焦化固废高效利用的研究

刘晓彬，王胜春

（华北理工大学化学工程学院，河北唐山 063210）

我国是煤炭储存量最大的国家之一，目前已经勘探出的储量达到1.20万亿t，位于美国以及俄罗斯之后的第三储量大国。但是，优质炼焦煤资源在国内紧缺已成为事实，同时高炉的大型化以及炼铁对焦炭质量的稳定性又提出了更高的要求。5 500m3超大型高炉，该炉型对焦炭质量的要求极为苛刻，焦炭M40要求维持在85%以上时。针对高炉这一要求，炼焦用煤对优质煤的耗用量极高。因此，在保证焦炭各项指标满足高炉生产需要的前提下，尽量降低优质煤的耗用量，提出了在配合煤中掺入瘦化剂焦化除尘灰。

1 实验

1.1 实验设备

首钢技术研究院于2013年6月建成的一套高效环保实验300kg 焦炉，主要用于首钢当前一业多地焦化专业炼焦配煤实验研究。小焦炉的主要组成部分有：焦炉本体、上升管、放散装置、煤气导出装置、装煤部分、推焦部分、接焦部分、熄焦部分、加热部分、地下室、蓄热室等。电加热使用的加热元件为热电偶，热电偶的加热功率高达150kW，热电偶式炭棒分别置于焦炉两侧，每侧6根，共12根，可以稳定地为焦炉提供热量，而且最大的优点就是更利于根据焦炉耗热需要进行供热调节。唐山首钢京唐公司西山焦化公司采用的小焦炉为顶装装煤，而生产出来的焦炭主要采用干熄方式，湿熄方式为备用辅助。

产出来的焦炭，直接送内部化验室进行分析化验，对焦炭各项指标进行分析测验，主要包括焦炭的水分、灰分、挥发分、硫分以及反应性和反应后强度，然后将数据与大焦炉数据进行对比分析。再根据实际情况对配煤比例进行调整，进而找到更优化的配煤方式。

小焦炉生产节奏比较快，采用四班三倒的工作方式，每班三名操作人员维持生产。同时有点检和维护单位协同维护小焦炉的运行。小焦炉通过全程自动化控制，包括炉体温度控制、焦炭顶部的气体压力监控、气体温度测量、炉体内部温度监控、炭化室压力调节及耐火材料的温度监控等均实现了自动化数据采集。

小焦炉生产过程中产生的荒煤气，由荒煤气压力调节系统导出，燃烧系统的操作温度控制在710～910℃。上升管煤气压力调节系统有一个调节水封，可以根据煤气产量和系统压力实现自动调节，进而达到自动控制焦炉煤气均匀平稳流出的目的，最后可以实现气体完全燃烧，最大限度地节约煤气用量，并达到环保的要求。

1.2 除尘灰回配炼焦的配煤方案

配加除尘灰炼焦工艺相对简单，早在20世纪50年代就应用于炼焦工业生产。除尘灰的添加主要用于捣固炼制铸造焦的生产。因为除尘灰多孔隙的表面和多的比表面积，使其在焦化过程中呈现出惰性特征，并且与活性成分的液体产物具有大的接触面积，结合固体颗粒在液相上的简单吸附，因此混合量不应太多。取焦化公司生产煤和除尘灰，按比例和要求进行配煤炼焦实验，装煤粉（干基）335kg，A0为标准对比实验方案，A1、A2和A3分别代表配焦粉0.5%、1.0%和1.5%实验方案。

由实验数据可知，与生产配合煤相对比，除尘灰灰分和硫分含量明显较高，灰分含量为6.41%，其硫分含量为0.26%。显而易见，理论上判断，很容易知道，如果盲目地将除尘灰作为原料进行配煤，那么配合煤的各项指标情况必然发生变化，最明显的就是灰分和硫分会明显升高，同样也会影响焦炭的灰分和硫分。

因此，为了确保掺入除尘灰后，配合煤的质量保持稳定，也能同时保证焦炭质量的稳定甚至提升，必须严格控制除尘灰配入比例。通过数据分析得知，除尘灰配入比例应不高于1.5%。

1.3 煤质分析

取用标准粉碎后的配合煤进行实验，其中装炉煤细度为78%左右，并将其水分维持在10.2%左右，干基装煤量控制为300kg。生产配合煤及各实验方案按标准取样，然后进行缩分，以4kg 标准样作为煤质检测。

很明显，煤质的结焦性和黏结性都在一定程度上出现了下降。除尘灰的掺入，配合煤的结焦性和黏结性都会在一定的程度上出现不同程度的劣化。

通过上述数据综合分析：当除尘灰的比例为0.5%时，配合煤的煤质最好；当除尘灰的配入比例为1.0%和1.5%时，配合煤的煤质基本没有明显差异，但煤质会有一定程度的劣化。

2 除尘灰回配实验结果与分析

在生产过程中，为了保证良好的焦炭质量，除尘灰的粒度应尽量小一些。为了满足这个要求，使用的是焦化内部的地面除尘站布袋收集除尘灰。通过采用生产配煤方案和配加除尘灰实验方案进行300kg 半工业焦炉炼焦实验，所得焦炭机械强度和高温反应性及反应后强度可以得出以下结论。

2.1 焦炭筛分组成分析

将利用不同的配煤方案进行炼焦所得到的焦炭进行机械筛分，并进一步将焦炭按照块度进行分类：＞80mm、80～60mm、60～40mm、40～25mm 以及＜25mm 五大类。生产出来的焦炭，块度＞60mm 的占比，明显比普通焦炭的比例高，与此同时，块度＞60mm 的占比随着除尘灰配比的提高而增加。除尘灰占比等于0.5%时，块度＞60mm 的占比为32.1%；当除尘灰占比等于1.0%时，块度＞60mm 的占比为33.2%；当除尘灰占比等于1.5%时，块度＞60mm 的占比为35.1%。

由此，可以得出结论：在现有配煤比例状况下，选择适当的除尘灰占比（小于1.5%），焦炭块度得到明显提高。

2.2 焦炭机械强度分析

焦炭的机械强度包括焦炭的抗碎强度（M40）和焦炭耐磨强度（M10），由300kg 焦炉各配煤方案所得的数据结果可见，除尘灰是充当一种惰性物质被掺入煤粉中的，这增强了煤粉在焦化过程中的骨架效应，并增大了抗结焦性；而工业煤炼制焦炭的耐磨强度（M10）通常会大于掺和了除尘灰的实验方案焦炭的耐磨强度，则便是在生产焦煤时添加0.5%～1.5%的除尘灰。而如果在当前的情况下，工业煤的焦化不能够合理利用除尘灰，那么在很大概率情况下会发生，当增加焦炭强度时，会提高焦炭灰分并同时降低焦炭的耐磨性。

焦化作业部每天生产焦炭约11 000余吨，炼焦区域和干熄焦区域所有除尘灰累计日产量约为110t。如果想完全消耗这部分除尘灰，那么在配合煤中掺入除尘灰的比例大概是0.8%。虽然除尘灰灰分和硫分含量与生产煤相比，相差不是很多，而且除尘灰配加比例一般控制在1.5%以内，因此焦炭灰分和硫分含量也不会明显提高。不过，除尘灰的配入，会大幅降低焦炭的耐磨强度，这样对焦炭质量影响比较大。因此要想办法降低这方面的影响，可以通过降低生产煤中瘦煤的配比来实现这一目的。简单来说，也就是用除尘灰代替瘦煤。根据本次实验数据综合分析可知，焦炭的各项强度指标均稳定乃至有一定程度的提高，因此，该方案可行。

2.3 焦炭高温反应性及反应后强度分析

焦炭的高温CRI 和CSR 与普通炼焦煤生产的焦炭的各项指标进行对比，数据波动不大。有力的证明了配合煤中掺入＜1.5%的除尘灰时，生产出来的焦炭质量波动不大。

3 结论

1）在目前的配煤条件下，焦化生产时配加0.5%～1.5%除尘灰，可以不同程度提高焦炭＞60mm 产率，并随着除尘灰配比的提高而增加：除尘灰配入占比为0.5%时，大于60mm 块度的占比为32.1%，配合煤的煤质最好；当除尘灰占比为1.0%时，大于60mm 块度的占比为33.2%，煤质会有一定程度的劣化；当除尘灰占比为1.5%时，大于60mm 块度的占比为35.1%，焦炭的抗碎强度（M40）相比提高了约3.3%。

2）添加除尘灰配煤炼焦，会增加焦炭灰硫含量，理论上每提高除尘灰1%，焦炭灰分提高0.085%，硫分提高0.0023%。

3）在现有配煤条件下，配1.5%以内除尘灰炼焦时，可提高焦炭抗碎强度，但焦炭耐磨强度有一定降低。若稳定焦炭耐磨强度可考虑除尘灰替代同比例瘦煤炼焦。

4）依据目前焦化煤质，1.5%以内除尘灰配煤炼焦，对焦炭高温CRI 与CSR 基本无影响。考虑半工业实验所得到的焦炭数据无没明显异常，因此采取除尘灰（煤焦粉）配入配合煤的工业实验。采取的方案是：除尘灰的配比不超过0.5%；如果可以实现使用瘦煤替代除尘灰的情况下，那么除尘灰的比例可以适当提高，但是最高不能超过1.5%。

5）焦化除尘灰回配不仅提高了焦炭质量，同时也产生了良好的经济效益并实现了环保的要求。