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提高焦炭質量所采取的技術措施

1前言

由于高爐容積日趨增大和噴煤量日漸提高,焦炭在高爐冶煉中扮演的角色發生了很大的變化,高爐煉鐵對焦炭質量的要求也越來越高,這一點隨著對高爐煉鐵過程的不斷深入研究,廣大煉鐵工作者和煉焦工作者已逐漸取得共識并不斷深化。現代煉鐵技術對焦炭質量的目標要求至少應當包括更高的冷熱態機械強度、更低的熱反應性、低灰、低硫和低且穩定的水分。

正是由于明確了焦炭質量目標要求,所以我國的廣大煉焦工作者為了實現這些目標,研究、開發和應用了大量的具體技術措施,使我國生產的焦炭質量取得了顯著的提高。本文擬對這些技術措施進行較為系統的整理和分析,為進一步提高和完善這些措施,促進研發出更多的技術措施搭橋和鋪路。

2提高焦炭質量的技術措施

2.1原料的選擇與預處理

焦煤的性質是決定焦炭質量的基本因素。所以選擇適當的煉焦煤及其配比是提高焦炭的首要措施。但是,由于我國是一個煉焦煤分布不均且優質煉焦煤短缺的國家,因此針對國情合理配煤和對煤進行一定的預處理就成為提高焦炭質量的必不可少的技術措施。

(1)優化配煤

所謂優化配煤就是運用焦炭質量預測方程,在多種煤參加配比煉焦且滿足一定的焦炭質量的前提下,篩選出一組成本最低的煉焦用煤及配比。顯而易見,采用優化配煤技術可以在焦炭質量一定的條件下降低煉焦用煤成本,或者在煉焦煤成本一定的條件下,提高焦炭質量。中冶焦耐已研制出將煤場管理系統、焦炭質量預測系統、配煤優化系統緊密架構成一體的優化配煤技術。該技術已成功地運用在天津天鐵煉焦化工有限公司并穩定運行了一年多,使優質焦煤的配用量由原來的20%下降到10%,使每噸入爐煤成本下降25.7元,其經濟效益和社會效益巨大。日本已確立使用Ca含量高達3%~8%的煤生產高強度、高反應性的焦炭,從而降低高爐的還原劑比。

需要指出的是,優化配煤是建立在對煤性質準確分析的基礎之上,而煤巖學從煤巖組成的角度出發研究煤的性質,這是一門能夠更為深刻準確地揭示煤的各種性質的學科,已在選煤、煤炭分類、煉焦領域得到廣泛應用,因此,煤巖學也是優化配煤的很重要理論基礎。目前,運用煤巖學理論開展優化配煤研究和應用已經受到廣大煉焦工作者的廣泛重視。

(2)煤料搗固

將煉焦煤料在爐外搗固,使其堆積密度提高到950~1150kg/m3,一般可使焦炭M40提高1~6個百分點,Ml0降低2~4個百分點,CSR提高1~6個百分點。在焦炭質量一定的情況下,煤料搗固還可以多配15%~20%的弱粘結性的氣煤、氣肥煤,合理利用我國煤炭資源。

我國自行開發的5.5米搗固焦爐,已在云南曲靖投產,并正在金馬、旭陽、日照、神華二期和寶豐設計施工。中冶焦耐開發的世界最高的6.25米搗固焦爐已在唐山佳華設計施工,預計2008年8月底投產,它將使我國的搗固煉焦技術邁向一個新臺階。中冶焦耐還成功地將炭化炭高4.3m、寬450mm的80型頂裝焦爐和炭化炭高4.3m、寬500mm的頂裝焦爐改造成搗固焦爐,為現有頂裝焦爐的改造創造了條件。現在我國已投產的搗固焦爐已超過260座,煉焦生產能力已接近7000萬噸。

(3)型煤壓塊

將煉焦裝爐煤的一部分進行壓塊成型,與其余散狀煤料混合裝爐煉焦,可通過提高裝爐煤散密度,顯著改善焦炭質量。裝爐煤散密度隨型煤配入量的增加而增加,當配人量為30%~50%時,裝爐煤散密度可達最大值(800kg/m3)。一般地,焦炭質量在一定范圍內隨型煤配人量的增加而提高。另外,如果保持焦炭機械強度不變,則可增加10%~15%的弱粘結性煤的用量,擴大煤料的使用范圍,其經濟性是顯而易見的。寶鋼是我國唯一一家采用配型煤壓塊煉焦的焦化廠,其一期、三期均配置有型煤壓塊裝置,在實際生產中,其入爐煤配人15%~30%的型煤壓塊。武鋼鞍鋼為采用型煤壓塊技術進行了可行性研究或方案比較。

(4)煤調濕(CMC)

煤調濕是將煉焦煤料在裝爐前除掉一部分水分,保持裝爐煤水分穩定且相對較低,一般為6%左右。這項技術因其具有顯著的節能、環保和經濟效益以及提高焦炭質量等優勢而受到普遍重視,在日本已得到迅速發展。以干熄焦發電機抽出的背壓蒸汽為熱源,在多管回轉式干燥機內,蒸汽與濕煤間接換熱。另一種煤調濕技術采用流化床,用焦爐煙道氣與濕煤直接換熱。

采用煤調濕工藝可將煤水分穩定在6%左右,使焦爐生產能力提高3%~10%,裝爐煤散密度提高4%~7%,DI15150提高0.8~1.5個百分點。

目前,寶鋼和太鋼以蒸汽為熱源、采用多管回轉干燥機和濟鋼以焦爐煙道氣為熱源、采用流化床的煤調濕裝置都在設計施工,預計2007年底投產;中冶焦耐已完成以焦爐煙道氣為熱源、既能調濕又能風選的煤調濕中試試驗,即將進行工業裝置試驗。

(5)煤預成型技術(DAPS)

煤預成型技術(DAPS)是將配合好的人爐煤(濕煤)送人流化床干燥分級機,將其水分由9%降至1.8%。然后,用旋風分離方式將粒徑<0.3mm的微粉分出,微粉入輥壓成型機,壓成小球狀,再和干燥后的大粒煤混合,加入焦爐煉焦。將發塵性高的微粉煤在干燥狀態下壓實為球狀后人爐,既可以提高焦炭強度,又可以使發塵性得到抑制。采用DAPS煉焦技術的效果見下表。

(6)選擇粉碎

選擇粉碎工藝根據煉焦煤料中煤種和巖相組成在硬度上的差異,按不同粉碎度要求,將粉碎和篩分(或風力分離)結合在一起,使煤料粒度更加均勻,既能消除大顆粒又防止過細粉碎,并使惰性組份達到適當細度。該工藝能夠提高煤的結焦性和減少焦炭裂紋。

由于煤粒分離方法上的差異,選擇粉碎又可分為機械選擇粉碎和風力選擇粉碎。風力選擇粉碎不僅在生產能力、投資、能耗、運行等方面顯著優于機械選擇粉碎,而且除了可以像機械篩分那樣將大顆粒煤分離出,還可以把密度大的惰性組份和灰分高的煤分離出來,使之粉碎得更細,從而消除或減少裂紋中心,提高焦炭強度。

我國煉焦配煤中難粉碎的氣煤配比較高,風力選擇粉碎工藝非常適應這一煤質特點。2003年底,酒泉鋼鐵集團公司焦化廠從俄羅斯引進的我國第一套風選配煤工藝裝置投產調試,其生產能力為500t/h。該套裝置2004年7月通過考核驗收,所生產的焦炭強度M40提高了1.5~2個百分點,M10改善了0.8~1.0個百分點。

一些煉焦工作者針對我國南方煤水分大的特點,提出了先煤調濕(煤干燥)再風力選煤的工藝方案。

(7)配添加物

所謂配添加物就是在裝爐煤中配入適量的粘結劑和抗裂劑等非煤添加物,以改善其結焦性的一種煉焦煤準備技術措施。配粘結劑工藝適用于低流動度的弱粘結性煤料,有改善焦炭機械強度和焦炭反應性的功效;配抗裂劑工藝適用于高流動度的高揮發性煤料,可增大焦炭塊度、提高焦炭機械強度、改善焦炭氣孔結構。日本研究含有金屬鐵的焦炭,借助于金屬鐵的催化作用,可以大大提高焦炭的反應性,從而使高爐熱保存帶溫度降低100℃,高爐還原劑比降至300kg/t。

2.2焦爐加工工藝

(1)焦爐大型化

焦爐的大型化,是實現冶金焦生產可持續發展的一條重要途徑。增加炭化室容積,在生產同等規模的焦炭量的情況下,可以大大減少出爐次數,減少陣發性的污染,改善煉焦生產環境;焦爐大型化的本身就能提高焦炭質量,并有利于提高焦爐的自動化水平,降低能耗,適應高爐大型化對焦炭質量及其穩定性的要求;焦爐大型化可以顯著提高勞動生產率,降低生產成本,提高焦化產品的競爭能力。

一般情況下,6m焦爐的焦炭比4.3m焦爐焦炭M40提高1~2個百分點,M10降低0.2個百分點左右。

目前,為滿足各種規模焦化廠的需要,我國已開發出6.98米頂裝焦爐,現正在鞍鋼鲅魚圈、邯鋼本鋼攀鋼施工建設。引進的7.63米超大容積焦爐已在兗礦焦化、太鋼和馬鋼投產,并正在武鋼、首鋼京唐和沙鋼設計或施工。我國開發的5.5米搗固焦爐,已在曲靖投產,并在金馬、旭陽、日照、神華二期和寶豐設計施工。中冶焦耐公司開發的世界最高的6.25米搗固焦爐已在唐山佳華設計施工,預計2008年8月投產。

(2)增加焦爐炭化室寬度

增加焦爐炭化室寬度,具有提高裝爐煤散密度,改善焦餅水平收縮,使焦炭的機械強度提高,平均塊度增大,煤源適用范圍廣等優點。我國已將4.3米頂裝焦爐寬度從450mm加大至500mm,在全國已廣泛應用。中冶焦耐公司新開發的6.98米頂裝焦爐,既有爐寬450mm,又有爐寬加大至500mm的。

(3)降低結焦速度或燜爐

降低結焦速度或燜爐都是適當地延長結焦時間。生產實踐表明,對于粘結性較好的煤,適當降低結焦速度,延長結焦時間,可以提高焦炭的機械強度。焦餅成熟后,再經一段燜爐時間,可以使焦炭均勻成熟,粒度均勻化,焦炭質量提高。我國6m焦爐的結焦時間就是基于上述經驗確定的,所生產的焦炭質量得到提高。結焦時間延長1h,M40提高1個百分點。寶鋼焦炭質量如此之好,其中燜爐也起著一定的作用。

2.3焦炭的后處理

(1)干法熄焦(英文縮寫CDQ)

干法熄焦(簡稱干熄焦)是采用惰性氣體熄滅赤熱焦炭的熄焦方法,是一項成熟和先進的工藝,具有節能、提高焦炭質量和環保三大優點。

干熄焦與濕熄焦相比,焦炭的M40提高3~8個百分點,Ml0改善0.3~0.8個百分點,粒度均勻,反應性降低。因此,高爐使用干熄焦炭,可降低高爐焦比,有利于高爐爐況順行和提高高爐的生產能力,對采用富氧噴吹技術的大型高爐效果更加顯著。國際上公認,大型高爐采用干熄焦炭可降低焦比2%,提高高爐生產能力1%;保持同樣焦炭質量,采用于熄焦技術,可降低強粘結性的焦、肥煤配比,有利于保護資源、降低煉焦成本。

由于干熄焦提高焦炭質量給高爐生產帶來可觀收益,和節能帶來可觀收益,所以干熄焦有著很好的投資收益。1×140t/h干熄焦裝置(全部國產化)的經濟效益分析如下所述:

估算總投資15000萬元,1×140t/h干熄焦裝置(每年處理焦炭110萬t)可創效益6940余萬元,噸焦收益達63.09萬元,扣除噸焦綜合成本38.70元,干熄焦凈收益達24.39元/t焦,投產回收期約為7.19年。

正是由于干熄焦具有上述可觀的效益,因此我國大力推廣干熄焦技術。現在我國已投產干熄焦裝置44套,干熄焦炭能力約為3000萬噸。至2008年底,我國運行的干熄焦裝置將達到80套,干熄焦炭能力將達到7800萬噸,位居世界第一位。

(2)新型濕法熄焦

新型濕法熄焦工藝深入剖析濕法熄焦原理,對傳統濕法熄焦的噴灑方式、噴灑量及控制方式加以改進,達到熄后焦炭水分均勻、穩定且低的目的。采用新型濕法熄焦可使焦炭水分穩定在2%~4%之間,比濕法熄焦焦炭水分至少降低2個百分點,焦炭水分每降低1個百分點,高爐焦比可降低1.3%~1.5%。因此,新型濕法熄焦對高爐冶煉穩定操作、降低成本有著顯而易見的效果。目前在世界上比較成熟的新型濕法熄焦工藝有美鋼聯開發的低水分熄焦工藝和德國的穩定熄焦工藝,前者已在我國得到推廣應用,后者也已在中冶焦耐與UHDE公司合作設計的7.63m焦爐中運用。

(3)焦炭整粒

如前所述,采用富氧噴吹技術的高爐對焦炭的強度、粒度均勻性等焦炭質量提出了更高的要求。有著原生裂紋的焦炭其破裂成塊是通過外力作用和焦塊之間的摩擦最后完成的,其完成的深度取決于外界條件的作用。為了穩定焦炭的性能,使焦炭這種磨損破裂過程完成于進入高爐前,必須對熄焦后的焦炭采取整粒工藝措施。

焦炭整粒可以采用切焦工藝,但適當地增加篩運焦系統的皮帶轉運次數和落差高度也能達到較好的整粒效果。

在這里需要指出的是(2)中所述的新型濕法熄焦也具有整粒功能。

(4)噴灑焦炭添加劑

將特殊的焦炭添加劑溶液如硼酸復合劑噴灑到熾熱的焦炭上,可以使處理過的焦炭的反應后強度(CSR)和反應性(CRI)得到顯著改善。例如,昆明鋼鐵股份有限公司在6號高爐(2000m3)進行了工業性試驗,試驗結果表明:噴灑過添加劑的焦炭反應性(CRI)較未噴灑的CRI降低了3.13個百分點,CSR提高了4.72個百分點。日本在DI15150保持在86.2%、CSR保持在71.6的情況下。

噴灑焦炭添加劑之所以能夠改善焦炭的熱性質,主要是由于所噴灑的添加劑在焦炭表面形成一層“保護膜”,既可以降低焦炭的反應性,又可以對焦炭內的堿起屏蔽作用,還可以抵抗堿的侵蝕。

(5)甲烷化學氣相滲透沉積

甲烷在焦炭和炭系物的小孔中進行熱解炭的氣相滲透沉積,能有效地修飾焦炭氣孔,在氣孔中形成一層均勻的熱裂解炭,這種熱裂解炭具有各向異性,抗二氧化碳反應能力強,故可以達到降低焦炭反應性,提高焦炭反應后強度。相關試驗表明,甲烷滲透沉積的焦炭抗CO2反應能力大幅提高,CRI和CSR明顯改善,分別降低約10個百分點和提高約14個百分點。

3提高焦炭質量技術措施的原理分析

如上所述,在焦炭生產的各個環節中,提高焦炭質量的技術措施很多,但按各個技術措施提高焦炭質量的基本原理進行分類不外乎如下四個方面:一、增大裝爐煤的散密度,二、改善煤的性質,三、改進煉焦工藝,四、改進焦炭后處理工藝。下面分別對這些基本原理進行闡述。

3.1通過增大裝爐煤散密度提高焦炭質量

在上述的提高焦炭質量的技術措施中,煤料搗固、型煤壓塊、煤調濕和加高加寬炭化室都是通過增大裝爐煤散密度來實現提高焦炭質量的。

顯而易見,煤料搗固、型煤壓塊、可以提高裝爐煤散密度。而煤調濕通過降低裝爐煤水分、提高裝爐煤的流動性來提高裝爐煤散密度。炭化室加高則裝爐煤的“自由下落”時間延長、動能增加,裝爐煤散密度因而增加,而炭化室加寬則可相對減少炭化室墻對裝爐煤的“邊壁效應”,增加裝爐煤散密度。

那么,增加裝爐煤散密度為什么能夠提高焦炭質量呢?這是由于煉焦過程中,煤顆粒之間發生表面粘結和界面反應。裝爐煤散密度大,則單位容積內熱態煤顆粒之間的接觸點多,熱解液相產物和氣相產物多,膨脹壓力大,這有利于表面粘結和界面反應。所以增大裝爐煤散密度可以改善焦炭氣孔結構,提高焦炭質量。

3.2通過改善配合煤的性質提高焦炭質量

在上述的提高焦炭質量的技術措施中,優化配煤、選擇粉碎和配添加物,都是通過改善配合煤的性質來提高焦炭質量的。

毫無疑問,配合煤的性質是決定焦炭質量的內在因素,而改善配合煤的性質也就是提高焦炭質量的最直接最有效的技術措施。要改善配合煤的性質,就必須依據焦炭質量的目標要求,選擇恰當的配煤指標,而配煤指標的選擇依據于相關的理論研究,例如,運用煤巖學指導煉焦的理論研究,焦炭強度預測的理論研究以及焦炭的宏觀和微觀性質、冷態和熱態強度以及新的成焦理論的研究等。

3.3改善煉焦工藝提高焦炭質量

在上述提高焦炭質量的技術措施中降低結焦速度或燜爐以及干熄焦都是通過改善煉焦工藝來提高焦炭質量的。

顯而易見,選擇合適的結焦速度是確定煉焦工藝的很重要的一個方面,之所以把干熄焦也歸類到改善煉焦工藝之中,是由于干熄焦時焦炭要在干熄爐預存段停留一段時間,這就相當于1000℃(±50℃)的焦炭在干熄爐中“燜”了一段時間,起到了煉焦過程中的“燜爐”的作用。

煤料結焦的熱量是通過兩側爐墻提供的,熱量從兩側傳向炭化室中心。因此,結焦過程是從兩側炭化室墻面開始,逐漸移向炭化室中心的層狀結焦過程。該結焦過程決定了當爐內焦炭達到焦餅成熟標志即其中心溫度達到1000℃(±50℃)時,焦餅內部的溫度場是不均勻的,焦餅寬向(即從炭化室墻面到炭化室墻面)和長向(機焦側方向)的成熟程度也是不一致的,如果在這個時候結束煉焦,則推出炭化室的焦餅的“結焦”時間相對短的部分如焦餅中心或機焦側爐頭部分就可能不成熟、出現生焦。因此,針對這種結焦特性,在焦餅中心溫度達到1000℃(土50℃)時,再設置一段“燜爐”時間,使焦餅的溫度場盡可能達到均勻,使焦炭的機械和物理化學性質發生改變,使可能存在的生焦成熟。這就是焦爐延長結焦時間即燜爐和干熄焦的焦炭在預存室中停留1~1.5h可以提高焦炭質量的基本原理。

3.4通過改善焦炭的后處理工藝提高焦炭質量

在上述提高焦炭質量的技術措施中新型濕法熄焦、焦炭整粒、干熄焦和噴哂焦炭添加劑等都是通過改善焦炭的后處理工藝來提高焦炭質量的。

新型濕法熄焦除了能夠降低焦炭水分外,還因為它采用大水流熄焦,使焦炭處于“沸騰”狀態,因而具有焦炭整粒功能,而焦炭整粒就是使焦炭的潛在缺陷提前釋放,以穩定的粒度進入高爐。

在煉焦煤及煉焦工藝相同的條件下,熄焦方式對焦炭的微孔結構具有明顯的影響。在濕熄焦過程中,熄焦水噴灑在赤熱的紅焦上,焦塊驟然冷卻收縮,使焦炭的內應力驟增,產生大量的裂紋,形成較多的微孔;此外,在濕熄焦過程中,部分水蒸汽與紅焦發生氣化反應,也生成一些微小的孔洞。而干熄焦則不然,它是通過惰性氣體與紅熱焦炭換熱來熄滅焦炭的,焦炭的降溫速度非常緩慢(一般長達約2小時,遠遠大于濕法熄焦的1.5分鐘),因此,焦炭內部因干熄而產生的熱應力非常小,焦炭因此而產生的裂紋和破壞也就非常少。這就是干熄焦提高焦炭質量的原理。對焦炭微孔結構的分析結果表明,干熄焦炭的微孔數量少于濕熄焦炭,而且微孔的平均孔徑也遠遠大于濕熄焦炭。干熄焦炭的總表面積顯著小于濕熄焦炭,是干熄焦改善焦炭熱態性質一降低反應性(CRI)、提高反應后強度(CSR)的主要原因。

此外,干熄焦時,焦炭通過多次倒運以及焦炭在干熄槽中從上而下的運動過程中,焦炭之間相互碰撞和摩擦,相當于受到了充分的機械整粒作用;焦炭在干熄過程中的緩慢冷卻,避免了濕熄過程中焦炭內應力的增加,也就避免了大量微裂紋的產生。這是干熄焦能改善焦炭冷態強度的主要原因。

如前所述,噴灑焦炭添加劑、甲烷化學氣相滲透沉積是直接改善焦炭熱性質的手段。當然,這兩項措施尚處于研究階段,還有待于進一步試驗和生產實踐。

4結束語

在煉焦生產中,自覺運用提高焦炭質量的基本原理,積極開發并廣泛采用提高焦炭質量的技術措施,為高爐生產提供更多的質量優良的焦炭,將會給煉鐵生產帶來巨大的經濟效益,對于提高冶金生產在國際上的競爭力具有重大的戰略意義。

 
發表于:2011年06月11日
 
 
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