戴永燕，閆立東

(1.鞍鋼教育培訓(xùn)中心，遼寧 鞍山 114032；2.遼寧科技大學(xué)，遼寧 鞍山 114051)

焦化工業(yè)是冶金工業(yè)的重要組成部分，其主要任務(wù)是為鋼鐵企業(yè)提供燃料，包括焦炭和焦?fàn)t煤氣，煉焦生產(chǎn)過(guò)程中所得的各種化學(xué)產(chǎn)品又為化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料、合成纖維等提供原料。此外，還為城市煤氣化提供煤氣[1]。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2018年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量9.28億t，同比增長(zhǎng)6.6%，焦炭產(chǎn)量4.38億t，同比增長(zhǎng)0.8%，粗鋼的產(chǎn)能需求強(qiáng)力拉動(dòng)了焦化工業(yè)的快速發(fā)展，保證了國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)焦炭的巨大需求，成為影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)[2]。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中，焦炭的質(zhì)量高低是至關(guān)重要的。

1 焦炭質(zhì)量的影響因素

煙煤的結(jié)焦機(jī)理是煤中有機(jī)質(zhì)的熱分解和熱縮聚，焦炭是由煤經(jīng)過(guò)高溫干餾最終經(jīng)過(guò)一定的結(jié)焦時(shí)間而形成的。因此，影響焦炭質(zhì)量的內(nèi)因是煤料的性質(zhì)，外因是備煤和煉焦的工藝條件[3]。

1.1 配合煤的成分和性質(zhì)

焦炭是由煉焦用煤經(jīng)過(guò)高溫干餾，發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化最終而形成的。因此，作為原料的煉焦用煤的質(zhì)量的好壞將直接影響焦炭的質(zhì)量。目前，由于優(yōu)質(zhì)煉焦用煤資源短缺，普遍采用配煤煉焦工藝，此法還可以充分利用各單種煤的結(jié)焦特性改善焦炭質(zhì)量，例如配合煤中增加肥煤配比，可以改善裝爐煤的粘結(jié)性；配合煤中配入焦煤，可以改善裝爐煤的結(jié)焦性；配合煤中配入合適比例的瘦煤，可以提高焦炭的塊度；配合煤中配入適量的氣煤，可以提高化學(xué)產(chǎn)品的產(chǎn)率等等。

1.2 煤料的堆比重

根據(jù)粘結(jié)機(jī)理，裝爐煤堆比重越大，焦炭質(zhì)量越好，特別是對(duì)弱粘結(jié)煤尤為明顯。由于堆比重的增加，可以使煤粒與煤粒之間的距離縮短，即使液態(tài)產(chǎn)物較少，也能在干餾過(guò)程中充滿變形煤粒間隙，提高膨脹壓力，改善粘結(jié)性，從而改善焦炭質(zhì)量。影響裝爐煤堆比重的因素包括：裝爐煤水分、裝爐煤細(xì)度以及煤料的預(yù)處理。

煉焦煤入爐前的預(yù)處理包括煤接受、儲(chǔ)存、倒運(yùn)、粉碎、配合和混勻等工作，為了擴(kuò)大弱粘結(jié)性煤的用量，目前來(lái)說(shuō)常采用配型煤煉焦、搗固煉焦、煤預(yù)熱技術(shù)、煤調(diào)濕與煤干燥等預(yù)處理工藝。

1.3 煉焦的工藝條件

煉焦生產(chǎn)的過(guò)程中，煉焦的工藝條件也影響著焦炭的質(zhì)量。例如，煉焦速度、煉焦溫度、燜爐時(shí)間以及焦?fàn)t操作水平等。

煙煤的結(jié)焦過(guò)程，如加快升溫速度，膠質(zhì)體中的一部分液態(tài)組分由于來(lái)不及熱解和收縮，從而導(dǎo)致其固化溫度升高，達(dá)到增大膠質(zhì)體軟化區(qū)間，直接改善膠質(zhì)體的性質(zhì)，從而改善焦炭質(zhì)量。生產(chǎn)實(shí)踐表明，提高焦餅中心溫度，可以使焦炭粒度均勻，大塊焦減少，這也是有利于高爐生產(chǎn)需要的。在一定的配煤之狼和結(jié)焦時(shí)間的條件下，確定合理的加熱制度和改善焦餅加熱的均勻性也是保證焦炭質(zhì)量的重要因素。

2 提高焦炭質(zhì)量的途徑

綜合上述影響焦炭質(zhì)量的主要因素，目前來(lái)說(shuō)，改善焦炭質(zhì)量的途徑主要有提高配合煤質(zhì)量、增加裝爐煤的堆比重、煤料均勻化及合理粉碎、摻入添加劑、提高煉焦速度、提高煉焦溫度與延長(zhǎng)燜爐時(shí)間、提高焦?fàn)t操作和管理水平。在裝爐煤性質(zhì)確定的條件下，對(duì)于室式煉焦，備煤與煉焦條件就是影響結(jié)焦過(guò)程的主要因素，同時(shí)也是影響焦炭質(zhì)量的主要因素。

3 煉焦煤料的預(yù)處理的應(yīng)用前景

我國(guó)的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中，大多數(shù)的煉焦生產(chǎn)單位采用的煉焦方式以常規(guī)的頂裝焦?fàn)t為主，逐漸的趨于大型化，當(dāng)然也有一些焦化廠采用搗固焦?fàn)t。就目前我國(guó)的煤炭貯量以及分布而言，煉焦用煤資源占煤炭資源貯量的37%，但一半以上是高揮發(fā)份煤、粘結(jié)性弱煤，其中優(yōu)質(zhì)煉焦煤不足30%，所以僅想要從提高配合煤的成分和性質(zhì)上來(lái)改善焦炭質(zhì)量不會(huì)是長(zhǎng)久之計(jì)。

因此，要想提高焦炭質(zhì)量，我認(rèn)為比較可行的方式是從煉焦煤料的預(yù)處理和改進(jìn)煉焦的工藝條件上來(lái)研究，節(jié)約優(yōu)質(zhì)煉焦煤，多配入弱粘結(jié)用煤。其中在改進(jìn)煉焦的工藝條件方面，比如提高煉焦溫度、延長(zhǎng)燜爐時(shí)間、確定合理的加熱制度和改善焦餅加熱的均勻性等是我們?cè)谏a(chǎn)的過(guò)程中一直在進(jìn)行的工作，也不斷的在提高這方面的能力。在改進(jìn)煉焦工藝條件，優(yōu)化加熱制度上只能在現(xiàn)有的配煤狀況下，提高焦炭質(zhì)量，而在擴(kuò)大弱粘結(jié)用煤上，煤的預(yù)處理技術(shù)就顯得效果更加明顯。目前，常見(jiàn)的煤料的預(yù)處理技術(shù)主要有以下幾種。

3.1 選擇性粉碎可以比較合理的改善煤料的粒度，使各單種煤的粒度均勻性更好

煉焦煤的粉碎工藝必須適應(yīng)煉焦煤的粉碎特性，使粒度達(dá)到或接近最佳粒度分布，由于煤的最佳粒度分布因煤種、巖相組成而不同，因此在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)不同煤種采用相應(yīng)的粉碎工藝。配煤煉焦中，常用的煉焦煤主要有四種，包括氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤，當(dāng)然也有采用氣肥煤和1/3焦煤等。如果按照常規(guī)的先配后粉工藝把四種常用的煉焦煤同時(shí)進(jìn)行粉碎，得到的粒度組成是不均勻的，或者按照先粉后配工藝單獨(dú)粉碎四個(gè)煤種，雖然粒度控制比較好，但是投資大，操作復(fù)雜，不經(jīng)濟(jì)。

按照變質(zhì)程度來(lái)說(shuō)，氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤是依次加深的，同時(shí)不同變質(zhì)程度的煤的硬度是不同的。較低變質(zhì)程度的氣煤和較高變質(zhì)程度的瘦煤的硬度較大，因此粉碎粒度較大，而中等變質(zhì)程度的肥煤、焦煤的硬度較小，因此粉碎粒度較小。更重要的是，根據(jù)粘結(jié)機(jī)理，結(jié)焦性較差的煤氣煤、瘦煤希望其粒度小些，可以改善焦炭質(zhì)量。而結(jié)焦性較好的煤肥煤、焦煤如果過(guò)度粉碎反而會(huì)破壞其粘結(jié)性，所以希望其粒度大些較好。這恰恰又與我們實(shí)際得到的是相反的。所以采用選擇性粉碎工藝，可以分別按照我們的需要進(jìn)行合理的粉碎。

因此，選擇性粉碎工藝是目前比較經(jīng)濟(jì)有效的預(yù)處理方式，大多數(shù)采用氣煤、瘦煤同時(shí)粉碎，肥煤、焦煤同時(shí)粉碎，這樣既根據(jù)單種煤的硬度不同可得到合適的粒度組成，又可以節(jié)省粉碎機(jī)的數(shù)量、節(jié)省投入成本。并且只需要在原有的生產(chǎn)工藝上增加一套單獨(dú)的粉碎系統(tǒng)，只需要再增加幾臺(tái)粉碎設(shè)備即可完成，比較簡(jiǎn)單方便。

3.2 配型煤煉焦可以在不降低焦炭質(zhì)量的情況下，多配入10%～15%低灰低硫的弱粘結(jié)性煤，以降低焦炭灰分、硫分及焦炭成本[4]

以弱粘結(jié)煤或不粘結(jié)煤為原料加入一定量的有機(jī)粘結(jié)劑混捏，成型后制成型煤，按一定比例和粉煤混裝煉焦叫配型煤煉焦。因此配入一定量的型煤會(huì)提高整個(gè)裝爐煤的堆密度，改善焦炭質(zhì)量。另外，配型煤煉焦時(shí)，型煤結(jié)構(gòu)緊密，其煤粒與煤粒距離近，其導(dǎo)熱性比粉煤好，因此在煉焦過(guò)程中升溫速度較快，能較早的出現(xiàn)膠質(zhì)體，延長(zhǎng)膠質(zhì)體的軟化溫度區(qū)間，改善粘結(jié)性，從而也能達(dá)到提高焦炭質(zhì)量的效果。但是當(dāng)型煤的配比量大到一定程度時(shí)，型煤的設(shè)備投入和生產(chǎn)成本增加，另外型煤配比超過(guò)40%時(shí)裝爐煤堆比重開始出現(xiàn)下降，同時(shí)也會(huì)引起對(duì)爐墻膨脹壓力的急劇增加，影響焦?fàn)t壽命，所以一般情況下，型煤配入量以不超過(guò)30%為宜。

3.3 煤調(diào)濕技術(shù)(CMC)[5]

煤調(diào)濕技術(shù)的基本原理是利用外加熱能將煉焦煤料在煉焦?fàn)t外進(jìn)行干燥、脫水以降低入爐煤水分，使水分調(diào)整、穩(wěn)定在6%左右，從而縮短結(jié)焦時(shí)間，提高加熱速度，控制煉焦耗熱量、改善焦?fàn)t操作、保護(hù)爐體、提高焦炭質(zhì)量或擴(kuò)大弱粘結(jié)性煤用量的煉焦技術(shù)，同時(shí)煤調(diào)濕也是煉焦生產(chǎn)中節(jié)能降耗的一個(gè)重要手段。

采用煤調(diào)濕可以利用焦?fàn)t的煙道廢氣、上升管粗煤氣等余熱作為干燥熱源，這樣不但能回收廢氣的熱量，而且能對(duì)環(huán)境保護(hù)起到一定的作用。

目前我國(guó)在實(shí)際生產(chǎn)中采用的煤調(diào)濕技術(shù)大多是采用低壓蒸汽為熱源或者以焦?fàn)t煙道廢氣為熱源。例如寶鋼2套煤調(diào)濕裝置，生產(chǎn)能力330 t/h，其是采用低壓蒸汽為熱源，一套正常運(yùn)轉(zhuǎn)，另外一套由于與焦?fàn)t匹配不好而停運(yùn)；攀鋼有1套380 t/h的煤調(diào)濕裝置，只投產(chǎn)幾個(gè)月，就一直處于停產(chǎn)狀態(tài)；邯鋼焦化采用焦?fàn)t煙道廢氣為熱源的煤調(diào)濕裝置在投產(chǎn)后一直在完善。因此，煤調(diào)濕在工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用需要解決由于裝爐煤水分的降低而造成的一系列問(wèn)題，包括在裝煤時(shí)會(huì)加劇裝爐的冒煙冒火、炭化室及上升管結(jié)石墨現(xiàn)象和煤氣冷卻凈化系統(tǒng)易堵等問(wèn)題，只有這些技術(shù)問(wèn)題得到徹底解決，才能保證煤調(diào)濕技術(shù)在我國(guó)的大規(guī)模推廣。

3.4 煤預(yù)熱技術(shù)

煤預(yù)熱技術(shù)是將裝爐煤在焦?fàn)t外預(yù)先加熱至150～250℃后，再裝爐煉焦。煤預(yù)熱的基本原理是根據(jù)煙煤的成焦機(jī)理，在煤干餾過(guò)程中，從常溫到300℃，煤的本質(zhì)沒(méi)有發(fā)生變化，固有性質(zhì)并沒(méi)有發(fā)生明顯變化，只是被干燥和預(yù)熱了，沒(méi)有發(fā)生化學(xué)變化。但是，當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中將預(yù)熱煤再送入到焦?fàn)t內(nèi)進(jìn)行煉焦時(shí)，導(dǎo)熱性明顯改善，炭化室內(nèi)的結(jié)焦過(guò)程發(fā)生了顯著變化(如軟化、熔融、熱解、固化、收縮等)，同時(shí)預(yù)熱煤的堆密度比濕煤增加10%～13%，且分布較均勻，裝爐煤的升溫速度加快從而達(dá)到改善焦炭質(zhì)量，但是若預(yù)熱溫度過(guò)高，會(huì)造成裝煤過(guò)程大量荒煤氣析出以及部分煤粒變粘，最終導(dǎo)致堆密度又出現(xiàn)下降。目前為解決熱煤裝爐的密封、防止煤粒氧化、發(fā)生爆炸、灰塵逸出導(dǎo)致焦油渣含量增加的實(shí)際問(wèn)題，一般煤的預(yù)熱均采用流態(tài)化裝置進(jìn)行，采用專門的裝爐技術(shù)，比如英國(guó)奧托-西姆卡夫公司提出的裝煤車裝爐、美國(guó)阿賴德化工公司開發(fā)的管道裝爐法、德國(guó)煤礦聯(lián)營(yíng)公司和迪弟爾公司開發(fā)的埋刮板裝爐法。煤預(yù)熱技術(shù)能提高焦炭質(zhì)量、改善環(huán)境污染，提高經(jīng)濟(jì)效益，但是技術(shù)要求高、難度大，在今后的發(fā)展中需要進(jìn)一步解決相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題。

所以，從生產(chǎn)工藝上來(lái)說(shuō)，想要在原有煉焦生產(chǎn)工藝的前提下提高焦炭質(zhì)量，我認(rèn)為還是從煤料的預(yù)處理方面來(lái)解決是目前比較可行且有效的措施。而在煤料的預(yù)處理的幾種方式中，目前我國(guó)的生產(chǎn)工藝情況上比較容易在生產(chǎn)中進(jìn)行技術(shù)改造并生產(chǎn)較為穩(wěn)定的就是選擇性粉碎和配型煤煉焦。