焦化固廢高效利用的研究

劉曉彬，王勝春

（華北理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，河北唐山 063210）

我國是煤炭儲(chǔ)存量最大的國家之一，目前已經(jīng)勘探出的儲(chǔ)量達(dá)到1.20萬億t，位于美國以及俄羅斯之后的第三儲(chǔ)量大國。但是，優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源在國內(nèi)緊缺已成為事實(shí)，同時(shí)高爐的大型化以及煉鐵對(duì)焦炭質(zhì)量的穩(wěn)定性又提出了更高的要求。5 500m3超大型高爐，該爐型對(duì)焦炭質(zhì)量的要求極為苛刻，焦炭M40要求維持在85%以上時(shí)。針對(duì)高爐這一要求，煉焦用煤對(duì)優(yōu)質(zhì)煤的耗用量極高。因此，在保證焦炭各項(xiàng)指標(biāo)滿足高爐生產(chǎn)需要的前提下，盡量降低優(yōu)質(zhì)煤的耗用量，提出了在配合煤中摻入瘦化劑焦化除塵灰。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

首鋼技術(shù)研究院于2013年6月建成的一套高效環(huán)保實(shí)驗(yàn)300kg 焦?fàn)t，主要用于首鋼當(dāng)前一業(yè)多地焦化專業(yè)煉焦配煤實(shí)驗(yàn)研究。小焦?fàn)t的主要組成部分有：焦?fàn)t本體、上升管、放散裝置、煤氣導(dǎo)出裝置、裝煤部分、推焦部分、接焦部分、熄焦部分、加熱部分、地下室、蓄熱室等。電加熱使用的加熱元件為熱電偶，熱電偶的加熱功率高達(dá)150kW，熱電偶式炭棒分別置于焦?fàn)t兩側(cè)，每側(cè)6根，共12根，可以穩(wěn)定地為焦?fàn)t提供熱量，而且最大的優(yōu)點(diǎn)就是更利于根據(jù)焦?fàn)t耗熱需要進(jìn)行供熱調(diào)節(jié)。唐山首鋼京唐公司西山焦化公司采用的小焦?fàn)t為頂裝裝煤，而生產(chǎn)出來的焦炭主要采用干熄方式，濕熄方式為備用輔助。

產(chǎn)出來的焦炭，直接送內(nèi)部化驗(yàn)室進(jìn)行分析化驗(yàn)，對(duì)焦炭各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析測(cè)驗(yàn)，主要包括焦炭的水分、灰分、揮發(fā)分、硫分以及反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度，然后將數(shù)據(jù)與大焦?fàn)t數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。再根據(jù)實(shí)際情況對(duì)配煤比例進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而找到更優(yōu)化的配煤方式。

小焦?fàn)t生產(chǎn)節(jié)奏比較快，采用四班三倒的工作方式，每班三名操作人員維持生產(chǎn)。同時(shí)有點(diǎn)檢和維護(hù)單位協(xié)同維護(hù)小焦?fàn)t的運(yùn)行。小焦?fàn)t通過全程自動(dòng)化控制，包括爐體溫度控制、焦炭頂部的氣體壓力監(jiān)控、氣體溫度測(cè)量、爐體內(nèi)部溫度監(jiān)控、炭化室壓力調(diào)節(jié)及耐火材料的溫度監(jiān)控等均實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集。

小焦?fàn)t生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的荒煤氣，由荒煤氣壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)導(dǎo)出，燃燒系統(tǒng)的操作溫度控制在710～910℃。上升管煤氣壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)有一個(gè)調(diào)節(jié)水封，可以根據(jù)煤氣產(chǎn)量和系統(tǒng)壓力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)控制焦?fàn)t煤氣均勻平穩(wěn)流出的目的，最后可以實(shí)現(xiàn)氣體完全燃燒，最大限度地節(jié)約煤氣用量，并達(dá)到環(huán)保的要求。

1.2 除塵灰回配煉焦的配煤方案

配加除塵灰煉焦工藝相對(duì)簡單，早在20世紀(jì)50年代就應(yīng)用于煉焦工業(yè)生產(chǎn)。除塵灰的添加主要用于搗固煉制鑄造焦的生產(chǎn)。因?yàn)槌龎m灰多孔隙的表面和多的比表面積，使其在焦化過程中呈現(xiàn)出惰性特征，并且與活性成分的液體產(chǎn)物具有大的接觸面積，結(jié)合固體顆粒在液相上的簡單吸附，因此混合量不應(yīng)太多。取焦化公司生產(chǎn)煤和除塵灰，按比例和要求進(jìn)行配煤煉焦實(shí)驗(yàn)，裝煤粉（干基）335kg，A0為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)方案，A1、A2和A3分別代表配焦粉0.5%、1.0%和1.5%實(shí)驗(yàn)方案。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，與生產(chǎn)配合煤相對(duì)比，除塵灰灰分和硫分含量明顯較高，灰分含量為6.41%，其硫分含量為0.26%。顯而易見，理論上判斷，很容易知道，如果盲目地將除塵灰作為原料進(jìn)行配煤，那么配合煤的各項(xiàng)指標(biāo)情況必然發(fā)生變化，最明顯的就是灰分和硫分會(huì)明顯升高，同樣也會(huì)影響焦炭的灰分和硫分。

因此，為了確保摻入除塵灰后，配合煤的質(zhì)量保持穩(wěn)定，也能同時(shí)保證焦炭質(zhì)量的穩(wěn)定甚至提升，必須嚴(yán)格控制除塵灰配入比例。通過數(shù)據(jù)分析得知，除塵灰配入比例應(yīng)不高于1.5%。

1.3 煤質(zhì)分析

取用標(biāo)準(zhǔn)粉碎后的配合煤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中裝爐煤細(xì)度為78%左右，并將其水分維持在10.2%左右，干基裝煤量控制為300kg。生產(chǎn)配合煤及各實(shí)驗(yàn)方案按標(biāo)準(zhǔn)取樣，然后進(jìn)行縮分，以4kg 標(biāo)準(zhǔn)樣作為煤質(zhì)檢測(cè)。

很明顯，煤質(zhì)的結(jié)焦性和黏結(jié)性都在一定程度上出現(xiàn)了下降。除塵灰的摻入，配合煤的結(jié)焦性和黏結(jié)性都會(huì)在一定的程度上出現(xiàn)不同程度的劣化。

通過上述數(shù)據(jù)綜合分析：當(dāng)除塵灰的比例為0.5%時(shí)，配合煤的煤質(zhì)最好；當(dāng)除塵灰的配入比例為1.0%和1.5%時(shí)，配合煤的煤質(zhì)基本沒有明顯差異，但煤質(zhì)會(huì)有一定程度的劣化。

2 除塵灰回配實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在生產(chǎn)過程中，為了保證良好的焦炭質(zhì)量，除塵灰的粒度應(yīng)盡量小一些。為了滿足這個(gè)要求，使用的是焦化內(nèi)部的地面除塵站布袋收集除塵灰。通過采用生產(chǎn)配煤方案和配加除塵灰實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行300kg 半工業(yè)焦?fàn)t煉焦實(shí)驗(yàn)，所得焦炭機(jī)械強(qiáng)度和高溫反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度可以得出以下結(jié)論。

2.1 焦炭篩分組成分析

將利用不同的配煤方案進(jìn)行煉焦所得到的焦炭進(jìn)行機(jī)械篩分，并進(jìn)一步將焦炭按照塊度進(jìn)行分類：＞80mm、80～60mm、60～40mm、40～25mm 以及＜25mm 五大類。生產(chǎn)出來的焦炭，塊度＞60mm 的占比，明顯比普通焦炭的比例高，與此同時(shí)，塊度＞60mm 的占比隨著除塵灰配比的提高而增加。除塵灰占比等于0.5%時(shí)，塊度＞60mm 的占比為32.1%；當(dāng)除塵灰占比等于1.0%時(shí)，塊度＞60mm 的占比為33.2%；當(dāng)除塵灰占比等于1.5%時(shí)，塊度＞60mm 的占比為35.1%。

由此，可以得出結(jié)論：在現(xiàn)有配煤比例狀況下，選擇適當(dāng)?shù)某龎m灰占比（小于1.5%），焦炭塊度得到明顯提高。

2.2 焦炭機(jī)械強(qiáng)度分析

焦炭的機(jī)械強(qiáng)度包括焦炭的抗碎強(qiáng)度（M40）和焦炭耐磨強(qiáng)度（M10），由300kg 焦?fàn)t各配煤方案所得的數(shù)據(jù)結(jié)果可見，除塵灰是充當(dāng)一種惰性物質(zhì)被摻入煤粉中的，這增強(qiáng)了煤粉在焦化過程中的骨架效應(yīng)，并增大了抗結(jié)焦性；而工業(yè)煤煉制焦炭的耐磨強(qiáng)度（M10）通常會(huì)大于摻和了除塵灰的實(shí)驗(yàn)方案焦炭的耐磨強(qiáng)度，則便是在生產(chǎn)焦煤時(shí)添加0.5%～1.5%的除塵灰。而如果在當(dāng)前的情況下，工業(yè)煤的焦化不能夠合理利用除塵灰，那么在很大概率情況下會(huì)發(fā)生，當(dāng)增加焦炭強(qiáng)度時(shí)，會(huì)提高焦炭灰分并同時(shí)降低焦炭的耐磨性。

焦化作業(yè)部每天生產(chǎn)焦炭約11 000余噸，煉焦區(qū)域和干熄焦區(qū)域所有除塵灰累計(jì)日產(chǎn)量約為110t。如果想完全消耗這部分除塵灰，那么在配合煤中摻入除塵灰的比例大概是0.8%。雖然除塵灰灰分和硫分含量與生產(chǎn)煤相比，相差不是很多，而且除塵灰配加比例一般控制在1.5%以內(nèi)，因此焦炭灰分和硫分含量也不會(huì)明顯提高。不過，除塵灰的配入，會(huì)大幅降低焦炭的耐磨強(qiáng)度，這樣對(duì)焦炭質(zhì)量影響比較大。因此要想辦法降低這方面的影響，可以通過降低生產(chǎn)煤中瘦煤的配比來實(shí)現(xiàn)這一目的。簡單來說，也就是用除塵灰代替瘦煤。根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析可知，焦炭的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均穩(wěn)定乃至有一定程度的提高，因此，該方案可行。

2.3 焦炭高溫反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度分析

焦炭的高溫CRI 和CSR 與普通煉焦煤生產(chǎn)的焦炭的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)波動(dòng)不大。有力的證明了配合煤中摻入＜1.5%的除塵灰時(shí)，生產(chǎn)出來的焦炭質(zhì)量波動(dòng)不大。

3 結(jié)論

1）在目前的配煤條件下，焦化生產(chǎn)時(shí)配加0.5%～1.5%除塵灰，可以不同程度提高焦炭＞60mm 產(chǎn)率，并隨著除塵灰配比的提高而增加：除塵灰配入占比為0.5%時(shí)，大于60mm 塊度的占比為32.1%，配合煤的煤質(zhì)最好；當(dāng)除塵灰占比為1.0%時(shí)，大于60mm 塊度的占比為33.2%，煤質(zhì)會(huì)有一定程度的劣化；當(dāng)除塵灰占比為1.5%時(shí)，大于60mm 塊度的占比為35.1%，焦炭的抗碎強(qiáng)度（M40）相比提高了約3.3%。

2）添加除塵灰配煤煉焦，會(huì)增加焦炭灰硫含量，理論上每提高除塵灰1%，焦炭灰分提高0.085%，硫分提高0.0023%。

3）在現(xiàn)有配煤條件下，配1.5%以內(nèi)除塵灰煉焦時(shí)，可提高焦炭抗碎強(qiáng)度，但焦炭耐磨強(qiáng)度有一定降低。若穩(wěn)定焦炭耐磨強(qiáng)度可考慮除塵灰替代同比例瘦煤煉焦。

4）依據(jù)目前焦化煤質(zhì)，1.5%以內(nèi)除塵灰配煤煉焦，對(duì)焦炭高溫CRI 與CSR 基本無影響?？紤]半工業(yè)實(shí)驗(yàn)所得到的焦炭數(shù)據(jù)無沒明顯異常，因此采取除塵灰（煤焦粉）配入配合煤的工業(yè)實(shí)驗(yàn)。采取的方案是：除塵灰的配比不超過0.5%；如果可以實(shí)現(xiàn)使用瘦煤替代除塵灰的情況下，那么除塵灰的比例可以適當(dāng)提高，但是最高不能超過1.5%。

5）焦化除塵灰回配不僅提高了焦炭質(zhì)量，同時(shí)也產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益并實(shí)現(xiàn)了環(huán)保的要求。