影響煤焦化回收車間主要產(chǎn)品收率的因素分析

劉冬杰，李健，穆春豐，姚君，張德敬，臧旭（鞍鋼集團化工事業(yè)部，遼寧鞍山114021）

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影響煤焦化回收車間主要產(chǎn)品收率的因素分析

劉冬杰，李健，穆春豐，姚君，張德敬，臧旭
（鞍鋼集團化工事業(yè)部，遼寧鞍山114021）

摘要：針對鞍鋼集團煤化工事業(yè)部回收車間焦油、硫酸銨和輕苯三大產(chǎn)品的收率明顯下降情況，分析了配煤揮發(fā)分、爐頂空間溫度和結焦時間以及配煤主要煤種對三大產(chǎn)品收率的影響。結果表明，配煤揮發(fā)分、氣煤是煤焦化三大產(chǎn)品收率的主要影響因素，并建立了相應的數(shù)學預測模型，為今后生產(chǎn)提供參考。

關鍵詞：焦油；硫酸銨；輕苯；因素分析

劉冬杰，碩士，工程師，2005年畢業(yè)于遼寧科技大學化學工程與工藝專業(yè)。E-mail：ltzcliushuai@126.com

煤加工化學產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝是以煤為原料，經(jīng)化學加工轉換為氣體、液體和固體產(chǎn)物，并將氣體和液體產(chǎn)物進一步加工成一系列化學產(chǎn)品的過程。由于煤加工方法的不同，導致化學產(chǎn)品的種類也不同。目前，煤加工方法主要包括高溫干餾、氣化和液化［1］。鞍鋼的化工產(chǎn)品是煤高溫干餾后的產(chǎn)品。在化工產(chǎn)品中除了約75％的焦炭、約17％的凈煤氣，焦油、硫酸銨和輕苯三個產(chǎn)品約占5.5％，被稱作回收車間三大產(chǎn)品。

高溫干餾化學產(chǎn)品的產(chǎn)率和組成隨干餾溫度、原料煤質(zhì)量、煉焦工藝的不同而波動。近年來，鞍鋼集團煤化工事業(yè)部回收車間三大產(chǎn)品的收率下降明顯，對三大產(chǎn)品下降的主要原因并沒有形成統(tǒng)一的認識，因此，急需進行相關分析研究，明確三大產(chǎn)品產(chǎn)率的主要影響因素，系統(tǒng)分析出內(nèi)、外因素對三大產(chǎn)品收率影響，并找出影響規(guī)律，為今后生產(chǎn)計劃的制定提供參考。

分析鞍鋼建國以來煤化工產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，由于1985年以后停止了瀝青焦的生產(chǎn)，因此在瀝青焦生產(chǎn)的前后焦化產(chǎn)品收率的波動較明顯；另外，從2012年后逐漸新建了7m焦爐。因此，為了忽略瀝青焦的生產(chǎn)以及焦爐大型化煉焦工藝的改變對焦化產(chǎn)品收率的影響，本次分析選用1985～2012年之間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析。

考察了原料煤的揮發(fā)分、煉焦爐頂空間溫度、結焦時間因素對焦油、硫酸銨和輕苯三大產(chǎn)品收率的影響，確定了主要影響因素；分析配煤組成中各煤種對煤焦化回收車間焦油、硫酸銨和輕苯三大產(chǎn)品收率的影響，找出主要影響因素，在此基礎上建立了數(shù)學預測模型，為今后生產(chǎn)提供理論基礎。

1　回收車間主要產(chǎn)品收率及影響因素

1985～2012年之間，焦油、硫酸銨和輕苯三大產(chǎn)品的收率隨年度變化曲線見圖1所示。

圖1　各年度煤焦化回收車間主要產(chǎn)品收率曲線

從圖1可以看出，煤焦化回收車間三大產(chǎn)品收率隨年度增加總體呈下降趨勢，只不過是下降的趨勢不同，焦油先呈近似線性下降，后略有提升，而輕苯、硫酸銨先從緩慢下降變?yōu)闃O速下降，后呈持平的趨勢。28年的數(shù)據(jù)分析顯示，焦油、硫酸銨、輕苯三大產(chǎn)品收率的波動范圍分別在3.614％～2.882％、1.079％～0.823％、1.137％～0.817％之間，最大降幅分別為20.25％、23.73％、28.14％。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，初步確定影響煤焦化回收車間三大產(chǎn)品收率的因素為配煤揮發(fā)分、爐頂空間溫度、結焦時間。在分析時間內(nèi)，三者的波動情況見圖2所示。

從圖2可以看出，在所分析的28年數(shù)據(jù)中，配煤揮發(fā)分經(jīng)歷了一次躍遷，2003～2004年配煤揮發(fā)分下降幅度較大，其他時間分別在27％和25％兩個平臺上波動。揮發(fā)分的最大、最小值相差2.6個百分點；由于焦爐操作的改善，標準溫度在不斷降低，因此爐頂空間溫度在持續(xù)下降，爐頂空間溫度從1985年的867℃下降到2012年的818℃，下降了49℃，變動幅度為5.99％；結焦時間保持在19.5h左右，最大和最小值相差不到2h。

圖2　各年度影響三大產(chǎn)品因素分析曲線

從圖1和圖2比較可以看出，圖1中煤焦化回收車間主要產(chǎn)品收率的變化幅度較大，均在20％以上，有的已接近30％；而圖2中的各影響因素的變化幅度相對較小，均在10％以內(nèi)，由此，可以預見各影響因素對產(chǎn)品收率的影響較明顯。具體各因素的影響程度需進行單獨分析，同時，為了更好找到各影響因素對煤焦化產(chǎn)品收率的影響，需進行多因素聯(lián)合分析。

2　影響三大產(chǎn)品收率的因素分析

2.1影響三大產(chǎn)品收率的單因素分析

為了評價每個影響因素對煤焦化回收車間每個主要產(chǎn)品收率影響情況，需進行單因素分析。根據(jù)28年數(shù)據(jù)量對影響三大產(chǎn)品的3個主要影響因素分別進行單因素分析。給定的顯著性水平α＝0.05，由表查出線性相關系數(shù)臨界值|rmin|=0.413。根據(jù)圖1、圖2中的數(shù)據(jù)，分別進行配煤揮發(fā)分、爐頂空間溫度和結焦時間與焦油、硫酸銨、輕苯的相關性分析，具體結果見表1所示。

表1　回收車間三大產(chǎn)品收率與影響因素的相關性分析

2.1.1配煤揮發(fā)分與煤焦化回收產(chǎn)品收率的相關性分析

配煤揮發(fā)分與焦油、硫酸銨、輕苯三大產(chǎn)品收率的相關系數(shù)分別為0.786 4、0.941 5、0.921 1，其相關程度分別是顯著相關、高度相關、高度相關，說明配煤揮發(fā)分對三大產(chǎn)品收率有顯著影響。

分析圖1和圖2中28年的數(shù)據(jù)，配煤揮發(fā)分從1985年的27.57％降到2012年的24.88％，下降幅度為9.46％。而煤焦化回收焦油、硫酸銨、輕苯產(chǎn)品收率的最大降幅分別為20.25％、23.73％、28.14％。經(jīng)計算配煤揮發(fā)分每下降0.1個百分點，影響焦油收率0.007 7％，輕苯收率0.002 7％，硫酸銨收率0.0034％。

2.1.2爐頂空間溫度與煤焦化回收產(chǎn)品收率的相關性分析

爐頂空間溫度與焦油、硫酸銨、輕苯三大產(chǎn)品收率的相關系數(shù)分別為0.889 6、0.826 6、0.824 3，其相關程度分別是高度相關、顯著相關、顯著相關。但焦化理論認為，爐頂空間溫度超過800℃以后，隨著溫度降低，三大產(chǎn)品收率應該逐漸升高，而圖上表示的三大產(chǎn)品收率卻隨著溫度降低而降低。仔細分析圖1和圖2可以看出，造成這一現(xiàn)象的原因是圖2中爐頂空間溫度是逐漸降低，而配煤揮發(fā)分幾乎是運行在兩個平臺上，出現(xiàn)了躍遷，而圖1中，三大產(chǎn)品收率也呈現(xiàn)出了與配煤揮發(fā)分相似的走勢，運行在兩個平臺上，出現(xiàn)了躍遷。因此，認為這種情況主要是由于配煤揮發(fā)分等因素對三大產(chǎn)品收率的影響更大，而爐頂空間溫度對三大產(chǎn)品收率的影響相對較小所造成的。

2.1.3結焦時間與煤焦化回收產(chǎn)品收率的相關性分析

結焦時間與煤焦化回收產(chǎn)品收率的相關系數(shù)較小，均在0.5以下，屬于低度相關。隨著結焦時間的延長，三大產(chǎn)品收率逐漸降低，這符合焦化理論，但從相關系數(shù)上看，結焦時間對三大產(chǎn)品收率影響程度不是很大。

根據(jù)以上分析可以得出，配煤揮發(fā)分是影響三大產(chǎn)品收率的主要影響因素，而爐頂空間溫度和結焦時間是影響三大產(chǎn)品收率的次要因素。

2.2影響焦油產(chǎn)率的多因素線性回歸分析

影響焦油產(chǎn)率的因素主要包括配煤揮發(fā)分、爐頂空間溫度和結焦時間，分別記為X1、X2、X3，焦油產(chǎn)率用Y1來表示。假設三元回歸估算表達示為：

其中，b0至b9為常數(shù)項，根據(jù)圖1和圖2所列3個影響因素和焦油產(chǎn)率數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進行計算所得回歸方程為：

將焦油收率的實際值與上述回歸方程（1）的預測值相比較，如圖3所示。從圖3中可以看出，兩者的吻合度較好，回歸效果較好。

圖3　各年度焦油收率的實際值與預測值曲線

為了更精確的評價上述方程（1）的回歸效果進行相關系數(shù)及F檢驗，具體結果分見表2和表3。

三個因素對焦油產(chǎn)品收率的復相關系數(shù)為0.927 8，F(xiàn)的顯著性水平為4.98×10-6，說明所建立的回歸方程非常顯著。

表2　影響因素對焦油產(chǎn)率的回歸統(tǒng)計

表3　影響因素對焦油產(chǎn)率的方差分析

2.3影響硫酸銨和輕苯產(chǎn)率的多因素線性回歸分析

按上述方法建立配煤揮發(fā)分、爐頂空間溫度和結焦時間影響因素對硫酸銨Y2和輕苯Y3的回歸方程，具體方程見式（2）、式（3）。

回歸方程（2）和（3）的復相關系數(shù)分別為0.925 8、0.890 8，F(xiàn)的顯著性水平分別為2.18×10-8、6.38×10-7，說明所建立的回歸方程非常顯著。

2.4配煤組成與三大產(chǎn)品收率的相關性

從上述配煤揮發(fā)分、爐頂空間溫度、結焦時間與三大產(chǎn)品收率相關性的分析看，配煤揮發(fā)分對三大產(chǎn)品收率的影響較大，是主要影響因素，而配煤揮發(fā)分變化是由配煤組成變化決定的，所以應從配煤組成上進一步查找影響煤焦化產(chǎn)品收率的原因，分析哪些煤種對三大產(chǎn)品收率的影響更大。1985～2012年各煤種配比曲線如圖4所示。

圖4　各年度不同煤種配比曲線

從圖4可以看出，配煤的主要煤種為焦煤、肥煤、1/3焦和氣煤，另外部分配入了瘦煤。從整個運行趨勢看，氣煤、1/3焦煤比例在逐漸降低，其他煤種在一定區(qū)域內(nèi)波動。其中配煤中氣煤從19.8％降到3.7％，下降了16.1個百分點，下降幅度為81.2％；1/3焦從26.7％降到18.1％，降低了8.6個百分點，降低幅度為32.1％。結合圖1，煤焦化三大產(chǎn)品收率逐年均呈下降趨勢，與氣煤、1/3焦煤的變化趨勢相近。從煤質(zhì)分析來看，氣煤和1/3焦煤是煉焦配煤中變質(zhì)程度較低的煤種，煤氣產(chǎn)出量和化產(chǎn)品產(chǎn)出量是煉焦煤中較高的，所以氣煤和1/3焦配入比的減少，導致三大產(chǎn)品收率的降低是符合煤化學理論的。為了進一步明確氣煤、1/3焦煤對回收車間三大產(chǎn)品收率的影響，進行煤種與三大產(chǎn)品收率的相關性分析，具體結果見表4。

從圖4和表4可以看出，雖然氣煤的配入比例低于1/3焦煤，但氣煤與三大產(chǎn)品收率的相關性均高于1/3焦煤，可見，在眾多煤種中，氣煤是影響三大產(chǎn)品收率的最主要因素，其次是1/3焦煤。

表4　回收車間三大產(chǎn)品與影響因素的相關性分析

為了定量預測氣煤、1/3焦煤與三大產(chǎn)品收率的影響，建立二元線性回歸方程。變量Y4、Y5、Y6分別代表焦油、硫酸銨和輕苯收率，變量X4和X5分別為氣煤、1/3焦煤配入比例。具體方程如下：

上述三個預測方程的復相關系數(shù)分別為0.860 4、0.870 2和0.888 1，F(xiàn)的顯著性水平為1.03×10-8、4.69×10-9和9.45×10-10，所建立的預測回歸方程非常顯著。

3　結論

（1）鞍鋼本部1985～2012年焦化生產(chǎn)數(shù)據(jù)結果顯示，煤焦化回收車間焦油、硫酸銨和輕苯三大產(chǎn)品收率的變化幅度較大，均在20％以上，有的甚至超過30％，而各影響因素的變化幅度相對較小，均在10％以內(nèi)。

（2）配煤揮發(fā)分是影響煤焦化回收產(chǎn)品收率的主要因素，其次是爐頂空間溫度和結焦時間，并根據(jù)配煤揮發(fā)分、爐頂空間溫度和結焦時間3個影響因素，建立了煤焦化回收車間焦油、硫酸銨和輕苯三大產(chǎn)品收率的預測方程，且預測效果顯著。

（3）分析了配煤組成中各煤種對煤焦化回收車間焦油、硫酸銨和輕苯三大產(chǎn)品收率的影響，其中氣煤是影響三大產(chǎn)品收率的最主要因素，其次是1/3焦煤，并建立了數(shù)學模型，經(jīng)預測后，結果顯示預測效果顯著。

參考文獻

［1］肖瑞華，白金鋒.煤化學產(chǎn)品工藝學［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

（編輯賀英群）

修回日期：2015-12-10

Analysis on Factors of Affecting Yield of Main Products in Recovery Plant for Coal Coking

Liu Dongjie，Li Jian，Mu Chunfeng，Yao Jun，Zhang Dejing，Zang Xu
（Chemical Engineering Department of Ansteel Group Corporation，Anshan 114021，Liaoning，China）

Abstract：The effect of such factors as the volatile content in coal blending，temperature of oven roof space and coking time as well as the main types of coal for coal blending on the yield of the three kinds of products such as tar，ammonium sulfate and light benzene was analyzed with regard to the sharp decrease in the yield of these products recycled by the recovery plant in Chemical Engineering Department of Ansteel Group Corporation.The analytical results show that the volatile content in coal blending and gas coal are the main factors for affecting the yield during coke-making and so the corresponding mathematical prediction model was established，which can be to used for the production.

Key words：tar；ammonium sulfate；light benzene；factor analysis

中圖分類號：TQ522

文獻標識碼：A

文章編號：1006-4613（2016）03-0015-04