化工原理第八講-煤和焦炭

第八講 煤資源及焦炭 冶金原料課程 本講主要內(nèi)容 煤 焦炭：主要燃料 煤粉：噴吹燃料 第一部分 煤 煤 煤的作用 概況 煤的形成 煤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 煤資源和分類 煤的作用 項目 1985 1990 1995 1996 1997 發(fā)電與供熱 金 工 材 活 項合計占總消費的比例 煤過程 成煤序列 項目 植物 泥炭 褐煤 煙煤 無煙煤 轉(zhuǎn)變條件 水中，細菌，數(shù)千年到數(shù)萬年 地下（不太深），數(shù)百萬年 地下（深處），數(shù)千萬年以上 主要影響因素 生化作用，氧供應狀況 壓力（加壓失水），物化作用為主 溫度、壓力、時間、化學作用為主 轉(zhuǎn)變階段 第一階段泥炭化階段 第二階段成巖階段 煤化階段變質(zhì)階段 中國煤的成煤期 中國煤的分類 煤的結(jié)構(gòu) 煤的巖相組成 宏觀煤巖成分包含鏡煤、亮煤、暗煤和絲炭。 煤的煤巖顯微組分主要分為鏡質(zhì)組、半鏡質(zhì)組、穩(wěn)定組（殼質(zhì)組）、絲質(zhì)組（惰質(zhì)組）和礦物等。 煤的工業(yè)分析 煤的工業(yè)分析包括煤中水分、灰分、揮發(fā)分的測定及固定碳的計算。 各種基準 空氣干燥基：以與空氣濕度達到平衡狀態(tài)的煤為基準，表示符號為 干燥基：以假想無水狀態(tài)的煤為基準，表示符號為 d（ 收到基：以收到狀態(tài)的煤為基準，表示符號為 as 干燥無灰基：以假想無水、無灰狀態(tài)的煤為基準，表示符號為 干燥無礦物質(zhì)基：以假想無水、無礦物質(zhì)狀態(tài)的煤為基準，表示符號為 煤的元素分析 煤的元素分析：確定煤中碳、氫、氧、氮和硫等元素的含量，來檢驗煤化學組成和煤的有機質(zhì)特性的方法。 由于在煤的無機質(zhì)中也含有少量碳、氫、氧、硫等元素，因此在分析煤中有機質(zhì)的元素組成以及進行煤的分類時，應以在重液（相對密度為 選后的精煤來測定，采用干燥無灰基指標。 煤的元素分析 煤的發(fā)熱量 煤的發(fā)熱量是單位質(zhì)量的煤完全燃燒時放出的熱量，單位為 kJ/J/ 目前，國內(nèi)外均采用氧彈方法測定發(fā)熱量。它是把一定量的分析煤樣置于氧彈熱量計中，在充入過量氧的氧彈內(nèi)，使煤完全燃燒。氧彈熱量計的熱容量通過在相似條件下和燃燒一定量的基準量熱物苯甲酸確定。氧彈預先放在一個盛滿水的容器中，根據(jù)煤燃燒后水溫的升高，計算試樣煤的發(fā)熱量。 煤的發(fā)熱量定義 煤的發(fā)熱量有多種表示方式，其中包括彈筒發(fā)熱量、恒容高位發(fā)熱量和恒容低位發(fā)熱量。 彈筒發(fā)熱量 是單位質(zhì)量的煤試樣在充有過量氧氣的氧彈內(nèi)燃燒，其燃燒產(chǎn)物組成為氧氣、氮氣、二氧化碳、硝酸和硫酸、液態(tài)水以及固態(tài)灰時放出的熱量。 恒容高位發(fā)熱量 是單位質(zhì)量的煤試樣在充有過量氧氣的氧彈內(nèi)燃燒，其燃燒產(chǎn)物組成為 態(tài)水以及固態(tài)灰時放出的熱量。恒容高位發(fā)熱量也即由彈筒發(fā)熱量減去硝酸和硫酸校正熱后得到的發(fā)熱量。 恒容低位發(fā)熱量 是單位質(zhì)量的煤試樣在充有過量氧氣的氧彈內(nèi)燃燒，其燃燒產(chǎn)物組成為 氣態(tài)水以及固態(tài)灰時放出的熱量。低位發(fā)熱量也即由高位發(fā)熱量減去水（煤中原有的水和煤中氫含量燃燒生成的水）的氣化熱后得到的發(fā)熱量。 煤的性質(zhì) 煤的物理性質(zhì) ：煤的光澤、顏色、煤的密度； 煤的表面性質(zhì) ：潤濕性、比表面積和孔隙度等； 煤的光學性質(zhì) ：折射率、反射率； 煤的熱性質(zhì) ：煤的比熱容、熱導率和熱穩(wěn)定性； 煤的力學性質(zhì) ：硬度、強度和煤的可磨性； 煤的化學性質(zhì) ：煤與各種化學試劑在一定條件下產(chǎn)生不同化學反應的性質(zhì)，包括：煤的氧化、加氫、鹵化、水解、烷基化等反應，煤與 有煤用不同溶劑萃取的可萃取性； 煤的工藝性質(zhì) ：煤在一定加工條件下或轉(zhuǎn)化過程中所呈現(xiàn)的特性，如：煤的塑性、煤的可選性、煤的粘結(jié)性、煤的結(jié)焦性、煤灰熔融性和煤的結(jié)渣性等。 我國煤資源特點 我國已探明的煉焦煤和無煙煤的可采儲量不多； 我國的煉焦煤資源的地區(qū)分布很不均勻 ， 在全國各省 (市 、區(qū) )中 ， 山西省煉焦煤的可采儲量占 50 。 安徽 、 貴卅 、山東 、 河北 、 黑龍江和河南等六省煉焦煤的可采儲量稍多 ， 但其中儲量最多的安徽也不到全國的 10 ； 我國煉焦煤的資源 、 生產(chǎn)能力 、 產(chǎn)量及洗選能力和各煤種精煤產(chǎn)量與焦炭生產(chǎn)的實際需求很不匹配 ， 氣煤和 1 3焦煤過大 ， 而肥煤和焦煤在地域分布方面過于集中 ，將 長 期 造 成 西 煤 東 運 、 北 煤 南 運 的 困 難 局 面 ； 我國不同類別煉焦煙煤的可選性 、 灰分和硫分等均有明顯差異 ， 通常以氣煤和 1 3焦煤的硫分較低 ， 可選性較好 ， 其洗選后的精煤回收率可高達 70% 90 ， 而肥煤以中硫份煤為主 ， 焦煤的灰分相對較高 。 且肥煤和焦煤的可選性一般較差 ， 精煤回收率常低至 30% 60 。 2003年世界前 7位產(chǎn)煤國家 排序 國家 生產(chǎn)量 （億噸油當量） 占世界 % 1 中國 美國 澳大利亞 印度 南非 俄羅斯 7 波蘭 界合計 00 中國產(chǎn)量排在第一！占世界 2003年世界煤炭儲量前 7位國家 排序 國家 探明儲量 (億噸） 占世界 儲采比 1 美國 58 2 俄羅斯 500 3 中國 1145 9 4 印度 30 5 澳大利亞 36 6 德國 660 22 7 南非 207 世界合計 00 192 中國儲量排在第三！儲采比 69！ 2003年世界消耗煤炭前 7位國家 排序 國家 消費量 （億噸油當量） 占世界 % 1 中國 2 美國 3 印度 4 日本 5 俄羅斯 6 南非 7 德國 世界合計 00 中國的消耗量也排在第一！占世界 中國各省的煤炭資源 我國煤資源特點 按各主要聚煤期所形成的煤炭資源的數(shù)量差別較大（以侏羅紀成煤最多，占總量的 ）； 從地域上看，煤炭資源相對比較集中（主要集中在山西 內(nèi)蒙古 寧夏中部成煤地帶，所占比例約為 70%以上）； 從煤類上看，從褐煤、煙煤到無煙煤的各煤類資源都有，但數(shù)量和分布卻極不均衡； 我國煤的可選性差 。 新聞媒體的評述 2003年，山西焦炭生產(chǎn)能力已經(jīng)達到 8000萬噸，產(chǎn)量增幅達 35以上，在建項目超過 5000萬噸，還有大批擬建并將在兩年內(nèi)投產(chǎn)的生產(chǎn)能力，屆時，山西焦炭產(chǎn)能將達到 果按此產(chǎn)能計算，全省一年將消耗 40年后，山西的焦煤資源將消耗殆盡 ; 2006年 2月焦炭市場會上山西焦炭協(xié)會秘書長說，按 2004年山西焦炭產(chǎn)量計算，山西的肥、焦煤資源只能用 70 2005年又一項評述 根據(jù)最新統(tǒng)計 ， 我國可用煤炭總儲量接近 1900億噸 ，如果維持 2004年預計的耗用 19億噸 ， 可以開采 100年 。但是如果再考慮到目前不到 40%的資源回采率 ， 實際上每年將耗用 50億噸煤炭 ， 這樣計算 ， 1900億噸煤炭也只能用 40年左右 。 著名煤炭問題專家 、 中國能源網(wǎng) 新財經(jīng) 說 ， 總體來看 ， 現(xiàn)在可以開采的控制的煤炭資源約有 2000億噸 ， 現(xiàn)在我們每年采煤約 20億噸 ，而回采率國有煤礦也就約 30%， 小礦可能只有 15%；按 30%計 ， 則每年耗費煤炭資源 60億噸 ， 那就意味著只能用 30多年 。 第二部分 焦炭 焦 炭 焦炭是由粘結(jié)性煤在隔絕空氣的條件下干餾所得到的多孔性固體塊狀物。 焦炭按用途分為冶金焦（包括高爐焦、鑄造焦和鐵合金焦等）、氣化焦和電石用焦等。另外，由煤粉加壓成型煤、再經(jīng)炭化等后處理制成的新型焦炭稱為型焦。 冶金焦炭的作用 發(fā)熱劑：提供 80%的熱量； 還原劑： C、 劑，噸鐵最低需要 50 透氣骨架：高爐內(nèi)煤氣通過的通道； 滲碳劑：噸鐵需要 050 煉焦煤種類 煉焦煤種類 單獨可以煉焦的煤 主焦煤。 配合后可以煉焦的煤 肥煤：膠質(zhì)層過厚； 氣煤：揮發(fā)分過高，可增加煉焦過程的壓力； 氣肥煤：揮發(fā)分高、膠質(zhì)層過厚； 瘦煤：揮發(fā)分低、膠質(zhì)層薄，粘結(jié)性低； 貧瘦煤：揮發(fā)分很低、膠質(zhì)層很薄，粘結(jié)性低。 我國的焦煤資源 能用于煉焦的煉焦煤資源不是很多； 優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源更不多； 我國的煉焦煤資源基本上難以適應對焦炭質(zhì)量不斷提高的要求和形勢發(fā)展的需要。 冶金焦炭的質(zhì)量要求 固定碳高、灰分低、揮發(fā)分低，成分穩(wěn)定； 硫磷雜質(zhì)低，水分穩(wěn)定； 機械強度高 :轉(zhuǎn)鼓指數(shù) 10； 高溫冶金性能好，包括： 對 反應后強度 製造法 室爐式製造法 成形製造法 副産物回収方式 副産物非回収式 冷間成形方式 熱間成形方式 ： 日 ) ， 獨 ) ( 獨 ) ： 新型 ( 米 ) 開発技術(shù) ： 日 ) ， 米 ) 他 ： 獨 ) ， 獨 / 英 ) 他 製造法類型開発技術(shù) 配 煤 混合 機 選擇破碎 粉 碎機 煤調(diào)濕 干燥機 水分 焦 爐 熾熱焦炭 1000 熄焦 冷焦 煤礦 水分 10 高爐 焦炭生產(chǎn)流程 燃燒室 炭 化室 蓄 熱 室 焦爐的構(gòu)造 煙煤的焦化過程 炭化室內(nèi)爐料的狀態(tài) 焦炭層軟化層煉焦煤層炭化室燃燒室燃燒室加熱加熱焦 化 過 程 第三部分 煤粉噴吹 煤粉噴吹的意義 以低價煤代替日趨匱乏且價格昂貴的冶金焦，降低焦比，使高爐煉鐵成本大幅下降； 高爐噴煤可以作為一種調(diào)劑爐況的手段； 高爐噴煤可以改善爐缸工作狀態(tài)，使高爐順行； 為高爐接受高風溫和富氧鼓風創(chuàng)造條件； 噴吹煤粉的氫含量比焦炭高，爐內(nèi)氫濃度的增加有助于提高煤氣的還原能力和擴散能力，有利于礦石的還原和高爐操作指標的改善； 噴吹煤粉代替部分焦炭，不僅緩解焦煤供需緊張狀況，也減少對煉焦設(shè)施的投資和建設(shè)，更降低煉焦生產(chǎn)對環(huán)境的污染。 高爐噴煤系統(tǒng) 原煤儲運系統(tǒng)干燥氣體制備系統(tǒng)煤粉制備系統(tǒng)煤粉輸送系統(tǒng)煤粉噴吹系統(tǒng)高爐供氣系統(tǒng)（空氣、氮氣）原煤儲運系統(tǒng)干燥氣體制備系統(tǒng)煤粉制備系統(tǒng)煤粉輸送系統(tǒng)煤粉噴吹系統(tǒng)高爐供氣系統(tǒng)（空氣、氮氣）D i s t r i bu t e GA i 袋除塵器原煤倉磨煤機煤粉倉干燥爐 噴吹罐分配器混合器流化氣加壓氣 2 18給煤機寶鋼 1號高爐噴煤工藝流程 煤場 原煤用汽車或火車運至原煤場進行堆放、貯存、破碎、篩分及去除其中金屬雜物等，同時將過濕的原煤進行自然干燥 給煤機 給煤機位于原煤倉下面，向磨煤機提供原煤。 目前常用埋刮板給煤機 ，優(yōu)點 :密封性好，能調(diào)節(jié)刮板運行速度和輸料厚度，能夠發(fā)送斷煤信號。 球磨機： 優(yōu)點：對煤種適應性強，安全可靠，維護工作量少； 缺點：噪聲大，電耗高，外形尺寸大。 中速磨： 優(yōu)點：電耗低，噪音小，防爆性好，調(diào)節(jié)性和均勻性好。 缺點：對煤種變化敏感。 磨煤設(shè)備 加熱爐 將高爐煤氣在燃燒爐內(nèi)燃燒生成的熱煙氣送入制粉系統(tǒng)，用來干燥煤粉。 粗粉分離器 將磨煤機送出的煤粉中的不合格粗粉從氣、粉混合物中分離出來，送回磨煤機繼續(xù)磨碎的裝置。 布袋收粉器 灰裝置、脈沖清灰系統(tǒng)等組成。箱體由多個室組成，每個室配有兩個脈沖閥和一個帶氣缸的提升閥。進氣口與灰斗相通，出風口通過提升閥與清潔氣體室相通，脈沖閥通過管道與儲氣罐相連 。 入口出口1234567氣箱式脈沖布袋收粉器結(jié)構(gòu)示意圖 1提升閥 2脈沖閥 3閥板 4隔板 5濾袋及袋籠； 6灰斗 7葉輪給煤機或螺旋輸送機 煤粉倉 將原煤經(jīng)過磨碎和干燥制成煤粉，再將煤粉從干燥氣中分離出來存入煤粉倉內(nèi)。 噴吹罐 分配器 單管路噴吹必須設(shè)置分配器。 煤粉由設(shè)在噴吹罐下部的混合器供給，經(jīng)噴吹總管送入分配器，在分配器四周均勻布置了若干個噴吹支管，噴吹支管數(shù)目與高爐風口數(shù)相同，煤粉經(jīng)噴吹支管和噴槍噴入高爐。 分配器結(jié)構(gòu)示意圖 1分配器外殼； 2中央錐體； 3煤粉分配刀； 4中間法蘭； 5噴煤支管； 6噴煤主管 噴煤槍 由耐熱無縫鋼管制成，直徑 15 25 （ 1） 斜插式：從直吹管插入 ， 噴槍中心與風口中心線有一夾角 ， 一般為 12 14。 斜插式噴槍的操作較為方便 ，直接受熱段較短 ， 不易變形 ， 但煤粉流沖刷直吹管壁 。 （ 2） 直插式：噴槍從窺視孔插入 ， 噴槍中心與直吹管的中心線平行 ， 噴吹煤粉流不易沖刷風口 ， 但是妨礙高爐操作者觀察風口 ， 并且噴槍受熱段較長 ， 噴槍易變形 。 （ 3）風口固定式：噴槍由風口小套水冷腔插入，無直接受熱段，停噴時不需拔槍，操作方便，但是制造復雜，成品率低，并且不能調(diào)節(jié)噴槍伸入長度。 噴槍三種插入方式 氧煤槍 富氧的方法有兩種： 一是在熱風爐前將氧氣混入冷風； 二是將有限的氧氣由風口及直吹管之間，用適當?shù)姆椒尤?。 氧煤槍有三種結(jié)構(gòu)： 氧煤控制系統(tǒng) 噴吹用煤的評價因素 元素分析及工業(yè)分析：灰分，硫含量，揮發(fā)分 煤的可磨性 煤的燃燒性 煤的灰熔點 噴吹用煤的經(jīng)濟性 噴吹用煤粉 種類選擇： 煙煤和無煙煤的混合煤，揮發(fā)分 20%左右，灰分小好 。 粒度控制： 0%。 噴吹量控制： 噴吹量大于 100該考慮風口前理論燃燒溫度的提高，也就是溫度補償。 提高噴吹量的措施： 提高風溫 富氧鼓風 提高焦炭質(zhì)量，改善料柱透氣性 提高鐵礦石入爐品位，降低渣量 優(yōu)化煤種和合理配煤 世界高爐噴煤水平現(xiàn)狀 近二十年來，世界各國大力開發(fā)、采用和普及噴煤技術(shù)，西歐、日本等國噴煤技術(shù)的發(fā)展迅速 ； 國外先進高爐平均噴煤量 180 200 kg/料比約 500 kg/煤率為 35% 40%，高爐實現(xiàn)低焦比和低燃料比操作； 目前，西歐、日本等國的月平均噴煤量 200 kg/ 噴煤率在 40%以下的高爐都在制定下一步繼續(xù)提高噴煤率到 50%（即焦煤各半）的計劃； 高爐噴煤技術(shù)進展主要表現(xiàn)在：噴吹煤種的多樣化、重視制粉工藝的選擇、噴吹工藝以濃相輸送為主要特征 ； 1998年日本福山 3號高爐創(chuàng)造了噴煤量 266kg/世界記錄。 日本高爐噴煤量的變化 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001360390420450480510540年份燃料比及焦比，kg/kg/ 新型制粉、噴吹工藝的形成和完善及其裝備水平提高； 儲量豐富的煙煤得到利用； 自動化水平提高； 噴煤比不斷提高和富氧高煤比噴吹成功； 全國噴煤總量提高； 氧煤燃燒技術(shù)等新技術(shù)應用； 高爐噴煤成為煉鐵系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化核心。 我國高爐噴煤量的變化 年份 1997 1998 1999 2000 2001 全國重點企業(yè)噴煤總量，萬 t 072 1365 1645 全國重點企業(yè)生鐵產(chǎn)量，萬 t 0214 11025 11947 平均煤比， kg/8 69 105 123 136 我國高爐噴煤水平的差距 從總體上看 ， 由于工藝落后 、 設(shè)備簡單 、 監(jiān)控水平低等多方面原因 ， 致使目前我國的高爐噴煤技術(shù)相對于歐洲和日本等發(fā)達國家已完全失去了優(yōu)勢 ， 與國際先進水平相比仍有不小差距 ， 甚至于在許多方面都已落后了 。 目前 ， 全國平均高爐噴煤比仍普遍偏低 ， 噴吹煤種單一的狀況仍較突出 ， 大部分廠家仍僅噴吹灰分較高的無煙煤 。 日本 噴煤新工藝 濃相輸送 兩段式噴吹 一噴三技術(shù) 噴吹的自動控制 稀相輸送與濃相輸送 傳統(tǒng)的稀相輸送： 1）煤粉空氣耗量大，噴吹濃度低，噴吹管路氣粉流速快，管路磨損嚴重； 2）在噴吹計量方面，由于均壓氣體的浮力干擾，倒罐期間易出現(xiàn)計量偏差； 3）壓力波動大，易出現(xiàn)堵槍和堵管，對高爐影響大； 4）噴吹能力低。 濃相輸送： 1）粉氣比高，實際生產(chǎn)常在 50 80 kg/2）載氣量小，煤粉輸送速度低（ 2 3m/s），對管道及設(shè)備的磨損小，節(jié)省能源； 3）與稀相輸送比較，輸送管道的截面積顯著減少，節(jié)省材料和相關(guān)設(shè)備的投資； 4）輸送氣量少，對回旋區(qū)燃燒溫度及還原氣氛影響?。?5）管道內(nèi)煤粉脈動、堵塞現(xiàn)象減少，煤粉在各支管分配更均勻；6）采用濃相輸送時，由于輸送濃度高，已遠遠超過了煤粉在氣相中的爆炸范圍，加之產(chǎn)生的靜電小，有利于煙煤噴吹操作的安全。 兩段式噴吹 第二段噴吹未燃煤粉局部過量將導致高爐操作不穩(wěn)定未燃煤粉在爐內(nèi)應均勻分布未燃煤粉只有與焦炭共存，存在 冷卻效果未燃煤粉應存在于爐墻附近兩段式煤粉噴吹工藝風口噴吹第二段噴吹未燃煤粉局部過量將導致高爐操作不穩(wěn)定未燃煤粉在爐內(nèi)應均勻分布未燃煤粉只有與焦炭共存，存在 的條件下保護焦炭強度未燃煤粉應存在于碳的氣化反應帶碳的氣化反應強吸熱，有冷卻效果未燃煤粉應存在于爐墻附近兩段式煤粉噴吹工藝風口噴吹一噴三技術(shù) 高爐合理的燃料結(jié)構(gòu) 問題的提出 昂貴的焦炭 高爐煉鐵使用的焦炭是采用焦煤煉制的，焦煤占煤炭總量的比例非常低，導致冶金焦炭價格昂貴； 煉焦過程對環(huán)境污染嚴重，在西歐、北美和日本，建造焦爐受到環(huán)保人士的反對，導致新焦爐難以建造； 70年代建造的焦爐都已經(jīng)到一代壽命，很多焦爐即將停產(chǎn)。 高爐合理的燃料結(jié)構(gòu) 降低焦比的努力 為了替代昂貴的焦炭，高爐采用了噴吹輔助燃料的措施，使用低廉價格的燃料代替焦炭； 80年代前，由于石油價格低廉，吹入高爐對降低焦比，改善爐況十分有利，且 1重油）以世界各國都實行高爐噴吹液體燃料。最低焦比達