焦化固廢高效利用的研究

劉曉彬，王勝春

（華北理工大學化學工程學院，河北唐山 063210）

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

1 實驗

1.1 實驗設備

首鋼技術研究院于2013年6月建成的一套高效環保實驗300kg 焦爐，主要用于首鋼當前一業多地焦化專業煉焦配煤實驗研究。小焦爐的主要組成部分有：焦爐本體、上升管、放散裝置、煤氣導出裝置、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150kW，熱電偶式炭棒分別置于焦爐兩側，每側6根，共12根，可以穩定地為焦爐提供熱量，而且最大的優點就是更利于根據焦爐耗熱需要進行供熱調節。唐山首鋼京唐公司西山焦化公司采用的小焦爐為頂裝裝煤，而生產出來的焦炭主要采用干熄方式，濕熄方式為備用輔助。

產出來的焦炭，直接送內部化驗室進行分析化驗，對焦炭各項指標進行分析測驗，主要包括焦炭的水分、灰分、揮發分、硫分以及反應性和反應后強度，然后將數據與大焦爐數據進行對比分析。再根據實際情況對配煤比例進行調整，進而找到更優化的配煤方式。

小焦爐生產節奏比較快，采用四班三倒的工作方式，每班三名操作人員維持生產。同時有點檢和維護單位協同維護小焦爐的運行。小焦爐通過全程自動化控制，包括爐體溫度控制、焦炭頂部的氣體壓力監控、氣體溫度測量、爐體內部溫度監控、炭化室壓力調節及耐火材料的溫度監控等均實現了自動化數據采集。

小焦爐生產過程中產生的荒煤氣，由荒煤氣壓力調節系統導出，燃燒系統的操作溫度控制在710～910℃。上升管煤氣壓力調節系統有一個調節水封，可以根據煤氣產量和系統壓力實現自動調節，進而達到自動控制焦爐煤氣均勻平穩流出的目的，最后可以實現氣體完全燃燒，最大限度地節約煤氣用量，并達到環保的要求。

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簡單，早在20世紀50年代就應用于煉焦工業生產。除塵灰的添加主要用于搗固煉制鑄造焦的生產。因為除塵灰多孔隙的表面和多的比表面積，使其在焦化過程中呈現出惰性特征，并且與活性成分的液體產物具有大的接觸面積，結合固體顆粒在液相上的簡單吸附，因此混合量不應太多。取焦化公司生產煤和除塵灰，按比例和要求進行配煤煉焦實驗，裝煤粉（干基）335kg，A0為標準對比實驗方案，A1、A2和A3分別代表配焦粉0.5%、1.0%和1.5%實驗方案。

由實驗數據可知，與生產配合煤相對比，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行配煤，那么配合煤的各項指標情況必然發生變化，最明顯的就是灰分和硫分會明顯升高，同樣也會影響焦炭的灰分和硫分。

因此，為了確保摻入除塵灰后，配合煤的質量保持穩定，也能同時保證焦炭質量的穩定甚至提升，必須嚴格控制除塵灰配入比例。通過數據分析得知，除塵灰配入比例應不高于1.5%。

1.3 煤質分析

取用標準粉碎后的配合煤進行實驗，其中裝爐煤細度為78%左右，并將其水分維持在10.2%左右，干基裝煤量控制為300kg。生產配合煤及各實驗方案按標準取樣，然后進行縮分，以4kg 標準樣作為煤質檢測。

很明顯，煤質的結焦性和黏結性都在一定程度上出現了下降。除塵灰的摻入，配合煤的結焦性和黏結性都會在一定的程度上出現不同程度的劣化。

通過上述數據綜合分析：當除塵灰的比例為0.5%時，配合煤的煤質最好；當除塵灰的配入比例為1.0%和1.5%時，配合煤的煤質基本沒有明顯差異，但煤質會有一定程度的劣化。

2 除塵灰回配實驗結果與分析

在生產過程中，為了保證良好的焦炭質量，除塵灰的粒度應盡量小一些。為了滿足這個要求，使用的是焦化內部的地面除塵站布袋收集除塵灰。通過采用生產配煤方案和配加除塵灰實驗方案進行300kg 半工業焦爐煉焦實驗，所得焦炭機械強度和高溫反應性及反應后強度可以得出以下結論。

2.1 焦炭篩分組成分析

將利用不同的配煤方案進行煉焦所得到的焦炭進行機械篩分，并進一步將焦炭按照塊度進行分類：＞80mm、80～60mm、60～40mm、40～25mm 以及＜25mm 五大類。生產出來的焦炭，塊度＞60mm 的占比，明顯比普通焦炭的比例高，與此同時，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，塊度＞60mm 的占比為32.1%；當除塵灰占比等于1.0%時，塊度＞60mm 的占比為33.2%；當除塵灰占比等于1.5%時，塊度＞60mm 的占比為35.1%。

由此，可以得出結論：在現有配煤比例狀況下，選擇適當的除塵灰占比（小于1.5%），焦炭塊度得到明顯提高。

2.2 焦炭機械強度分析

焦炭的機械強度包括焦炭的抗碎強度（M40）和焦炭耐磨強度（M10），由300kg 焦爐各配煤方案所得的數據結果可見，除塵灰是充當一種惰性物質被摻入煤粉中的，這增強了煤粉在焦化過程中的骨架效應，并增大了抗結焦性；而工業煤煉制焦炭的耐磨強度（M10）通常會大于摻和了除塵灰的實驗方案焦炭的耐磨強度，則便是在生產焦煤時添加0.5%～1.5%的除塵灰。而如果在當前的情況下，工業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發生，當增加焦炭強度時，會提高焦炭灰分并同時降低焦炭的耐磨性。

焦化作業部每天生產焦炭約11 000余噸，煉焦區域和干熄焦區域所有除塵灰累計日產量約為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，因此焦炭灰分和硫分含量也不會明顯提高。不過，除塵灰的配入，會大幅降低焦炭的耐磨強度，這樣對焦炭質量影響比較大。因此要想辦法降低這方面的影響，可以通過降低生產煤中瘦煤的配比來實現這一目的。簡單來說，也就是用除塵灰代替瘦煤。根據本次實驗數據綜合分析可知，焦炭的各項強度指標均穩定乃至有一定程度的提高，因此，該方案可行。

2.3 焦炭高溫反應性及反應后強度分析

焦炭的高溫CRI 和CSR 與普通煉焦煤生產的焦炭的各項指標進行對比，數據波動不大。有力的證明了配合煤中摻入＜1.5%的除塵灰時，生產出來的焦炭質量波動不大。

3 結論

1）在目前的配煤條件下，焦化生產時配加0.5%～1.5%除塵灰，可以不同程度提高焦炭＞60mm 產率，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，大于60mm 塊度的占比為32.1%，配合煤的煤質最好；當除塵灰占比為1.0%時，大于60mm 塊度的占比為33.2%，煤質會有一定程度的劣化；當除塵灰占比為1.5%時，大于60mm 塊度的占比為35.1%，焦炭的抗碎強度（M40）相比提高了約3.3%。

2）添加除塵灰配煤煉焦，會增加焦炭灰硫含量，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）在現有配煤條件下，配1.5%以內除塵灰煉焦時，可提高焦炭抗碎強度，但焦炭耐磨強度有一定降低。若穩定焦炭耐磨強度可考慮除塵灰替代同比例瘦煤煉焦。

4）依據目前焦化煤質，1.5%以內除塵灰配煤煉焦，對焦炭高溫CRI 與CSR 基本無影響。考慮半工業實驗所得到的焦炭數據無沒明顯異常，因此采取除塵灰（煤焦粉）配入配合煤的工業實驗。采取的方案是：除塵灰的配比不超過0.5%；如果可以實現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量，同時也產生了良好的經濟效益并實現了環保的要求。