冶金焦的炼焦过程与四大基础化学的内在关系研究.pdf

总 第 2 2 5期 2 0 1 4年 第 9期 河 北冶全 HEBE I M ETAL LUR GY To t a l NO． 2 2 5 201 4， N ur nbe r 9 冶金焦的炼焦过程 与 四大基础化 学 的 内在关 系研究 胡一雯 ， 李春生 ， 付胜楠 ， 孙蜞 ， 孙博伟 ， 荣 涛 ， 王彦笛 ， 王 宏 1 ． 河北联合 大学以升创新教育 基地 ， 河北 唐 山 0 6 3 0 0 9 ； 2 ． 河北联 合大 学 化学工 程学 院， 河北 唐 山 0 6 3 0 0 9 ； 3 ． 中国海洋石油总公 司 节能减排监测 中心 ， 天津 塘沽 3 0 0 4 5 2 摘要 揭示了炼焦学与无机 化学 、 有 机化学 、 分 析化学 和物理 化学 间 的内在联 系 。分 析 了“ 四大基础 化 学” 在炼 焦过程中的体现 ， 对 提高教学质量 、 培育新型炼焦工程技术人员 ， 具有一定 的促进作用 。 关键词 冶金焦 ； 炼 焦过程 ； 无机 化学 ； 有机化学 ； 分析化学 ； 物理化学 ； 内在关 系 中图分类 号 T Q5 2 2 ． 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 6 5 0 0 8 2 0 1 4 0 9 0 0 2 7 0 3 d o i 1 0 ． 1 3 6 3 0 ／ j ． c n k i ． 1 31 1 7 2 ． 2 01 4． 0 9 0 8 RES EARCH ABOUT THE TERNAL RELATI ON BETW EEN M ETALLURGI CAL COK G PROCESS AND FOUR BAS I C CHEM I S TRⅢ S Hu Yi we n ，Li Ch u ns h e ng ， F u S h e n g na n ， S u n Ya n ，S un Bo we i ， Ro n g Ta o ，W a n g Ya nd i ，W a n g Ho n g 1 ． Yi s h e n g I n n o v a t i o n Ed u c a t i o n Ba s e，He b e i Un i o n Un i v e r s i t y，Ta n g s h a n，He b e i ，0 6 3 0 0 9；2 ．Ch e mi c a l En gi n e e r i ng I n s t i t u t e，He be i Un i o n Uni ve r s i t y，Ta ng s h a n，He b e i ，0 63 00 9；3． En e r gy Co n s e r v a t i o n a n d E mi s s i o n Re d u c t i o n Ce n t e r ，C h i n a Na t i o n a l Of f s h o r e Oi l Co r p ．，T a n g g u，Ti a n j i n，3 0 0 4 5 2 Abs t r a c tI t i s r e ve a l e d t he i nt e r n a l r e l a t i o n be t we e n c o k i n g s c i e n c e a n d i no r g a n i c c he mi s t r y，o r g a ni c c he mi s t r y，a n a l yt i c a l c h e mi s t r y，p h ys i c a l c h e mi s t r y． I t i s a na l yz e d t h e e x pr e s s i o n s o f’’ f o u r b a s i c c he mi s t r i e s ” i n c ok i ng pr o c e s s ．Th i s wo ul d pl a y a p r o mot i ng r o l e i n i mpr o ve me nt o f t e a c h i n g q u a l i t y，t r a i n i ng n e w t yp e c o ki ng e ng i n e e r i ng t e c hn i c a l p e r s o n ne 1 ． Ke y W o r d sme t a U ur g i c a l c o ke；c ok i n g p r o c es s ；i no r g a ni c c h e mi s t ry ；o r g a n i c c h e mi s t r y；a n a l yt i ca l c h e mi s t r y；p hy s i c a l c he mi s t r y；i nt e r na l r e l a t i on 0 引言 冶金焦 的炼焦过程是将配合煤在隔绝空气情况 下在炭化室内高温加热至 1 0 0 0℃左右 ， 再经过 干 燥 、 热解 、 熔融 、 粘结 、 固化、 收缩等工序生产焦炭， 且 在加热过程中持续生产气态化学品和煤气 。冶 金焦在钢铁冶炼的高炉 中发挥着支撑 骨架 、 碳还原 剂 、 供碳剂 、 疏松骨架作用。而冶金焦品质的改善能 推动钢铁品质 、 降低成本 、 资源利用。因此 ， 工程技 术人员加深对炼焦微观结构的理解 ，对炼焦人才的 收稿 日期 2 0 1 40 6 2 6 基金项 目 国家 自然科学基 金 编 号．2 1 2 0 3 0 5 1 ，河北联 合大学 大 学生创新计划项 目 X 2 0 1 2 0 2 7 ，X 2 0 1 3 0 9 3， 2 0 1 3 1 0 0 8 1 0 4 6 作者简介 胡一雯 1 9 9 3一 ， 女 ， 河北 联合 大学 本科 在读 ， Ema i l 1 5 8 5 0 0 7 5 9 7 q q． C O rn 培养 、 炼焦质量控制与安全生产尤为重要。 但炼焦过程中所涉及的知识点零散、 概括性强、 抽象性强 ， 为此 ， 本论文建立了炼焦学与 四大基 础化学理论知识 的本质联系， 明确优化焦炭质量的 途径 ， 提高产品质量 ， 培养新型炼焦人才。 1 炼 焦学 与 四大基 础化 学“ 渗 透” 内容 的分析 冶金焦所涉及 的理论知识零散 ， 炼焦过程与无 机化学 、 有机化学 、 分析化学和物理化学的“ 四大基 础化学” 的知识有密切联 系 图 1 。从 “ 四大基础 化学” 来看 ， 无机化学是指煤 中高熔点 氧化物 的物 质流、 化学产品 回收过程 中的脱氮与脱硫 的化学反 应 ； 有机化学是炭化室的高温化学反应中大分子化 学键 的断裂与重组 ； 分析化学的基本理论和仪器分 27 河 北 冶 金 2 0 1 4年 第 9期 1 ． 2 炭化室成焦特 点与物 理化 学 的反应 热力 学、 动力学 密 切 相 关 焦炉 炭化 室 内涉及 的反应 与物 理化 学 中探 讨 的 平衡问题和反应速率问题息息相关 。炭化室是配合 煤转化成焦炭的重要场所 ， 其结焦过程特点 1 水 平方向上单向供热 、 垂直方 向上成层结焦 ； 2 炉料 状 态 和温 度 直 接 影 响着 炭 化 室 内传 热 性 能 。 因此 ， 在 同一结 焦 时刻 各层 煤料 所具 有 的升 温速度 和温 度 梯 度 迥异 ， 因这 种 温度 特 征 差 别 使 得 炭 化 室 内各 部 位焦 炭 质量 与特 征有 所不 同。 在教学过程 中， 笔者发现相当数量同学对焦炭 特征 理 解 的 很 不 深 刻 ； 其 实 炭 化 室 的 炉 料 变 化 与 物理化学中反应热力学和动力学 内容是相 同的。 例如， 化学热力学阐明平衡问题 ， 是通过化学反应伴 随的吉布斯 自由能变化来判断化学反应进行的方 向 和程度 ； 反应动力学是探讨化学反应速率与各种外 界物理 因素之 间的关系。对于反应热力学而言 ， 在 等 温 、 恒 压 过 中 ， 当反 应 物 和生 成 物 处 于标 准 态 ， 可 计 算标 准摩 尔 反应 吉布 斯 自由能变 化 △ G ， 当反 应温度 的升高使 △ G ’ 0时 ， 化学反应才 自发进 行 。而在焦炉炭化室内， 煤饼不同位置 和成熟程 度 所发 生 的化 学 反 应 不 同 ， 直 接 决 定 着 配合 煤 的有 机反 应 的反应 热 力学 和动 力学 。 A G A C0 mRT I n Q 1 式中， A G 标准摩尔反应吉布斯 自由能变化 ； △ G 同一 温 度 、 标 准 压 强 下 的 吉 布 斯 自 由能 ； R 气 体 常数 ； 反应 温度 ； Q 反应 熵 。 1 ． 3 焦炭灰分 的物质流向与无机化学 的复合反 应相一致 配煤 中灰 分 的除 渣处 理 、 化产 回收气 的脱 硫 、 脱 氮均是无机化学中典型的无机反应。以配煤 中灰分 除渣为例 ， 灰分在整个炼焦过程始 终保持 “ 惰性”， 主要 来 自矿 物质 中高熔点 的 S i O， 熔 点 1 7 1 3℃ 和 A l 0 熔 点 2 0 9 0℃ ， 因其 炼 焦过 程 中无粘 结性 会 导致 焦 炭强 度下 降 。鉴 于惰 性灰 分很 难通 过 常温 物 理或化学方法去 除， 因此需要在 高炉炼铁 中添加催 化 剂 助 剂 C a O、 Mg O 与 灰 分 生 成 熔 点 较 低 、 流 动 性好的液态炉渣 ， 并有效排出高炉反应 体系。而焦 炭 的造 渣关键 反 应就 是在 高 炉 的高温 状况 下无 机 化 学 中 的复合 反应 。方 程式 如 下 1 1 0 0～1 2 0 0℃ Ca O Si O 一 Ca O S i O 1 ． 4 焦炭性 能评价 与分析 化学密切 联系 分析 化学 测试 贯 穿 炼 焦 的 整个 过 程 ， 是炼 焦 过 程 的“ 眼睛 ” 。焦 炭性 质均 需要 对焦 炭 的物 理 和化 学 性质 进行 全 面分 析 。因此 ， 科 学评 价 焦 炭 质 量 是炼 焦和高炉炼铁两个领域 的应用基础研究所面临的关 键技术。如能正确表征焦炭 性质 ， 炼焦过程可有明 确性 质 调控 方 向 以达 到 可 控 生 产 的 目的 ； 高 炉 炼 铁 可根据焦炭性质来微调冶炼工艺参数以确保炉况正 常 。在 各种性 质 中 ， 焦 炭 的热 性 质是 评 价 焦 炭 质 量 的重要 指标 之一 ， 是 指焦 炭 经 过 特 定 高温 条 件 下 所 表现出的高温化学反应性 、 物理性质及机械力学性 质 。而焦炭的高温反应性指焦炭与氧化性气体在高 温下 化学 反应 的性 质 ； 常用 焦 炭 反 应 性 指 标 C R I 和反应后强度指标 C S R 来量度 。但是 ， 焦炭普遍 应用的 C R I 和 C S R指标与高炉炼铁对应作用 的内 在关 系 在 一 定 程 度 上 还 不 够 明确 。 主 要 原 因 1 焦炭常规宏观评价和实际高炉 内微观反应过程 的不 匹配 ； 2 焦 炭反 应性 的反应 速率 考虑 不充 分 。 首先 ， 广泛采用的焦炭宏观评价手段 与实际高 炉内局部微观反应存在很大 的差异 ， 这种宏微观差 别导致评价指标受限 ， 因此需要将微观结构的新概 念传 授 给学生 ， 并 领 略 先 进 分 析检 测 技 术 展 现独 特 魅力 。炼 焦学 本 科 教 材 在 介 绍 焦 炭 的 通 性 和 用 途 时 ， 仅讲解了焦炭 的宏观结构 裂纹度 、 气孔率 、 气 孔平均直径 、 孔径分布 、 比表面积等 特征 ； 且 同学 们也 已经 习惯 了用 m、 c m 及 mm 来 量 度 材 料 的 尺 寸 。但 是 ， 高炉 内 问接 还 原 和 直 接还 原 所 涉 及 的 化 学反 应 发生在 氧 化 铁 矿 石 表 面 的微 观 分 子 级 反应 。 而焦炭微观结构与高炉内微观反应之间的内在关系 还 有待 深入研 究 ； 就材 料分 析而 言 ， 可在教 学 过程 中 引入扫描电子显微镜 、 投射 电子显微镜等先进的检 测设 备 对焦 炭 的微 观 结 构 ， 以进 一 步揭 示 分 子 级 反 应 与焦 炭微 观结 构之 间 的本 质联 系 。 其次 ， 焦炭反应性指标和反应后强度指标仅能 反 映焦 炭 的静 态性 质 ， 而 高炉 内铁 矿 石 的直 接 还 原 和间接 还 原 过 程 涉 及 焦 炭 溶 损 反 应 的 动 态 过 程。 因此 ， 需 要 考虑 焦 炭 在 高 炉 内 的焦 炭 反应 性 的反 应 速率问题 ， 以确定单位反应 时间内单位质量焦炭损 失 的百 分数 ⋯ 。可见 ， 焦炭性 能评 价指 标 的优 化 至 关重 要 。 间接还 原 3 Fe 2 O3CO } F e 3 O4CO23 7． 0 9 M J F e 3 04CO } 3 Fe 0 CO22 0． 8 7 M J 下 转 第 6 6页 2 9 总第 2 2 5期 H E B E I Y E J I N 尺寸 mm ， 整支盘条异常波动幅度与时间变小。 l 4 O 1 3 6 1 3 4 3 0 U l Z j 4 ，6 7 I t l1 1 2 J j l 4l， l O J／J l 20 Zt ZZ 23 24 ， O z，z z juj Jjzjj 3 4 j53b j7 3 3 94 0 4l 424j 44 图 8 程序优化后 时间与 尺寸对应关 系散点 图 F i g．8 S c a t t e r d i a g r a m o f c o r r e s p o n d i n g r e l a t i o n b e t we e n s i z e a n d t i me a ft e r p r o g r a m o p t i mi z e d 4 结语 尺寸波动幅度 ， 压缩波动长度 的 目的。但是在实际 介绍了通过测径仪数据采集与 E XC E L表散 点 生产过程中， 该方法还存在一些问题需要去分析探 图结合开展工作 的一种方法 ， 通过该方法可以发 现 讨 ， 仍需要人工检测尺寸与表面。如何使用测径仪 影响高精度盘条一致性 的问题所在 ， 然后结合工 艺 完全替代人工测量仍是努力改进 的方 向。 与电气工程师对一些参 数优化调整 ， 可 以达到减少 ，，’，，， ， ，，’’ ●●’’’， ●m，ml， ，，，l l ’’，I’●’ m，m，，I ，，，，’ ’’’ml，，， ，，’，， ，’ 上 接第 2 9页 Fe O C0 FeCO 1 3． 5 9 M J 直 接还 原 Fe O CO _ FeCO21 3． 5 9 M J CO2C 2 C0 1 6 5． 6 M J Fe o C _ F eC0 1 5 2． O1 M J 2 结 语 综 上所 述 ， 本 文 针 对 冶金 焦 在 理 论 研 究 方 面 尚 存 的 问题 ， 剖 析 了炼焦 过 程 与 无 机化 学 、 有机 化 学 、 分析化学和物理化学等“ 四大基础化学” 的内在关 系。对提高工程技术人 员学 习的积极性和主动性 ， 有效理解并运用理论知识 ， 解决实际问题 ， 提高产品 质 量有 积极 的意 义 。 参考文献 [ 1 ] 姚 昭章 ，郑明东．炼焦学 第三版 [ M]．北京 冶金工业 出版 社 ．2 0 0 5． [ 2 ]王晓琴 ，郝志强．炼焦工艺 第 二版 [ M]．北京 化学工业 出 版社．2 0 1 0 ． [ 3 ]武卫荣 ，李秉朝 ．多媒体技术在炼焦 工艺学教学 中的应用 [ J ] ． 济宁学院学报 ， 2 0 1 2， 3 1 6 3 5 3 6 ． [ 4 ]徐秀梅 ， 景介辉 ， 孔 晓红 ．煤化工工艺学教学 中实施 S T S教育 的探索与实践 [ J ] ．广东化工 ， 2 0 1 0 ， 3 7 2 1 0 1 9 11 9 2 ． [ 5 ] 王要令 ， 赵振新 ，马步伟 ． 煤化工 工艺学 课 程教学 改革探索 [ J ] ．博士 专家论坛 ， 2 0 1 0， 2 2 2 ． [ 6 ] 武卫荣 ， 李秉朝．多媒体技术 在炼焦工艺 学教学 中的应用 [ J ] ． 济宁学院学报 ， 2 0 1 0， 3 1 6 3 5 3 6 ． 【 7 ] 张希顺 ，马丽 ．高中化学 有 机化学 基础 [ M]，北 京 龙 门书 局 ， 2 0 1 2 ． [ 8 ] 王积涛 ， 王永梅 ，张宝申 ， 胡青眉 ，庞美丽．有机化学 第三版 [ M]，天津 南开大学 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 9 ] 陈六平 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