CN103805218B - 一种生产焦炭的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生产焦炭的方法。该方法包括以下步骤：制备煤装料；在1000‑1400摄氏度的烟道温度下，在总的周期持续期间，在炉中碳化所述煤装料；使所述碳化的煤均热；和在预定的时间后停止向炉中的热量输入。

Description

一种生产焦炭的方法

技术领域

本发明涉及通过在均热期间的零加热技术在回收型（recovery type）水平式焦炉中所生产的焦炭CSR的改善。本发明还提供了在焦炉中的能耗的降低和向空气排放的相应降低。

背景技术

高炉焦炭控制了装载的透气性且给其提供必要的物理支撑。因此从高炉操作员的角度来看，焦炭品质是至关重要的。反应后的焦炭强度（CSR）是测量高炉性能的参数中被接受的焦炭品质参数。全世界的焦炭生产商一直在研究改善焦炭CSR的技术。Nakamura等人（1977）报告称，与碳化条件相比，混合煤性质在控制生产的所得焦炭的CSR方面发挥了主要作用（70%）。因此，大量的工作集中在用于CSR改善的混合煤的优化。但是，还已进行了大量的研究用于探索碳化条件或操作参数（例如松装密度、破碎细度、加热速率等）对焦炭CSR的影响。

焦炉加热是一个这样的操作参数，其在控制在碳化现象期间发生的反应类型及因此所生产的所得焦炭中所形成的自然键合的性质方面发挥了重要的作用。日本钢铁协会已经开发了通过快速预加热和将混合煤分为焦化和未焦化或轻微焦化的煤用于改善焦炭强度的方法。该方法，如在Kato等人（2010）的美国专利#7,645,362中所记载的，用于预加热和改善用于生产BF焦炭的焦化煤品质的方法包括：（a)在流化床中以特定的加热速率快速加热煤装料到不低于300℃且不高于煤装料开始软化的温度的温度范围，（b）将快速加热的煤装料分为细尺寸和粗尺寸煤，且然后（c-1）将细尺寸煤压块或（c-2）分别在鼓风预加热器中以特定的温度快速加热细尺寸和粗尺寸的煤到不低于300℃且不高于煤装料开始软化的温度的温度范围，和（d）形成细尺寸煤。因此，该方法主要涉及煤的预处理，换句话说涉及在周期的起点处的焦炉加热。该方法的目标主要在于煤的焦化品质的改善以生产用于高炉的高强度焦炭。

Beck等人在1976年开发了用于生产大块体尺寸和改善的强度的焦炭的方法（美国专利#3,970,523）。该方法主要记载了基于焦炉宽度和焦化操作时间的以英寸每小时计的焦化速率。它也记载了用于生产高品质焦炭的塑性范围内的煤的温度升高速率。焦化速率和温度升高速率的值基于具有至少500毫米（19.7英寸）宽度的高效率炉的焦化室。该发明的目的是在塑性范围内的温度变化的速率以改善所生产的焦炭的强度和块体尺寸。该发明人声明，为获得具有满意的强度和大尺寸的块体，在塑性范围内的加热期间的温度升高速率必须得到降低（降低的焦化速率）。他们也记载了用于获得这些降低的焦化速率所需要采取的措施。

焦炭的均热是煤的碳化周期的重要部分。如Roger Loison在“焦炭品质和生产（Coke quality and production）”中所记载的，均热时间是超出可能似乎严格必要的焦化时间的延长。据称在这一均热时间期间在该焦炭保留于热炉中时将其进行均热。通过将碳化的焦炭保持于热炉中持续所需要的均热时间进行均热。R Sharma等人（2004）发现了均热改善了焦炭品质，主要是因为稳定化的孔结构。

在焦炉加热领域所作的大部分工作与在碳化的初始阶段的加热有关。特别地，已探索在塑性范围前或塑性范围内的温度下的加热以获得改善的强度和/或块体尺寸的焦炭。在用于生产高强度的高炉焦炭的均热时间的优化方面也做了大量的研究。但是，还没有就在均热期间的加热速率对焦炭品质的影响进行探索。

因此，本发明的主要目的是提供在均热时间期间加热的方法。该方法提高了高炉焦炭的反应（CSR）后的焦炭强度，该高炉焦炭是采用在水平式焦炉中装料的顶部装料和捣碎装料两种方法从实验室规模的回收型水平式焦炉生产的。

发明内容

就重组焦炭分子以生产有利于具有高数值的反应后的焦炭强度（CSR）的显微组织和结构来说，在焦炉碳化周期中的均热现象是非常重要的。由于焦炭的均热重要，因此在用于获得最优品质的焦炭的均热时间期间仍然存在着关于优化加热的问题。本发明旨在回答这一问题。本发明提出了在均热时间期间加热以生产与从现存的普通/常规加热的实践所生产的焦炭相比具有改善CSR的焦炭的方法。

在焦炭块在炉内的均热期间，必须完全停止热输入以获得在焦炭CSR方面的改善。因此，在均热期间焦炭块稳定为压缩的产品，如从改善的平均泡壁厚度和降低的平均孔径所观察到的。焦炭的最终温度也下降了，这取决于对应于炉尺寸的热量损失。由此，降低焦炭的淬火时间且因此与从更高温度淬火的焦炭相比导致了更少微观裂纹的产生。对于焦炭，溶解损失反应的活化能（参考阿仑尼乌斯定律）也增大，且因此反应速率下降。这也是改善的CSR的原因之一，因为CSR和反应性具有反比关系。因为在均热时间期间停止加热，也获得了等量的能量节省（对于电力加热和燃气炉两者而言）和向空气排放（对于燃气炉而言）的降低。

附图说明

图1说明了7kg的Carbolite炉煤装料的示意图

图2说明了在煤装料内的探针的设置

图3说明了在7kg的Carbolite炉煤装料中的WB煤装料内的温度曲线

图4说明了焦炭的显微组织分析

具体实施方式

如许多人已经研究的，与其他因素相比，任何冶金焦炭的反应后的焦炭强度（CSR）主要取决于煤或混合煤的黏结性（caking properties）和其所处的加热速率。这一事实已由Nakamura等人（1970）报道了。他们实际地量化了混合煤性质（70%）与操作参数（30%）如松装密度、破碎细度、均热时间、预加热等相比对所产生的焦炭品质（CSR）的影响。本发明集中在煤的碳化的均热方面。均热时间对生产优质焦炭十分重要，这已得向广泛承认。均热使焦炭分子热重组以形成具有好的显微组织（高的泡壁厚度和低的孔径）的焦炭。

本发明建议，如果在均热时间期间减少或完全停止热输入，在焦炭分子的热重组方面会有改善。因此，与由在均热时间期间加热焦炭块的方法所生产的焦炭相比，发现了焦炭的CSR的改善。本发明的新颖性在于焦炉例如回收型焦炉的操作工序的改进从而在均热时间期间减少或完全停止向煤装料的热输入。这改善了所产生的焦炭的CSR且为较不能量密集（因为减少/停止加热）。对于燃气炉，该技术还提供了降低的来自气体燃烧不充分（对应于减少/停止的炉加热的时间）的环境排放。本发明对用于生产冶金焦炭的任何混合煤组成、煤破碎细度、松装密度、加热速率、任何粘结剂的使用都起作用。这是因为本发明是关于在均热期间的加热工序中的改进，在此之前已凭借这些混合煤的性质和操作参数的优点生产了全部焦炭块。

进行了实验以鉴别在7kg的Carbolite炉内的不同位置处的温度曲线。图1显示了在内部具有9cm宽的煤装料的电加热的7kg炉的示意图。在卡纸板箱模具中从含10%湿度的煤来源1制备煤装料，该煤来源1在1150kg/m³松装密度下具有低于3.2mm的90%破碎细度。保持炉中的加热速率在3℃/分钟。在煤装料中放入3个温度探针以实现上文所述的目的。一个探针放在中心，其他两个在壁附近的煤装料的表面处。该设置如图2中所示。以规则的间隔记录温度。在炉中，将煤装料碳化总的周期时间（碳化时间+均热时间）持续5小时。用工业用水淬火焦炭并通过NSC方法（新日铁）测试CSR和CRI（焦炭反应性指数）。在图3中显示了来自于在7kg Carbolite炉中的上述实验的温度曲线。其显示了两条曲线；一条在中心处，另一条在壁附近。在图2显示的壁附近的两个探针的温度曲线显示了相同的趋势。因此，在图中显示了壁附近的仅一条曲线。该曲线表明，起初壁附近的温度迅速升高，且在中心的温度升高非常缓慢。在后续阶段期间，以更高的速率加热装料的中心，这是由于它从两侧获得的热量。这与文献（Osinski等人，1993）中已报道的是一致的。从图3可见，在160分钟后煤装料/焦炭块达向约1010℃的均匀烟道温度。工业上烟道温度为1000-1400℃。通过由炉提供的热，将焦炭块均热超出该点，即在160分钟直至300分钟（对于140分钟）后。

在所提出的均热阶段期间的零加热方法中，在均热阶段期间必须停止向焦炭块的热输入。进行了一系列实验以证实在相同的7kgCarbolite炉中的方法。碳化时间固定为180分钟且相应的均热时间为120分钟。在工业炉中，周期时间为4-96小时。在均热时间期间断开炉加热2小时用于所有的证实测试。一般在工业炉中，加热的断开时间为所述炉的总周期时间的5%-30%。一旦向炉的热输入停止，焦炉壁开始损失热量和冷却，因为从焦炭块向炉壁的热流，在炉中产生温度梯度。因此，相应于在炉壁和焦炭块之间的梯度，焦炭块体开始损失热量。在炉加热停止的时间期间，焦炭块体的温度降低至约750-800℃。因此，与从更高的温度淬火的焦炭相比，在淬火期间微观裂纹的产生将更少。获得了以下结果：

1.当与常规操作相比时，通过NSC方法测得的生产的所得焦炭在CSR方面的显著改善。对于从7kg炉生产的焦炭而言，发现CSR改善了至少3个点。

2.通过NSC方法测得的所产生的焦炭在CRI方面的相应降低。

3.焦炭块体的横向和竖向膨胀与7kg Carbolite炉操作的常规方法相比没有不同。

4.在均热期间在常规加热下和零加热下的用于煤的碳化的推动力相同。

5.从如在图4中所见的焦炭显微组织可见，从提出的方法所得到的焦炭的平均泡壁厚度增大升高且平均孔径下降。

6.对于由导致CRI下降和CSR增大的所提出方法生产的焦炭而言，溶解损失反应（C+CO₂=2CO）的活化能增大。

7.在由提出的方法所生产的焦炭的焦炭微观结构中观察到更细和更粗的镶嵌组织。

8.将会连同向空气的排放的减少（对于燃气炉而言）获得相应于时间（均热时间）的能量节省（由此停止炉加热）。

表1:在均热期间因零加热导致的CSR和CRI变化

#捣碎装料条件*顶部装料条件

表2在两种情况下生产的焦炭的显微组织分析和溶解损失反应的活化能

序号	参数	普通	零
				1	平均泡壁厚度（μm）	51.96	55.24
2	平均孔径（μm）	64.7	54.29
				3	活化能（E）（J/mol）	38,200	84,525

Claims (3)

1.用于生产焦炭的方法，该方法包括以下步骤：

i)制备煤装料；

ii)在1000-1400摄氏度的烟道温度下，在总的周期持续期间，在炉中碳化所述煤装料；

iii)使所述碳化的煤均热；和

iv)在焦炭均热期间停止向炉中的热输入，

其中炉的加热速率为3-4摄氏度每分钟，

其中总的周期持续时间为4-96小时，

其中所述停止时间为在所述炉的总的周期持续时间的5％-30％。

2.如权利要求1所述的生产焦炭的方法，其中所述煤装料具有1150kg/m³的松装密度和10％的湿度。

3.如权利要求1或2所述的生产焦炭的方法，其中所述煤装料具有80-95％低于3.5mm的破碎细度。