焦化固廢配煤煉焦中共炭化理論應用及需關注問題

甘秀石 ，王旭 ，高薇 ，杜慶海 ，張明明

（1.鞍鋼股份有限公司煉焦總廠，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼化學科技有限公司，遼寧 鞍山 114021）

中國是世界主要焦炭生產及消費大國，截至2016年年底，中國焦炭產量達到44 912萬t（實際總產能達到6.87億t），約占世界焦炭產量70%以上。焦化生產過程中產生大量焦油渣、剩余活性污泥、固廢樹脂和除塵粉等固體廢棄物，其中部分屬于危險廢棄物。按照焦炭生產線年產量為100萬t估算，每年可產生焦油渣500 t，含水剩余活性污泥2 500 t，其它盡管因工藝不同，固廢種類有所不同，但共同點是都有大量危險廢棄物產生。《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》中明確規定：產生工業固體廢物的單位應當建立、健全污染環境防治責任制度，采取防治工業固體廢物污染環境的措施。企業事業單位應當合理選擇和利用原材料、能源和其他資源，采用先進生產工藝和設備，減少工業固體廢物產生量，降低工業固體廢物危害性。因此，焦化固體廢棄物如何無害化處理，已成為焦化廠亟待解決的環保和生產問題［1］。

1 焦化固廢配煤煉焦可行性分析

焦化固體廢棄物無害化處理的主要路徑是在焦化工藝內實現閉路循環。現有固廢處理技術主要通過焚燒、填埋、物化等手段，采用減量、徹底的形狀改變或與環境徹底隔離等方式，以避免對環境造成危害。由于焦化工藝中配煤煉焦工藝具備上述的物料流、隔離、高溫等相似條件，因此具備應用的可行性［2］。

焦化固廢配煤煉焦可行性的最直接理論支撐就是共炭化原理。煤中加入非煤粘結劑進行炭化，稱為共炭化。共炭化研究為在采用低變質程度弱粘結煤煉焦時選用合適的粘結劑提供了理論依據［3］，也為將有機渣油、塑料類、橡膠類、瀝青等與煤共炭化提供了可能性，且為解決當前世界環境污染問題做出了很大貢獻。

Collin在400℃下將廢塑料與煤焦油瀝青共熱解，收集熱解油和氣體產物，反應所得殘余物與弱粘結煤共焦化能提高其結焦性；烏克蘭研究者利用配煤同塑脂廢料共焦化，由于芳香結構的有機物對配煤結焦性具有良好影響，所得焦炭強度提高，并獲得貴重化學產品。同時，中國焦化企業近年來將大量焦化固廢應用在焦化生產實踐中，也更有力證明了焦化固廢配煤煉焦的可行性［4］。

2 焦化固廢配煤煉焦典型應用案例分析

焦化固廢種類較多，成分因原料、工藝等有較大差別，選取有共性、差異性較小的四種典型焦化固廢進行應用分析。

2.1 焦化固廢焦油渣配煤煉焦應用

2.1.1 焦化固廢焦油渣適應性分析

焦油渣自身的黏結性極弱，但在高溫下會融化，形成流動性很好的黏稠體，黏結性迅速提高，可充分浸潤并吸附在煤粒表面。因此，焦油渣可作為煉焦配煤黏結劑。在配合煤煉焦過程中，瘦煤、焦油渣在成焦的每個過程中，都能互相彌補缺陷，大大降低對焦炭強度的影響。

對鞍鋼煉焦總廠的焦化固廢焦油渣進行常規工業分析和元素分析，結果見表1。

表1 焦化固廢焦油渣常規工業分析和元素分析結果（質量分數） %

從表1可見，焦化固廢焦油渣主要成分為碳，具有高揮發分、低灰分，全硫與中等含硫煤相當。在配煤煉焦過程中，不會導致焦炭灰分、硫分的明顯升高。在煉焦的熱解過程中，由于瘦煤的揮發分低，析出的氣體少，因此產生的液態物能夠轉化為膠質狀態的少；而焦油渣在該過程中可形成大量的氣體以及膠質體，把分子量較大的固態物質包圍起來，形成氣、液、固三相共存的膠質體，彌補了瘦煤黏結性相對較差的不足。在半焦收縮過程中，焦油渣的揮發分高，收縮量相對較大；而瘦煤的揮發分低，膠質體數量極少，半焦收縮過程平緩，收縮量極低，與共炭化理論較為吻合，具有可行性。

2.1.2 焦化固廢焦油渣應用試驗

根據焦化固廢焦油渣的產量及粘結性質，用穩定供給的山西瘦煤A與焦化固廢焦油渣按6:1比例混合成型煤［5］，型煤再與其他煤種按一定比例配煤煉焦。試驗采用40 kg小焦爐，試驗所用煤種為配合煤，由配煤生產皮帶運輸機上取得。40 kg小焦爐的初始爐溫為800℃，煉焦溫度為（1 050±10）℃，煉焦時間為17 h，高溫燜爐時間為2 h。采用濕法熄焦，焦炭的冷強度及熱態性能分別按GB/T 2006-2008和GB/T 4000-2008進行測定。

在基礎煤配比相同的條件下，分別用瘦煤A和型煤進行對比試驗。加入瘦煤A和型煤比例分別從3%遞增至9%，每個百分比進行兩爐試驗，試驗結果取平均值，消除試驗誤差。瘦煤A配煤和含焦化固廢焦油渣型煤配煤對比試驗方案見表2［6］。

表2 瘦煤A配煤和含焦化固廢焦油渣型煤配煤對比試驗方案（質量分數） %

對試驗所得焦炭進行相關質量檢測。在瘦煤A和型煤所占比例為3%～9%時，瘦煤A配煤和含焦化固廢焦油渣型煤配煤的焦炭冷熱強度對比見表3。從表3可見，隨著瘦煤A配入百分比的逐步遞增，焦炭的抗碎強度（M40）逐漸升高、耐磨強度（M10）逐漸降低，焦炭冷強度有所改善；焦炭反應性（CRI）先降低后升高，反應后強度（CSR）先升高后降低。瘦煤A配入比例為5%時，焦炭的CSR最高為58.30%，焦炭熱態性能最好；在瘦煤A配入比例大于5%時，隨著瘦煤A配比的增加，焦炭的CSR逐漸降低，焦炭的熱態性能變差。當用型煤進行同配比的對比試驗時，隨著型煤配比的逐步遞增，焦炭的M40逐漸降低，M10逐漸升高，焦炭冷強度逐漸變差；焦炭的CRI升高，CSR先升高后急劇降低。在型煤的配入比例為5%時，焦炭的CSR最高為57.25%，焦炭熱態性能最好；在型煤配入比例大于5%時，隨著型煤配比的增加，焦炭的CSR大幅降低，焦炭熱態性能變差。

表3 瘦煤A配煤和含焦化固廢焦油渣型煤配煤的焦炭冷熱強度對比 %

對比兩組試驗可知，當配比低于7%時，與瘦煤A試驗焦炭相比，型煤試驗焦炭的M40明顯高，M10明顯低，CSR略低，即型煤試驗焦炭的冷強度優于瘦煤A的試驗焦炭，但焦炭熱性能稍差。當配比為7%時，與瘦煤A試驗焦炭相比，型煤試驗焦炭的M40和M10變化不大，CSR較優，即二者冷強度基本一致，型煤試驗焦炭熱性能略好。當加入型煤比例大于7%時，型煤試驗焦炭的冷熱強度均大幅變差。

2.1.3 焦化固廢焦油渣應用結論

在配煤煉焦生產中，根據焦炭質量的變化情況，加入型煤比例由3%逐步增加至9%，后根據資源供應變化、焦炭質量要求等情況，加入型煤比例控制在7%左右。通過近一年的生產實踐得出，在焦化固體廢棄物與瘦煤A按1:6配制成型煤，型煤配比為7%左右時配煤煉焦，對所得焦炭的冷熱態強度影響不大，配煤煉焦是可行的［7］。

2.2 焦化固廢剩余活性污泥配煤煉焦應用

2.2.1 焦化固廢剩余活性污泥適應性分析

焦化固廢剩余活性污泥本身含有機物，如蛋白質、脂肪和多糖，具有一定的熱值，又有一定的黏結性能，在煤加工成型煤的過程中，可作黏結劑，改善在高溫下型煤的內部孔結構，提高型煤的氣化反應性，降低灰渣中的殘碳，提高碳轉化率。剩余污泥既可以作為黏結劑，也可作為疏松劑，使剩余污泥的熱值也得到利用。

對鞍鋼焦化固廢剩余活性污泥進行常規工業分析和元素分析，結果見表4。從表4可見，焦化固廢剩余活性污泥主要含水，是高揮發分、低灰分物質。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，但灰成分中主要是鐵等對煉焦有害的雜質［6］。可見，在配煤煉焦時，適當添加焦化固廢剩余活性污泥在理論上是可行的。

表4 鞍鋼焦化固廢剩余活性污泥常規工業分析和元素分析結果 %

2.2.2 焦化固廢剩余活性污泥應用試驗

試驗用煉焦配合煤，污泥采自生產線A、生產線B，配比為各50%。試驗1為配合煤基礎試驗，試驗2采用焦化固廢剩余活性污泥配入煉焦煤比例1.5%，試驗3采用焦化固廢剩余活性污泥配入煉焦煤比例3.0%。試驗用40 kg小焦爐，采用側裝，控制堆密度為0.75。40 kg小焦爐的煉焦溫度為（1 050±10）℃，煉焦時間為 17 h，高溫燜爐時間為2 h。采用濕法熄焦，焦炭的冷強度及熱態性能分別按GB/T 2006-2008和GB/T 4000-2008進行測定。分別對試驗1、2、3進行兩組測試，取平均值，試驗結果見表5。

表5 焦化固廢剩余活性污泥配煤與常規配煤的焦炭冷熱強度對比 %

從表5可見，生產配煤配入污泥1.5%、3.0%后，焦炭灰分升高；焦炭冷強度M40分別降低1.0%、2.6%，M10分別升高 1.7%、2.7%；焦炭熱強度CSR分別降低28.9%、31%。

2.2.3 焦化固廢剩余活性污泥應用結論

焦化固廢剩余活性污泥對焦炭質量有一定影響，不適合大比例配入配合煤中煉焦，實踐中對其加入工藝進行嚴格控制，保證其連續有效少量配入，并混合均勻，達到不影響焦炭質量的要求。

2.3 焦化固廢離子交換樹脂配煤煉焦應用

2.3.1 焦化固廢離子交換樹脂適應性分析

焦化干熄焦水處理產生的離子交換樹脂被列為國家危險廢物，收錄于國家危險廢物名錄中，廢物代碼900-015-13，是一種含離子交換基團功能的高分子聚合物，應用時為顆粒狀，在水處理過程中吸附了大量重金屬、酸堿，原采用掩埋處理，具有長期的潛在危險，一旦進入環境將造成嚴重污染［8］。對焦化固廢離子交換樹脂進行工業分析、全硫等化檢驗分析，結果見表6。對焦化固廢離子交換樹脂進行灰成分分析，結果見表7。

表6 焦化固廢離子交換樹脂工業分析和全硫分析結果（質量分數） %

從表6、7可見，樹脂具有低灰、低硫、高揮發分的特點，在殘留灰分中，Fe2O3和SiO2共占78.48%，是灰分的主要成分，具備少量配入備煤條件。

由于此固廢不是由煉焦化學工藝產生，對其重金屬的含量進行檢測，結果見表8。從表8可見，焦化固廢離子交換樹脂的重金屬含量符合環保技術要求。

表8 焦化固廢離子交換樹脂的重金屬含量分析結果

2.3.2 焦化固廢離子交換樹脂應用試驗

試驗用煉焦配合煤，調整配煤結構，試驗1為配合煤基礎試驗；試驗2采用焦化固廢離子交換樹脂配入煉焦煤比例0.1%，試驗3采用焦化固廢離子交換樹脂配入煉焦煤比例0.3%。試驗用200 kg小焦爐，共6爐試驗。200 kg小焦爐的煉焦溫度為（1 050±10）℃，煉焦時間為16 h。采用干法熄焦，焦炭冷強度及熱態性能分別按GB/T 2006-2008和GB/T 4000-2008進行測定。焦化固廢離子交換樹脂調整配煤結構試驗方案見表9，焦化固廢離子交換樹脂調整配煤結構方案配合煤質量見表10。

表9 焦化固廢離子交換樹脂調整配煤結構試驗方案 %

表10 焦化固廢離子交換樹脂調整配煤結構方案配合煤質量

焦化固廢離子交換樹脂配煤與常規配煤的焦炭冷熱強度對比見表11。

表11 焦化固廢離子交換樹脂配煤與常規配煤焦炭冷熱強度對比 %

從表11可見，調整配煤比后，當加入0.1%樹脂時，M40提高 1%，M10升高0.7%，CRI基本持平，CSR下降1.7%，焦炭總體質量下滑不明顯。但與配合煤基礎實驗相比，當加入0.3%樹脂時，M40下降1.8%，M10升高0.9%，CRI升高 0.9%，CSR下降2.7%，焦炭質量下滑明顯。

2.3.3 焦化固廢離子交換樹脂應用結論

焦化固廢離子交換樹脂含有對焦炭質量起到劣化作用的物質，使用固廢離子交換樹脂回配煉焦，當回配比例不超過0.1%時，對焦炭質量影響不大；當回配比例超過0.1%，對焦炭質量影響加大，焦炭質量明顯下降。調整配煤結構對焦化固廢離子交換樹脂在煉焦中所起的劣化作用影響不大，且將大幅度提高配煤成本。

2.4 焦化固廢除塵焦粉配煤煉焦應用

2.4.1 焦化固廢除塵焦粉適應性分析

根據焦化固廢除塵焦粉產生的工藝，選取2種有代表性的除塵灰。焦化固廢除塵焦粉的工業分析、全硫分析結果見表12，焦化固廢除塵焦粉的粒級分布分別見表13。

表12 焦化固廢除塵焦粉的工業分析、全硫分析（質量分數） %

表13 焦化固廢除塵焦粉的粒級分布（質量分數） %

從表12、表13可見，推焦裝煤混合除塵焦粉灰分11.65%，揮發分11.73%，硫分0.93%；其粒度組成，＜0.1 mm 占 36.44%，＜0.7 mm 占 96.02%；干熄焦一、二次混合除塵焦粉灰分12.58%，揮發分1.01%，硫分0.78%；其粒度組成，＜0.1 mm占18.05%，＜0.7 mm占88.93%。焦化固廢除塵焦粉灰分與煉焦用煤接近，＜0.1 mm粉末的含量偏低，適合在工藝上改造。

2.4.2 焦化固廢除塵焦粉應用試驗

試驗用煉焦配合煤、焦化固廢推焦裝煤混合除塵焦粉。試驗1為配合煤基礎試驗；試驗2采用焦化固廢推焦裝煤混合除塵焦粉配入煉焦煤比例1%，試驗3采用焦化固廢推焦裝煤混合除塵焦粉配入煉焦煤比例2%。試驗用200 kg小焦爐，共6爐試驗［9］。 200 kg 小焦爐的煉焦溫度為 （1 050±10） ℃，煉焦時間為16 h。采用干法熄焦，焦炭的冷強度及熱態性能分別按GB/T 2006-2008和GB/T 4000-2008進行測定，試驗結果見表14、表15。

表14 焦化固廢推焦裝煤混合除塵焦粉調整配煤結構試驗配合煤質量

表15 焦化固廢推焦裝煤混合除塵焦粉配煤和常規配煤的焦炭冷熱強度對比 %

從配煤試驗結果看，添加1%、2%除塵灰代替瘦煤后，配合煤灰分、揮發分略有上升。Y值、G值變化不大。

從表15可見，配入1%、2%的推焦裝煤除塵焦粉，焦炭M40分別下降1.7%和2.2%，M10分別升高0.3%和1.4%，CSR均有小幅下滑。

2.4.3 焦化固廢除塵焦粉的應用結論

焦化固廢除塵焦粉含有對焦炭質量起劣化作用的物質，回配比例對焦炭質量影響較大，焦炭質量明顯下降。調整配煤結構對焦化固廢除塵焦粉在煉焦中所起的劣化作用有一定控制作用，但配煤成本將有所提高。

3 焦化固廢配煤煉焦需要關注的問題

3.1 與其它配煤原理結合問題

膠質層重疊原理要求配合煤中各單種煤膠質體的軟化區間和溫度間隔能較好地搭接，以使配合煤在煉焦過程中能在較大的溫度范圍內處于塑性狀態，從而改善粘結過程，并保證焦炭的結構均勻。焦化固廢的加入要辨明添加物是“添加劑煤”還是“填充劑煤”，用簡易“優選法”確定配煤比，定出配入方案［4］。如在焦化固廢除塵樹脂的回配中，就要充分考慮此問題，選擇替代煤化度較高的煉焦煤種（如瘦煤），并與之充分混勻，發揮好填充作用。

3.2 焦炭的質量影響問題

焦炭質量取決于煉焦煤中的活性組分、惰性組分含量及煉焦操作條件。單種煤的變質程度決定其活性組分的質量，鏡質組平均組最大反射率是反映單種煤的變質程度的最佳指標。同樣焦化固廢的加入必須考慮互換性配煤原理［10］，當配煤有較強粘結性時，加入一定量焦化固廢除塵焦粉有利于焦炭質量提高，回配3%～5%的焦化固廢除塵焦粉代替瘦煤煉焦，技術上是可行的，但在同樣煤質情況下，如果不添加粘結劑，為保證焦炭質量，焦化固廢焦粉的細度至關重要［4］。

3.3 利用過程無害化問題

在焦化污染防治原則層面，明確“無害化”是“資源化”的前提，提高相應的焦化固廢綜合利用過程和產品的污染防治要求，防止二次污染，確保“資源化”過程和產品的“無害化”。如焦化固廢焦油渣的配入就要考慮與原料煤一定比例結合，經過混合、攪拌、壓制成球，提高混配過程中的環保等級。

3.4 處理過程經濟化問題

從環保產業市場來看，我國“三廢”治理行業治理投資占環保產業整體投入比重不足，焦化固廢的利用不能“只循環，不經濟、再生資源貴過原生資源”，要適度考慮利用成本。如焦化固廢剩余活性污泥的配入就是考慮原有處理過程的成本因素，在不影響產品品質的情況下，適當配入原料煤中較為經濟合理。

4 結論

（1）在保證焦炭質量前提下，充分利用焦化固廢與配合煤的共炭化理論，科學合理地使用焦化固廢，能夠實現焦化生產過程中的清潔化，提高了企業的循環經濟效益。

（2）可將焦化固體廢棄物與瘦煤A按1:6配制成型煤，按7%比例配入型煤煉焦，對焦炭質量影響不大。

（3）焦化固廢剩余活性污泥對焦炭質量有一定影響，不適合大比例配入配合煤中煉焦，但可通過嚴格控制比例，保證其連續有效少量配入，并混合均勻，達到不影響焦炭質量的要求。

（4）焦化固廢焦粉含有對焦炭質量起到劣化作用的物質，可通過調整配煤結構對固廢除塵焦粉在煉焦中所起的劣化作用進行一定控制，但配煤成本將有所提高。

（5）使用焦化固廢離子交換樹脂回配煉焦，當回配比例不超過0.1%時，對焦炭質量影響不大；當回配比例超過0.1%，對焦炭質量影響加大，焦炭質量明顯下降。調整配煤結構對焦化固廢離子交換樹脂在煉焦中所起的劣化作用影響不大，且將大幅度提高配煤成本。

（6）利用焦化固廢配煤煉焦開辟了焦化固體廢棄物循環利用的新途徑，輻射全國同行業，可降低社會環保治理壓力，對焦化行業節能減排具有較大借鑒意義。

（7）焦化固廢配煤煉焦技術的應用，有利于保護處于緊缺狀態的國內優質煉焦煤資源，有利于資源的可持續利用，具有顯著的社會效益。