靜壓成型高密度型煤協(xié)同處置焦化危廢煉焦技術(shù)研究

岳偉明，燕 慧，崔長青，姚潤生，牛志龍

（1.山西焦化股份有限公司，山西 洪洞 041606；2.中化學賽鼎焦化（山西）工程科技有限公司，山西 太原 030032；3.山西博嘉慧科技有限公司，山西 太原 030032）

當前大型工業(yè)焦爐裝煤有頂裝、側(cè)裝兩種方式，頂裝焦爐具有操作相對簡單、適應性強等優(yōu)點，但也存在相同品質(zhì)焦炭情況下，配煤成本高、堆密度低等缺點；搗固焦爐堆密度相對較高，相同配比的情況下，焦炭機械強度、熱強度均優(yōu)于頂裝焦爐，但也存在操作相對復雜、煙塵治理困難等缺點。

配型煤煉焦結(jié)合了兩種裝煤方式的優(yōu)點，可提高入爐煤的堆密度，降低高價焦煤的使用量，增加低價煤的使用量，同時可增加焦炭產(chǎn)量、提高焦炭質(zhì)量。配型煤煉焦技術(shù)于20世紀70年代由日本率先開發(fā)成功，我國寶鋼公司曾于20世紀80年代初從日本新日鐵引進型煤煉焦技術(shù)[1]。

從各國的煉焦實踐看，制約配型煤煉焦技術(shù)的主要因素有型煤黏結(jié)劑、型煤強度、投資及生產(chǎn)成本等因素，為此，山西博嘉慧科技有限公司（以下簡稱博嘉慧公司）進行了“靜高壓型煤成型及配套設備”“高效生物質(zhì)型煤黏結(jié)劑”等關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)，并與山西焦化股份有限公司（以下簡稱山西焦化）合作，依托山西焦化300 kg試驗焦爐開展了靜壓成型高密度型煤煉焦相關(guān)技術(shù)研究。另外，焦化企業(yè)在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量危廢物質(zhì)，主要為脫硫廢液、焦油渣、生化污泥渣等[2]，為實現(xiàn)這些危廢資源的無害化利用，還進行了配型煤煉焦添加危廢物的相關(guān)研究。本次配型煤煉焦技術(shù)的試驗長達一年多，在環(huán)保、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)應用等方面取得一些突破，現(xiàn)介紹如下，以期為頂裝爐焦化企業(yè)的新建裝置及老裝置技改提供技術(shù)借鑒和支持。

1 靜壓型煤的外形尺寸及成型壓力研究

1.1 靜壓型煤外形的尺寸特征分析

配合煤混合高效黏結(jié)劑高壓成型后，需要混合散煤一同裝入炭化室，傳統(tǒng)的型煤外型受成型設備的制約普遍為球形，但球形易滾動，且成型時的壓縮比不大，堆密度提高小，成型后的型煤強度主要由低效黏結(jié)劑提供，致使黏結(jié)劑用量大，生產(chǎn)成本偏高，灰分增加，影響焦炭的質(zhì)量。本研究通過多次試驗并不斷總結(jié)經(jīng)驗后發(fā)現(xiàn)，將型煤外形改為圓柱形，直徑和高尺寸保持在1∶1左右，由于形狀和受力等原因，能有效解決滾動偏析問題，且圓柱體型煤的高壓成型設備可使壓縮比達到2∶1（模具內(nèi)自然堆積與壓制成型后高度之比），使型煤的堆密度達到1 250 kg/m3～1 300 kg/m3。當大量的散煤和型煤同時進入炭化室后，會產(chǎn)生隨機的碰撞和接觸，散煤包裹型煤速度加快，使圓柱體型煤的滾動更不易發(fā)生。所以，圓柱體的型煤較之球形型煤可以有效改善裝爐時的偏析現(xiàn)象。

1.2 靜壓型煤成型壓力研究

本研究型煤壓機采用博嘉慧公司的靜高壓型煤成型壓機，該成型壓機主要特點是：適于壓制各種形狀型煤制品，模具可定制；成型壓力、時間智能可調(diào)，還可以調(diào)整型煤的密度；壓制產(chǎn)品質(zhì)量高，黏結(jié)劑用量少；設備自動化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較高。

雖然高壓成型設備的壓力很大，但型煤作為固體物質(zhì)壓縮性較差，在型煤壓制過程中，存在一個最大壓力值；另外，從生產(chǎn)成本的經(jīng)濟層面分析，存在一個最佳壓力值。試驗過程取同一堆配合煤，不加黏結(jié)劑，配合煤水分10%、細度72%～85%（＜3 mm）、模具內(nèi)裝填高度均相同，不同成型壓力時型煤的堆密度和落下強度見表1。表1中型煤落下強度試驗的落下高度為1 830 mm，取10 mm圓孔篩篩上物質(zhì)量占整個型煤質(zhì)量的百分數(shù)為落下強度。

表1 不同成型壓力時型煤的堆密度和落下強度

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，綜合考慮設備投入和能耗，成型壓力控制在35 MPa～40 MPa為最佳值，成型壓力再增加時，型煤堆密度無明顯變化，且會有內(nèi)應力裂紋產(chǎn)生。

2 BJH高效生物質(zhì)黏結(jié)劑開發(fā)與研究

2.1 BJH高效生物質(zhì)黏結(jié)劑介紹

型煤黏結(jié)劑是影響型煤質(zhì)量的關(guān)鍵因素，對型煤強度有很大影響。當前開發(fā)的型煤黏結(jié)劑主要分為有機、無機、復合黏結(jié)劑三大類[3]。

有機黏結(jié)劑有親水型和疏水型兩種。親水型有機黏結(jié)劑主要有淀粉、腐殖酸（風化煤）和生物質(zhì)等。疏水型有機黏結(jié)劑主要有煤焦油瀝青、石油瀝青等。煤顆粒與黏結(jié)劑中的有機成分有很強的親和力，黏結(jié)劑能均勻包裹煤顆粒甚至滲透到煤的微孔中，固化后可使型煤具有較高的機械強度，但在高溫時，黏結(jié)劑中的有機質(zhì)容易軟化或分解，喪失黏結(jié)能力，因此，生產(chǎn)的型煤熱強度和熱穩(wěn)定性都不太理想。無機黏結(jié)劑主要有石灰、黏土等。無機黏結(jié)劑的主要特點是具有較強的黏結(jié)能力，固化后能起到“骨架”作用，使型煤具有較高的機械強度且在較高溫度下不易軟化分解，因此，用無機黏結(jié)劑生產(chǎn)的型煤機械強度和熱穩(wěn)定性都比較理想，但無機黏結(jié)劑的防水性較差，不利于型煤儲存和運輸。另外，無機黏結(jié)劑的加入會增加型煤的灰分，所以在制作型煤時所選擇的原料煤灰分不宜太高，以便為無機輔料的添加留有一定的空間。

復合黏結(jié)劑是同時使用2種或2種以上不同類型的黏結(jié)劑，利用單種黏結(jié)劑的優(yōu)點，相互補充，發(fā)揮出綜合效果。根據(jù)焦爐生產(chǎn)特點和環(huán)保要求，博嘉慧公司黏結(jié)劑開發(fā)排除了焦油、瀝青、石灰、黏土等常規(guī)物質(zhì)，通過反復試驗優(yōu)化，研發(fā)出BJH復合生物質(zhì)有機無機高效黏結(jié)劑，該黏結(jié)劑采用生物質(zhì)材料醚化氧化、高分子材料與無機材料復配而成，環(huán)保無味，配入質(zhì)量分數(shù)0.1%～0.5%，僅為普通黏結(jié)劑用量的20%左右，生產(chǎn)出的煉焦型煤的性能優(yōu)良，且不會對焦炭質(zhì)量造成影響，同時降低生產(chǎn)成本。

2.2 BJH高效生物質(zhì)型煤黏結(jié)劑加入量研究

在滿足環(huán)保、生產(chǎn)要求的前提下，確定黏結(jié)劑的最佳加入量，以達到生產(chǎn)成本最低、強度最好的目的。在同煤源的條件下，研究了黏結(jié)劑加入量對型煤落下強度的影響，結(jié)果見表2。

表2 不同BJH高效黏結(jié)劑加入量的型煤落下強度%

由表2可見，黏結(jié)劑加入質(zhì)量分數(shù)由0.1%增加到0.2%時，型煤落下強度的增加值遠遠大于由0.2%增加到0.3%時的增加值；黏結(jié)劑加入質(zhì)量分數(shù)由0.4%進一步增加時，型煤落下強度的增加值變小且增加幅度趨緩，綜合考慮成本等方面因素，確定黏結(jié)劑加入質(zhì)量分數(shù)為0.3%～0.4%時，強度可滿足生產(chǎn)需要，生產(chǎn)成本較低。

3 300 kg試驗焦爐配型煤煉焦試驗研究

3.1 高密度型煤配入量與焦炭質(zhì)量相關(guān)性研究

在外型尺寸、成型壓力、BJH黏結(jié)劑加入量等數(shù)據(jù)確定后，在300 kg試驗焦爐上進行了型煤配入量 與焦炭質(zhì)量相關(guān)性的研究，結(jié)果見表3。

表3 不同型煤配入量條件下焦炭質(zhì)量分析

表3結(jié)果顯示：在30%（體積分數(shù)）的型煤配入量時，焦炭抗碎強度提高了0.9個百分點，耐磨強度改善了1.5個百分點，反應后強度提高了1.0個百分點，產(chǎn)量提高了16%（實測值），但在40%的型煤配入體積分數(shù)時，焦炭各項主要指標變化不大，因此，確定30%的型煤配入體積分數(shù)為最佳配入量。

另外，表3中型煤加入體積分數(shù)為10%時的實驗是最后一組實驗，與其他組實驗的時間相差4個月，部分數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，分析主要原因是煤質(zhì)氧化造成的。

3.2 體積分數(shù)30%型煤配入量時黏結(jié)指數(shù)與焦炭質(zhì)量相關(guān)性研究

最佳型煤配入量確定后，焦炭的指標較之前有所提高，那么降低配煤成本就有了可操作空間。根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，調(diào)整了配煤方案，將G值從70逐步調(diào)整至55，對比研究焦炭質(zhì)量的變化。降低配合煤G值的試驗方案見表4，表4中數(shù)據(jù)為理論計算值，基準方案不配入型煤。

表4 降低配合煤G值的試驗方案

根據(jù)表4的試驗方案，共進行了5次300 kg焦爐試驗，結(jié)果見表5。

由表5可知：按體積分數(shù)30%的型煤配入量，在G65的時候，焦炭各項主要指標與G70的基準方案基本相同。但在G60的時候，焦炭各項主要指標下降明顯。試驗結(jié)論：型煤配入體積分數(shù)30%煉焦時，G值降低至65也可滿足生產(chǎn)需求。

表5 配合煤不同G值下焦炭質(zhì)量的試驗數(shù)據(jù)

3.3 配型煤煉焦添加焦化危廢的相關(guān)研究

在焦油沉淀以及污水的生化處理過程中，焦化廠會產(chǎn)生大量的焦油渣和剩余活性污泥，以及廢脫硫液等有毒有害的危險廢棄物；隨著環(huán)保要求越來越嚴格，產(chǎn)生的焦化危廢如何在焦化工藝內(nèi)實現(xiàn)閉路循環(huán)和無害化處理，已成為焦化廠亟待解決的環(huán)保和生產(chǎn)問題。

焦油渣自身具有較強的黏結(jié)性，在高溫下會融化，形成流動性很強的黏稠體?？沙浞纸櫜⑽皆诿毫１砻?，因此焦油渣可作為煉焦配煤黏結(jié)劑。

剩余活性污泥本身含有機物，如蛋白質(zhì)、脂肪和多糖，具有一定的熱值，又有一定的黏結(jié)性能，可作為型煤黏結(jié)劑，改善在高溫下型煤的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，同時也是疏松劑，可使剩余活性污泥的熱值也得到利用。

焦爐煤氣濕法脫硫是目前國內(nèi)焦化企業(yè)脫硫的主流工藝，但是其脫硫廢液因含有大量的硫氰酸鹽、硫代硫酸鹽和硫酸鹽，不能采用生化等方法進行處理，一般直接噴灑到煤場，破壞地下水，造成了二次污染。甚至導致煤場煤堆之間常年形成堰塞湖、人工島，煤場有效容量大幅降低，給堆煤、取煤操作帶來很大困難，同時也存在較大的環(huán)境污染風險。

焦油渣和剩余活性污泥都是高揮發(fā)分、高水分、低灰分物質(zhì)。在配煤煉焦過程中，會增大焦炭的氣孔率，不會導致焦炭灰分的明顯升高。脫硫液在高溫炭化下將難處理的硫化物，分解為易于吸收處理的硫化氫等含硫化合物，對焦炭質(zhì)量影響較小。因此在配煤煉焦時，適當添加焦化危廢在理論上是可行的；而且通過本次研究采用的配型煤煉焦工藝與裝備，可通過計量和混捏，將脫硫液、焦油渣和活性污泥有控制、有計量均勻壓制入型煤中，使生產(chǎn)管理更加科學環(huán)保。

根據(jù)山西焦化焦油渣、脫硫液與活性污泥的產(chǎn)量，確定了三種危廢的基本配入比例分別為（質(zhì)量百分數(shù)）：焦油渣0.21%、脫硫液0.23%、活性污泥0.84%。在300 kg試驗焦爐上，對配型煤煉焦工藝進行了最佳危廢配入量與配入方式的試驗，結(jié)果見表6。

由表6可以看出，通過配型煤煉焦工藝添加焦化危廢后對焦炭質(zhì)量影響較小，增加兩倍危廢配入量，也可保證焦炭質(zhì)量。

表6 不同配煤方式、不同焦化危廢添加量下的焦炭質(zhì)量分析

4 高密度型煤協(xié)同處置焦化危廢煉焦技術(shù)效果分析

此次配型煤煉焦研究，在型煤配入體積分數(shù)30%時效果較好，裝爐煤的堆密度可從720 kg/m3提高到840 kg/m3，實現(xiàn)焦炭增產(chǎn)16%。按增產(chǎn)10%計算，以山西焦化年產(chǎn)300萬t焦炭為例，每年可增產(chǎn)30萬t焦炭，噸焦盈利按150元計算，年可創(chuàng)收4 500萬元；該技術(shù)還可減少主焦煤、肥煤用量5%～10%，增加氣煤、瘦煤用量5%～10%，噸焦配煤成本可降低50元～80元，按噸焦成本降低50元，年產(chǎn)300萬t計算，每年可節(jié)約成本1 500萬元。

高密度型煤配煤煉焦，無論在提高焦爐產(chǎn)能與降低能耗方面，還是在危廢無害化循環(huán)利用與節(jié)能減排環(huán)保方面，都給焦化企業(yè)帶來了一個新的思路。經(jīng)此次試驗研究，高密度配型煤協(xié)同處置焦化危廢煉焦技術(shù)可作為焦化企業(yè)的一個新技術(shù)，為企業(yè)帶來新的利潤增長點，為焦化企業(yè)綠色發(fā)展提供技術(shù)與設備支撐。