熱壓型焦

熱壓型焦（hot briquetting process）將快速加熱到塑性溫度（420～480℃）的粘結煤與經過預熱的不粘結煤或弱粘結煤相互配合，利用粘結煤的塑性狀態將熱的配合煤料加壓成型煉製的焦炭。熱壓型焦不使用粘結劑，在焦化過程易於調節，但需用一部分粘結煤，而且需要增設一套煤的加熱設備。

基本介紹

• 中文名：熱壓型焦
• 外文名：hot briquetting process
• 加熱階段：乾燥、預熱和加熱
• 定義：將熱壓型煤進一步焦化
• 市場套用：製取符合質量要求的型焦

熱壓型焦簡介

煤的有機質是高分子聚合物，加熱到一定溫度後就會發生熱解，其聚合物世要發生相應的解體，一般而言，加熱溫度升高到340~500℃即有氣體和液體產生，同時形成膠質體，煤逐漸軟化或熔化。但隨著加熱溫度的提高，熱分解進一步加劇，軟化了的煤便逐漸固化。這是煤在加熱過程中發生的一般現象。煤是否具有粘結性就要視其在加熱過程中所形成的膠質體的數量和質量。而加熱過程中所形成的膠質體的數量和質量，首先取決於煤種，其次取決於加熱速度。按能否形成膠質體可將煤分粘結性煤和非粘結性煤。根據形成的膠質體的多少，又可將粘結性分為：強粘結性煤，其膠質體最大厚度大於25mm；中等粘結性煤為9~25mm，及弱粘結性煤為小於9mm。

以弱粘結性煤或粘結性煤和不粘結性煤的配煤，快速加熱到其塑性溫度區（400~500℃）加壓成型，所得型煤經後處理成型焦的工藝為熱壓型焦工藝，熱壓成型工藝又可分為氣體載熱體和固體載熱體兩種工藝。

熱壓型焦工藝簡介

根據加熱時所用的載熱體的不同，可分為氣體載熱體和固體載熱體兩種生產工藝流程。

氣體熱載體熱壓工藝流程

該流程以熱廢氣作為載熱體，以廈門鐵廠的流程為例，如下圖加以介紹：

廈門鐵廠熱壓工藝流程

以單種弱粘結煤或無煙煤，配入少量粘結性煤為原料，經乾燥預熱，用燃燒爐內煤氣燃燒生成的熱廢氣快速加熱至塑性溫度區間。為控制塑性溫度，熱廢氣用約150℃的循環廢氣調：常至550~600℃，經快速加熱的煤料用旋風分離器分出，通過維溫分解使其充分軟化熔融，最後經擠壓成型得到熱態型煤。由旋風分離器分出的廢氣，作為煤料乾燥預熱的熱載體。千燥預熱和快速加熱均在流態化下進行，多數採用截流管，也可用旋風加熱筒。此流程套用廣泛，可用單種弱粘結煤和配合弱粘結煤。缺點是氣體載熱體風料比較大，約為1.7~2m³廢氣/kg·煤，因而增加煙泵及洗滌系統的負荷。廢氣溫度不能太高，否則煤粉過早軟化分解，粘於壁上，產生的熱解產物混入廢氣，容易堵塞管道。

固體熱載體型焦又稱雙組分工藝

從氣載工藝看，其原料煤是具有粘結性的單種煤，煤加熱到塑性溫度一般分乾燥預熱和快速加熱三段進行有利於充分利用加熱氣體的熱量，使煤粒均勻加熱。在固載工藝方面，粘結性煤只加熱到200~350℃之間，低於其軟化溫度，但低揮發分煤或半焦單種加熱到600~700℃，用作固體熱載體，然而與經過預熱到200~350‘C之間的粘結性煤充分攪拌混合使混合煤迅速達到粘結煤的塑性溫度區間。煤的快速加熱常用設備有直立管，沸騰爐等，使熱載體直接與煤粒接觸。快速加熱後需要在某一溫度段內恆溫一段時間，使其有熱分解的過程，通過恆溫使煤料充分軟化熔融。當煤料在塑性期間大量熱分解之後，硬化之前這一段時間內，成型是最合適的，選擇得當可以避免熱壓型煤在成型後的膨脹和開裂情況。顯然成型溫度將選擇在塑性溫度段的較高溫度段為佳；成型溫度因不同的煤種而異，低煤化度的煤成型溫度較低，而且其塑性溫度段的區間很小。

粉煤變成型焦的最後一道工藝是後處理工序。目的是進一步降低揮發分，提高型煤強度。後處理方式有自熱硬化方式和炭化兩種。

自熱硬化方式：又稱熱燜硬化方式，自熱硬化是利用離開成型機的400餘度型煤自身的溫度在密閉而絕熱（保溫）的容器內，繼續熱分解，而硬化成為似焦型煤。這種的焦型煤稱為熱燜型煤，似焦型煤的揮發分物質可下降到萬分之幾。

炭化方式：趁熱將型煤裝入炭化爐內，炭化溫度有低溫和高溫之分。低溫炭化溫度約690℃，高溫炭化溫度為900℃以上，所得產品為熱壓型焦揮發分小於15%的熱壓型煤炭化用內熱式直立爐進行炭化，其加熱需要的煤氣可以自給自足。揮發分高於15%的熱壓型煤用外熱式直立爐進行炭化，目的減少揮發分高的型煤在加熱過程中因熱應力而產生碎裂，加熱所需的煤氣更能自給

氣體載熱體工藝與固體載熱體工藝的優缺點

氣體載熱體的優點是：

1. 用煤範圍較寬；
   
2. 工藝較簡單，加熱控制較容易；
   
3. 產品質量好、強度高，適用於高爐冶煉。以無煙煤或貧煤等不粘煤配粘結煤為原料時亦可用於鑄造業。
   

固體載熱體相對於氣體載熱體工藝來說用煤範圍受到一些限制，工藝較為複雜，加熱控制較難，產品質量雖耐磨性較差，但裂紋少，型焦塊度較完整，適用於鑄造熔煉。

國外熱壓型焦工藝簡介

西德最大的煤炭研究單位埃森煤炭研究公司（Bergbau Forschung GmbH）與魯奇石油技術公司（Lurgi）共同開發的BFL法，前蘇聯基輔焦炭研究所的薩波日尼科夫法，荷蘭斯塔茨米金公司（Staatsmijnen）開發的Ancit法，美國聯合煤炭公司（Consolidation Coal Co.）與貝賽爾亨鋼鐵公司（Bethle—hem Steel Co.）、國民鋼鐵公司（National Steel Co.）及共和鋼鐵公司（Republic Steel Co.）共同開發的Consol-BNR法，英國煤炭總局（NCB）開發的Homefire法及Roomheat法，日本公害資源所研究的NIPR法，波蘭的Chpw法及西德的BMV及B.w.V.（Berg Werks Ver band）法等均屬於熱壓成型法。多數工藝是將占原料30%的焦煤加熱至其軟化熔融溫度（350~450℃），利用它的粘結性或加入同一工藝中非焦煤炭化付產的焦油與70%的非焦煤半焦均勻混合，在400~500℃溫度下熱壓成型，再進行炭化成型焦。下面介紹部分主要工藝的流程。

氣體載熱體型焦工藝

英國煤炭總局（NCB）的Homefire及Roomheat法是將約含37%揮發分的煤磨細到小於1.2毫米，乾燥後在約420℃的流化床中炭化，約停留35分鐘後，把熱的低溫焦通過加熱導管送至成型機中熱壓成型，再在隔絕空氣的條件下冷卻至約200℃，最後用水淬冷，製成的型煤含揮發分約20%～23%，主要用作民用無煙燃料。Homefire型煤廠生產能力約100 x 10⁴噸/年，Roomheat型煤廠的生產能力約25×10⁴噸/年。型煤再進行炭化就得型焦。

我國1979年開發出ATEG-2第二代氣體載熱體熱壓成型工藝，建成75kg/h試驗裝置。1994年用以無煙煤為主的配煤生產鑄造型焦這兩種流程採用的煤都是單種弱粘煤或者配煤。用400~480℃的熱廢氣乾燥預熱到200~220℃，再用600℃熱廢氣快速加熱到420～460℃，熱煤與廢氣分離出來後，經過維溫階段預壓成煤帶，再用對輥成型機壓成型煤，該型煤為60×60×50mm，枕形，冷卻後可直接作燃料，也可再進行炭化（800～950℃）製取型焦。（ATEG-2）與（ATEG-1）的差別是：①用直立式加熱管代替了旋風加熱爐，優點在於結構簡單了。②將煤乾燥預熱段，快速加熱段二段串聯的加熱方式改為煤預熱段和快速加熱段並聯，再與煤乾燥段串聯的“兩並一串”的加熱方法。由此加熱管和預熱管出來的熱廢氣可用來乾燥濕煤，排放出來的廢氣溫度低（<150℃），提高了熱利用率；由於預熱煤和加熱煤間的溫差減小，可避免細煤粉因過熱引起的粘結和堵塞加熱系統的現象。

我國鞍山熱能院開發的ATEG工藝對煤種的適應性較強，既能使用粘結性較弱的煤種，特別是高揮發份弱粘結煤單獨成型，又能用無粘結性的無煙煤、貧煤、不粘煤以及其他煤料為主體原判（用量>65%）與強粘結性煤相配。生產滿足不同用途的型煤和型焦。

用高揮發分低灰低硫弱粘性煤生產的型焦可用作高爐燃料，以無煙煤為主體與強粘結煤配在一起製成的型焦可用於5T/h以下沖天爐。

固體載熱型焦

西德BFL法

西德BFL法的工藝流程圖如下圖所示。BFL法是雙組分熱壓成型工藝。將非焦煤在流化床中，於700~800℃溫度下進行炭化，生成含揮發分約5%的半焦，然後與預熱至約300℃的焦煤以7：3的比例混合，付產的煤焦油同時加入，溫度保持在約450℃，在500kg/cm²的壓力下熱壓成型。在西德的普羅斯珀（Prosper）焦化廠建成了12.5噸/時再進行炭化成型焦的示範裝置。

BFL法流程

日本NIPR法

日本公害資源所的NIPR法的特點是將非焦煤與焦煤分別在兩個溫度不同的流化床中加熱，前者在550~600℃溫度下進行低溫炭化，後者在200～250℃溫度下進行預熱，然後混合送入對輥機中線上壓力4.9~6.6噸/厘米（約相當於500kg/cm²）的條件下熱壓成型。試驗規模為2噸/日。

熱壓型焦成焦機理

根據煙煤的結焦機理，熱壓型焦最主要的特點是根據需要，分別控制結焦的各個階段。

快速加熱

由結焦機理已知，把煤快速加熱到塑性狀態，使其中部分液態產物來不及熱分解和熱縮聚，從而增加了膠質體的停留時間及溫度範圍，改善了膠質體的流動性和熱穩定性，使單位時間內氣體析出量增加，增大了膨脹壓力，由此改善了其中變形粒子的接觸而提高了煤的粘結性。快速加熱可用氣體或固體載熱體，使單種煤或配合煤在幾秒鐘的時問內加熱到塑性溫度（一般為430~500℃）。由於加熱速度極快，煤尚未充分分解和軟化，因此呈散粒狀。塑性溫度一般隨煤的變質程度加深而提高。

維溫分解

加熱到塑性溫度的煤粒，進一步熱分解和熱縮驟，使煤粒軟化，並因氣體產物的生成，煤粒膨脹。為了使熱解揮發產物進一步析出，以防熱壓後型球膨脹或炭化時型焦開裂，應在塑性溫度下，隔熱維溫約2~4min。因為型球和型焦的結構與煤粒在成型時的軟化程度和型球的進一步膨脹有關，軟化煤粒在成型時要繼續析出氣體。膠質體因透氣性差而產生膨脹壓力，該壓力若小於成型壓力，則型球緻密，否則型球會膨脹而使密度降低。因此，型球的密度不僅取決於所施外力，而且也取決於氣體析出的速度和膠質體的透氣性，這因煤的性質及溫度條件而異。對於膠質體多，熱穩定性和不透氣性高的煤，塑性溫度應高一些，維溫時間應適當增加，對於粘結性較差的煤，為避免過度熱解使膠質體中液態產物過於分解析出降低粘結性，則塑性溫度應低一些，維溫時間適當縮短。

總之，塑性溫度和維溫時間的選擇，既要使單種：煤或配合煤很好粘結，又不使型球發生膨脹，由煤的粘結性和膨脹性來決定。維溫分解可在維溫筒或混料同時進行，但最好要有控制維溫時間的措施。

擠壓成型

經過維溫分解處於膠質狀態的煤料中，除了可熔物質外，還存在不熔物質和惰性粒子。為了使其均勻分都於熔融物質中，煤料可在螺旋擠壓機中進一步受到粉碎、擠壓和攪拌，利於型球的結構均一和強度提高，擠壓成的煤帶再進。一步難製成型球，使煤粒中間隙減小，增加膠質體不透氣性，有利於活性化學鍵的相互作用，提離粘結性。成型時煤料的密度能進一步增加，試驗表明，壓力增加時，型球的密度顯著增加，但壓力增至某一極限值時，型球的密度變化不大。這時由於煤粒極度靠近，析出氣體的自由空間過小，增加了析出氣體的阻力，會引起型球變形；當成型壓力解除後，由於型球的透氣性很差，分解氣體不能很快析出，而使型球產生膨脹，破壞其緻密性。因此成型壓力的選擇要適當，用粘性好，膠質體透氣性差的煤製取型球時，所採用的成型壓力應小些；反之，則應大一些。

熱燜或炭化

熱壓所得型球，最後在熱壓溫度下，在隔熱和隔絕空氣的條件下需熱燜一定時間，其目的是：

壓型時有助於活性化學鍵的接觸和反應，但由於壓型時問短，作用不完全，同時焦油等揮發物也不能完全分解，因此這些揮發物分解過程中產生的新的化學鍵也不能充分發揮作用。如果型煤立即冷卻，上述活性化學鍵因溫度降低而失去相互作用的能力。

熱壓型煤中由於不同組分有不同的熱膨脹性，若急劇冷卻時，結構緻密的型煤表面與其內部會出現溫度差，而且型煤尺寸愈大，這種溫度差也愈大，從而產生不同的收縮應力，容易降低型煤的強度。

熱壓型煤中，由於熱分解和熱縮聚時間不足，還存在相當部分的膠質體，熱燜可以給膠質體轉為固態提供時間。完全處於固態的並具有相當大導熱係數的型煤，在進一步炭化時，也不大容易產生過大的收縮應力。

熱壓型煤經過熱燜後仍屬半焦結構，為了提高強度，需進一步炭化製成型焦。如同常規配煤煉焦，由型煤炭化製成的型焦過程，是半焦的有機質進一步熱分解、熱縮聚，焦質進一步收縮、緊密，並有可能產生裂紋的過程。決定型焦產生裂紋的主要因素是炭化速發和型煤尺寸，氣體的析出是型焦產生裂紋的主要因素。如果型煤未經熱燜或揮發分較高，在炭化時，型煤表面首先生成焦皮樣物質而收縮，型煤內部的膠質體則因分解析出氣體麗膨脹，產生較大的內應力，當它超過焦殼的強度時，使焦殼破壞生成裂紋。炭化速度愈快，這種內應力也愈大。因此熱壓型煤的揮發分愈高，炭化速度應愈低。但在一般情況下，熱壓型煤炭化時，氣體是比較容易析出的。因為固化半焦的透氣性比膠質體類大得多，如果在熱壓後氣體能從型煤中很好地析出，而不使其膨脹，則相對較少的氣體從透氣性較好的半焦中析出就更容易，故熱壓型煤允許採用具有較高炭化速度的內熱式焙燒爐進行炭化。此外，型煤在炭化過程中，表面和中心存在著溫差，型煤尺寸愈大，溫差也愈大，總收縮量也愈大，故收縮應力增加，因此認為炭化速度應隨型煤尺寸的增加而降低。

綜上所述；熱壓焦工藝的特點，在於能根據不同的煤質及其它條件，分別控制結焦過程的各個階段，從範圍廣泛的煤種製取符合質量要求的型焦。