低階煤在煉焦配煤中的應(yīng)用研究

王 春 晶

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院,北京 100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013； 3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

我國是煤炭資源大國，2017年我國煤炭已探明儲(chǔ)量約1.67萬億t，僅次于美國和俄羅斯。其中，煉焦煤已查明的資源儲(chǔ)量約為2 800億t，僅占中國煤炭資源總量的27%。其中經(jīng)濟(jì)可采的煉焦煤儲(chǔ)量僅646億t左右，還不到煉焦煤查明資源儲(chǔ)量的20%，真正可以生產(chǎn)和建井的資源量比例較低[1]。在中國的煉焦煤資源中，低變質(zhì)程度的氣煤和1/3焦煤的儲(chǔ)量最大，達(dá)1 282.12億t，占中國煉焦煤資源的45.73%；焦煤的比例居第二位，為23.61%，瘦煤(包括貧瘦煤)占15.89%，肥煤(包括氣肥煤)的比例相對(duì)最少，為12.81%[2]，未分煤類的煉焦煤2%左右。

2013年，《特殊和稀缺煤類開發(fā)利用管理暫行規(guī)定》正式將肥煤、焦煤、瘦煤等優(yōu)質(zhì)煉焦煤作為特殊和稀缺煤種列入保護(hù)性開采范圍，優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源短缺在未來將會(huì)制約煉焦行業(yè)的發(fā)展[3]。作為煉焦煤中儲(chǔ)量最大的氣煤，大多具有低灰、低硫、揮發(fā)分產(chǎn)率較高、黏結(jié)性較弱等特點(diǎn)，加熱時(shí)能產(chǎn)生較高的煤氣和較多的焦油；配煤煉焦時(shí)多配入氣煤可增加焦餅的收縮，便于推焦，增加煤氣和化學(xué)產(chǎn)品的產(chǎn)率，降低焦炭的灰、硫等有害成分等[4]。在煉焦中應(yīng)盡量多配氣煤，是焦化企業(yè)降低成本的有效措施之一。

1 煉焦配煤技術(shù)概況

目前，主要煉焦配煤技術(shù)包括搗固煉焦技術(shù)、配型煤煉焦技術(shù)、無回收煉焦技術(shù)、煤調(diào)濕技術(shù)、煤預(yù)熱煉焦技術(shù)等。

1.1 搗固煉焦技術(shù)

入爐煤搗固后，煤料的堆密度可由散裝煤料的約0.72 t/m3提高至0.95 t/m3～1.15 t/m3，因此可改善焦炭質(zhì)量、提高煤的黏結(jié)性。采用搗固煉焦可擴(kuò)大氣煤用量、改善焦炭質(zhì)量，國內(nèi)如大連、撫順某些化工廠均采用以氣煤為主的搗固煉焦技術(shù)，用于中、小型高爐煉鐵。

搗固煉焦技術(shù)，可配入更多的高揮發(fā)分或弱黏結(jié)性的低階煤，能夠擴(kuò)大煉焦煤源，降低對(duì)優(yōu)質(zhì)煉焦用煤的依賴度和降低焦炭生產(chǎn)成本。搗固焦?fàn)t焦炭質(zhì)量的提升還能提高焦炭銷售價(jià)格，從而增加銷售收入。另外，搗固煉焦工藝裝煤的污染物排放量可減少90%，從而減少環(huán)境污染。[5]

1.2 配型煤煉焦技術(shù)

配型煤煉焦是在煉焦裝爐煤料中按一定比例配入成型煤料進(jìn)行煉焦的技術(shù)。配型煤技術(shù)可減小配型煤粒間的間隙，有助于改善煤料的黏結(jié)性，從而可多配用弱黏結(jié)性或適量配入非黏結(jié)性煤[6]。

目前工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的配型煤煉焦技術(shù)主要包括新日鐵法和住友法該2種方法。新日鐵法是粉煤和成型煤采用同樣的配比，其基本流程如下：首先取出30%經(jīng)過配合、粉碎的裝爐煤并用黏結(jié)劑成型制成型煤，然后與其余70%的裝爐煤混合裝爐煉焦[7]。此技術(shù)流程較簡單，容易在原有的備煤處理車間改建。住友法是由非煉焦煤或弱黏結(jié)性煤單獨(dú)添加黏結(jié)劑制成型煤，然后按比例再配合到粉碎后的黏結(jié)性煤中一并裝爐煉焦。此法可多用一些弱黏結(jié)性煤，在同樣的原料煤配比條件下，由于弱黏結(jié)性煤的集中成型使用，使得住友法較新日鐵法對(duì)于改善煤料的結(jié)焦性能效果更好一些。

1.3 無回收煉焦技術(shù)

無回收焦?fàn)t也稱熱回收焦?fàn)t，是20世紀(jì)60年代首先在美國推出的1種環(huán)保型的煉焦新技術(shù)。其主要特點(diǎn)是在煤的煉焦過程中只生產(chǎn)焦炭而不回收化學(xué)副產(chǎn)品和焦?fàn)t煤氣，基本上也不排放其他污染物，而是在煉焦過程中把產(chǎn)生的化學(xué)產(chǎn)品及煤氣等在焦?fàn)t內(nèi)通入適量空氣使其完全燃燒，用燃后所產(chǎn)生的高溫廢氣來發(fā)電或產(chǎn)生蒸汽供動(dòng)力用[8]。

無回收焦?fàn)t主要優(yōu)點(diǎn):① 煉焦工藝流程簡單；② 無污水和苯等排放；③ 因焦?fàn)t生產(chǎn)時(shí)爐內(nèi)為負(fù)壓，所以生產(chǎn)無煙塵泄露；④ 廢熱得到利用送去發(fā)電；⑤ 一次建設(shè)投資少。

1.4 煤調(diào)濕技術(shù)

煤調(diào)濕技術(shù)是將裝爐煤在入爐前將水分調(diào)節(jié)至6%左右，然后再進(jìn)行裝爐煉焦。此技術(shù)不要求最大限度除去煤料中的水分，只是把水分穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)較低的水平。對(duì)裝爐煤調(diào)濕有利于穩(wěn)定焦?fàn)t操作，降低煉焦耗熱量和改善焦炭質(zhì)量等；另外在煉焦生產(chǎn)中不會(huì)因水分過低導(dǎo)致焦?fàn)t和回收系統(tǒng)操作困難；同時(shí)此技術(shù)還可利用焦?fàn)t煙道氣、上升管粗煤氣或紅焦的余熱進(jìn)行熱交換,充分節(jié)能[9]。

煤調(diào)濕技術(shù)除了具有相似于煤預(yù)熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)外，因?yàn)槊毫纤址€(wěn)定在6%的水平上，使得煤料的堆密度和干餾速率穩(wěn)定，對(duì)改善高爐操作狀態(tài)、延長焦?fàn)t壽命和焦?fàn)t的節(jié)能高產(chǎn)十分有利。

1.5 煤預(yù)熱煉焦技術(shù)

煤在裝爐前用氣體載熱體或固體載熱體快速加熱到150 ℃～250 ℃，再裝入煉焦?fàn)t中煉焦，稱為煤預(yù)熱煉焦。通過煤預(yù)熱煉焦可以擴(kuò)大煉焦煤源、改善焦炭質(zhì)量、增加焦?fàn)t的生產(chǎn)能力、降低能耗和減少環(huán)境污染[10]。

煤預(yù)熱煉焦技術(shù)在不降低焦炭質(zhì)量的前提下，可多配用弱黏結(jié)煤。預(yù)熱煤煉焦所得焦炭的反應(yīng)性變化不大，但反應(yīng)后強(qiáng)度明顯提高，配合煤質(zhì)量愈差，預(yù)熱煤煉焦對(duì)提高焦炭質(zhì)量的效果愈明顯。由于煤預(yù)熱大多采用效率較高的沸騰爐等流態(tài)化熱交換設(shè)備，使預(yù)熱煤煉焦比傳統(tǒng)的濕煤煉焦耗熱量降低4%左右。同時(shí)，煤預(yù)熱煉焦采用密閉的裝爐系統(tǒng)，取消了平煤操作，消除了平煤時(shí)帶出的煙塵，減少了空氣污染。

由于近年來先進(jìn)煉焦配煤技術(shù)的不斷推廣，我國煉焦配煤的煤種范圍總體呈擴(kuò)大趨勢(shì)。采用搗固煉焦技術(shù)，可以保證在氣煤配入比例較高的情況下，機(jī)械強(qiáng)度仍保持一定水平。

2 我國氣精煤生產(chǎn)與消費(fèi)現(xiàn)狀

2017年國內(nèi)煉焦精煤產(chǎn)量為4.46億t，其中氣煤產(chǎn)量6 350萬t，占煉焦精煤總產(chǎn)量的14.2%。2017年煉焦精煤產(chǎn)量如圖1所示。

圖1 2017年我國煉焦精煤產(chǎn)量Fig.1 Coking coal production in 2017

我國氣精煤的主要產(chǎn)地為山西、山東、新疆等省份。2017年，山西省氣精煤產(chǎn)量為2 402.9萬t，占全國氣煤產(chǎn)量的37.8%，山東省氣精煤產(chǎn)量1 406.1萬t，占全國氣煤產(chǎn)量的22.1%，新疆氣精煤產(chǎn)量為553.2萬t，占全國氣煤產(chǎn)量的8.7%，江蘇省氣精煤產(chǎn)量538.1萬t，占全國氣煤產(chǎn)量的8.5%[11]。

我國主要?dú)饩寒a(chǎn)區(qū)如圖2所示。

圖2 我國主要?dú)饩寒a(chǎn)區(qū)Fig.2 Main gas clean coal production areas

2017年我國煉焦煤消費(fèi)量為5.69億t，消耗氣煤0.51億t，占總消費(fèi)量的8.96%[11](見表1)。我國煉焦煤消費(fèi)量中，氣精煤的消費(fèi)占比相對(duì)較低。

表1 2017年煉焦煤分煤種商品煤消費(fèi)量Table 1 Commercial coking coal consumption(for each type of coking coal) in 2017 億t

3 低階煙煤在煉焦配煤中研究試驗(yàn)

3.1 原料煤煤質(zhì)特性分析

試驗(yàn)選用1號(hào)、2號(hào)該2種低階煤的洗精煤(以下簡稱低階洗精煤)作為煉焦配煤進(jìn)行試驗(yàn)研究。1號(hào)低階洗精煤的灰分為10.31%，干基全硫?yàn)?.52%，膠質(zhì)層最大厚度為7.5 mm。按照GB/T 397—2009《煉焦用煤技術(shù)條件》規(guī)定，1號(hào)低階洗精煤為灰分為11級(jí)、全硫?yàn)?級(jí)、磷含量為1級(jí)、全水分為1級(jí)，黏結(jié)指數(shù)較高，是1種優(yōu)良的煉焦煤，但1號(hào)洗精煤樣品灰分略高，黏結(jié)指數(shù)與同類氣煤相比較低。

2號(hào)低階洗精煤具有特低全水分、特低灰、特低硫、低磷、弱黏結(jié)的特點(diǎn)，其變質(zhì)程度與氣煤相當(dāng)。

1號(hào)低階洗精煤、2號(hào)低階洗精煤的煤質(zhì)分析均按照現(xiàn)行國標(biāo)執(zhí)行，測(cè)定結(jié)果見表2。

表2 典型低階洗精煤的煤質(zhì)分析指標(biāo)Table 2 Coal quality analysis indexes of low-rank cleaned coal

3.2 試驗(yàn)方法

近年來，越來越多的生產(chǎn)和科研實(shí)踐表明，煉焦煤的黏結(jié)性等化學(xué)工藝指標(biāo)并不能完全客觀反映其結(jié)焦性能，煉焦煤結(jié)焦性最直接和有效的表征手段仍然是一定規(guī)模的煉焦試驗(yàn)[12]。目前，國內(nèi)大多數(shù)焦化生產(chǎn)企業(yè)和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)利用40 kg焦?fàn)t試驗(yàn)來評(píng)價(jià)單種煤及配煤的結(jié)焦性能，以更科學(xué)地指導(dǎo)生產(chǎn)。

小焦?fàn)t實(shí)驗(yàn)生成焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度是反映焦煤結(jié)焦性的直接指標(biāo)，用來評(píng)價(jià)焦炭的熱性質(zhì)[13]。GB/T 4000—2008《焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度試驗(yàn)方法》中規(guī)定的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)是在1 100 ℃士5 ℃的恒定溫度下，將一定質(zhì)量焦炭置于耐高溫合金鋼反應(yīng)器或剛玉質(zhì)反應(yīng)器中，用二氧化碳與其反應(yīng)2 h后，焦炭經(jīng)I型轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)后，以大于10 mm粒級(jí)焦炭占反應(yīng)后焦炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度CSR[14]。

根據(jù)國內(nèi)企業(yè)對(duì)結(jié)焦性的判斷方法以及國外煤炭分類習(xí)慣，一般將小焦?fàn)t實(shí)驗(yàn)反應(yīng)后強(qiáng)度(CSR)檢測(cè)值50作為1個(gè)界限值，習(xí)慣上認(rèn)為50以下為結(jié)焦性較差的煤，同時(shí)國外一般將50以上作為硬質(zhì)焦煤的最低標(biāo)準(zhǔn)[15]。

為了便于在相同其他原料煤和配合煤配比的前提下，對(duì)比配入氣精煤和替換之前配合煤的成焦性能和焦炭特性，試驗(yàn)選取某焦化廠的配合煤，分別用1號(hào)低階洗精煤、2號(hào)低階洗精煤替代原配合煤中的一種煤進(jìn)行40 kg焦?fàn)t試驗(yàn)。方案中每組配比均煉制2爐焦炭，煉焦結(jié)果取其平均值。

3.3 配合煤煤質(zhì)特性分析

設(shè)定原配合煤為配合煤1，設(shè)定加入了8%的1號(hào)低階洗精煤的配合煤為配合煤2。配合煤2的煤質(zhì)特性見表3。與配合煤1相比，由于加入的1號(hào)低階洗精煤的灰分略高，全硫略低，黏結(jié)性較弱，故配合煤2灰分略高，硫分略低。

表3 配入1號(hào)低階煤洗精煤的配合煤的煤質(zhì)特性Table 3 Coal quality characteristics of blending coal equipped with No.1 low-rank coal washing clean coal

設(shè)定含28%的1/2中黏煤的配合煤為配合煤3，采用2號(hào)低階洗精煤去替代配合煤3中10%的1/2中黏煤，所得到的配合煤為配合煤4,配合煤3和配合煤4的煤質(zhì)特性見表4。

表4 配入2號(hào)低階煤洗精煤的配合煤的煤質(zhì)特性Table 4 Coal quality characteristics of blending coal equipped with No.2 low-rank coal washing clean coal

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)過40 kg煉焦試驗(yàn)后，配合煤1所產(chǎn)出的1號(hào)焦炭、及配合煤2所產(chǎn)出的2號(hào)焦炭的分析結(jié)果見表5。

表5 2種配煤焦?fàn)t實(shí)驗(yàn)焦炭分析結(jié)果Table 5 Coke analysis results of two coal blending coke oven experiments

根據(jù)表5可看出，2號(hào)焦炭的灰分、全硫高于1號(hào)焦炭，而冷強(qiáng)度(M40,%)和熱態(tài)強(qiáng)度(CSI)略低于1號(hào)焦炭，但相差不大。

經(jīng)過40 kg煉焦試驗(yàn)后，配合煤3所產(chǎn)出的3號(hào)焦炭、及配合煤4所產(chǎn)出的4號(hào)焦炭的分析結(jié)果見表6。

根據(jù)表6可看出， 4號(hào)焦炭與3號(hào)焦炭的灰分、全硫基本相同，冷強(qiáng)度(M10,%)和熱態(tài)強(qiáng)度(CSR)略高于3號(hào)焦炭。2號(hào)低階洗精煤可用于優(yōu)化焦炭的灰分和全硫。

表6 2種配煤焦?fàn)t實(shí)驗(yàn)焦炭分析結(jié)果Table 6 Coke analysis results of two coal blending coke oven experiments

煉焦過程中，配合煤的灰分全部轉(zhuǎn)入焦炭中。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，焦炭的灰分每增加1%，焦炭的強(qiáng)度下降2.2%，焦炭用量增加2%～2.5%，焦比增加1.17%，高爐生產(chǎn)能力降低2.2%，生鐵成本上升0.72%。同時(shí)，灰分也是影響煉焦煤的銷售價(jià)格的1個(gè)重要指標(biāo)。2號(hào)低階洗精煤樣品灰分略高，導(dǎo)致2號(hào)焦炭的灰分高于1號(hào)焦炭。低階洗精煤作為煉焦配煤，為了不影響焦炭質(zhì)量，保證銷售價(jià)格，應(yīng)降低灰分。

在煉焦過程中，煤中的硫大約有80%～85%保留到焦炭中，而焦炭中的硫分會(huì)嚴(yán)重影響生鐵的質(zhì)量。焦炭硫分每增加0.1%，石灰石和焦比分別增加2.0%，生鐵減產(chǎn)2%～2.5%[16]。在GB/T 379—2009《煉焦用煤技術(shù)條件》中，冶金焦原料煤的硫分在0.31%～1.75%間被平均分為6個(gè)等級(jí)，0.3%以下為特級(jí)，對(duì)主要煉焦煤全硫的最高允許含量為1.75%。由于我國煉焦煤資源的稀缺性，低硫的煉焦煤逐漸減少，焦化企業(yè)在采購時(shí)，也不得不提高主煉焦煤硫分的容忍上限，并通過嚴(yán)格限制其他配煤硫分的方法降低配煤的整體硫分。低硫的氣精煤是比較切實(shí)可行的煉焦配煤。

4 結(jié) 論

我國煉焦煤資源稀缺，優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源短缺未來將制約煉焦行業(yè)的發(fā)展。作為煉焦煤中儲(chǔ)量最大的氣煤，部分用作動(dòng)力煤銷售。近年來，在先進(jìn)煉焦配煤技術(shù)的不斷推廣下，我國煉焦配煤的煤種范圍不斷擴(kuò)大。特別是搗固煉焦技術(shù)，可以保證配入比例較高的氣煤。

通過在相同其他原料煤和配合煤配比的前提下，分別用1號(hào)低階洗精煤、2號(hào)低階洗精煤替代原配合煤中的一種煤進(jìn)行40 kg焦?fàn)t試驗(yàn)。通過40 kg焦?fàn)t試驗(yàn)，配合煤2所產(chǎn)出的2號(hào)焦炭的灰分高于1號(hào)焦炭，而全硫、冷強(qiáng)度和熱態(tài)強(qiáng)度略低于1號(hào)焦炭，但相差不大。配合煤4所產(chǎn)出的4號(hào)焦炭與3號(hào)焦炭的灰分、全硫基本相同，冷強(qiáng)度和熱態(tài)強(qiáng)度略高3號(hào)焦炭。2號(hào)低階洗精煤可用于優(yōu)化焦炭的灰分和全硫。

低階洗精煤用于煉焦配煤，大多具有低灰、低硫等特點(diǎn)，是比較理想的降低硫分的配煤。