煤化工工艺教案

化工专业备课教案

授课

班级

化工专业15年级1班授课时间

课题炼焦的基本知识授课安排4课时课型理论教具多媒体授课教师张君

教育教学目标知识目标

1、炼焦的基本知识

2、焦炭的生成。

能力目标能够熟知焦炭的基本性质

情感目标培养学生敢于探索知识的能力

教材分析重点焦炭的用途、焦炭的基本性质等内容难点焦炭的生成过程等内容

关键熟知焦炭的化学产品的产生

教法

学法

教师讲授为主，适量的练习。

教学环节及内容安排教法与学法第一、二课时

第一、组织教学

1、清点学生人数，安定课堂秩序。

2、严禁学生接打电话、玩手机；

第二、讲授新课——新课程教学要求

一、教学内容

1、焦炭及用途

2、焦炭的基本性质

3、焦炭的生成过程

4、化学产品的产生

二、上课要求

1、不能迟到、旷到

2、不能睡觉

3、动手做图

三、考核方式

考勤+作业+期中+期末

四、讲授新课——焦炭的产生

任务引入

烟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、收缩等阶段最终制成焦炭，这一过程叫高温炼焦（高温干馏）。由高温炼焦得到的焦炭用于高炉冶炼、铸造和气化。炼焦过程中产生

的经回收、净化后的焦炉煤气既是高热值的燃料，又是重要的有机合成工业

原料。班长汇报出勤情况

学生配合见PPT

一、什么是焦炭？

由烟煤、石油、沥青或者其他液体碳氢化合物为原料，在隔绝空气的

条件下干馏得到的固体产物都可称之为广义的焦炭。

二、焦炭及用途

焦炭主要用于高炉炼铁和用于铜、铅、锌、钛、锑、汞等有色金属的鼓风

炉冶炼，在高炉冶炼过程中有供热、还原、料柱骨架和供碳四种作用。

（1）供热。

高炉冶炼所需要的热量是由焦炭和喷吹燃料的燃烧及热风提供的，其中焦炭燃烧提供的热量占75％～80％。焦炭灰分低，并在下降至风口前

仍然保持一定的块度，是保证燃烧状态良好的重要条件。

（2）还原剂。

高炉中矿石的还原是通过间接还原和直接还原完成的。间接还原反应约从400℃开始。间接还原是上升的炉气中的CO还原矿石，使氧化铁逐步从高价铁还原成低价铁一直到金属铁，同时产生CO2:

3Fe2O3+CO→2Fe3O4+CO2

Fe3O4+CO→3FeO+CO2

FeO+CO→Fe+CO2

直接还原是在高炉中约850℃以上的区域开始。由于高温时生成的

CO2立即与焦炭中的碳反应生成CO，从全过程看可以认为是焦炭中的碳

直接参与还原过程：

FeO+CO→Fe+CO2

CO2+C→2CO

FeO+CO→Fe+CO2

不论间接还原或直接还原，都是以CO为还原剂。为了不断补充CO，要求焦炭有一定的反应性。

（3）料柱骨架。

高炉炉料中以焦炭堆积密度为最小，焦炭体积占炉料总体积的

35％～50％。焦炭比较坚固，且在风口区以上始终保持块状，因此它是高炉料柱中的骨架，起疏松料柱、保证料柱有良好透气性的作用，是炉况顺行的重要因素。

（4）供碳。

生铁中的碳全部来源于高炉焦，进入生铁的碳约占焦炭含碳量的

7％～9％。焦炭中的碳从高炉软融带开始渗入生铁；在滴落带，滴落的液态铁与焦炭接触时，碳进一步渗入生铁，最后可使生铁的碳含量达到4％左右。见PPT 板书

教师讲解见PPT 板书

教师讲解

高炉焦:高炉焦是专门用于高炉炼铁的焦炭。高炉焦在高炉中的作用

主要有以下几个方面：

(1)作为燃料，提供矿石还原、熔化所需的热量。对于一般情况下的高

炉，每炼lt生铁需焦炭500Kg左右，焦炭几乎供给高炉所需的全部热能。当风口喷吹燃料并鼓入氧气的情况下，焦炭供给的热能也约占全部热能的700%～80%。焦炭燃烧所提供的热量是在风口区产生的，焦炭灰分低、

进入风口区仍保持一定块度是保证燃烧情况良好所必需的条件。

(2)作为还原剂，提供矿石还原所需的还原气体CO。高炉中矿石还原是通过间接和直接还原完成的。间接还原是上升的炉气中的CO还原矿石，使氧化铁逐步从高价铁还原成低价铁，一直到金属铁，同时产生CO2：

间接还原反应约从400℃开始，直接还原在高炉中约850℃以上的区域开始。由于高温时生成的CO2又立即与焦炭中的碳反应生成CO，所以从全过程看，可以认为是焦炭中的碳直接参与还原过程：

不论间接或直接还原，都是以CO为还原剂，为了不断补充CO，需要焦炭有一定的反应性。

(3)对高炉炉料起支撑作用并提供一个炉气通过的透气层。焦炭比较坚固，且在风口区以上始终保持块状，因此它是高炉炉料的骨架。焦炭在高炉中比其他炉料的堆密度小，具有很大空隙度，因为焦炭体积占炉料总体

积的。35%～50%左右，所以起到疏松作用，使高炉中气体流动阻力小，

气流均匀，成为高炉顺行的必要条件，高炉焦要求一定块度组成和强度指数，就是为了在高炉中有良好的透气性。

(4)供碳作用，生铁中的碳全部来源于高炉焦炭，进入生铁中的碳约占焦炭中含碳量的7%～10%。焦炭中的碳从高炉软融带开始渗入生铁；在

滴落带，滴落的液态铁与焦炭接触时，碳进一步渗入铁内，最后可使生铁的碳含量达到4%左右。见PPT 板书

教师讲解

教学内容和过程教法与学法铸造焦:铸造焦是化铁炉熔铁的主要燃料。其作用是熔化炉料并使铁

水过热，支撑料柱保持其良好的透气性。因此，铸造焦应具备块度大、反

应性低、气孔率小、具有足够的抗冲击破碎强度、灰分和硫分低等特点。

气化焦:是专用于生产煤气的焦炭，也就是质量要求没有冶金焦高的焦

碳。主要用于固态排渣的固体床煤气发生炉内，作为气化原料，生产以

CO和H2为可燃成分的煤气。气化焦要求灰份低、熔点高、块度适当和

均匀。其一般要求如下：固定碳大于80%；灰份小于15%；灰熔点大于1250℃；挥发份小于3%；粒度15-35%和大于35mm两级。气化过程的主要反应有：

C+O2→CO2+408177KJ

CO2+C→2CO-162142KJ

C+H2O→CO+H2-118628KJ

C+2H2O→CO2+2H2-755115DJ

因为产生CO和H2的过程均是吸热反应，需要的热量由焦炭的氧化、

燃烧提供，因此气化焦也是气化工程的热源。

电石焦:是在生产电石的电弧炉中作导电体和发热用的焦炭。电石焦

具有灰份低、反应性高、电阻率大和粒度适中等特性，其化学成分和粒度一般应符合如下要求:固定碳大于84%，灰份小于14%，挥发份小于2%，硫份小于1。5%，磷分小于0.04%，水分小于 1.0%，粒度根据生产电石

的电弧炉容量而定。

电石焦是焦炭的一种，焦炭是炼焦煤经过高温干馏，脱除了挥发份

以后的可燃固体，是质地坚硬、多孔、有裂纹、呈银灰色的块状碳质材料。生产方法和用途不同，焦炭的品种和质量也有所不同，按用途可分为冶金焦、铸造焦、化工焦、铁合金焦等。

电石用焦加入电弧炉中，在电弧热和电阻热的高温(1800-2200℃)作用下，和石灰石发生复杂的发应，生成熔融状态的碳化钙，也就是电石。电

石焦在加工电石过程中，是需要脱水干燥，然后经过粉碎加工，最后经过特定条件和石灰石发生反应生成碳化钙，在这个工艺中，石灰石和电石焦都是必须经过事先加工才能够应用，通过磨粉机等设备进行粉磨，才能让其充分接触反应。见PPT

板书

教师讲解

一、焦炭的基本概念?

1、焦炭的定义

?焦炭是一种质地坚硬、多孔、呈银灰色，并有不同粗细裂纹的碳质

固体块状材料，其真密度约1．80～1．95，堆积密度约400～520kg／m3，由C、H、0、N、S、P等元素组成，在高炉炼铁中起还原剂、发热剂和

料柱骨架的作用。

第二章焦炭的基础知识

? 2、焦炭的指标? 2.1 硫份（St，d）

?硫是生铁冶炼的有害杂质之一，它使生铁质量降低。由高炉炉料带

入炉内的硫有 11% 来自矿石，3.5% 来自石灰石，82.5% 来自焦炭，所以焦炭是炉料中硫的主要来源。焦炭硫份的高低直接影响到高炉炼铁生产。

当焦炭硫份大于 1.6% ，硫份每增加 0.1% ，焦炭使用量增加 1.8%，石灰石加入量增加 3.7%, 矿石加入量增加 0.3% 高炉产量降低 1.5～2.0%. 冶金焦的含硫量规定不大于 1% ，大中型高炉使用的冶金焦含硫量小于 0.4～0.7% ，我厂要求焦炭硫份控制在0.8%以内。? 2.2 磷份（P）

?焦炭中的磷份在炼铁中大部分转入铁中，生铁含磷使其冷脆性变大，用于转炉炼钢时，因采用酸性熔渣，磷难以除掉，生铁含磷应低于0.01～0.015%，用于平炉炼钢时，因系碱性熔渣，磷可做燃料烧掉，煤炼焦时

磷全部转入焦炭，若要求低磷焦炭，必须控制焦炭含磷，我厂对磷不做要求。

灰份（Ad）

?焦炭燃烧后的残余物为灰份，主要成分是二氧化硅、三氧化二铝等

酸性氧化物，在炼焦过程中全部转入焦炭。灰份含量增高，在高炉冶炼过程中，为造渣所消耗的石灰石和热量将增加，高炉利用系数降低，焦比增加。焦炭灰份增加1%，焦炭用量增加2～2.5% 因此，焦炭灰份的降低是十分必要的。? 2.4 挥发份（Vdaf）

?将焦炭加热到850℃以上，即从焦炭中析出挥发物，剩余部分为固

定碳和灰份。根据焦炭的挥发份含量可判断焦炭成熟度。如挥发份大

于 1.9% ，则表示焦炭成熟不好，焦炭耐磨性差，使高炉透气性差，可能

引起挂料，增加吹损，破坏高炉操作制度等恶果见PPT 板书

教师讲解

挥发份小于 0.5～0.7%, 则表示过火，过火焦易碎，容易落入熔渣中，

造成排渣困难、风口烧坏等现象，一般成熟的冶金焦挥发份为 1% 左右。水份（Mt）焦炭在102～105℃烘箱中干燥到横重后损失量即为水份。

水份波动会使焦炭计量不准，从而引起炉况波动。此外，焦炭水份提高会使 M２５偏低， M10 偏高，给转鼓指标带来误差。

焦炭的物理机械性质? 3.1 筛分组成

?为使高炉透气性好，焦炭块度要求均匀。焦炉生产的焦炭通常分为

＞40mm焦炭，25～40mm的冶金焦，10～25mm的小块焦和＜10mm的粉焦四级，全焦中冶金然产率通常为93%左右，小块焦为2～3%，粉焦为4～5%。为鉴定焦炭块度的均匀性，可用筛孔为110×110、80×80、60×60、40×40、25×25和10×10mm的一套筛子进行筛分试验，冶金

焦块度的均匀性可用下式表示：?

(40～80) ? K= (＞80)+(25～40)

?式中(40～80)、(＞80)、(25～40)为该等级焦炭占冶金焦的重量百分比，K值越大，焦炭块度均匀性越好。高炉最适宜的焦炭粒级，应视高炉

溶剂、原料情况而定。我国过去对焦炭粒度要求为：对大型高炉（ 1300～2000 立方米）焦炭粒度大于 40mm；中、小高炉焦炭粒度大于 25mm。但目前一些钢厂的试验表明，焦炭粒度在 40～25mm为好。焦炭块度均匀，空隙大，阻力小，高炉炉况运行良好。

焦炭生产工艺流程：

在上一章我们已经了解，原煤经过洗选后即可以作为洗精煤炼焦，但仍

需要做一定的工艺处理，才能达到炼焦要求，通常把原料煤在炼焦前进行的工艺处理过程称为备煤工艺过程。这个过程是在备煤作业区（原称备煤车间）来进行完成的。原料煤主要经过配合、粉碎、调湿、除杂等一系列

过程使之达到炼焦要求之后，通过皮带被输送到煤塔供炼焦作业区使用。

煤的热解过程：配合好的洗精煤进入焦炉，就开始了所谓的炼焦过程。

炼焦过程简单的说：就是配合煤的高温干馏。即把炼焦配煤在常温下装入炭化室后，煤在隔绝空气的条件下受到来自炉墙和炉底(1000℃～1100℃ )的热流加热。煤料即从炭化室墙到炭化室中心方向，一层一层地经过于燥、预热、分解、产生胶质体、胶质体固化、半焦收缩和半焦转变为焦炭的过程。见PPT 板书

教师讲解

煤的热解过程大体可分力以下几个阶段：

1、干燥和预热：200℃以前是煤的干操和预热阶段，同时析出吸附在煤上的二氧化碳、甲烷等气体。

? 2、开始分解：200～350℃煤开始分解。由于侧链的断裂和分解，产生气体和液体，350℃前主要分解出化合水、二氧化碳、一氧化碳、甲烷

等气体，焦油蒸出量很少。

? 3、生成胶质体：350～450℃时由于侧链的断裂生成大且的液体、高沸点焦油蒸汽和固体微粒，并形成一个多分散相的胶体系统：即胶质体，

凡是能生成胶质体的煤都有粘结性。

? 4、胶质体固化：450～550℃胶质体中的液体进一步分解，一部分以气态析出，一部分固化并与碳原子平面网格结合在一起，生成半焦。? 5、半焦收缩：550～650℃，半焦进一步析出气体而收缩，同时产生裂纹。

? 6、生成焦炭；650～950℃，半焦继续析出气体，主要是碳原子平面网格周围的氢析出，因而半焦继续收缩，平面网格间缩合、变紧，最后生成焦炭。在此阶段析出的焦油蒸汽与炽热的焦炭相遇，部分进一步热分解，析出的游离碳沉积在焦炭上，逸出的蒸汽成分与低温状态下的不同，这个再分解过程叫做二次热分解。

?煤的开始分解、胶质体生成及固化温度，随煤种不同而异，一般

来说，随变质程度加深，开始分解温度、胶质体固化温度变高。

四、煤的结焦机理

?上面对煤的热解过程的概述只能说明煤煤热解的基本情况，并不反

应真正的热解状态，事实上热解过程中既存在侧链的断裂，同时也发生还原性的聚合、缩合作用，既存在键的断裂、聚合等化学反应，同时也发生热解产物（固体、液体、气体）所组成的分散体系中，不溶解颗粒的再分

散及吸附分散介质的表面作用；既有化学键间的作用又由于被分解出气体

不易透过胶质体而产生的压力作用等。因此热解过程是由许多同时进行的

过程所进行，热解过成的每一阶段也并非绝然分开，而是相互交叉的。再加上配合煤是由各种牌号的煤按照不同的比例组成的，因此加热时配合煤相互间更发生根复杂的交叉的物理化学作用。对于这样一个复杂的矛盾过程，我们必需抓住主要矛盾和主要矛盾方面去研究煤的结焦机理。见PPT 板书

教师讲解

下面我们从煤热解过程中，侧链的断裂和同时发生的聚合这一基本矛盾出发，来讨论煤结焦过程的粘结和裂纹形成机理。

低变质程度的煤(长焰煤、弱粘煤、气煤)或煤中稳定组、侧链长且含

氧多，热稳定性差，在较低温度下大部分胶质体被分解，半焦形成前剩下的胶质体数量少，不能填满残留的固体颗粒间空隙，粘结性差。

?高变质程度的煤(瘦煤)，侧链短而少，生成的液体量少，胶质体

粘度大，不能填满残留固体颗粒间的空隙，粘结性也差。

?中变质程度的煤(肥煤、焦煤)，侧链适当且含氧少，生成的液体多，热稳定性好，粘度适中，有一定流动性，有一定膨胀压力，能形成均

一的胶质体，粘结性好。胶质体固化过程中，由于气体不易穿过胶质体，

故在胶质体内聚集膨胀，当其压力大于胶质体的阻力时便逸出。此时，因胶质体逐渐固化，原来聚集气体的空间就形成了气孔，固化的胶质体与未分解的固体残留物结合在一起，形成了多孔的半焦。

三、小结：

1、焦炭及用途

2、焦炭的物理性质

3、焦炭的生成过程

4、化学产品的产生

四、作业

P16思考与回答第二题

P18 思考与回答第一题见PPT 板书

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