擴大煉焦煤源改善焦炭質量的煤預處理工藝

吳鵬飛，崔文權，胡金山，梁英華

（河北聯合大學 化學工程學院，河北 唐山 063009）

?化學與化工研究?

擴大煉焦煤源改善焦炭質量的煤預處理工藝

吳鵬飛，崔文權，胡金山，梁英華

（河北聯合大學 化學工程學院，河北 唐山 063009）

結合近幾年國內外有關提高裝爐煤堆密度對改善焦炭質量影響的研究和我國煉焦煤資源的現狀，總結分析了現有工藝如搗固煉焦、配型煤煉焦、煤調濕、煤預熱、微粉預成型等工藝特點、效果及裝爐煤堆密度的改善情況，指出在優質煉焦煤資源匱乏和高爐煉鐵對焦炭質量要求日益嚴格的條件下，通過提高裝爐煤堆密度而改善焦炭的質量，擴大煉焦用煤范圍，是現階段可行的方案。

堆密度；焦炭質量；裝爐煤預處理；煉焦煤資源

1 引 言

隨著各大鋼鐵企業高爐大型化和富氧噴煤技術的加強，對焦炭的質量提出了更高的要求，以滿足高爐能穩定高效的運轉。在此條件下，焦比降低使得焦炭在高爐內的停留時間延長。為了保證焦炭有足夠的塊度，防止焦粉由于過早增加，而導致的氣流和鐵液、液渣不能透過焦炭層順利地流動，影響高爐的平穩運行。因此焦炭的骨架作用變得十分重要，而在高爐煉鐵過程中焦炭的強度體現在焦炭熱態性能的優劣上。這就要求焦炭熱態性能的兩個指標CSR（反應后強度）盡可能高，CRI（反應性）保持在較低水平[1-3]。

提高焦炭強度特別是其熱態強度主要有以下幾個途徑：一是多配優質煉焦煤，但我國煉焦用煤種只占已查明煤炭儲量的26%（約2 675億噸），按目前每年消耗9～10億噸煉焦原煤計，中國煉焦煤剩余探明儲量僅能用60年，特別是灰分和硫含量較低的焦煤肥煤的儲量少，而且價格較高，因此不利于資源的合理利用和降低生產成本；二是配入粘結劑（包括焦油渣、瀝青、中溫瀝青、石油瀝青、煤瀝青、改質瀝青等）煉焦以改善焦炭黏結性，但由于粘結劑揮發分高使全焦率下降和氣孔率提高，配入量過大造成碳化室積碳，收縮過度等，此法提高焦炭質量也受到一定限制[4-6]；三是降低單種煤的粒度提高配合煤的堆密度，這是一種改善焦炭質量的較為簡單易行的方法。本篇文章著重從裝爐煤堆密度的角度展開論述。

2 裝爐煤堆密度對其結焦性能的影響

煤的成焦過程是在隔絕空氣加熱時，煤中的小分子脫離非共價鍵的束縛，小分子間結合形成塑性流動相后逐漸形成膠質體包覆在煤粒表面，膠質體逐步固化形成半焦，再經過熱解縮聚脫氫，放出氣體，體積收縮，繼續加熱直至半焦結成焦炭[7]。焦炭的結焦性除了與煤干餾過程中產生的膠質體質量和數量密切相關外，還與黏結成焦過程中煤粒間距離是否能夠使膠質體均勻的包覆在煤粒表面有關。因此可以通過提高裝爐煤堆密度的方法減小煤粒間距離，從而改善焦炭結焦性能。

裝爐煤堆密度，又叫煤的散密度是焦爐碳化室內單位體積（包括煤粒間的空隙也包括煤粒內的空隙）所裝煤料的質量。當裝爐煤堆密度提高時，煤粒間接觸更加緊密，在熱解過程中所產生的氣相產物的逸出阻力增大，使爐內膠質體膨脹壓力提高，當煤粒軟化膨脹增加的體積大于煤粒間空隙時，擴大了煤粒間接觸面積使之結合的更緊密，焦炭強度得以提高；另外提高堆密度有利于煤粒在界面發生反應，促進熱解析出的一些小分子化合物相互縮合，產生更多不易揮發的液相物質，使焦炭的黏結性增加；從氣孔結構方面說堆密度的增加，提高逸出阻力使熱解氣體不易散出，使焦炭氣孔率和比表面積下降，隨之焦炭的反應性也有所降低[8,9]。但裝爐煤堆密度過大會造成膨脹壓力增大，焦炭收縮不足，容易發生焦餅擠壓爐墻引起碳化室變形和推焦困難。因此，在一定程度上增加裝爐煤堆密度可以提高焦炭質量。

目前在提高裝爐煤堆密度方面，主要方法有物理壓實、調節粒度、調節水分等。在國內外煉焦生產上，主要是利用煤料的搗固、加熱、分級破碎等煤料預處理工藝和提高碳化室高度的方法提高裝爐煤堆密度[10]。

3 裝爐煤的物理壓實

通過物理壓實的方法提高裝爐煤堆密度的工藝有搗固側裝煤料和配型煤技術。

搗固煉焦是將配合煤在入爐前用搗固機搗實成體積略小于碳化室的煤餅后，從機側推入碳化室內煉焦，搗固后堆密度可由原來散裝煤的 0.7～0.75t/m3提高到 1～1.15t/m3。我國從上世紀七十年代開始采用搗固煉焦，但搗固技術落后，采用此技術的一般為3.2m、3.8m小型焦爐，搗固過程約需15min～20min，堆密度在0.9t/m3～0.95t/m3，不僅搗固時間長而且堆密度增加不明顯，煤餅容易坍塌，嚴重制約了搗固焦爐大型化的發展[11,12]。隨著近幾年搗固機械的技術突破，打破了搗固煉焦這一瓶頸，2009年3月5日由中冶焦耐工程技術有限公司設計4座46孔的唐山佳華6.25m搗固焦爐順利投產[13]。德國KOCH公司為佳華設計國內首臺大型搗固裝煤推焦一體機（SCP機技術）在車上同時完成搗固、裝煤、推焦過程。移動運煤加料裝置可將細度（粒度小于等于3mm所占比例）在 90%～93%的煤料通過小煤斗借助搖動給料器輸送到搗固煤箱內，利用多錘固定式搗固機（32錘）將煤料搗固成煤餅，時間一般小于7min，煤餅堆密度在1.0t/m3以上，且煤餅均勻穩定性好不易坍塌。在此過程中搗固裝煤推焦機不受任何影響，大幅提高工作效率，可年產干全焦220萬噸。它的投產在搗固焦爐大型化以提高裝爐煤堆密度的道路上有積極的借鑒意義。

配型煤煉焦是將一部分煤料配入粘結劑一起壓制成型煤后（以下重點介紹冷壓成型）和散煤按一定比例混合送入碳化室煉焦，型煤密度為1.1t/m3～1.2t/m3較散煤更加致密。型煤包括兩個要素粘結劑和煤料。選擇粘結劑注意要低灰、低硫，在冷壓成型時能將煤粒粘結并且干餾時還能形成流動性好膠質體；煤料要選擇合適的粒度，周國江等人發現原料平均粒度越小型煤強度越大，在粒度大于 60μm的煤料占80%時較好[14]。研究發現焦炭強度在型煤配比達到40%～50%時達到最大，但如果型煤配比超過 40%使膨脹壓力過大，造成推焦困難也給爐墻帶來損壞，故一般型煤配比不超過30%。日本住友開發的工藝是將一部分配合煤與單獨的非煉焦煤用粘結劑壓制成型煤，如圖1。鞍鋼化工總廠做對比試驗，用日本住友工藝型煤比例為30%與常規煉焦工藝相比，配型煤煉焦的焦炭 M10降低 0.7%～1.2%，M40提高1.6%～1.8%；粒度在 80～25mm之間的焦塊比例明顯增加，粒度分布更加均勻[15]。

圖1 日本住友配煤流程路線

通過將煤料物理壓實的方法，來提高裝爐煤堆密度，煉焦過程膠質體膨脹壓力得到提升，有助于改善焦炭黏結性，降低氣孔率和比表面積，改善焦炭氣孔結構，使焦炭冷態和熱態強度都得以提高。由于搗固煉焦和配型煤煉焦可以增加裝爐煤堆密度的特點，在煉焦煤資源有限的情況下，能夠增加高揮發分弱黏結性煤和非煉焦煤的配入量，擴大了煤源的選擇范圍，節約了優質資源。并且，我國的氣煤灰含量一般在 4%～6%之間，而我國優質煉焦煤的灰含量則較高，因此多配氣煤可以降低焦炭灰分在一定程度上改善焦炭質量，基本能滿足1 000m3以上大型高爐煉鐵需要。另一方面，在相同規格的碳化室條件下堆密度的提高，也增加了焦炭產量。

4 降低裝爐煤水分

通過與載熱介質換熱，將煤料中水分快速蒸發使其降低到規定的含水量，目前常用工藝有煤調濕和煤預熱。當煤料水分降低后，使水表面張力對煤粒間滑動的影響大大減弱，從而煤料接觸更加緊密，有助于堆密度的提高且沿碳化室高向上堆密度變化梯度減小，因此緩解了在煉焦過程中由于上下堆密度不同而加熱成熟不均一導致的焦炭裂紋增多質量下降情況的發生。鮑俊芳[16]等人實驗發現含水1%的干煤比含水6%和12%的濕煤堆密度大20%左右，而含水6%和12%的濕煤堆密度差別不大，這是由于當水分較高時受到上層煤料的重力壓實的影響，堆密度反而隨水分的增加而略有上升，水表面張力成為次要因素。研究表明，不同煤種隨預熱溫度升高其堆密度的變化趨勢大致相同，在200℃水分在2%左右堆密度達到極值，再提高溫度對堆密度的提高已不明顯，甚至下降。而且預熱溫度不易過高，否則若達到煤熱解溫度會析出大量氣體煤粒軟化變粘，不利于堆密度的提高[17]。雷勇[18]等人用首鋼焦化廠煉焦煤為原料做濕煤（Mt為10%）和干煤（Mt為0%）2kg小焦爐煉焦對比實驗，相同條件下得出干煤堆密度比濕煤增加 122.88kg/m3，提高了裝煤能力以及焦炭與焦化產物產量，減少了焦化廢水，如表1所示。

表1 不同方案的產率（%）

預熱煤煉焦現有三種工藝類型：西姆卡（Simcar）、普列卡邦（Precarbon）、考泰克（Coaltak）。煤調濕基本分為兩類，一類為利用焦爐余熱進行調濕，如利用煙道氣顯熱、荒煤氣顯熱與濕煤直接或者間接換熱；另一類是利用干熄焦發電后的二級蒸汽（壓力70～120kPa）進行間接換熱。目前，日本室蘭焦化廠[19]的 6號焦爐配合使用的是設計處理能力為100t/h的普列卡邦煤預熱工藝，此工藝將煤預熱至220℃水分完全被脫除，結焦時間縮短為15h，包括悶爐3h，提高了生產效率。1996年在室蘭焦化廠開始采用煤調濕技術，配合年產70萬噸焦炭的5號焦爐，利用5號焦爐煙道廢氣作為熱源，用風機鼓入流化床干燥機與煤料直接接觸加熱干燥，把水分降至6%左右，被煙道廢氣帶出的細煤粉再經過袋式除塵器分離和粗煤料一起裝入煤塔。采用此套設備后，入爐煤水分從11%降至6%，節約耗熱量310MJ/t（干煤）。

5 調整煤料粉碎粒度

通過調節煤料的粉碎粒度來對裝爐煤堆密度施加影響，對一般采用頂裝煤料的焦爐來說煤料細度控制在80%左右；但若采用搗固煉焦，可將煤料細度提高到90%這樣可使煤粒間接觸更加緊密，增強煤料的結焦性能。這是因為煤料的細度和粒度分布對焦炭質量乃至化工產品回收率都有影響，如果煤料粒度較大時，煤粒間空隙加大就會造成堆密度減小，配合煤的均一性不好，膠質體不足等影響焦炭質量；而煤料粒度過小時，不僅增加了裝爐難度，還使得熱解產生的液相產物不足以浸潤顆粒表面，煤料內部的熱解氣體容易分解析出，減小與其他熱解分子結合時間，降低液相產物的生成率，影響焦炭質量。

不同變質程度的煤料其粉碎性不同，氣煤和瘦煤等弱黏結性煤較硬，而中等變質程度的黏結性煤較易粉碎。通過做巖相分析得出，煤料粉碎后粒徑大于3mm的煤中的活性組分明顯少于小于1mm的煤中的活性組分[20]。有些焦化廠通過分組破碎然后再混合，這樣對于難粉碎煤細度可以控制在3mm以下，對于黏結性流動性好的煤料破碎標準可以降低，這樣有利于流動性和黏結性的發揮。1992年日本大分廠采用了微粉預成型工藝（DAPS）進行工業生產，如圖 2。煤料經過破碎后在流化床干燥器內干燥至含水 1.8%，粒徑在0.3mm及以下的煤粒被氣流帶出送入旋風分離器分離收集，然后用壓輥成型機在無粘結劑條件下壓制成型煤塊，與粗煤?；旌涎b爐[21]。在分離出的微粉煤中，由于黏結性高的煤有易粉碎特點，在運輸和粉碎過程中粒徑變得更小，因此微粉煤中黏結性煤比例較高，經過壓制成型，裝爐煤堆密度提高至 1.1t/m3，全膨脹率亦提高至 90%。由于煉焦過程中膨脹壓力的增大黏結性的提高，與煤調濕工藝相比焦炭的氣孔率下降反應性亦有所下降，轉鼓強度提高1.5個百分點，CSR提高4.5個百分點。同時此工藝不僅解決了低水分高細度煤的裝爐問題，而且提高了弱黏煤的配入量，研究表明當堆密度提高時可以通過增加弱黏氣煤配入量維持內部合適的膨脹壓力[22]。

圖2 DAPS工藝流程路線

近年來，日本煤綜合利用中心和日本鋼鐵聯盟進行著面向21世紀高效無污染大型焦爐（SCOPE21）的開發，綜合各工藝的特點如微粉成型、快速加熱等進一步完善煤料的預處理工藝，以期達到合適的膨脹壓力，增加弱黏煤不黏煤的配入量，擴大用煤范圍。2008年在日本大分廠實現工業生產，通過煤快速預熱和粉煤壓塊等工藝提高堆密度，弱粘煤配比達到50%以上，焦炭質量仍有提高，焦炭強度比傳統焦爐提高 2.5%，但與半工業試驗的單孔裝置的效果存在差距[23]。

6 結語

綜上所述，目前在提高裝爐煤堆密度的改進措施上，主要思路是通過煤料的物理壓實、降低水分、提高細度等方法。堆密度的提高對改善焦炭質量提高產量效果明顯，所以通過研發和優化工藝提高堆密度是今后工作的一個重點。研究并解決相關工藝還存在的問題，如：進一步突破搗固機械的大型化的瓶頸，減小煤餅搗固時坍塌的概率；降低水分造成的煙塵逸散污染環境，增加化產回收的難度；在無添加劑下，如何提高型煤塊強度等問題，使得焦炭冷態和熱態強度滿足大型高爐煉鐵的需要。眾所周知煉焦行業是個高耗能高污染的行業，還必須考慮到如何能做到降低能耗，盡量減少對環境的破壞，以配合國家的節能減排的政策，擴大煉焦用煤的選擇范圍使資源合理利用，緩解優質煉焦煤資源緊張的現狀，做到對環境和資源的可持續性。

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（責任編輯、校對：琚行松）

A Study on Pretreatment Process of Charging Coal to Improv the Coke Quality and Enlarge Caking Coal Resources in Coking Process

WU Peng-fei, CUI Wen-quan, HU Jin-shan, LIANG Ying-hua

(School of Chemical Engineering, Hebei United University, Tangshan 063009, China)

Examining the research on the factors affecting the quality of coke by increasing bulk density of coal charged and status of coking coal resources in recent years, this paper collected and analyzed the characters and influences of the existing coking technology stamp coke-making, briquetted coal blending, coal preheating, coal moisture control, dry-cleaned and agglomerated precompaction to the improving of bulk density. This paper, under the shortage of the excellent coking coal resources and the requiring of higher coke quality for the blast furnace ironmaking, pointed out that improving bulk density would enlarge the range of coking coal and ensure the quality of coke, which is viable way for the current period.

bulk density; quality of coke; pretreatment of charging coal; resources of coal

河北省科學技術研究與發展計劃項目（11212120D）

2011-06-14

吳鵬飛（1986-），男，河北石家莊人，河北聯合大學化學工程學院碩士研究生，研究方向為煤化工。

梁英華（1964-），女，河北辛集人，博士，河北聯合大學教授、碩士生導師，研究方向為化工與技術。

TQ520.61

A

1009-9115(2011)05-0030-04