炼焦工艺技术详解
系统解析配煤技术、成焦原理、焦炉结构、操作制度、焦炭质量评价与干熄焦技术
炼焦工艺概述
炼焦是将配合煤在隔绝空气的条件下加热到 950~1050℃，经过干燥、热解、熔融、粘结、固化、收缩等阶段，最终形成焦炭的过程。焦炭是高炉炼铁的主要燃料和还原剂，在高炉内起发热剂、还原剂、料柱骨架和渗碳剂四大作用。炼焦工序是钢铁联合企业中连接煤炭与炼铁的关键环节，其产品质量直接决定高炉冶炼的顺行与能耗水平。
原料煤准备
卸煤、储存、配煤
粉碎混合
粒度控制、均匀混合
装煤炼焦
炭化室 950~1050℃
推焦
焦饼成熟后推出
熄焦冷却
湿熄焦 / 干熄焦
筛分储运
按粒度分级入高炉
钢铁联合企业核心
焦炭是高炉炼铁不可替代的燃料与骨架，炼焦工序的稳定运行直接保障高炉供料安全。
高温热解过程
配合煤在 950~1050℃ 隔绝空气条件下完成热解、熔融、固化，形成多孔结构的焦炭。
能源转化枢纽
炼焦副产焦炉煤气、煤焦油、粗苯等高价值化工产品，是钢铁企业重要的能源与化工原料来源。
低碳转型重点
干熄焦、煤调湿、超低排放等技术推动炼焦工序向绿色低碳方向持续升级。
成焦原理与热解过程
煤在炭化室内受两侧燃烧室加热，温度从室温逐渐升至 950~1050℃，经历一系列物理化学变化。整个过程可划分为五个阶段，其中胶质体阶段是决定焦炭质量的关键环节。
煤热解五阶段
室温 ~ 200℃
煤中水分蒸发，吸附的 CO₂、CH₄ 等气体脱出。煤料保持固态，无明显化学变化。
200 ~ 350℃
煤大分子结构开始解聚，析出 CO、CO₂、H₂O 及少量焦油蒸气，生成少量胶质体。煤料开始变软。
350 ~ 450℃
煤剧烈分解，生成大量胶质体（塑性体）。胶质体具有粘结性，将未熔融的煤粒粘结在一起，是成焦的关键阶段。胶质体的数量、质量和流动性直接决定焦炭的强度。
450 ~ 550℃
胶质体进一步分解、缩聚，固化形成半焦。析出大量焦油蒸气和煤气，半焦体积收缩，产生裂纹。
550 ~ 1050℃
半焦进一步脱氢、缩聚，结构致密化，形成具有银灰色金属光泽、多孔结构的焦炭。
热解过程温度-状态曲线
胶质体理论
胶质体是煤热解过程中生成的塑性物质，其数量和质量是评价煤粘结性的核心。胶质体厚度（Y值）越大，粘结性越强。
收缩与裂纹
半焦固化后体积收缩产生内应力，形成裂纹。收缩过快、内应力过大时裂纹增多，焦炭强度下降。
层状结焦
炭化室内煤料从两侧向中心逐层结焦，形成平行于炉墙的层状结构。不同层焦炭质量存在差异，需通过配煤和加热制度优化。
配煤技术与煤质指标
配煤是将不同牌号的单种煤按一定比例配合，取长补短，以达到焦炭质量要求、降低配煤成本、合理利用煤炭资源的目的。配煤的核心是平衡煤的粘结性与挥发分，同时控制灰分、硫分等杂质含量。
气煤（QM）
- 挥发分：>37%
- G 值：50~65
- Y 值：0~25mm
- 作用：增加煤气产率，降低配煤成本，但配比过高会降低焦炭强度
肥煤（FM）
- 挥发分：28~37%
- G 值：>85
- Y 值：>25mm
- 作用：配煤的粘结核心，提高焦炭强度，但配比过高会增大收缩裂纹
焦煤（JM）
- 挥发分：18~28%
- G 值：>80
- Y 值：12~25mm
- 作用：配煤主体，结焦性好，焦炭强度高，但资源稀缺、价格高
瘦煤（SM）
- 挥发分：14~18%
- G 值：20~65
- Y 值：0~12mm
- 作用：降低半焦收缩，减少裂纹，但配比过高会降低粘结性
配合煤主要质量指标
| 指标 | 控制范围 | 意义 |
|---|---|---|
| 灰分 Ad | ≤9.5% | 灰分全部转入焦炭，每降低 1% 灰分，焦炭灰分降低约 1.3%，高炉焦比降低 2~3% |
| 硫分 St,d | ≤0.75% | 配煤硫分约 85~90% 转入焦炭，硫是钢的有害元素，需严格控制 |
| 挥发分 Vdaf | 26~30% | 影响焦炭产率、煤气产率和焦炭强度，过高或过低均不利于焦炭质量 |
| 粘结指数 G | 75~85 | 反映煤的粘结能力，过低焦炭强度不足，过高收缩应力增大 |
| 胶质层厚度 Y | 14~18mm | Y 值适当才能保证胶质体的粘结作用，Y 值过大裂纹增多 |
| 水分 Mt | 9~11% | 影响装煤操作和炼焦耗热量，水分波动需控制在 ±0.5% 以内 |
典型配煤比例示例
配煤基本原则
-
质量优先
以满足高炉对焦炭质量要求为前提，M40、M10、CRI、CSR 等指标必须达标
-
成本优化
在质量允许范围内，尽量多用气煤、瘦煤等低价煤种，降低配煤成本
-
资源合理利用
焦煤资源稀缺，应通过优化配煤结构降低焦煤比例，同时保证焦炭质量
-
稳定性优先
配煤结构应保持相对稳定，避免频繁大幅调整导致焦炭质量波动
焦炉结构与炉型参数
现代焦炉主要由炭化室、燃烧室、蓄热室、斜道区和炉顶区组成。炭化室是煤料结焦的场所，燃烧室提供热量，蓄热室回收废气余热并预热空气和煤气。焦炉机械包括装煤车、推焦车、拦焦车和熄焦车（四大车）。
焦炉五大组成部分
典型焦炉炉型参数
| 炉型 | 炭化室高 | 炭化室宽 | 孔数 |
|---|---|---|---|
| 4.3m 焦炉 | 4.3m | 400~450mm | 65~72 |
| 5.5m 焦炉 | 5.5m | 450~500mm | 55~65 |
| 6m 焦炉 | 6.0m | 450~500mm | 50~60 |
| 7m 焦炉 | 7.0m | 500~550mm | 45~55 |
| 7.63m 焦炉 | 7.63m | 500~550mm | 40~50 |
注：炭化室高度增加可提高单孔产量、改善焦炭质量均匀性，但推焦操作难度增大
装煤车
在炉顶行走，向炭化室内装煤。配备螺旋给料器或圆盘给料器，控制装煤量和装煤速度，确保装煤均匀、平实。
推焦车
在焦炉机侧行走，将成熟的焦饼从炭化室推出。推焦杆行程需与炭化室长度匹配，推焦电流是判断焦饼成熟度的重要参数。
拦焦车
在焦炉焦侧行走，导焦栅对准炭化室，引导焦炭落入熄焦车。同时承担炉门开启和关闭、炉框清理等任务。
熄焦车
接收推出的红焦，送至熄焦塔或干熄焦装置。湿熄焦车配备喷水系统，干熄焦则通过焦罐转运至 CDQ 系统。
炼焦操作制度
炼焦操作制度包括装煤制度、加热制度、推焦制度和熄焦制度。各项制度相互配合，确保焦炉高产、优质、长寿、低耗。
装煤制度
将配合煤装入炭化室，要求装煤量准确、装煤均匀、炉顶空间合理。装煤操作直接影响焦炭产量和炉顶空间温度。
- 装煤量：按炭化室有效容积计算，一般 20~35t/孔（视炉型而定）
- 装煤高度：一般距炉顶 200~300mm，保证炉顶空间温度 800~900℃
- 装煤速度：螺旋给料器转速可调，装煤时间约 3~5min
- 平煤操作：装煤后平煤杆将煤料平整，保证加热均匀
加热制度
通过调节煤气流量、空气量和烟道吸力，控制立火道温度，保证焦饼在规定时间内均匀成熟。
- 标准温度：机侧、焦侧标准温度差 50~80℃（焦侧略高）
- 立火道温度：1250~1350℃，波动控制在 ±10℃ 以内
- 炉顶空间温度：800~900℃，过高会增大化产损失
- 烟道吸力：根据煤气流量和空气系数调整，保证充分燃烧
推焦制度
按推焦计划将成熟焦饼推出炭化室。推焦操作的核心是"准点推焦"，即按计划时间准时推焦，保证焦炉加热制度稳定。
- 推焦电流：正常推焦电流 ≤200~300A，电流过高说明焦饼未成熟或炉墙变形
- 推焦时间：推焦杆前进速度可调，全程约 1~2min
- 结焦时间：一般 18~24h，根据炭化室宽度和加热制度确定
- 检修时间：每班安排 0.5~1h 检修，用于炉门清扫和设备维护
熄焦制度
将推出的红焦冷却至 200℃ 以下，防止焦炭自燃和烧损。现代焦化厂优先采用干熄焦（CDQ），湿熄焦仅作为备用。
- 湿熄焦：喷水冷却，耗水量约 0.5~1.0t/t焦，产生大量蒸汽和有害气体
- 干熄焦：惰性气体循环冷却，回收红焦显热，焦炭质量改善，无废水废气排放
- 熄焦终点：焦炭温度降至 200℃ 以下，含水率 ≤6%
- 熄焦时间：湿熄焦约 2~3min，干熄焦约 1.5~2h（循环冷却）
炼焦关键参数监控
炼焦过程需要监控的参数涵盖温度、压力、流量和推焦电流等多个维度。这些参数相互关联，工长需综合判断炉况，及时调整加热制度和操作节奏。
一、温度类参数
立火道温度
1250~1350℃
焦炉加热的核心温度，通过看火孔定期测量。温度过高会损坏炉体，过低则焦饼不熟。
波动控制：±10℃ 以内
炉顶空间温度
800~900℃
炭化室顶部空间温度，影响化产回收率和炉顶设备寿命。过高会增大煤气裂解，降低焦油产率。
控制：通过装煤高度和平煤操作调节
焦饼中心温度
950~1050℃
焦饼中心达到此温度即认为焦炭成熟。通过测温孔测量，是判断结焦终点的关键指标。
判断：焦饼中心温度达标即可推焦
蓄热室温度
1100~1250℃
蓄热室顶部温度，反映格子砖蓄热状态。温度过低说明蓄热不足，影响加热效率。
控制：与换向周期配合调整
二、压力类参数
集气管压力
关键控制集气管压力是焦炉最重要的压力参数，直接决定炭化室压力分布和炉门冒烟情况。全炉炭化室压力应保持微正压（2~5Pa），防止空气吸入和煤气外漏。
正常控制范围
80~120 Pa
结焦周期变化
初期高、末期低
- 压力过高：煤气外漏，炉门冒烟着火，恶化操作环境
- 压力过低：空气吸入炭化室，烧损焦炭和化产品，降低产率
- 调整手段：调节鼓风机转速或初冷器前煤气阀门开度
烟道吸力
加热关键烟道吸力决定燃烧室空气进入量和废气排出量。吸力过大导致过剩空气系数过高，炉温降低；吸力过小则燃烧不充分。
分烟道吸力
150~250 Pa
总烟道吸力
250~350 Pa
- 空气系数：一般控制在 1.15~1.25，过高浪费热量，过低燃烧不完全
- 换向周期：一般 20~30min，蓄热室温度高时缩短周期
三、操作类参数
推焦电流
≤200~300 A
推焦时电机电流，反映推焦阻力。电流过高说明焦饼未熟、炉墙变形或石墨沉积过厚。
异常：电流突然升高需立即停止推焦，查明原因
结焦时间
18~24 h
从装煤到推焦的时间间隔。结焦时间与炭化室宽度、加热温度密切相关，需根据焦炭成熟度调整。
原则：准点推焦，不提前不拖延
焦饼收缩率
2~4%
焦饼推出时的收缩程度。收缩率适当可减少推焦阻力，收缩率过小说明焦饼过生。
判断：通过推焦电流和焦饼外观综合判断
参数联动关系与综合判断
| 参数组合 | 立火道温度 | 集气管压力 | 推焦电流 | 可能炉况 |
|---|---|---|---|---|
| 组合A | 偏低 | 正常 | ↑ | 加热不足，焦饼未熟，需提高标准温度 |
| 组合B | 正常 | 偏低 | 正常 | 空气吸入炭化室，需提高集气管压力 |
| 组合C | 正常 | 正常 | ↑↑ | 炉墙变形或石墨过厚，需检查炭化室 |
| 组合D | 偏高 | 正常 | ↓ | 加热过强，焦炭过火，需降低标准温度 |
焦炭质量评价指标
焦炭质量直接影响高炉冶炼顺行、产量和焦比。评价焦炭质量的指标包括化学组成、物理机械性能和高温冶金性能三大类。高炉对焦炭的要求是：灰分低、硫分低、强度高、粒度均匀、反应性低、反应后强度高。
灰分 Ad
≤12.0%
二级品 ≤13.0%，三级品 ≤13.5%
硫分 St,d
≤0.60%
二级品 ≤0.70%，三级品 ≤0.80%
M40 / M10
≥80% / ≤8%
抗碎强度 / 耐磨强度
CRI / CSR
≤25% / ≥65%
反应性 / 反应后强度
焦炭质量分级标准
| 指标 | 一级品 | 二级品 | 三级品 | 对高炉的影响 |
|---|---|---|---|---|
| 灰分 Ad (%) | ≤12.0 | 12.0~13.0 | 13.0~13.5 | 灰分每升高 1%，焦比升高 2~3%，产量降低 2~3% |
| 硫分 St,d (%) | ≤0.60 | 0.60~0.70 | 0.70~0.80 | 硫是钢的有害元素，焦炭硫分每升高 0.1%，高炉炉料硫负荷增大 |
| 挥发分 Vdaf (%) | ≤1.5 | 1.5~1.8 | 1.8~2.0 | 挥发分高说明焦炭未熟，强度低，粉末多 |
| M40 (%) | ≥80 | 76~80 | 72~76 | 抗碎强度，反映焦炭在运输和高炉内抗破碎能力 |
| M10 (%) | ≤8 | 8~10 | 10~12 | 耐磨强度，反映焦炭抗摩擦产生粉末的能力 |
| CRI (%) | ≤25 | 25~30 | 30~35 | 反应性，过高会导致焦炭在高温下过度气化，强度下降 |
| CSR (%) | ≥65 | 60~65 | 55~60 | 反应后强度，反映焦炭在高温还原气氛下的强度保持能力 |
焦炭质量指标趋势
提高焦炭质量的措施
- 优化配煤结构：保证肥煤和焦煤比例适当，控制气煤和瘦煤用量，G 值控制在 75~85。
- 提高装煤密度：采用捣固炼焦或煤调湿技术，提高装炉煤堆密度，改善焦炭强度。
- 控制加热制度：保证立火道温度均匀，结焦末期适当降低温度，减少裂纹生成。
- 采用干熄焦：干熄焦可提高 M40 约 3~5%，降低 M10 约 1~2%，CSR 提高约 5%。
- 控制焦炭粒度：保证 25~80mm 粒级占比 ≥85%，减少粉末和过大块。
常见故障及处理
| 故障现象 | 主要原因 | 处理对策 | 预防措施 |
|---|---|---|---|
| 推焦困难 推焦电流过高 |
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| 炉门冒烟着火 密封失效 |
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| 炭化室炉墙损坏 炉体寿命降低 |
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| 蓄热室堵塞 气流不畅 |
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| 焦炭质量波动 M40/CSR 不达标 |
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| 上升管堵塞 荒煤气排出不畅 |
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干熄焦（CDQ）技术
干熄焦（Coke Dry Quenching，CDQ）是利用惰性气体（主要是 N₂）循环通过红焦层，将焦炭显热回收并产生蒸汽或发电的技术。与湿熄焦相比，干熄焦具有焦炭质量改善、余热回收、环保效益显著等优势，是现代焦化厂的标准配置。
干熄焦工艺流程
干熄焦 vs 湿熄焦对比
| 对比项 | 干熄焦 | 湿熄焦 |
|---|---|---|
| 焦炭 M40 | 提高 3~5% | 基准 |
| 焦炭 M10 | 降低 1~2% | 基准 |
| CSR | 提高 5% 以上 | 基准 |
| 焦炭水分 | ≤0.5% | 4~6% |
| 余热回收 | 80% 以上 | 基本不回收 |
| 吨焦发电 | 100~150 kWh | — |
| 环保 | 无废水废气 | 大量蒸汽、酚水 |
吨焦发电
100~150
kWh/t焦
余热回收率
≥80%
红焦显热回收
节水效果
0.5~1.0
t/t焦，几乎不耗水
CO₂减排
80~100
kg/t焦
环保治理与超低排放
炼焦工序是钢铁企业中污染排放最集中的环节之一，主要污染物包括颗粒物、SO₂、NOₓ、苯并[a]芘、二噁英等。近年来，超低排放改造已成为焦化行业的强制性要求，有组织排放与无组织排放需同步治理。
装煤除尘
装煤过程中产生的烟尘经集气罩收集后，送入地面除尘站净化。
推焦除尘
推焦时产生的烟气经拦焦车集尘罩收集，送入除尘站处理。
焦炉烟气脱硫脱硝
焦炉加热废气经脱硫脱硝一体化装置处理，采用 SDS 干法脱硫 + SCR 脱硝工艺。
无组织排放管控
炉门、炉顶、上升管等部位密封管理，定期清扫，减少无组织逸散。
| 污染物 | 排放标准 | 超低排放要求 | 治理技术 |
|---|---|---|---|
| 颗粒物 | ≤30 mg/m³ | ≤10 mg/m³ | 袋式除尘、电袋复合除尘 |
| SO₂ | ≤50 mg/m³ | ≤30 mg/m³ | SDS 干法脱硫、氨法脱硫 |
| NOₓ | ≤500 mg/m³ | ≤150 mg/m³ | SCR 脱硝、SNCR 脱硝 |
| 苯并[a]芘 | ≤0.3 μg/m³ | ≤0.1 μg/m³ | 活性炭吸附、焚烧 |
| 二噁英 | ≤0.1 ng-TEQ/m³ | ≤0.05 ng-TEQ/m³ | 活性炭吸附 + 袋式除尘 |
炼焦智能化技术
炼焦智能化以"无人化操作、精准化加热、数字化管理"为目标，通过四大车无人驾驶、智能加热控制、数字孪生等技术，提升焦炉操作精度和运行稳定性。
四大车无人操作
装煤车、推焦车、拦焦车、熄焦车实现全自动运行，通过激光定位、编码电缆和无线通讯实现精准对位。
智能加热控制
基于炉温在线检测和反馈控制模型，自动调节煤气流量和烟道吸力，稳定立火道温度。
数字孪生系统
构建焦炉数字孪生模型，模拟温度场、压力场和应力场，优化加热制度和推焦计划。
AI 视觉识别
炉门冒烟识别、火焰状态分析、焦饼推出状态判断
大数据分析
配煤优化、质量预测、设备寿命预测
5G + 工业互联网
四大车远程控制、设备状态实时监控
智能配煤系统
根据煤质和焦炭质量目标，自动优化配煤方案