危废物焦油渣配煤炼焦试验应用研究

江 鑫，王富平，付利俊，杨 帆，谢晓霞

（内蒙古包钢钢联股份有限公司，内蒙古 包头 014010）

焦化产业在国民经济中占有重要地位，是主要的煤炭消耗用户，同时为钢铁、化工、制药等行业提供优质的冶金焦炭、焦化副产品。2021年，我国焦炭产能约6.45亿t，产量约4.71亿t，煤焦油产量约2 100万t。在焦油生产过程中，会产生质量分数0.18%～0.22%的煤焦油渣，加上石油焦油渣，全国每年焦油渣的产量大约在百万吨。煤焦油渣是炼焦过程中产生的黏稠状、易黏结的废渣，主要成分有焦粉、粉尘、煤焦油和沥青等。煤焦油渣含有苯，对人的中枢神经系统有麻醉作用，会对人的造血系统产生一定的损坏，还含有苯酚、萘、苯并芘、蒽、咔唑等多种具有高致癌性的稠环芳香烃，会对人体健康造成极大危害。2016年6月14日，国家环境保护部颁布的《国家危险废物名录》中规定煤气生产行业煤气净化过程中产生的煤焦油渣属于危险废物。

近年来，随着国家环保政策的发力以及炼焦煤市场、焦化行业利润的影响，企业开始以煤焦油渣配入配合煤炼焦。据不完全统计，目前全国已建成使用的煤焦油渣配煤炼焦大体上采用新日铁和日本住友的型煤炼焦工艺流程[1]。煤焦油渣配煤炼焦的推广应用给焦化企业带来了较好的经济效益和社会效益，但焦油渣配煤炼焦的机理以及最佳配加比例的确定，仍存在一些技术问题。

包钢股份煤焦化工分公司（简称包钢公司）拥有4座7 m顶装焦炉、6座6 m顶装焦炉和4座5.5 m捣固焦炉，年产优质一级冶金焦炭810万t，拥有1套年加工30万t焦油生产线，主要产品有改质沥青、工业萘、蒽油、轻油以及硫铵、硫磺、甲醇等焦化副产品，拥有2套焦油渣制型煤生产线，是我国西北地区最大的钢铁联合企业煤焦化生产基地。本文以包钢公司目前使用的炼焦煤种和焦油渣为对象，在40 kg试验焦炉上进行焦油渣配煤炼焦试验，得到了不同焦油渣配比下的试样焦炭的技术性能指标，确定了最佳焦油渣配比，可为焦化企业焦油渣配煤炼焦生产提供借鉴。

1 配煤成焦理论与焦油渣配煤试验的可行性分析

1.1 主要配煤成焦理论

配煤炼焦的成焦机理目前有三种。第一种是塑性成焦机理，即烟煤热解过程中产生的气、固、液三相共存的胶质体具有黏结性，能与周围的煤粒黏结在一起，并经固化、热缩聚生成焦炭；第二种是岩相配煤理论，认为结焦过程是炼焦煤中的活性物质在高温作用下与惰性物质发生了复杂的物理化学作用，其中焦炭强度与活性物质、惰性物质的形态、含量有关；第三种是中间相成焦理论，认为在煤的热解过程中会产生各向异性的中间相物质，在结焦过程中中间相物质会熔融成小球并不断长大、固化，最终生成焦炭。

胶质层重叠原理认为，为了保证焦炭结构均匀，改善煤料黏结、结焦过程，各单种炼焦煤在高温热解过程中会产生气、固、液三相共存的胶质体，随着加热温度的升高，气、固、液三相之间软化温度区间要能够相互重叠，这样可使配合煤在炼焦过程中能在较大的温度范围内处于塑性状态，从而改善黏结过程，并保证焦炭的结构均匀，其关键是要合理搭配不同性质的炼焦单种煤。

对于岩相配煤理论和塑性成焦机理而言，结焦过程是炼焦配合煤在高温干馏过程中形成的活性物质与惰性物质之间的作用。在烟煤热解过程中，煤的黏结能力由活性物质的形态和数量决定，而焦炭强度由惰性物质的形态、数量以及与活性物质的相互作用决定，所以为了保证焦炭质量，要求活性物质与惰性物质的形态和数量要有合适的配比，活性组分或惰性组分过多都会造成焦炭强度的劣化。焦油渣在软化熔融状态下黏结性强，所以在配合煤中添加焦油渣时，可以有效增强活性组分的作用，使惰性组分的强度相对降低。这种情况下，可以通过加入弱黏煤、不黏煤、瘦煤或者长焰煤、烟煤等来有效增强惰性组分的骨架作用，保持恰当的活惰比，保证焦炭质量。

中间相成焦理论认为烟煤的结焦过程即为中间相的形成过程。配煤时添加焦油渣，在炼焦煤加热前期会产生更多数量的光学各向同性胶质体，然后形成更多的聚合液相，从而使他们在相同空间内有更多的碰撞机会，更容易相互熔并，使母液基质黏度提前增大，中间相小球体不断长大，从而形成光学各向异性程度更高的焦炭，光学各向异性组织的增加将会使焦炭的机械强度及热强度更高，质量更好。

结合配煤炼焦理论，焦油渣可作为改善焦炭质量的黏结剂，在配煤炼焦中的功能主要有三个：一是黏结功能。焦油渣具有较好的热稳定性，在塑性阶段会形成大量稳定且具有黏结性的液相，从而有效改善煤粒间的接触，促进煤粒间液相的相互熔融，提高其黏结性，从而提高胶质体的质量，有利于成焦。二是供氢功能。焦油渣中含有大量的芳香烃物质，可以在煤热解过程中提供氢，氢会与部分含氧官能团结合，从而与热解过程中脱离的游离基发生化学反应，并形成更多的液相，一定程度上降低了低碳网状结构间的交联，提高了系统的黏结性，改善了中间相的形成过程[2]。三是容惰功能。可以有效改善黏结剂对煤的熔化作用，改善中间相的形成过程，有利于分子结构的重排，可以提高煤热解过程的流动性，增加胶质体的容惰能力，形成最佳活惰比，从而促进焦炭各向异性组织的形成和成长。

1.2 焦油渣配煤试验的可行性分析

根据焦油渣的特性，可将焦油渣作为制型煤的黏结剂，并把型煤配入配合煤中炼焦。通过对配煤成焦理论的分析，认为在炼焦热解过程中，由于瘦煤的挥发分低，热解时析出的气体少，产生的能够转化为胶质状态的液态物少，但焦油渣在该热解过程中可形成大量的气体及胶质体，并把分子量较大的固态物质包裹起来，形成气、液、固三相共存的胶质体，可抵消瘦煤、不黏煤等黏结性相对较弱的缺陷。在形成半焦的过程中，液相膜外表面开始固化，中间仍为胶质体，内部为瘦煤和胶质体的混合物，这些胶质体在半焦壳出现裂纹后流出、固化，并形成新的半焦层，最后转变为半焦。在半焦收缩的过程中，焦油渣挥发分高、收缩量相对较大，而瘦煤挥发分低、胶质体数量极少、收缩量极低，所以在配煤炼焦过程中，瘦煤和焦油渣能互相弥补缺陷，大大降低对焦炭强度的影响。由此可见，在配煤炼焦时添加适量的焦油渣是可行的。

在配加焦油渣炼焦时要注意：（1）配合煤中的瘦煤、不黏煤或起瘦煤作用的瘦化剂的添加量要相对富裕，以保证成焦过程中活性组分和惰性组分的比例适当，具备最佳活惰比，既要保证焦炭的块度，又要保证焦炭的机械强度和热态强度。（2）焦油渣的配加比例要适当，既要充分发挥黏结剂的作用，又要防止炼焦煤裂解过程中胶质体数量过多，导致煤粒被稀释。

2 焦油渣配煤试验方案

2.1 配加焦油渣的主要性能指标

焦油渣作为配合煤的黏结剂，在配加过程中要充分了解其特性，其主要性能指标见表1。由表1可知，焦油渣中含有大量的固定碳和具有挥发性的多环芳烃，其中多环芳烃在高温条件下可以燃烧分解为CO2和H2O。

2.2 配加单种煤的性质

按照炼焦煤大类分析并结合包钢公司目前使用的炼焦煤种确定配加煤种，其性能指标见表2。

2.3 配煤技术方案

确定主要炼焦煤种后，根据文献[3-4]，将焦油渣的配入质量分数确定为2%～6%，增加梯度为1%。不同焦油渣配煤技术方案见表3。

表1 焦油渣的主要性能指标

表2 配加单种煤的性能指标

2.4 试验焦炭性能

依照表3技术方案使用40 kg试验焦炉冶炼焦炭，得到的试样焦炭的技术性能指标见表4。由表4可以看出，在配煤煤质稳定的情况下，当焦油渣的添加质量分数小于4%时，随着焦油渣加入量的增加，所得焦炭的块度增加，抗碎强度（M40）、耐磨强度（M10）改善，在焦油渣质量分数为3%时，焦炭质量最好。但当焦油渣的添加质量分数达到4%时，所得焦炭的耐磨强度（M10）与基础方案（方案1）相比下降很多。因此，焦油渣的添加质量分数不宜超过3%。

表3 不同焦油渣配煤技术方案%

表4 试样焦炭的技术性能指标%

对焦炭显微结构进行分析，发现焦油渣所制焦炭的光学组织较多，这是由于焦油渣中含有焦油、焦粉及煤粉等多种有机物，这些有机物经过炭化形成多种光学组织结构。焦油渣所制焦炭的光学组织以粒状镶嵌、片状结构和纤维状结构为主，且这些光学组织结合得较好。焦油渣所制焦炭中存在大量的镶嵌状结构，一方面是因为焦油渣中原有的焦粒具有这种镶嵌结构，另一方面是因为在逐步炭化过程中，新生成了部分中间相小球体，其中反应能力强的分子生成的中间相小球体未来得及长大便被固化下来形成镶嵌状结构。

3 结 语

通过对配煤炼焦成焦机理的分析，认为焦油渣用于配煤炼焦是可行的。在现有炼焦工艺条件下，添加质量分数3%左右的焦油渣进行配煤炼焦，所得焦炭的块度、抗碎强度、耐磨强度最好，焦炭质量最好。采用焦油渣配煤炼焦，不但能解决环境污染问题，达到能源二次利用的目的，还能节约炼焦煤资源，降低配合煤煤价，为煤焦化企业降本增效提供新途径。