一種生產焦炭的方法
2023-05-23 15:51:21
一種生產焦炭的方法
【專利摘要】本發明涉及一種生產焦炭的方法。該方法包括以下步驟：製備煤裝料；在1000-1400攝氏度的煙道溫度下，在總的周期持續期間，在爐中碳化所述煤裝料；使所述碳化的煤均熱；和在預定的時間後停止向爐中的熱量輸入。
【專利說明】一種生產焦炭的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及通過在均熱期間的零加熱技術在回收型(recovery type)水平式焦爐中所生產的焦炭CSR的改善。本發明還提供了在焦爐中的能耗的降低和向空氣排放的相應降低。
【背景技術】
[0002]高爐焦炭控制了裝載的透氣性且給其提供必要的物理支撐。因此從高爐操作員的角度來看，焦炭品質是至關重要的。反應後的焦炭強度(CSR)是測量高爐性能的參數中被接受的焦炭品質參數。全世界的焦炭生產商一直在研究改善焦炭CSR的技術。Nakamura等人(1977)報告稱，與碳化條件相比，混合煤性質在控制生產的所得焦炭的CSR方面發揮了主要作用(70%)。因此，大量的工作集中在用於CSR改善的混合煤的優化。但是，還已進行了大量的研究用於探索碳化條件或操作參數(例如松裝密度、破碎細度、加熱速率等)對焦炭CSR的影響。
[0003]焦爐加熱是一個這樣的操作參數，其在控制在碳化現象期間發生的反應類型及因此所生產的所得焦炭中所形成的自然鍵合的性質方面發揮了重要的作用。日本鋼鐵協會已經開發了通過快速預加熱和將混合煤分為焦化和未焦化或輕微焦化的煤用於改善焦炭強度的方法。該方法，如在Kato等人(2010)的美國專利#7，645，362中所記載的，用於預加熱和改善用於生產BF焦炭的焦化煤品質的方法包括:(a)在流化床中以特定的加熱速率快速加熱煤裝料到不低於300°C且不高於煤裝料開始軟化的溫度的溫度範圍，(b)將快速加熱的煤裝料分為細尺寸和粗尺寸煤，且然後(c-Ι)將細尺寸煤壓塊或(c-2)分別在鼓風預加熱器中以特定的溫度快速加熱細尺寸和粗尺寸的煤到不低於300°C且不高於煤裝料開始軟化的溫度的溫度範圍，和(d)形成細尺寸煤。因此，該方法主要涉及煤的預處理，換句話說涉及在周期的起點處的焦爐加熱。該方法的目標主要在於煤的焦化品質的改善以生產用於高爐的高強度焦炭。
[0004]Beck等人在1976年開發了用於生產大塊體尺寸和改善的強度的焦炭的方法(美國專利#3，970, 523)。該方法主要記載了基於焦爐寬度和焦化操作時間的以英寸每小時計的焦化速率。它也記載了用於生產高品質焦炭的塑性範圍內的煤的溫度升高速率。焦化速率和溫度升高速率的值基於具有至少500毫米(19.7英寸)寬度的高效率爐的焦化室。該發明的目的是在塑性範圍內的溫度變化的速率以改善所生產的焦炭的強度和塊體尺寸。該發明人聲明，為獲得具有滿意的強度和大尺寸的塊體，在塑性範圍內的加熱期間的溫度升高速率必須得到降低(降低的焦化速率)。他們也記載了用於獲得這些降低的焦化速率所需要採取的措施。
[0005]焦炭的均熱是煤的碳化周期的重要部分。如Roger Loison在「焦炭品質和生產(Coke quality and production)」中所記載的,均熱時間是超出可能似乎嚴格必要的焦化時間的延長。據稱在這一均熱時間期間在該焦炭保留於熱爐中時將其進行均熱。通過將碳化的焦炭保持於熱爐中持續所需要的均熱時間進行均熱。R Sharma等人(2004)發現了均熱改善了焦炭品質，主要是因為穩定化的孔結構。
[0006]在焦爐加熱領域所作的大部分工作與在碳化的初始階段的加熱有關。特別地，已探索在塑性範圍前或塑性範圍內的溫度下的加熱以獲得改善的強度和/或塊體尺寸的焦炭。在用於生產高強度的高爐焦炭的均熱時間的優化方面也做了大量的研究。但是，還沒有就在均熱期間的加熱速率對焦炭品質的影響進行探索。
[0007]因此，本發明的主要目的是提供在均熱時間期間加熱的方法。該方法提高了高爐焦炭的反應(CSR)後的焦炭強度，該高爐焦炭是採用在水平式焦爐中裝料的頂部裝料和搗碎裝料兩種方法從實驗室規模的回收型水平式焦爐生產的。
【發明內容】
[0008]就重組焦炭分子以生產有利於具有高數值的反應後的焦炭強度(CSR)的顯微組織和結構來說，在焦爐碳化周期中的均熱現象是非常重要的。由於焦炭的均熱重要，因此在用於獲得最優品質的焦炭的均熱時間期間仍然存在著關於優化加熱的問題。本發明旨在回答這一問題。本發明提出了在均熱時間期間加熱以生產與從現存的普通/常規加熱的實踐所生產的焦炭相比具有改善CSR的焦炭的方法。
[0009]在焦炭塊在爐內的均熱期間，必須完全停止熱輸入以獲得在焦炭CSR方面的改善。因此，在均熱期間焦炭塊穩定為壓縮的產品，如從改善的平均泡壁厚度和降低的平均孔徑所觀察到的。焦炭的最終溫度也下降了，這取決於對應於爐尺寸的熱量損失。由此，降低焦炭的淬火時間且因此與從更高溫度淬火的焦炭相比導致了更少微觀裂紋的產生。對於焦炭，溶解損失反應的活化能 (參考阿侖尼烏斯定律)也增大，且因此反應速率下降。這也是改善的CSR的原因之一，因為CSR和反應性具有反比關係。因為在均熱時間期間停止加熱，也獲得了等量的能量節省(對於電力加熱和燃氣爐兩者而言)和向空氣排放(對於燃氣爐而言)的降低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1說明了 7kg的Carbolite爐煤裝料的示意圖
[0011]圖2說明了在煤裝料內的探針的設置
[0012]圖3說明了在7kg的CarboIite爐煤裝料中的WB煤裝料內的溫度曲線
[0013]圖4說明了焦炭的顯微組織分析
【具體實施方式】
[0014]如許多人已經研究的，與其他因素相比，任何冶金焦炭的反應後的焦炭強度(CSR)主要取決於煤或混合煤的黏結性(caking properties)和其所處的加熱速率。這一事實已由Nakamura等人(1970)報導了。他們實際地量化了混合煤性質(70%)與操作參數(30%)如松裝密度、破碎細度、均熱時間、預加熱等相比對所產生的焦炭品質(CSR)的影響。本發明集中在煤的碳化的均熱方面。均熱時間對生產優質焦炭十分重要，這已得向廣泛承認。均熱使焦炭分子熱重組以形成具有好的顯微組織(高的泡壁厚度和低的孔徑)的焦炭。
[0015]本發明建議，如果在均熱時間期間減少或完全停止熱輸入，在焦炭分子的熱重組方面會有改善。因此，與由在均熱時間期間加熱焦炭塊的方法所生產的焦炭相比，發現了焦炭的CSR的改善。本發明的新穎性在於焦爐例如回收型焦爐的操作工序的改進從而在均熱時間期間減少或完全停止向煤裝料的熱輸入。這改善了所產生的焦炭的CSR且為較不能量密集(因為減少/停止加熱)。對於燃氣爐，該技術還提供了降低的來自氣體燃燒不充分(對應於減少/停止的爐加熱的時間)的環境排放。本發明對用於生產冶金焦炭的任何混合煤組成、煤破碎細度、松裝密度、加熱速率、任何粘結劑的使用都起作用。這是因為本發明是關於在均熱期間的加熱工序中的改進，在此之前已憑藉這些混合煤的性質和操作參數的優點生產了全部焦炭塊。
[0016]進行了實驗以鑑別在7kg的Carbolite爐內的不同位置處的溫度曲線。圖1顯示了在內部具有9cm寬的煤裝料的電加熱的7kg爐的示意圖。在卡紙板箱模具中從含10%溼度的煤來源I製備煤裝料，該煤來源I在1150kg/m3松裝密度下具有低於3.2mm的90%破碎細度。保持爐中的加熱速率在3°C /分鐘。在煤裝料中放入3個溫度探針以實現上文所述的目的。一個探針放在中心，其他兩個在壁附近的煤裝料的表面處。該設置如圖2中所示。以規則的間隔記錄溫度。在爐中，將煤裝料碳化總的周期時間(碳化時間+均熱時間)持續5小時。用工業用水淬火焦炭並通過NSC方法(新日鐵)測試CSR和CRI (焦炭反應性指數)。在圖3中顯示了來自於在7kg Carbolite爐中的上述實驗的溫度曲線。其顯示了兩條曲線；一條在中心處，另一條在壁附近。在圖2顯示的壁附近的兩個探針的溫度曲線顯示了相同的趨勢。因此，在圖中顯示了壁附近的僅一條曲線。該曲線表明，起初壁附近的溫度迅速升高，且在中心的溫度升高非常緩慢。在後續階段期間，以更高的速率加熱裝料的中心，這是由於它從兩側獲得的熱量。這與文獻(Osinski等人，1993)中已報導的是一致的。從圖3可見，在160分鐘後煤裝料/焦炭塊達向約1010°C的均勻煙道溫度。工業上煙道溫度為1000-1400°C。通過由爐提供的熱，將焦炭塊均熱超出該點，即在160分鐘直至300分鐘(對於140分鐘)後。 [0017]在所提出的均熱階段期間的零加熱方法中，在均熱階段期間必須停止向焦炭塊的熱輸入。進行了一系列實驗以證實在相同的7kgCarbolite爐中的方法。碳化時間固定為180分鐘且相應的均熱時間為120分鐘。在工業爐中，周期時間為4-96小時。在均熱時間期間斷開爐加熱2小時用於所有的證實測試。一般在工業爐中，加熱的斷開時間為所述爐的總周期時間的5%-30%。一旦向爐的熱輸入停止，焦爐壁開始損失熱量和冷卻，因為從焦炭塊向爐壁的熱流，在爐中產生溫度梯度。因此，相應於在爐壁和焦炭塊之間的梯度，焦炭塊體開始損失熱量。在爐加熱停止的時間期間，焦炭塊體的溫度降低至約750-800°C。因此，與從更高的溫度淬火的焦炭相比，在淬火期間微觀裂紋的產生將更少。獲得了以下結果:
[0018]1.當與常規操作相比時，通過NSC方法測得的生產的所得焦炭在CSR方面的顯著改善。對於從7kg爐生產的焦炭而言，發現CSR改善了至少3個點。
[0019]2.通過NSC方法測得的所產生的焦炭在CRI方面的相應降低。
[0020]3.焦炭塊體的橫向和豎向膨脹與7kg Carbolite爐操作的常規方法相比沒有不同。
[0021]4.在均熱期間在常規加熱下和零加熱下的用於煤的碳化的推動力相同。
[0022]5.從如在圖4中所見的焦炭顯微組織可見，從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徑下降。
[0023]6.對於由導致CRI下降和CSR增大的所提出方法生產的焦炭而言，溶解損失反應(C+C02=2C0)的活化能增大。
[0024]7.在由提出的方法所生產的焦炭的焦炭微觀結構中觀察到更細和更粗的鑲嵌組織。
[0025]8.將會連同向空氣的排放的減少(對於燃氣爐而言)獲得相應於時間(均熱時間)的能量節省(由此停止爐加熱)。
[0026]表1:在均熱期間因零加熱導致的CSR和CRI變化
[0027]
【權利要求】
1.用於生產焦炭的方法，該方法包括以下步驟: i)製備煤裝料； ii)在1000-1400攝氏度的煙道溫度下，在總的周期持續期間，在爐中碳化所述煤裝料； iii)使所述碳化的煤均熱；和 iv)在預定的時間後停止向爐中的熱輸入。
2.如權利要求1所述的生產焦炭的方法，其中總的周期持續時間為4-96小時。
3.如權利要求1或2所述的生產焦炭的方法，其中所述預定的時間為在所述爐的總的周期持續時間的5%-30%。
4.如權利要求1或2所述的生產焦炭的方法，其中爐的加熱速率為2-4攝氏度每分鐘。
5.如權利要求1或2所述的生產焦炭的方法，其中所述煤裝料具有低於3.5mm的80-95%破碎細度。
6.一種通過在焦炭均熱 期間停止熱輸入生產具有改善的CSR (反應後焦炭強度)的焦炭的方法。
【文檔編號】C10B57/00GK103805218SQ201310280522
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年7月5日 優先權日:2012年11月5日
【發明者】A·R·博德沃, B·達斯, P·K·哈爾達, S·K·哈爾達 申請人:塔塔鋼鐵有限公司