煉焦工藝
煉焦煤在隔絕空氣條件下加熱到1000℃左右（高溫干餾），通過熱分解和結(jié)焦產(chǎn)生焦炭、焦爐煤氣和煉焦化學(xué)產(chǎn)品的工藝過程。冶金焦炭含碳量高,氣孔率高,強度大（特別是高溫強度），是高爐煉鐵的重要燃料和還原劑，也是整個高爐料柱的支撐劑和疏松劑。煉焦副產(chǎn)的焦爐煤氣發(fā)熱值高，是平爐和加熱爐的優(yōu)良氣體燃料，在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中是重要的能源組分。煉焦化學(xué)產(chǎn)品是重要的化工原料。因此煉焦生產(chǎn)是現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的一個重要環(huán)節(jié)。
簡介
裝爐煤經(jīng)過高溫干餾轉(zhuǎn)化為焦炭、焦爐煤氣和化學(xué)產(chǎn)品的工藝過程。即煤炭焦化。
煉焦指主要從硬煤和褐煤中生產(chǎn)焦炭、煤氣、干餾炭及煤焦油或瀝青等副產(chǎn)品的煉焦爐的操作活動。
根據(jù)最終溫度，有高溫?zé)捊梗?00～1100℃）、中溫?zé)捊梗?60～750℃）和低溫?zé)捊梗?00～580℃）。通常指高溫?zé)捊埂?/span>
現(xiàn)代煉焦生產(chǎn)在焦化廠煉焦車間進行。煉焦車間一般由一座或幾座焦爐及其輔助設(shè)施組成，焦爐的裝煤、推焦、熄焦和篩焦組成了焦爐操作的全過程，每個爐組都配備有裝煤車、推焦車、攔焦機、熄焦車和電機車，一側(cè)還應(yīng)設(shè)有焦臺和篩焦站。近來開發(fā)的煉焦新工藝還有：配入部分型煤煉焦的配型煤工藝、用搗固法裝煤的煤搗固工藝、煤預(yù)熱工藝等。
（1）焦炭。煉焦最重要的產(chǎn)品，大多數(shù)國家的焦炭90%以上用于高爐煉鐵，其次用于鑄造與有色金屬冶煉工業(yè)，少量用于制取碳化鈣、二硫化碳、元素磷等。在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中，焦粉還用作燒結(jié)的燃料。焦炭也可作為制備水煤氣的原料制取合成用的原料氣。
（2）煤焦油。焦化工業(yè)的重要產(chǎn)品，其產(chǎn)量約占裝爐煤的3%~4%，其組成極為復(fù)雜，多數(shù)情況下是由煤焦油工業(yè)專門進行分離、提純后加以利用。
（3）煤氣和化學(xué)產(chǎn)品。氨的回收率約占裝爐煤的0.2%~0.4%,常以硫酸銨、磷酸銨或濃氨水等形試作為最終產(chǎn)品。粗苯回收率約占煤的1%左右。其中苯、甲苯、二甲苯都是有機合成工業(yè)的原料。硫及硫氰化合物的回收，不但為了經(jīng)濟效益，也是為了環(huán)境保護的需要。經(jīng)過凈化的煤氣屬中熱值煤氣，發(fā)熱量為17500KJ/Nm3左右，每噸煤約產(chǎn)煉焦煤氣300~400 m3，其質(zhì)量約占裝爐煤的16%~20%，是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中的重要氣體燃料，其主要成分是氫和甲烷，可分離出供化學(xué)合成用的氫氣和代替天然氣的甲烷。
中國明代以前就已采用土窯煉焦，并用焦炭冶鐵。到20世紀初，經(jīng)過發(fā)展的土窯有圓窯和長窯兩種，前者適用于地下水位不高、煤結(jié)焦性較好的地區(qū)；后者因爐底高于地面，操作受地下水的影響較小，結(jié)焦時間較短，適用于多雨而煤結(jié)焦性略差的地區(qū)。土窯的特點是結(jié)焦室和燃燒室不分開，煉焦熱源靠煤干餾時產(chǎn)生的煤氣和部分煤料燃燒提供，因而成焦率低，焦炭灰分高，結(jié)焦時間長(約8～12晝夜),化學(xué)產(chǎn)品不能回收利用，對大氣污染嚴重。后經(jīng)改進，出現(xiàn)一種帶固定拱頂?shù)膱A窯，稱為蜂窩式煉焦爐(圖1)。每孔爐的裝煤量5～7噸，結(jié)焦時間48～72小時。焦炭在爐內(nèi)熄火，最初用人工出焦，后來改為機械化出焦。
19世紀中葉出現(xiàn)了倒焰式煉焦爐。倒焰爐的炭化室和燃燒室用磚墻分開，但上部相通，使炭化室發(fā)生的煤氣轉(zhuǎn)入燃燒室，并從燃燒室上部引入空氣，使煤氣燃燒，火焰由上“倒焰”而下，經(jīng)爐底煙道排入煙囪。這種煉焦爐不回收化學(xué)產(chǎn)品，加熱用煤氣量不能調(diào)節(jié)，結(jié)焦末期煤氣產(chǎn)量小，供熱不足。
中國明代以前就已采用土窯煉焦，并用焦炭冶鐵。到20世紀初，經(jīng)過發(fā)展的土窯有圓窯和長窯兩種，前者適用于地下水位不高、煤結(jié)焦性較好的地區(qū)；后者因爐底高于地面，操作受地下水的影響較小，結(jié)焦時間較短，適用于多雨而煤結(jié)焦性略差的地區(qū)。土窯的特點是結(jié)焦室和燃燒室不分開，煉焦熱源靠煤干餾時產(chǎn)生的煤氣和部分煤料燃燒提供，因而成焦率低，焦炭灰分高，結(jié)焦時間長(約8～12晝夜),化學(xué)產(chǎn)品不能回收利用，對大氣污染嚴重。后經(jīng)改進，出現(xiàn)一種帶固定拱頂?shù)膱A窯，稱為蜂窩式煉焦爐(圖1)。每孔爐的裝煤量5～7噸，結(jié)焦時間48～72小時。焦炭在爐內(nèi)熄火，最初用人工出焦，后來改為機械化出焦。
煤的有機質(zhì)基本結(jié)構(gòu)單元，是以芳香族稠環(huán)為主體，周圍連接側(cè)鏈雜環(huán)和官能團的大分子。煤在結(jié)焦過程中受熱到350～480℃，大分子劇烈分解，斷裂后的側(cè)鏈繼續(xù)裂解,其中分子量小的呈氣態(tài),分子量適中的呈液態(tài),分子量大的和不熔組分呈固態(tài),相互滲透的三相物組成膠質(zhì)體。煤的粘結(jié)性強弱，取決于膠質(zhì)體的數(shù)量以及流動性和熱穩(wěn)定性。當(dāng)溫度繼續(xù)升高到 450～550℃時,液相產(chǎn)物進一步分解，其中一部分又呈氣態(tài)析出,剩余部分逐漸變稠，與分散的固相顆粒融成一體,最后縮聚并固化，形成半焦。在這過程中，氣態(tài)產(chǎn)物通過膠質(zhì)體逸出，產(chǎn)生膨脹壓力，使固體顆粒結(jié)合得更加牢固。聚積在膠質(zhì)體中的氣態(tài)產(chǎn)物則形成氣孔。當(dāng)溫度進一步升高到700～1000℃時,半焦主要析出氣體，碳網(wǎng)繼續(xù)縮聚，體積變小，焦質(zhì)變硬，形成多孔的焦炭。這時，熱解產(chǎn)物已無液相出現(xiàn)。由于半焦的收縮，各點的溫度和升溫速度不同，使收縮量和收縮速度不均，產(chǎn)生焦炭裂紋。
煉焦煤料的制備 簡稱備煤，是將煤礦運來的各種精煤（或低灰分原煤）制備成配比準確、粒度適當(dāng)、質(zhì)量均一、符合煉焦要求的煤料。一般包括：卸煤、貯存和混勻、配合、粉碎和混合，并將制備好的煤料送到焦爐貯煤塔。嚴寒地區(qū)，還應(yīng)有解凍庫和破凍塊設(shè)備。煉制優(yōu)質(zhì)焦炭，必須對備煤操作給予足夠的重視。把煤混勻好,提高配煤的準確度，使煤質(zhì)波動最小,保證焦炭的化學(xué)成分和物理機械性能的穩(wěn)定，以穩(wěn)定焦炭質(zhì)量。因此配煤設(shè)備必須準確地按給定值配煤；配煤槽要均勻連續(xù)下煤。煤中雜物要除凈，水分不能過高。煤料的合理粉碎，可以有效地提高焦炭的機械強度。必須根據(jù)具體情況對不同的煤料確定最適宜的粉碎粒度。
改進備煤流程，是擴大煉焦煤源和改善焦炭質(zhì)量的途徑。目前，中國絕大多數(shù)焦化廠都采用先按規(guī)定比例配合的混合粉碎流程。這種流程不能根據(jù)各種煤的硬度差異分別進行處理，因此只適用于粘結(jié)性較好、煤質(zhì)較均勻的煉焦煤料。較新的備煤流程有三種：①單獨粉碎流程，是將各種煤先單獨進行粉碎，然后按規(guī)定的比例配合，再進行混合；②分組粉碎流程，是先將硬度相近的各煤種，按比例配合成組，各組分別送往各自的粉碎機粉碎到要求的粒度,再進行混合；③選擇粉碎流程,是將粉碎到一定程度的煤過篩，將篩出的粗粒級組分進行再粉碎，這樣可使粘結(jié)性差、惰性物含量高的粗粒級組分粉碎得較細，避免粘結(jié)性好的巖相組分過度粉碎。
已經(jīng)制備好的煤料從煤塔放入裝煤車,分別送至各個炭化室裝爐。干餾產(chǎn)生的煤氣經(jīng)集氣系統(tǒng),送往化學(xué)產(chǎn)品回收車間加工處理。經(jīng)過一個結(jié)焦周期（即從裝爐到推焦所需的時間，一般為14～18小時，視炭化室寬度而定），用推焦機將煉制成熟的焦炭經(jīng)攔焦機推入熄焦車；熄焦后，將焦炭卸入涼焦臺；然后篩分、貯藏。
煉焦車間一般由兩座煉焦爐組成一個爐組。兩座煉焦爐布置在同一中心線上，中間設(shè)一個煤塔。一個爐組配有相應(yīng)的焦爐機械──裝煤車、推焦機、攔焦機、熄焦車和電機車；還配備一套熄焦設(shè)施，包括熄焦塔、熄焦泵房、粉焦沉淀池及粉焦抓斗等，布置在爐組的端部。熄焦塔中心與爐端炭化室中心的距離一般不小于40米。如采用干法熄焦，則需設(shè)干熄焦站。煉焦車間還裝備有必要的管道和換向系統(tǒng)。
從煉焦爐出爐的高溫焦炭,需經(jīng)熄焦、涼焦、篩焦、貯焦等一系列處理。為滿足煉鐵的要求，有的還需進行整粒。
熄焦 有濕法熄焦和干法熄焦兩種方式。前者是用熄焦車將出爐的紅焦載往熄焦塔用水噴淋。后者是用180℃左右的惰性氣體逆流穿過紅焦層進行熱交換，焦炭被冷卻到約200℃，惰性氣體則升溫到800℃左右，并送入余熱鍋爐，生產(chǎn)蒸汽。每噸焦發(fā)生蒸汽量約400～500公斤，干法熄焦可消除濕法熄焦對環(huán)境的污染，提高焦炭質(zhì)量，同時回收大量熱能，但基建投資大，設(shè)備復(fù)雜，維修費用高。
涼焦 將濕法熄焦后的焦炭，卸到傾斜的涼焦臺面上進行冷卻。焦炭在涼焦臺上的停留時間一般要30分鐘左右，以蒸發(fā)水分，并對少數(shù)未熄滅的紅焦補行熄焦。
篩焦 根據(jù)用戶要求將混合焦在篩焦樓進行篩分分級。中國鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的焦化廠，一般將焦炭篩分成四級，即粒度大于40毫米為大塊焦，40～25毫米為中塊焦，25～10毫米為小塊焦，小于10毫米為粉焦。通常大、中塊焦供冶金用，小塊焦供化工部門用，粉焦用作燒結(jié)廠燃料。
貯焦 將篩分處理后的各級焦炭，分別貯存在貯焦槽內(nèi)，然后裝車外運，或由膠帶輸送機直接送給用戶。
整粒 將大于80(或75)毫米級的焦炭預(yù)先篩出，經(jīng)切焦機破碎后再過篩，得到粒度80～25(或75～25)毫米級焦炭用于煉鐵。這樣可以提高焦炭粒度的均勻性，并避免大塊焦炭沿固有的裂紋在高爐內(nèi)碎裂，從而提高焦炭的機械強度，有利于煉鐵生產(chǎn)。
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