1、錢湛芬 主編冶金工業出版社劉洪波劉洪波 教授教授第三章第三章 原料的煅燒原料的煅燒3.1 煅燒原理煅燒原理煅燒：煅燒：炭素原料在隔絕空氣的條件下進行高溫（12001500）熱處理的過程稱為煅燒。煅燒是炭素生產的預處理工序，炭素原料的元素組成和組織結構在此過程中都會發生顯著變化。一般來說，煅后料比較硬、脆，便于破碎、磨粉和篩分。3.1.1 煅燒的目的煅燒的目的煅燒的目的排除水分，排除水分，原料含水過多不便于破碎、磨粉和篩分。排除揮發分，排除揮發分，過高的揮發分，將導致生制品在焙燒過程中收縮過大。通常，在同樣溫度下，煅后料的真密度愈高，則愈容易石墨化。提高原料導電性，提高原料導電性，煅燒過程中揮發

2、分逸出和分子結構重排，使原料導電性提高。提高原料化學穩定性和熱穩定性，提高原料化學穩定性和熱穩定性，煅燒后原料中所含雜質排除，原料化學活性降低。同時，煅燒時在原料顆粒表面和孔壁形成的熱解碳膜化學性能穩定，煅后料的抗氧化性能提升。3.1.2 煅燒前后焦炭結構及物理化學性能的變化煅燒前后焦炭結構及物理化學性能的變化3.1.2.1 煅燒前后焦炭結構的變化煅燒前后焦炭結構的變化未煅燒石油焦微晶的層面堆積厚度Lc和層面直徑La只有幾個納米，它們隨煅燒溫度的升髙不斷變化。石油焦的Lc，La隨煅燒溫度的變化(a),(c)熱裂焦；(b),(d)熱解焦煅燒無煙煤時排出氣體總量及其組成左圖為煅燒無煙煤時排出氣體總

3、量及其組成。由圖可見，在700 750間氣體的排出量最大，各種炭素原料在煅燒過程中，先后進行了熱分解和熱縮聚以及碳結構的重排，如下圖所示。隨著縮合反應的進行，發生了晶粒互相接近，導致原料因收縮而致密化，直到揮發分排盡才結束。炭素材料在不同煅燒溫度下分子平面網格的變化(a)400；(b)700；(c)1300加熱制度焦種Lc，10-6mLa，10-6m層間距d002，10-6m5/h，加熱至1000并在1000保溫1h熱裂焦51203.46熱解焦51203.495/h，加熱至700并在700保溫1h，連續升溫至1000并保溫1h熱裂焦32183.54熱解焦35193.53加熱制度對石油焦微晶尺寸

4、的影響煅燒過程中，加熱制度對煅燒料的晶體尺寸也有影晌。如下表所示，當加熱到700保溫lh后，再升溫到1000，將使煅后焦的晶粒變小。表明在700附近，焦炭層而結構正經歷斷裂和重排。由于斷裂，產生大量自由基，在此溫度區間內保溫，促使焦炭中交叉鍵增多，抑制了焦炭層而間的有序排列。指標名稱石油焦石油焦石油焦石油焦石油焦瀝青焦無煙煤無煙煤灰分，%煅前0.110.150.20.170.140.386.475.06煅后0.350.410.350.540.210.4410.049.11真密度，g/cm3煅前1.611.461.421.371.361.98煅后2.092.092.082.052.082.061

5、.771.85體積密度，g/cm3煅前0.90.820.930.990.940.81.351.35煅后0.970.991.111.131.150.81.611.59機械強度，MPa煅前3.633.002.246.028.721.1413.00煅后5.134.085.727.637.9416.83.19硫分，%煅前0.510.400.171.090.380.270.730.41煅后0.580.570.191.260.420.250.840.73揮發物，%煅前2.233.235.7911.7114.950.557.436.31水分，%煅前0.951.970.280.346.50.060.490.3

6、3煅后體積收縮，%13.014.621.528.525.51.2525.523.9煅后粉料電阻率511493487480523791107410223.1.2.2 煅燒前后焦炭物理化學性質的變化煅燒前后焦炭物理化學性質的變化我國各種原料煅燒前后的理化指標在煅燒過程中，焦炭的物理化學性質將發生明顯的變化。熱裂石油焦性質隨煅燒溫度的變化1揮發分排出量；2電阻率；3相對收縮；4真密度煅燒后焦炭氫含量發生變化，其中在10001300溫度范圍內，焦炭的氫含量幾乎減少了90%。對大部分炭素原料來說，氫含量降低到0.05%的溫度為最佳煅燒溫度。熱裂焦的真密度、氫含量與煅燒溫度的關系煅燒溫度，真密度，g/cm

7、3含氫量，%10001.9560.33211002.0370.188煅燒溫度，真密度，g/cm3含氫量，%12002.0960.08513002.1360.031煅燒后焦炭含硫量降低。由于高溫可促進焦炭結構重排，使CS的化學鍵斷裂，因此，高溫煅燒是焦炭實現脫硫的最現實而有效的方法。石油焦含硫量與煅燒溫度的關系1韃靼原油殘渣有焦炭；2韃靼石油裂化焦炭；3高爾基廠焦油熱解焦炭；4戈洛茨涅斯基原油裂化焦炭煅燒后焦炭體積收縮，氣孔結構發生變化。煅燒時焦炭的體積收縮是揮發分排出所發生的毛細管張力以及結構和化學變化，使焦炭物質致密化而引起的。石油焦和瀝青焦煅燒時的收縮1瀝青焦；2石油焦左圖中，第一拐點相應

8、于焦炭生成時的溫度，顯示在該溫度下焦炭是受熱膨脹的,第二個拐點相應于焦炭的最大收縮期。它們收縮量的絕對值視焦炭品種和橫向交聯發展程度而定。對于氣孔結構來說，在7001200之間氣孔的總體積大幅度增長，它與700時氣體的大量析出有關。由于氣體的析出產生了開口氣孔。當溫度提高到1200以上時，氣孔的體積由于焦炭收縮而減小，大部分轉變為連通的開口氣孔。煅燒后焦炭導電性提高。焦炭導電性的變化與其結構變化相關，它取決于共軛鍵的形成程度。煤和焦炭的導電性是碳原子網格中共軛鍵體系的離域電子的傳導性的反映，它隨六角網格層面的增大而增大。石油焦的電阻率（室溫下測定）與熱處理溫度的關系在煅燒過程中，焦炭的電阻率隨

9、煅燒溫度提高而直線下降，直到1200后轉為平緩。3.1.3 煅燒溫度與煅燒質量指標煅燒溫度與煅燒質量指標3.1.3.1 煅燒溫度對焦炭性能的影響煅燒溫度對焦炭性能的影響煅燒溫度對制品焙燒和石墨化時的收縮率有影響，對煅后焦的性能有十分重要的作用。一般情況下，煅燒溫度應高于焙燒溫度。煅燒溫度過低，炭素原料得不到充分收縮，其熱解和縮聚反應不夠，使在焙燒和石墨化時收縮率大，引起制品的變形或開裂，影響產品的成品率；煅燒溫度過高，則生制品在焙燒和石墨化時收縮率小，其收縮僅靠粘結劑提供，將使制品結構疏松，制品的體積密度和機械強度低。煅燒溫度對焙燒、石墨化制品的影響3.1.3.2 煅燒溫度對焦炭性能的影響煅燒

10、溫度對焦炭性能的影響煅燒溫度的確定要視生焦的品種及產品的用途而定。真密度可以直接反映原料的煅燒程度。真密度不合格者，需回爐重新鍛燒。根據真密度可以確定鍛燒程度。炭素原料的煅燒溫度一般為12501350。3.1.3.3 各種原料煅燒的質量指標各種原料煅燒的質量指標 原料的煅燒質量一般用粉末電阻率和真密度兩項指標來控制。原料鍛燒程度愈高，煅后料的粉末電阻率愈低，真密度愈大。原料煅燒質量控制指標原料種類粉末電阻率，m10-6不大于真實密度，g/cm3 不小于水分，% 不大于石油焦6002.040.3瀝青焦6502.000.3冶金焦9001.900.3無煙煤13001.740.33.2 煅燒工藝和設備

11、煅燒工藝和設備焦炭煅燒工藝視所用鍛燒設備不同而異，煅燒設備的不同也彩響到鍛后焦的質置。煅燒設備的選型要按照工廠的產品品種、年產量、原料質量、能源供應等情況綜合決定。目前國內外通用的煅燒爐為：(1)罐式煅燒爐；(2)回轉爐；(3)電煅燒爐。3.2.1 罐式煅燒爐罐式煅燒爐罐式爐是將炭素原料放在煅燒罐內，耐火磚火墻傳出的熱量以輻射方式來間接加熱炭素原料的爐子。常用罐式煅燒爐順流式罐式煅燒爐，順流式罐式煅燒爐，煅燒物料運動的方向與熱氣體運動總的流向一致的罐式煅燒爐。逆流式罐式煅燒爐，逆流式罐式煅燒爐，煅燒物料流向與火道內熱氣流運動總方向相反的罐式爐。3.2.1.1 順流式罐式煅燒爐的結構和工藝順流式

12、罐式煅燒爐的結構和工藝主要組成部分爐體，包括罐式爐的爐膛和加熱火道；加料、排料和冷卻裝置；煤氣管道，揮發分集合道和控制閥門；空氣預熱室、煙道、排煙機和煙囪；煅燒工藝流程示意圖1一火車箱；2原料槽；3抓斗天車；4顎式破碎機；5帶格配料斗；6皮帶給料機；7齒式對輥破碎機；8提升機； 9計暈秤；10運料皮帶；11一漏斗；12加料裝置；13罐式煅燒爐；14冷卻水套；15排料機構；16排料小車；17煅后料斗； 18煅前貯料斗；19返枓貯槽；20煙道順流式罐式煅燒爐爐體結構1煤氣管道；2煤氣噴口； 3火道； 4觀察口；5冷卻水套；6煅燒罐；7一蓄熱室；8頂熱空氣道。由上圖所示，罐式煅燒爐的爐體是由若干個用

13、耐火磚砌成的相同結構及垂直配置的煅燒罐所組成。根據產量的要求，每臺煅燒爐可配置37組，大多數罐式爐由6個組組成，共有24個煅燒罐。在每個煅燒罐兩側設有加熱火道58層，目前多數為6層。6個組罐式爐的基本尺寸尺寸名稱參數爐體尺寸（長寬高）1576096009990mm蓄熱室尺寸（長寬高）12409704390mm煅燒罐尺寸（長寬高m火道尺寸（長寬高）4013215479mm火道層數6相鄰兩蓄熱室中心距離1200mm相鄰兩煅燒罐縱向中心距離（組與組）1330mm（組與組）1070mm相鄰兩煅燒罐橫向中心距離2075mm煅燒罐兩側火道中心距離740mm支承底板表面標高5300

14、mm罐式爐兩側火道的最髙溫度可以達到13001350：火道加熱燃料原料燃燒排出的揮發分外加煤氣進入首層火道燃燒預熱空氣經各層火道后進入蓄熱室與煤氣和揮發分混合燃燒原料通過爐頂的加料機構間斷地或連續地加入罐內，接受罐兩側火道間接加熱。經預熱帶排出水汽及一部分揮發分 經煅燒帶繼續排出揮發分，同時產生體積收縮，密度、強度不斷提高 經煅燒罐底部落入帶有冷卻水套的冷卻桶 經密封的排料機構定期或連續排出。原料在煅燒罐內停留時間計算式：QhbaZZ停留時間，h；a煅燒罐的長度，m；b煅燒罐的厚度，m；h煅燒罐的高度，m；原料平均堆積密度，kg/m3；Q每罐每小時排料量，kg/h。為了保證煅燒物料的揮發分在煅

15、燒過程中能夠均勻地逸出，避免原料在煅燒罐內結焦，對于含揮發分高于12%的石油焦，要加入低揮發分的原料混合煅燒。用加料和排料來控制煅燒質量，這是在煅燒生產中常采用的一種方法。在溫度正常的情況下，加料和排料需按時、適量，以保證火道內總有一定的揮發分在燃燒。提高罐式煅燒爐提高罐式煅燒爐產量和質量產量和質量的關鍵，是適當提高爐溫或延長煅燒帶的關鍵，是適當提高爐溫或延長煅燒帶。影響煅燒爐火道溫度的主要因素燃料燃燒，燃料燃燒，原料在煅燒時所產生的揮發分是熱源的主要部 分。揮發分不足，用煤氣進行補充，以免溫度下降而影響鍛燒質量；揮發分過多，則關閉煤氣閥門，以防火道溫度過高，燒壞爐體。空氣空氣量，量，經預熱的

16、空氣進入量的大小也是保證煅燒爐火道溫度恒定和煅燒質量的一個重要環節。負壓負壓，負壓過大，火道內空氣流童大，熱損失大；負壓過小，則揮發分難以抽出，預熱空氣將供給不足，燃燒不完全。6層火道的罐式煅燒爐的主要工藝操作條件首層火道溫度，12501350二層火道溫度，12501350六層火道溫度，不大于1250排煙機前廢氣溫度，400500首層或大幅壓，Pa9.814.7六層火道負壓，Pa78.498原料在罐內停留時間，h3436炭質燒損，%25排料量，kg/罐h 少灰混合焦6575 無煙煤7080煅燒后少灰混合焦質量指標真實密度，g/cm3,不小于2.04電阻率，m10-6,不大于650煅燒爐的密封和

17、煅后料的冷卻對提高煅燒質量也很重要。煅燒爐密封性能差，則煅燒原料燒損嚴重，火道溫度降低甚至燒壞爐體；排料裝置密封性差會導致煅后料大量被氧化，也會把排料設備燒壞；煅后料的冷卻裝置的冷卻效果要好，才能使煅后料迅速冷卻。3.2.1.2 逆流式罐式煅燒爐的結構和工藝逆流式罐式煅燒爐的結構和工藝逆流式罐式爐的爐體是由煅燒罐、火道和揮發分道等組成，每四個罐為一組，毎座爐可根據產量配置67組逆流式罐式煅燒爐 (八層火道，逆流加熱、無蓄熱室1一加料貯斗；2螺旋給料機；3煅燒罐； 4加熱火道； 5煙道；6揮發分道；7煤氣管道；8冷卻水套； 9排料機； 10振動輸運機逆流式罐式爐在結構上與順流式罐式爐的區別(1)

18、煅燒罐帶有適當錐度，截面自上而下逐漸擴大，原料在下移的過程中產生相對位移而松動，利于避免結焦和堵塞爐子。(2)水平火道增加到八層，加長了煅燒帶，增加了原料在罐內的煅燒時間，可提高揮發分利用率而達到高產優質的目的。(3)煅燒罐揮發分出口高于煅燒料面，并且加大了揮發分出口和分道的截面，有利于揮發分順利排出。(4)取消了蓄熱室，用加熱火道所傳遞的熱量和煅后料的余熱加熱爐底空氣預熱道，簡化了爐體結構，并利用了余熱。逆流式罐式爐在生產工藝上與順流式罐式爐的不同(1)低料面操作，揮發分出口暢逋無阻,可避免結焦堵爐。(2)煅燒料料面髙低由自動探料裝置控制，煅燒料面始終保持在一定高度范圍內，可防止結焦。(3)

19、進行高揮發分原料煅燒時，須保持一定負壓，使揮發分均勻排出和充分燃燒。(4)煅燒混合焦時，瀝青焦應破碎到20mm以下,并在預碎時要求配比準確，混合均勻，以避免結焦現象。3.2.1.3 罐式爐的優缺點罐式爐的優缺點優點優點熱利用率較熱利用率較高，高，可以利用原料煅燒時排出的揮發分。煅后料強度高，且耐火磚磨損小，煅后料強度高，且耐火磚磨損小，煅燒料緩慢地通過爐膛，揮發分在焦炭表面熱解，形成熱解炭膜，提高了焦炭強度；同時，燃燒料移動緩慢，耐火磚磨損較小。氧化燒蝕小，氧化燒蝕小，罐式爐煅燒罐是密閉的，在非排料情況下很少有空氣進入，故煅燒料的氧化燒損比較小，一般在2%5%。煅燒質量均勻，煅燒質量均勻，煅燒

20、料在罐內的停留時間可以隨時控制，煅燒質量均勻。缺點：缺點：這種爐型箱要較多的異形硅磚和耐火粘土磚，基建投資較大，施工時間長；熱煙氣不易自動調節平衡，造成溫度高的火道溫度愈來愈離，而溫度低的火道溫度長期偏低。3.2.1.4 罐式爐的烘爐罐式爐的烘爐烘爐烘爐是將砌筑好的爐體由低溫狀態加熱到高溫狀態的過程。罐式爐是復雜的磚砌體，烘爐時為保證爐體完整和密封，必須制定出合理的烘爐曲線和操作制度。罐式爐爐體的主要砌筑材料是硅磚，所以烘爐曲線的制定與硅磚的性質以及它在不同溫度下的膨脹特性密切相關。既要考慮硅磚受熱后的體積膨脹，也要保證爐體各部位溫度均勻性。硅磚是由石英(SiO2)含量很高的硅石制成。SiO2

21、能以多種晶體形態存在，且只要達到晶體轉化溫度，不同晶體形態的SiO2就會發生晶型轉變，表現為硅磚體積的急劇變化。SiO2晶型體積隨溫度變化曲線1石英；2鱗石英；3方石英烘爐烘爐升溫升溫干燥期，干燥期，排出砌體的水分（主要是灰漿中的水分），水分排出太快會影響灰縫的嚴密性， 一般低溫干燥需36天。升溫期，升溫期，使爐體逐漸升高到正常生產的高溫(1300左右)。關鍵是控制爐體的膨脹量。全爐每天最大膨脹量不應大于 0.03%0.05%。罐式爐烘爐溫度制度溫度范圍，升溫制度，/h保溫時間501351135保溫3天1352351235保溫3天23533513354751.54755751575保溫3天57

22、560016007351.97358852.0885保溫3天88513004.6烘爐燃料固體燃料，如焦炭、煤、木材；液體燃料，如重油、柴油；氣體燃料，如煤氣（罐式爐多采用氣體燃料）。3.2.1 回轉窯回轉窯罐式爐的煅燒物料是間接受熱的，而回轉窯中煅燒物料是受火焰直接加熱。目前世界上大約有85%的煅后焦是用回轉窯生產的。3.2.2.1 回轉窯的結構回轉窯的結構烘爐燃料煅燒窯（大窯），由窯頭、筒體和窯尾三部分組成冷卻窯（小窯）筒體筒體 由厚鋼板卷成圓筒并焊接或鉚接而成，內襯耐火磚。筒體借助輪緣安放 在托輥上。輪緣是安裝在筒體外殼上的鑄鋼環。窯體轉動時借助于輪緣 在托輥上回轉。為了防止筒體從托輥上滑

23、下，在每個輪緣的兩側還要安 裝擋輥。筒體的傳動裝置是由一組齒輪構成的。電動機經減速機帶動齒 輪，使筒體轉動。回轉窯的爐體結構1筒體；2爐托；3托輥；4輪緣；5大齒輪；6傳動齒輪；7窯頭；8排料口；9冷卻圓筒；10窯尾；11燃料噴口窯頭窯頭 排出煅燒料及噴入燃料的一端稱為窯頭。窯頭有固定式和可移動式兩種。 煅燒好的物料從窯頭底部的下料孔落入冷卻窯。在窯頭和筒體結合部位 裝有密封圈，以防止外部空氣進入窯內窯尾窯尾 加入原料及排出廢氣的一端稱為窯尾。通過電磁振動給料機從窯尾上方 連續加料。窯尾與煙囪的煙道相通。窯尾下部還與沉灰室相連。在窯尾 與筒體的結合部位也裝有密封圈。冷卻窯冷卻窯 冷卻窯是一個鋼

24、制圓筒，其傾斜方向與大窯傾斜方向相反。它的支撐 裝置及傳動裝置與筒體相似。在冷卻窯外部設有淋水裝置，以冷卻煅 后料，在冷卻圓筒內還裝有一定量的提料板。排料端安裝有密封裝置。變徑窯，變徑窯，全長分為直徑略有不同的兩段的回轉窯，專用于煅燒延遲焦。回轉窯的規格與生產能力窯體內徑，m窯體長度，m生產能力，t/h1.4242.03.51.5272.52.1363.5變徑 1.3/1.52814變徑 1.6/1.7362.53.5變徑 3.05/2.44 575.03.2.2.2 回轉窯的生產工藝回轉窯的生產工藝回轉窯生產工藝流程圖1 一生焦破碎機；2皮帶運輸機；3生焦倉：4一沉降室5回轉窯；6冷卻簡；7

25、旋風式氣體冷卻器；8裙式運輸機；9斗式提升機；10煆后焦倉；11旋風粉倉；12布袋除塵器； 13燃燒室；14一余熱鍋爐；15旋風分離器； 16煙囪；17風機回轉窯主要工藝參數裝料容量裝料容量 筒體內的裝料體積決定于筒體工作段的尺寸，其填充率大致波動在6%15%范圍內。筒體內徑愈大，填充率愈小。我國現有回轉窯的填充率只有3.4%6%。物料在窯內的移動速度和停留時間物料在窯內的移動速度和停留時間 如果物料在窯內停留時間過短，那么物料得不到充分的熱處理，煅燒質量變差；如果物料在窯內停留時間過長，將使燒損增加，鍛后料灰分增加，產量降低。窯內傳熱與溫度窯內傳熱與溫度 在回轉窯內的物料，隨窯體不斷旋轉，由

26、窯尾向窯頭緩慢運動，在運動過程中受到火焰高溫而被煅燒。煅燒窯溫度區間（帶）物料干燦和預熱帶物料干燦和預熱帶，該帶位于從窯尾開始的一段較長區域內。物料在此帶脫水并排出揮發分。鍛燒帶，鍛燒帶，它的起點位于距煤氣噴嘴2m左右的地方。該帶溫度最高達1300,物料在此被加熱到1200左右。煅燒帶的長度取決于燃料燃燒火焰的長度。冷卻帶，冷卻帶，它位于窯頭端,這一帶長度為1.52m,具 體長度要根據噴嘴安裝位置而定。穩定煅燒帶的髙溫是提高回轉窯的產量和質量的關鍵，所以，在回轉窯煅燒工藝中，必須嚴加控制影響煅燒溫度的主要因索。1 1）煅燒帶）煅燒帶的長度和位置的長度和位置，它與物料的燒損有關，也與保護窯頭和煅

27、燒的最高溫度有關。煅燒帶應處在保證窯頭不被燒損的最近距離。若鍛燒帶過長將出現空氣量不足，使揮發分不能充分燃燒同時未完全燃燒的揮發分可能在窯尾處與隨物料帶入的空氣一起燃燒，而使窯尾煙氣溫度急劇升高。2)2)燃料量和空氣燃料量和空氣量量的合理的合理配比配比是保證回轉窯煅燒溫度的關鍵。是保證回轉窯煅燒溫度的關鍵。一般來講，燃料完全燃燒所需要的實際空氣需要量量要比理論空氣需要量大，用空氣系數表示：aamVV0m空氣系數；Va實際空氣供給量，m3；V0a理論空氣需要量，m3。空氣系數合適，窯內溫度較高，火焰呈深藍色；空氣系數過大，空氣量過多，廢氣帶走熱量，使窯內溫度降低，火焰呈淺藍色；空氣系數過小，燃料

28、燃燒不完全，窯內溫度低，火焰呈褐色。空氣系數以1.051.10為宜。3）給料量給料量均勻、穩定和連續才能保證煅燒質均勻、穩定和連續才能保證煅燒質 給料少，且不均勻，會使物料燒損大而降低實收率；如果給料量過多，物料煅燒不透，影響煅燒質量。4 4）窯內負壓）窯內負壓 回轉窯正常生產時，畝內始終保持負壓，負壓過大或過小對窯內溫度控制和煅燒質量不利。3.2.2.3 回轉窯的優缺點回轉窯的優缺點優點優點結構簡單，材料單一，造價低，修建速度快；生產能力大原料更換方便，對原料適應性強；便于實現機械化和自動化；燃料消耗少；使用壽命長，一般可用2030年。缺點：缺點： (1)物料氧化燒損大，從而灰分增加,(2)窯體旋轉，煅燒物料在窯內轉 動，造成內襯耐火材料的磨損和脫落，使煅燒料灰分增加和檢修頻繁。3.2.2.4 回轉窯的優缺點回轉窯的優缺點提高提高產量產量和改進和改進質量的途徑：質量的途徑：1)提高回轉窯提高回轉窯的生產能力的生產能力 國際上趨向于集中煅燒石油焦，采用大型回轉窯。2)降低回轉窯炭質燒損降低回轉窯炭質燒損 。降低回轉窯炭質燒損降低回轉窯炭質燒損的措施：的措施：1)窯頭嚴格密封，由迷宮式改為重錘填料密封或重錘端面密封；2)嚴格控制風量，以減少物料在冷