作吸附质，氢气作载气，氮气、氢气制，本实验采用氮气作吸附质，氢气作载气，氮气、氢气以一定比例混合，达到一定的相对压力，然后流经样品，以一定比例混合，达到一定的相对压力，然后流经样品，当样品放入盛有液氮的保温瓶里冷却时，样品对混合气中当样品放入盛有液氮的保温瓶里冷却时，样品对混合气中的氮气发生物理吸附，而不吸附氢气，吸附气体量与试样的氮气发生物理吸附，而不吸附氢气，吸附气体量与试样表面

8、积成正比，当吸附达到平衡时，除去液氮，温度升高。表面积成正比，当吸附达到平衡时，除去液氮，温度升高。氮气又从样品声脱附而出，混合气体的浓度变化用热导池氮气又从样品声脱附而出，混合气体的浓度变化用热导池检测器记录下来，由脱附峰与已知的一定氮气量出的标准检测器记录下来，由脱附峰与已知的一定氮气量出的标准峰面积比（直接标定），即可计算出此氮气分压下的吸附峰面积比（直接标定），即可计算出此氮气分压下的吸附量。按照量。按照BET式计算单分子层饱和吸附量，从而求出催式计算单分子层饱和吸附量，从而求出催化剂表面积。化剂表面积。l比表面积大小性能检测在许多的行业应用中是必须的，如比表面积大小性能检测在许多的行

9、业应用中是必须的，如电池材料，催化剂，橡胶中碳黑补强剂，纳米材料等。一电池材料，催化剂，橡胶中碳黑补强剂，纳米材料等。一般固体比表面积多在般固体比表面积多在0.1-2000之间。之间。二、焦炭的物理机械性能二、焦炭的物理机械性能 高高炉炉生生产产对对焦焦炭炭的的基基本本要要求求是是：粒粒度度均均匀匀、耐耐磨磨性性和和抗抗碎碎性性强强。焦焦炭炭的的这这些些物物理理机机械械性性能能主主要要由由筛分组成和转鼓试验来评定。筛分组成和转鼓试验来评定。1 1筛分组成筛分组成 焦焦炭炭是是外外形形和和尺尺寸寸不不规规则则的的物物体体，只只能能用用统统计计的的方方法法来来表表示示其其粒粒度度，即即用用筛筛分分

10、试试验验获获得得的的筛筛分分组组成成计计算算其其平平均均粒粒度度。国国际际标标准准允允许许筛筛分分试试验验用用方方孔孔筛筛（以以边边长长L L表表示示孔孔的的大大小小）和和圆圆孔孔筛筛（以以直直径径D D表表示示孔孔径径的的大大小小）。相相同同尺尺寸寸的的两两种种筛筛，其其实实际际大大小小不同，试验得出两者关系为：不同，试验得出两者关系为：D/L=1.135D/L=1.1350.04 0.04 （3-43-4）2 2耐磨强度和抗碎强度耐磨强度和抗碎强度 （1 1）转鼓试验方法）转鼓试验方法 焦焦炭炭强强度度通通常常用用抗抗碎碎强强度度和和耐耐磨磨强强度度两两个个指指标标来来表表示示。焦焦炭炭在

11、在常常温温下下进进行行转转鼓鼓试试验验可可用用来来鉴鉴别别焦焦炭炭强强度度。焦焦炭炭在在一一定定转转速速的的转转鼓鼓内内运运行行，模模仿仿其其在在运运输输和和使使用用过过程程中中的的受受力力情情况况。焦焦炭炭表表面面承承受受的的切切向向摩摩擦擦力力超超过过气气孔孔壁壁的的强强度度时时，产产生生表表面面薄薄层层分分离离现现象象形形成成碎碎屑屑或或粉粉末末，焦焦炭炭抵抵抗抗此此种种破坏的能力称耐磨性或耐磨强度，用破坏的能力称耐磨性或耐磨强度，用M M1010值表示。值表示。当当焦焦炭炭承承受受冲冲击击力力时时，焦焦炭炭沿沿结结构构的的裂裂纹纹或或缺缺陷陷处处碎碎成成小小块块，焦焦炭炭抵抵抗抗此此种

12、种破破坏坏的的能能力力称称焦焦炭炭的抗碎性或抗碎强度。用的抗碎性或抗碎强度。用M M2525（M M4040）表示。表示。转鼓特性转鼓特性焦炭试样焦炭试样筛分筛分强度指标强度指标（直径（直径/长度）长度）/mm/mm转速转速/（转（转/分）分）转转速速/转转质质量量/Kg/Kg粒粒度度/mm/mm孔孔型型筛筛孔孔/mm/mm耐磨耐磨强度强度 /%/%抗抗 碎碎强强 度度/%/%1000/101000/10000025251001005050 6060圆圆形形2525，1010 10/M10/M1010 25/M25/M2525 图图3-1 3-1 焦炭在转鼓内的运动情况焦炭在转鼓内的运动情况

13、三、焦炭的化学组成三、焦炭的化学组成 焦焦炭炭的的化化学学组组成成主主要要用用焦焦炭炭工工业业分分析析和和元元素素分分析析数数据据来来加以体现。加以体现。1 1工业分析工业分析（1 1）水水分分（M Mt t）焦焦炭炭的的水水分分是是焦焦炭炭试试样样在在一一定定温温度度下下干干燥燥后后的的失失重重占占干干燥燥前前焦焦样样的的百百分分率率。生生产产上上要要求求稳稳定定控控制制焦焦炭炭的的水水分分，水水分分波波动动会会使使焦焦炭炭计计量不准，从而引起炉况波动。量不准，从而引起炉况波动。此此外外，焦焦炭炭水水分分提提高高会会使使M M2525偏偏高高，M M1010偏偏低低，给给转转鼓鼓指指标标带带

14、来来误误差差。水水分分也也不不宜宜过过低低，否否则则不不利利于于降降低低高高炉炉炉炉顶顶温温度度，且且会会增增加加装装卸卸即即使使用用中中的的粉粉尘尘污污染染。湿湿熄熄焦焦时时，焦焦炭炭水水分分约约4%4%6%6%，因因喷喷水水、沥沥水水条条件件和和焦焦炭炭粒粒度度不不同同而而波波动动；干干熄熄焦焦时时，焦焦炭炭在在贮贮运运过过程程中中也也会会吸吸附附空空气气中中水水汽汽，使使焦焦炭炭水水分分达达0.5%0.5%1%1%。我我国国规规定定冶冶金金焦焦水水分分为为：40mm40mm粒粒级级为为3 35%5%；25mm25mm粒粒级级为为3 37%7%，含含有有适适量量水水分分，有有利利于于降降低

15、低高高炉炉炉炉顶顶温温度度。水水分分的的测测定定方法见国标方法见国标GB2001GB20018080。（2 2）灰灰分分（A Ad d）灰灰分分是是焦焦炭炭中中的的有有害害杂杂质质，主主要要成成份份是是高高熔熔点点的的SiOSiO2 2和和AlAl2 2O O3 3等等酸酸性性氧氧化化物物,在在高高炉炉冶冶炼炼中中要要用用CaOCaO等等熔熔剂剂与与它它们们生生成成低低熔熔点点化化合合物物，才才能能以以熔熔渣渣形形式式由由高高炉炉排排出出。如如是是灰灰分分高高，就就要要适适当当提提高高高高炉炉炉炉渣渣碱碱度度，不不利利于于高高炉炉生生产产。由由于于焦焦质质和和灰灰分分热热膨膨胀胀性性不不同同，

16、会会沿沿灰灰分分颗颗粒粒周周围围产产生生并并扩扩大大裂裂纹纹，加加速速焦焦炭炭破破碎碎或或粉粉化化。灰灰分分中中的的碱碱金金属属还还会会加加速速焦焦炭炭同同COCO2 2的的反反应应，也也使使焦焦炭炭的破坏加剧。的破坏加剧。一一般般焦焦炭炭灰灰分分每每增增加加1%1%，高高炉炉焦焦比比（每每吨吨生生铁铁消消耗耗焦焦炭炭量量）约约提提高高2%2%，炉炉渣渣量量约约增增加加3%,3%,高高炉炉熔熔剂剂用量约增加用量约增加4%,4%,高炉生铁产量约下降高炉生铁产量约下降2.22.23.0%3.0%。灰灰分分指指标标是是衡衡量量焦焦炭炭质质量量的的主主要要指指标标，焦焦炭炭灰灰分分高高的的原原因因是是

17、炼炼焦焦精精煤煤的的灰灰分分高高所所致致。将将焦焦炭炭灰灰分分由由14.5%14.5%降降至至10.5%10.5%，以以年年产产70007000万万吨吨生生铁铁的的高高炉炉计计算算，可可以以节节约约熔熔剂剂227227万万吨吨、焦焦炭炭385385万万吨吨，可可以以增增加生铁加生铁10151015万吨，降低铁路运输量。万吨，降低铁路运输量。（3 3）挥挥发发分分（V Vdafdaf）和和固固定定碳碳（FCFC）挥挥发发分分是是衡衡量量焦焦炭炭成成熟熟程程度度的的标标志志，通通常常规规定定高高炉炉焦焦的的挥挥发发分分应应为为1.2%1.2%左左右右，若若挥挥发发分分大大于于1.9%1.9%则则表

18、表示示生生焦焦，其其不不耐耐磨磨，强强度度差差；若若挥挥发发分分小小于于0.7%0.7%，则则表表示示过过火火，过过火火焦焦裂裂纹纹多多且且易易碎碎。焦炭的挥发分同原料煤的煤化度及炼焦最终温度有关。焦炭的挥发分同原料煤的煤化度及炼焦最终温度有关。图图3-2 3-2 焦炭挥发分与原料煤挥发分的关系焦炭挥发分与原料煤挥发分的关系 图图3-3 3-3 焦炭挥发分与炼焦温度的关系焦炭挥发分与炼焦温度的关系 挥挥发发分分升升高高，推推焦焦时时粉粉尘尘放放散散量量显显著著增增加加，烟烟气量及烟气中的多环芳烃含量也增加。气量及烟气中的多环芳烃含量也增加。固定碳是煤干馏后残留的固态可燃性物质固定碳是煤干馏后残

19、留的固态可燃性物质 固定碳固定碳 =100=100水分灰分挥发分，水分灰分挥发分，%焦炭挥发分的测定方法见国标焦炭挥发分的测定方法见国标200220028080。2 2元素分析元素分析 焦焦炭炭元元素素分分析析是是指指焦焦炭炭按按碳碳、氢氢、氧氧、氮氮、硫硫和和磷磷等等元元素素组组成成确确定定其其化化学学成成分分时时，称称为为元元素素分析。分析。（1 1）碳碳和和氢氢 碳碳是是构构成成焦焦炭炭气气孔孔壁壁的的主主要要成成分分，氢氢则则包包含含在在焦焦炭炭的的挥挥发发分分中中，将将焦焦炭炭试试样样在在氧氧气气中中燃燃烧烧，生生成成的的H H2 2O O和和COCO2 2分分别别用用吸吸收收剂剂吸

20、吸收收,由由吸吸收收剂剂的的用用量量确确定定焦焦样样中中的的碳碳和和氢氢。以以焦焦炭炭的的氢含量可以更可靠地判断焦炭的成熟程度。氢含量可以更可靠地判断焦炭的成熟程度。（2）氮）氮焦炭中的氮是焦炭燃烧时生成焦炭中的氮是焦炭燃烧时生成NOx的的来源，结焦过程中氮含量变化不大，仅在干馏温来源，结焦过程中氮含量变化不大，仅在干馏温度达度达800摄氏度以上时才稍有降低。摄氏度以上时才稍有降低。焦样在催化剂（焦样在催化剂（K2SO4+CuSO4）存在的条件下，）存在的条件下，能和沸腾浓硫酸反应使其中的氮转化为能和沸腾浓硫酸反应使其中的氮转化为NH4HSO4，再用过量，再用过量NaOH反应使反应使NH3分出

21、。经硼酸溶液吸分出。经硼酸溶液吸收，最后用硫酸标准溶液滴定，以确定焦样中的收，最后用硫酸标准溶液滴定，以确定焦样中的含氮量。其成分为含氮量。其成分为0.5%0.7%。（3 3）氧氧 焦焦炭炭中中氧氧含含量量很很少少，其其成成分分为为0.4%0.4%0.7%0.7%。（4 4）硫硫 焦焦炭炭中中的的硫硫包包括括：煤煤和和矿矿物物质质转转变变而而来来的的无无机机硫硫化化物物（FeSFeS 、CaSCaS等等），熄熄焦焦过过程程中中部部分分硫硫化化物物被被氧氧化化生生成成的的硫硫酸酸盐盐（FeSOFeSO4 4 CaSOCaSO4 4），炼炼焦焦过过程程中中生生成成的的气气态态硫硫化化物物在在析析出

22、出途途中中与与高高温温焦焦炭炭作作用用而而进进入入焦焦炭炭的的有有机机硫硫，这这些些硫硫的的总总和和称称全全硫硫。工工业上通常用重量法测定。其成分为业上通常用重量法测定。其成分为0.7%0.7%1.0%1.0%。一一般般焦焦炭炭含含硫硫每每增增加加0.1%0.1%，高高炉炉焦焦比比约约增增加加1.2%1.2%2.0%2.0%，高高炉炉熔熔剂剂用用量量约约增增加加2%2%，生生铁铁产产量量约约减少减少2.0%2.0%2.5%2.5%。（5 5）磷磷 焦焦炭炭中中的的磷磷主主要要以以无无机机盐盐类类形形式式存存在在。将将焦焦样样灰灰化化后后，从从灰灰分分中中浸浸出出磷磷酸酸盐盐，再再用用适适当当的

23、的方方法法测测定定磷磷酸酸盐盐溶溶液液中中的的磷磷酸酸根根含含量量，即即可可得得出出焦焦样样含含磷磷。通通常常焦焦炭炭含含磷磷约约0.02%0.02%。高高炉炉炉炉料料中中的的磷磷全全部部转转入入生生铁铁，转转炉炉炼炼钢钢不不易易除除磷磷，要要求求生生铁铁含含磷磷低低于于0.01%0.01%0.015%0.015%。煤煤中中含含磷磷几几乎乎全全部部残残留留在在焦焦炭炭中中，高高炉炉焦焦一一般般对对含含磷磷不不作作特特定定要要求。求。四、焦炭的高温反应性四、焦炭的高温反应性 1 1反应机理反应机理 焦焦炭炭的的高高温温反反应应性性是是焦焦炭炭与与二二氧氧化化碳碳、氧氧和和水水蒸蒸气气等等进行化学

24、反应的性质，简称焦炭反应性，反应如下：进行化学反应的性质，简称焦炭反应性，反应如下：C+OC+O2 2 COCO2 2+394kJ/mol +394kJ/mol （1 1）C+HC+H2 2OHOH2 2+CO-131110kJ/mol +CO-131110kJ/mol （2 2）C+COC+CO2 22CO-173 kJ/mol 2CO-173 kJ/mol （3 3）反反应应（1 1）也也称称焦焦炭炭的的燃燃烧烧性性，高高炉炉内内主主要要发发生生在在风风口口区区16001600以上的部位。以上的部位。反应（反应（2 2）也称水煤气反应。）也称水煤气反应。反反应应（3 3）也也称称碳碳素素溶

25、溶解解反反应应（高高炉炉内内主主要要发发生生在在90090013001300的软融带和滴落带）。的软融带和滴落带）。焦焦炭炭在在高高炉炉炼炼铁铁、铸铸造造化化铁铁和和固固定定床床气气化化过过程程中中，都都要要发发生生以以上上三三种种反反应应。由由于于焦焦炭炭与与氧氧和和水水蒸蒸汽汽的的反反应应有有与与二二氧氧化化碳碳的的反反应应类类似似的的规规律律，因因此此大大多多数数国国家家都都用用焦焦炭炭与与二二氧氧化化碳碳间间的的反反应应特特性性评定焦炭反应性。评定焦炭反应性。焦焦炭炭是是一一种种碳碳质质多多孔孔体体，它它与与COCO2 2间间的的反反应应属属气气固固相相反反应应，当当温温度度低低于于1

26、1001100时时，化化学学反反应应速速度度较较慢慢，焦焦炭炭气气孔孔内内表表面面产产生生的的COCO分分子子不不多多，COCO2 2分分子子比比较较容容易易扩扩散散到到内内表表面面上上与与C C 发发生生反反应应，因因此整个反此整个反应应速度由化学反速度由化学反应应速度控制。速度控制。当当温温度度为为1100110013001300时时，化化学学反反应应速速度度加加快快，生生成成的的COCO使使气气孔孔受受堵堵，阻阻碍碍COCO2 2的的扩扩散散，因因此此，整整个个反反应应速速度度由由气气孔孔扩扩散散速速度度控控制制。当当温温度度大大于于13001300时时，化化学学反反应应速速度度急急剧剧

27、增增加加，COCO2 2分分子子与与焦焦炭炭一一接接触触，来来不不及及向向内内扩扩散散就就在在表表面面迅迅速速反反应应形形成成COCO气气膜膜，反反应应速速度度受受气气膜膜扩扩散散速速度度控控制制。当当焦焦炭炭的的粒粒度度加加大大时时，气气孔孔的的影影响响增增强强，气气孔孔扩扩散散速速度度控控制制区区将将增增大大，相相应应减减小小气膜扩散速度控制区。气膜扩散速度控制区。焦焦炭炭与与COCO2 2的的反反应应速速度度与与焦焦炭炭的的化化学学性性质质及及气气孔孔比比表表面面有有关关。只只有有采采用用粒粒径径为为几几十十到到几几百百微微米米的的细细粒粒焦焦进进行行反反应应性性实实验验时时，才才能能排

28、排除除气气体体扩扩散散的的影影响响，获获得得焦焦炭炭和和COCO2 2的的化化学学动动力力学学性性质质。通通常常从从工工艺艺角角度度评评价价焦焦炭炭的的反反应应性性，均均采采用用块块状状焦焦炭炭，要要使使所所得得结结果果有有可可比比性性，焦焦炭炭反反应应性性的的测测定定应应规规定定焦焦样样粒粒度度、反反应应温温度度、COCO2 2浓浓度度、反反应应气流量、压力等。气流量、压力等。2 2影响反应性因素影响反应性因素 （1 1）原原料料煤煤性性质质 焦焦炭炭反反应应性性随随原原料料煤煤煤煤化化度度变变化化而而变变化化。低低煤煤化化度度的的煤煤炼炼制制的的焦焦炭炭反反应应性性较较高高；相相同同煤煤化

29、化度度的的煤煤，当当流流动动度度和和膨膨胀胀度度高高时时制制得得的的焦焦炭炭，一一般般反反应应性性较较低低；金金属属氧氧化化物物对对焦焦炭炭反反应应性性有有催催化化作作用用，原原料料煤煤灰灰分分中中的的金金属属氧氧化化物物（K K2 2O O，NaNa2 2O O，FeFe2 2O O3 3，CaOCaO，MgOMgO等等）含含量量增增加加时时，焦炭反应性增高，其中钾、钠的作用更大。焦炭反应性增高，其中钾、钠的作用更大。（2 2）炼炼焦焦工工艺艺 提提高高炼炼焦焦最最终终温温度度，结结焦焦终终了了时时采采取取焖焖炉炉等等措措施施，可可以以使使焦焦炭炭结结构构致致密密，减减少少气气孔孔表表面面，

30、降降低低焦焦炭炭反反应应性性。采采用用干干熄熄焦焦可可以以避避免免水水汽汽对对焦焦炭炭气气孔孔表表面面的的活活化化反反应应，有有助助于于降降低焦炭反应性。低焦炭反应性。（3 3）反反应应速速率率参参数数 焦焦炭炭与与COCO2 2的的反反应应是是气气固固相相反反应应，其其反反应应速速率率决决定定于于化化学学反反应应速速度度和和气气体体的扩散速度。从实验中得到如下关系式的扩散速度。从实验中得到如下关系式：，mol/smol/s 1.1.高炉炼铁的化学反应高炉炼铁的化学反应 在在风风口口区区，焦焦炭炭燃燃烧烧生生成成COCO2 2并并放放出出大大量量热热，温温度度可可达达1500150018001

31、800，使铁、渣完全熔化而分离。，使铁、渣完全熔化而分离。C+O C+O2 2=CO=CO2 2+399.440MJ+399.440MJ 温度在温度在11001100以上的炉腹及炉腰地带，以上的炉腹及炉腰地带，COCO2 2与焦炭作用与焦炭作用生成生成COCO并吸收热量。并吸收热量。CO CO2 2+C=2CO-165.6MJ+C=2CO-165.6MJ 此处焦炭的消耗约为此处焦炭的消耗约为35%35%，未被还原的，未被还原的FeOFeO与与SiOSiO2 2作用作用生成炉渣并开始熔化，还原后生成的海绵铁则与焦炭作用，生成炉渣并开始熔化，还原后生成的海绵铁则与焦炭作用，渗碳熔化，炉料体积变小，

32、炉腹按炉腹角向下逐渐收缩，渗碳熔化，炉料体积变小，炉腹按炉腹角向下逐渐收缩，以利炉料稳定下降。以利炉料稳定下降。五、高炉炼铁五、高炉炼铁 炉炉身身下下部部温温度度为为80080011001100的的区区内内，同同时时存存在在铁铁的的氧氧化化物物与与碳碳之之间间的的直直接接还还原原反反应应，到到11001100以以上上因因COCO2 2几几乎乎100%100%与焦炭作用生成与焦炭作用生成COCO，从全过程看是直接还原反应：从全过程看是直接还原反应：FeO+COFeO+CO=Fe+CO=Fe+CO2 2+13.59MJ +13.59MJ +CO +CO2 2+C=2CO -165.6MJ +C=2

33、CO -165.6MJ FeO+CFeO+C=Fe+CO-152.01MJ =Fe+CO-152.01MJ 直直接接还还原原的的铁铁量量占占铁铁氧氧化化物物还还原原的的总总铁铁量量之之比比称称直直接接还原度还原度 ，一般高炉的，一般高炉的 =0.35=0.350.500.50。炉炉料料边边下下降降边边升升温温膨膨胀胀，为为此此炉炉身身以以炉炉身身角角向向下下逐逐渐渐扩扩大大，以以利利顺顺行行。温温度度低低于于800800的的区区内内，主主要要是是铁铁的氧化物与的氧化物与COCO之间的间接还原反应。之间的间接还原反应。3Fe3Fe2 2O O3 3+CO=2Fe+CO=2Fe3 3O O4 4+

34、CO+CO2 2+37.09MJ +37.09MJ Fe Fe3 3O O4 4+CO=3FeO+CO+CO=3FeO+CO2 2-20.87MJ-20.87MJ FeO+COFeO+CO=Fe+CO=Fe+CO2 2+13.59MJ+13.59MJ 间间接接还还原原反反应应的的特特点点是是得得到到的的气气体体产产物物为为COCO2 2，总总的的热热效应是放热。效应是放热。从从以以上上反反应应可可以以看看出出，直直接接还还原原大大量量吸吸热热，不不利利于于高高炉炉内内的的热热能能利利用用，又又因因碳碳溶溶反反应应使使焦焦炭炭气气孔孔壁壁削削弱弱，所所以以应发展间接还原。应发展间接还原。2.2.

35、焦炭的作用焦炭的作用 焦焦炭炭燃燃烧烧产产生生的的热热能能是是高高炉炉冶冶炼炼过过程程的的主主要要热热源源，燃燃烧烧反反应应生生成成的的COCO作作为为高高炉炉冶冶炼炼过过程程的的主主要要还原剂。还原剂。焦焦炭炭位位于于风风口口区区以以上上地地区区，始始终终处处于于固固体体状状态态，在在高高炉炉中中其其体体积积占占高高炉炉体体积积的的35%35%50%50%。所所以以对对上上部部炉炉料料起起支支承承作作用用，并并成成为为煤煤气气上上升升和和铁铁水、熔渣下降所必不可少的高温疏松骨架。水、熔渣下降所必不可少的高温疏松骨架。焦焦炭炭在在风风口口区区内内不不断断燃燃掉掉，使使高高炉炉下下部部形形成成自

36、自由由空空间间，上上部部炉炉料料稳稳定定下下降降，从从而而形形成成连连续续的的高炉冶炼过程。高炉冶炼过程。六、六、非高炉用焦的特性非高炉用焦的特性 一）铸造焦一）铸造焦 1 1冲天炉熔炼过程冲天炉熔炼过程 铸铸造造焦焦是是冲冲天天炉炉熔熔铁铁的的主主要要燃燃料料，用用于于熔熔化化炉炉料料，并并使使铁铁水水过过热热，还还起起支支撑撑料料柱柱保保证证良良好好透透气气性性和和供供碳碳等等作作用用。每每吨吨生生铁铁消消耗耗焦焦炭炭量量称称为为焦焦铁铁比比（K K）通通常常K=K=0.10.1。冲冲天天炉炉内内炉炉料料分分布布、炉炉气气组组成成和和温温度度变变化化如如图图1-11 1-11，焦焦炭炭在在

37、冲冲天天炉炉内内分分底底焦焦和和层层焦焦，底底焦焦在在风风口口区区与与鼓鼓入入的的空空气气剧剧烈烈燃燃烧烧，因因此此在在风风口口以以上上的的氧氧化化带带内内，炉炉气气中中O O2 2含含量量迅迅速速降降低低，COCO2 2含含量量很很快快升升高高并并达达到到最最大大值值，炉炉气气温温度度也也相相应应升升至至最最高高值值，熔熔化化铁铁水水的的温温度度在在氧氧化化带带的的底底部部达达最最高高值值。在在氧氧化化带带上上端端开开始始的的还还原原带带内内，由由于于过过量量COCO2 2的的存存在在，与与焦焦炭炭发发生生碳碳溶溶反反应应而而产产生生COCO，随随炉炉气气上上升升COCO含含量量逐逐渐渐增增

38、加加；由由于于反反应应强强烈烈吸吸热热，故故炉炉气气温温度度在在还还原原带带内内随随炉炉气气上上升则急剧降低。升则急剧降低。还还原原带带以以上上焦焦炭炭与与金金属属料料层层层层相相间间，装装入入冲冲天天炉炉的的炉炉料料被被炉炉气气干干燥燥、预预热热，在在该该区区间间炉炉气气中中含含氧氧量量很很低低（或或为为零零），COCO2 2和和COCO的的含含量量基基本本保保持持不不变变，在在装装料料口口炉炉气气中中一一般般COCO2 2为为10%10%15%15%，COCO为为8%8%16%16%，温温度为度为500500600600。图 冲天炉内炉料分布、炉气组成及温度变化 冲冲天天炉炉的的氧氧化化带

39、带和和还还原原带带内内除除焦焦炭炭燃燃烧烧和和COCO2 2被被还还原原成成COCO外外，还还发发生生一一系系列列复复杂杂的的反反应应，在在氧氧化化带带内内炉炉气气中中的的COCO2 2及鼓风空气中带入的水汽会按以下反应使铁水部分氧化。及鼓风空气中带入的水汽会按以下反应使铁水部分氧化。Fe+COFe+CO2 2FeO+COFeO+COFe+HFe+H2 2O OFeO+HFeO+H2 2 铁铁水水中中的的部部分分硅硅和和锰锰在在氧氧化化带带内内能能被被炉炉气气中中的的氧氧烧烧损损，形形成成SiOSiO2 2和和MnOMnO，铁铁水水中中的的碳碳也也能能与与氧氧反反应应而而降降低低。因因此此在在

40、炉炉缸缸以以上上的的氧氧化化带带，铁铁水水中中的的C C、SiSi、MnMn、FeFe均均有有所所损损失失，但但铁铁水水失失碳碳时时铁铁水水表表面面形形成成的的一一层层脱脱碳碳膜膜可可以以制制约约SiSi、MnMn、FeFe的的氧氧化化，且且温温度度愈愈高高，SiSi、MnMn、FeFe的的氧氧化化烧烧损损愈愈少少，这这就要求有较高的铁水温度。就要求有较高的铁水温度。铁铁水水流流过过焦焦炭炭层层还还会会发发生生吸吸收收碳碳的的所所谓谓渗渗碳碳作作用用，由由于于渗渗碳碳是是吸吸热热反反应应，温温度度愈愈高高愈愈有有利利于于渗渗碳碳。铁铁的的初初始始含含碳碳量量愈愈低低，渗渗碳碳愈愈多多，增增加加

41、焦焦比比也也使使渗渗碳碳增增加加，渗渗碳碳有有利利于炉料中废钢的熔化。于炉料中废钢的熔化。炉炉气气中中的的水水汽汽与与铁铁水水或或焦焦炭炭反反应应产产生生的的H2易易溶溶解解在在铁铁水水中中，当当铁铁水水凝凝固固时时，氢氢的的溶溶解解度度突突然然降降低低，H2从从铁铁水水中中逸逸出出，使使铸铸件件表表皮皮下下形形成成内内壁壁光光滑滑的的球球形形小小气气孔孔，增增加加铸铸件件的的缺缺陷陷。因因此此应应降降低低鼓鼓风风空空气气的的湿湿度度，这这还还有有利利于于提提高高炉温。炉温。2 2铸造焦的质量要求铸造焦的质量要求 （1 1）粒粒度度 一一般般要要求求粒粒度度大大于于6060mmmm。冲冲天天炉

42、炉内内的的主主要要反反应应有有：氧氧化化带带C+OC+O2 2COCO2 2，还还原原带带C+COC+CO2 22CO2CO。为为提提高高冲冲天天炉炉过过热热区区的的温温度度，使使熔熔融融金金属属的的过过热热温温度度足足够够高高，流流动动性性好好，应保持适宜的氧化带高度（应保持适宜的氧化带高度（h h），），该高度可用下式表示：该高度可用下式表示：，m m式中式中 A A系数，为系数，为6.75106.7510-5-5；W W送风强度，送风强度，m m3 3/（m m2 2minmin）；）；铸造焦平均直径，铸造焦平均直径，m m；v v铸造焦在氧化带内燃烧的线速度，铸造焦在氧化带内燃烧的线速

43、度，m/minm/min。由由上上式式可可知知：铸铸造造焦焦平平均均直直径径（）小小而而焦焦炭炭反反应应性性（v v）高高，则则氧氧化化带带高高度度（h h）小小。由由于于冲冲天天炉炉内内底底焦焦的的高高度度是是一一定定的的，氧氧化化带带高高度度减减小小，必必然然使使还还原原带带高高度度增增加加，炉炉气气的的最最高高温温度度降降低低，进进而而使使过过热热区区的的温温度度降降低低。但但铸铸造造焦粒度过大，使燃烧区不集中，也会降低炉气温度。焦粒度过大，使燃烧区不集中，也会降低炉气温度。（2 2）硫硫 硫硫是是铸铸铁铁中中的的有有害害元元素素，通通常常应应控控制制在在0.1%0.1%以以下下，冲冲天

44、天炉炉内内焦焦炭炭燃燃烧烧时时，焦焦炭炭中中的的硫硫一一部部分分生生成成SOSO2 2，随随炉炉气气上上升升，在在预预热热区区和和熔熔化化区区内内与与固固态态金金属属炉炉料料作作用用发发生如下反应：生如下反应：3 3FeFe（固）固）+SOSO2 2FeS+2FeO+363000kJ/kgFeS+2FeO+363000kJ/kg（分子）分子）因因此此含含硫硫低低于于0.1%的的原原料料铁铁，经经气气相相增增硫硫后后，铁铁料料的的含含硫硫量量可可达达0.45%。铁铁料料熔熔化化成成铁铁水水后后，在在流流经经底底焦焦炭炭层层时时硫还要进一步增加。硫还要进一步增加。焦焦炭炭硫硫分分高高，粒粒度度小小

45、，气气孔孔率率大大，则则铁铁水水增增硫硫量量大大。一一般般在在冲冲天天炉炉内内，铁铁水水增增硫硫约约为为焦焦炭炭含含硫硫量量的的30%，而而当当炉炉渣渣碱碱度度达达1.5%2%，造造渣渣脱脱硫硫效效率率不不过过50%。所所以以铸铸造造焦焦的的硫分应严格控制。硫分应严格控制。（3）强强度度 铸铸造造焦焦除除了了在在入入炉炉前前运运输输过过程程中中受受到到破破碎碎损损耗耗外外，主主要要在在冲冲天天炉炉内内承承受受金金属属炉炉料料的的冲冲击击破破坏坏，因因此此要要求求有有足足够够高高的的转转鼓鼓强强度度（主主要要是是抗抗碎碎指指标标），以以保保证证炉炉内内焦焦炭炭的块度和均匀性。的块度和均匀性。（4

46、 4）灰灰分分和和挥挥发发分分 铸铸造造焦焦的的灰灰分分尽尽可可能能低低，因因为为灰灰分分不不仅仅降降低低了了焦焦炭炭的的固固定定碳碳和和发发热热值值，从从而而不不利利于于铁铁水水温温度度的的提提高高，而而且且还还增增加加了了造造渣渣量量和和热热损损失失。此此外外焦焦炭炭中中的的灰灰分分在在炉炉缸缸内内高高温温下下会会形形成成熔熔渣渣粘粘附附在在焦焦炭炭表表面面，阻阻碍碍铁铁水水的的渗渗铁铁。一一般般铸铸造造焦焦灰灰分分减减少少1%1%，焦焦炭炭消消耗耗约约降降低低4%4%，铁铁水水温温度度约约提提高高1010。铸铸造造焦焦的的挥挥发发分分含含量量应应低低，因因为为挥挥发发分分含含量量高高的的

47、焦焦炭，固定碳含量低，熔化金属的焦比高，一般焦炭强度也低。炭，固定碳含量低，熔化金属的焦比高，一般焦炭强度也低。（5 5）气气孔孔率率与与反反应应性性 铸铸造造焦焦要要求求气气孔孔率率小小、反反应应性性低低，这这样样可可以以制制约约冲冲天天炉炉的的氧氧化化、还还原原反反应应，使使底底焦焦高高度度不不会会很很快快降降低低，减减少少COCO的的生生成成，提提高高焦焦炭炭的的燃燃烧烧效效率率、炉炉气气温温度度和和铁水温度，并有利于降低焦比。铁水温度，并有利于降低焦比。目前我国铸造焦的质量标准见表铸造焦质量标准指标指标级级别别特级特级一级一级二级二级粒度粒度/mm80806060水分水分/%不大于不大

48、于5.0灰分灰分/%8.008.008.0110.0010.0112.00挥发分挥发分/%不大于不大于1.50硫分硫分/%不大于不大于0.600.800.80转鼓强度转鼓强度/%不小于不小于85.081.077.0落下强度落下强度/%不小于不小于92.088.084.0显气孔率显气孔率/%不大于不大于404545碎焦率（碎焦率（40mm）/%不大于不大于4.0 二）气化焦二）气化焦 气气化化焦焦是是用用于于生生产产发发生生炉炉煤煤气气或或水水煤煤气气的的焦焦炭炭，以以作作为为合成氨的原料或民用煤气。气化的基本反应是：合成氨的原料或民用煤气。气化的基本反应是：2 2C+OC+O2 2 2CO 2

49、CO C+H C+H2 2O CO+HO CO+H2 2 由由上上述述反反应应可可知知，为为提提高高气气化化效效率率，气气化化焦焦应应尽尽量量减减少少杂杂质质以以提提高高有有效效成成分分含含量量，力力求求粒粒度度均均匀匀，改改善善料料层层的的透透气气性性。气气化化用用焦焦的的炼炼焦焦煤煤可可以以多多配配气气煤煤，甚甚至至可可以以以以单单独独气气煤煤炼炼焦焦，气气化化用用焦焦的的挥挥发发分分也也可可以以高高些些，甚甚至至半半焦焦也也可可选选用用。以以焦焦炭炭为为原原料料的的煤煤气气发发生生炉炉为为固固定定床床形形式式，气气化化后后残残渣渣以以固固体体排排出出，所所以以焦焦炭炭灰灰分分应应有有较较

50、高高的的灰灰熔熔点点，一一般般应应在在13001300以以上上，以以免免造造成成煤煤气气发发生生炉炉内内形形成成液液态态炉炉渣渣而而使使气气流流难难以以均均匀匀分分布布，灰灰分分组组成成应应该该以以SiOSiO2 2和和AlAl2 2O O3 3为为主主。此此外外，煤煤气气中中硫硫含量正比于焦炭硫分，所以气化焦的硫含量不宜过高。含量正比于焦炭硫分，所以气化焦的硫含量不宜过高。根根据据以以上上气气化化用用焦焦的的质质量量标标准准要要求求原原料料煤煤的的质质量量指指标标应应该是：灰分（该是：灰分（A Aadad）11.3%11.3%，硫分（硫分（S St t）1.8%1.8%。三）电石焦三）电石焦