焦化配煤技術(shù)研究進(jìn)展

孟曉輝，顏丙才，薛垂峰，巴合義，樊紅莉，李風(fēng)海

(1．菏澤學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，山東 菏澤 274000；2.山東巨銘能源有限公司，山東 菏澤 274900)

優(yōu)質(zhì)煉焦煤儲量短缺，而高爐大型化對焦炭質(zhì)量及穩(wěn)定性要求進(jìn)一步提高，對煉焦行業(yè)技術(shù)提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。優(yōu)化煉焦煤配比和添加劑使用成為降低生產(chǎn)成本和獲得優(yōu)質(zhì)焦炭的重要發(fā)展方向之一[1]。近年來，配煤成為焦化行業(yè)關(guān)注和研究的焦點(diǎn)，取得了較大的發(fā)展。本人擬從焦化配煤原理、粘結(jié)劑和瘦化劑三個(gè)方面對焦化配煤進(jìn)行綜述，以期對焦化企業(yè)的焦化配煤提供借鑒。

1 焦化配煤原理

焦化配煤原理是焦化生產(chǎn)中指導(dǎo)粘結(jié)劑、瘦化劑選擇的基礎(chǔ)。目前焦化廠配煤方案有很多種，但所依據(jù)的原理主要有膠質(zhì)層重疊原理、互換性原理、共炭化原理和催化原理。

1.1 膠質(zhì)層重疊原理

配煤中各煤種膠質(zhì)體的軟化區(qū)間、溫度間隔能夠較好地搭接。在配合煤煉焦過程中，配煤能夠在較款的溫度范圍內(nèi)處于塑性狀態(tài)，使黏結(jié)過程得到改善，從而得到結(jié)構(gòu)均勻的焦炭。“J法”是膠質(zhì)層重疊原理在焦化配煤中的應(yīng)用，它以煤與焦相互變化規(guī)律為依據(jù)，煤的黏結(jié)能力測定為基礎(chǔ)，能夠比較準(zhǔn)確地對焦炭強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，是一種簡單、準(zhǔn)確、快速、隨機(jī)確定配煤方案的技術(shù)。

1.2 互換性配煤原理

互換性性原理認(rèn)為，焦炭質(zhì)量取決于煉焦煤中的活惰比(活性組分與惰性組分的比)及焦化過程操作條件。單種煤的活性組分的質(zhì)量取決于其變質(zhì)程度，而鏡質(zhì)組最大反射率是反映煤變質(zhì)程度的最佳指標(biāo)。互換性配煤就是以煤巖的鏡質(zhì)組平均隨機(jī)反射率、反射率直方圖和鏡惰比參數(shù)為依據(jù)來調(diào)節(jié)主焦煤的活惰比，使配合煤的參數(shù)滿足焦化工藝要求，以改善焦炭質(zhì)量和降低配煤成本。

1.3 共炭化機(jī)理

煤中加入非煤粘結(jié)劑進(jìn)行炭化，稱為共炭化。共炭化為弱粘結(jié)煤煉焦粘結(jié)劑的選用提供了理論依據(jù)。也為有機(jī)渣油、橡膠類、塑料類、樹脂廢料等參與非煉焦煤煉焦提供了可能性。如Collin 將廢棄塑料與煤焦油瀝青共熱解，將所得殘余物與低階弱黏結(jié)煤共焦化，提高了弱粘結(jié)煤的結(jié)焦性[2]，孫業(yè)新等向配合煤中分別添加預(yù)處理的 4 種廢塑料進(jìn)行小焦?fàn)t煉焦實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)處理后的廢塑料除聚乙烯外所得焦炭的冷熱態(tài)強(qiáng)度均沒有下降，甚至還有所提高[3]。共炭化為解決環(huán)境污染提供了新的思路。

1.4 催化配煤原理

向配煤添加催化劑對其改性提高焦炭質(zhì)量[4]。40 kg焦?fàn)t配煤煉焦試驗(yàn)表明，在配合煤中微量硼化物、稀土添加劑等活性催化劑能夠有效改變焦炭的強(qiáng)度。可能的反應(yīng)機(jī)理為添加物在配煤熱解過程中起到了催化作用，在熱解過程中生成了較多的黏結(jié)性膠質(zhì)體，導(dǎo)致了焦炭強(qiáng)度的改善， 其催化機(jī)理有待于進(jìn)一步的分析。催化配煤非煉焦煤的利用提供了新的思路和研發(fā)路徑。

2 粘結(jié)劑

2.1 常用粘結(jié)劑

在共炭化理論指導(dǎo)下，近年來粘結(jié)劑研究的熱點(diǎn)主要集中在焦油瀝青類粘結(jié)劑，主要包括瀝青(煤焦油、石油)、石油殘?jiān)⒚航褂汀⒔褂驮取Ｆ渲忻簽r青與焦油渣作為焦化工藝副產(chǎn)物，在結(jié)構(gòu)、組成上與煤有著許多相似之處，成為近年來焦化行業(yè)粘結(jié)劑關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)，廢塑料、橡膠類以及焦化固廢活性污泥也成為焦化行業(yè)粘結(jié)劑研究的熱點(diǎn)之一。

2.2 粘結(jié)劑對焦炭質(zhì)量的影響

向高揮發(fā)分的煤中添加粘結(jié)劑(如石油瀝青、焦油瀝青、溶劑精制煤、煤熱溶物等)進(jìn)行共炭化時(shí)，這些粘結(jié)劑不僅能將煤粘結(jié)在一起，而且有助于其產(chǎn)物的各向異性的發(fā)展。Stwietlik等分別采用煤焦油瀝青和類瀝青殘?jiān)M(jìn)行了焦化對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)添加煤焦油提高煤的流動(dòng)性和膨脹度，而類瀝青殘?jiān)惶岣吡肆鲃?dòng)性；Fernández等在焦油瀝青、非煉焦煤、廢舊輪胎和兩種煙煤共熱解時(shí)，發(fā)現(xiàn)在煤塑性階段以前釋放大量揮發(fā)物的添加物對煙煤熱塑性能影響顯著[5]。熱溶物用于配煤煉焦可使膠質(zhì)體的塑性區(qū)間延長、流動(dòng)性增強(qiáng)，從而導(dǎo)致焦炭質(zhì)量提升[6]。TAKANOHASHI 等對不黏煤、弱黏結(jié)煤和強(qiáng)黏結(jié)性煤在不同溫度下得到熱溶物的熱塑性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)熱溶物熱塑性很好，且明顯優(yōu)于其所對應(yīng)的原煤[7]。

在煉焦過程中，粘結(jié)劑不僅起到增加膠質(zhì)體流動(dòng)度、改善粘結(jié)的作用，而且能夠與煤共炭化，形成界面結(jié)合好、呈光學(xué)鑲嵌結(jié)構(gòu)的“中間焦炭”， 從而改善焦炭的反應(yīng)性和強(qiáng)度。Alvarez 等采用不同粒徑分布的石油焦作為添加劑在6t焦?fàn)t中進(jìn)行焦化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焦炭孔隙的變化主要取決于添加劑的粒徑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Pis 等發(fā)現(xiàn)在配煤中石油焦的加入引起了焦炭的微孔體積和反應(yīng)性降低，并且指出反應(yīng)性的降低主要來源于微孔體積的降低[8]。孫喜民等把煤焦油瀝青和焦油渣按不同配比進(jìn)行配煤煉焦。發(fā)現(xiàn)粗苯和焦油產(chǎn)率有所提高，焦炭產(chǎn)率有所下降。瀝青使焦炭強(qiáng)度有所改善[9]。諸榮孫等對剩余污泥配煤煉焦的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)把不大于8%剩余污泥添加到原配合煤中，所得坩堝焦質(zhì)量與純配合煤相比沒有出現(xiàn)明顯變化，這提供了原地?zé)o害化處理焦化剩余污泥的途徑[10]。

3 瘦化劑

3.1 常用瘦化劑

在焦化工業(yè)生產(chǎn)中，常用的瘦化劑主要包括冶金焦粉、石油焦粉和無煙煤。這些瘦化劑配煤煉焦的研究，對保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源和降低成本具有重要的意義。冶金焦粉能夠提高塊焦率和改善焦炭抗碎強(qiáng)度；石油焦粉能夠降低焦炭灰分含量，改善焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度；無煙煤可取代部分瘦煤，能有效降低焦炭反應(yīng)性和硫含量。近年來蘭炭和廢棄活性炭在作為瘦化劑方面也得到了一定的應(yīng)用。此外，高爐灰、鐵礦粉、金屬廢渣和轉(zhuǎn)爐煙塵等含鐵物料也可作為瘦化劑，在煉焦過程中與高揮發(fā)分高流動(dòng)度的煤煉焦后生成鐵焦。含鐵物料不僅增加焦炭塊度和抗碎強(qiáng)度，減少焦炭裂紋，還助于降低煉鐵過程中的能耗[11]。

3.2 瘦化劑對焦炭質(zhì)量的影響

在配合煤黏結(jié)能力富余條件下，將焦粉控制在，添加粒度小于焦粉<0．2 mm，焦炭塊度隨加入量增加呈增大趨勢，其抗碎強(qiáng)度也會(huì)隨著略有增加。冶金焦粉中的灰分含量較高，會(huì)導(dǎo)致焦炭中灰分的增加，從而對焦炭的質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，焦粉的配比不宜過大，一般不大于5%[12]。在工業(yè)化生產(chǎn)中，陜焦化工有限公司在5.5 m搗固焦?fàn)t中添加了3%～5%的焦粉，焦炭質(zhì)量的改善比較明顯。強(qiáng)粘結(jié)性煤中一定量的石油焦粉的添加能減少焦炭的孔隙率和裂紋，降低焦炭的反應(yīng)性，增加其機(jī)械強(qiáng)度、耐磨強(qiáng)度和塊度。但石油焦粉與粘結(jié)組分結(jié)合時(shí)，較大顆粒的結(jié)合界面明顯，易形成裂紋，石油焦粉的粒度最好控制在0.5 mm以下[13]。

近年來，較高比例的無煙煤成為無煙煤配煤煉焦的主要研究方向。鮑俊芳等對12%無煙煤配比煉焦時(shí)，無煙煤結(jié)焦機(jī)理和粒度控制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)無煙煤較高比例參與配煤煉焦的最佳粒度為小于0.3 mm[14]〗。 張世東等在40 kg試驗(yàn)焦?fàn)t以高比例無煙煤為進(jìn)行配煤煉焦試驗(yàn)，在無煙煤 30%～40% 、焦煤和肥煤 50%～55%配比下，采用搗固煉焦工藝能夠生產(chǎn)出CSR>60%的焦炭[15]。顏科求等研究了廢棄活性炭添加量與粒徑對焦炭質(zhì)量的影響，結(jié)果表明在廢棄活性炭在0.5%～2.0%和粒徑在0.5～1.0 mm 時(shí)， 對焦炭的熱態(tài)強(qiáng)度和冷態(tài)強(qiáng)度不產(chǎn)生影響， 用廢棄活性炭代替瘦煤煉焦具有一定的可行性[16]。

4 展望

目前配煤煉焦技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)以下趨勢：(1)指導(dǎo)配煤煉焦的原理取向多元化趨勢。由原來的膠質(zhì)層重疊原理為主轉(zhuǎn)向“膠質(zhì)層重疊原理、共炭化原理和互換性配煤原理”共存。為配煤煉焦過程中添加劑(橡膠、瀝青、有機(jī)渣油、焦粉、廢塑料)的選擇提供了理論基礎(chǔ)，促進(jìn)焦化產(chǎn)業(yè)尾料(焦粉、煤焦油瀝青、焦化污泥)的循環(huán)綜合利用；(2)配煤種類由“氣、肥、焦、瘦”向無煙煤、低階煤和高硫煤拓展，擴(kuò)大了煉焦煤的范圍，降低了配煤成本；(3)配煤煉焦廠需求指標(biāo)的多元化。隨著煤焦油分離提純技術(shù)和焦?fàn)t煤氣綜合利用技術(shù)的進(jìn)展，在配煤煉焦提高焦炭產(chǎn)量的同時(shí)，也要關(guān)注焦?fàn)t煤氣和煤焦油的產(chǎn)量和質(zhì)量，使資源分配趨向利益最大化。