炼焦煤料预处理的应用前景对比分析

戴永燕，闫立东

(1.鞍钢教育培训中心，辽宁 鞍山 114032；2.辽宁科技大学，辽宁 鞍山 114051)

焦化工业是冶金工业的重要组成部分，其主要任务是为钢铁企业提供燃料，包括焦炭和焦炉煤气，炼焦生产过程中所得的各种化学产品又为化肥、农药、医药、染料、合成纤维等提供原料。此外，还为城市煤气化提供煤气[1]。据国家统计局数据，2018年我国粗钢产量9.28亿t，同比增长6.6%，焦炭产量4.38亿t，同比增长0.8%，粗钢的产能需求强力拉动了焦化工业的快速发展，保证了国民经济发展对焦炭的巨大需求，成为影响国民经济发展的重要产业[2]。因此，在工业生产中，焦炭的质量高低是至关重要的。

1 焦炭质量的影响因素

烟煤的结焦机理是煤中有机质的热分解和热缩聚，焦炭是由煤经过高温干馏最终经过一定的结焦时间而形成的。因此，影响焦炭质量的内因是煤料的性质，外因是备煤和炼焦的工艺条件[3]。

1.1 配合煤的成分和性质

焦炭是由炼焦用煤经过高温干馏，发生一系列的物理化学变化最终而形成的。因此，作为原料的炼焦用煤的质量的好坏将直接影响焦炭的质量。目前，由于优质炼焦用煤资源短缺，普遍采用配煤炼焦工艺，此法还可以充分利用各单种煤的结焦特性改善焦炭质量，例如配合煤中增加肥煤配比，可以改善装炉煤的粘结性；配合煤中配入焦煤，可以改善装炉煤的结焦性；配合煤中配入合适比例的瘦煤，可以提高焦炭的块度；配合煤中配入适量的气煤，可以提高化学产品的产率等等。

1.2 煤料的堆比重

根据粘结机理，装炉煤堆比重越大，焦炭质量越好，特别是对弱粘结煤尤为明显。由于堆比重的增加，可以使煤粒与煤粒之间的距离缩短，即使液态产物较少，也能在干馏过程中充满变形煤粒间隙，提高膨胀压力，改善粘结性，从而改善焦炭质量。影响装炉煤堆比重的因素包括：装炉煤水分、装炉煤细度以及煤料的预处理。

炼焦煤入炉前的预处理包括煤接受、储存、倒运、粉碎、配合和混匀等工作，为了扩大弱粘结性煤的用量，目前来说常采用配型煤炼焦、捣固炼焦、煤预热技术、煤调湿与煤干燥等预处理工艺。

1.3 炼焦的工艺条件

炼焦生产的过程中，炼焦的工艺条件也影响着焦炭的质量。例如，炼焦速度、炼焦温度、焖炉时间以及焦炉操作水平等。

烟煤的结焦过程，如加快升温速度，胶质体中的一部分液态组分由于来不及热解和收缩，从而导致其固化温度升高，达到增大胶质体软化区间，直接改善胶质体的性质，从而改善焦炭质量。生产实践表明，提高焦饼中心温度，可以使焦炭粒度均匀，大块焦减少，这也是有利于高炉生产需要的。在一定的配煤之狼和结焦时间的条件下，确定合理的加热制度和改善焦饼加热的均匀性也是保证焦炭质量的重要因素。

2 提高焦炭质量的途径

综合上述影响焦炭质量的主要因素，目前来说，改善焦炭质量的途径主要有提高配合煤质量、增加装炉煤的堆比重、煤料均匀化及合理粉碎、掺入添加剂、提高炼焦速度、提高炼焦温度与延长焖炉时间、提高焦炉操作和管理水平。在装炉煤性质确定的条件下，对于室式炼焦，备煤与炼焦条件就是影响结焦过程的主要因素，同时也是影响焦炭质量的主要因素。

3 炼焦煤料的预处理的应用前景

我国的大型钢铁联合企业中，大多数的炼焦生产单位采用的炼焦方式以常规的顶装焦炉为主，逐渐的趋于大型化，当然也有一些焦化厂采用捣固焦炉。就目前我国的煤炭贮量以及分布而言，炼焦用煤资源占煤炭资源贮量的37%，但一半以上是高挥发份煤、粘结性弱煤，其中优质炼焦煤不足30%，所以仅想要从提高配合煤的成分和性质上来改善焦炭质量不会是长久之计。

因此，要想提高焦炭质量，我认为比较可行的方式是从炼焦煤料的预处理和改进炼焦的工艺条件上来研究，节约优质炼焦煤，多配入弱粘结用煤。其中在改进炼焦的工艺条件方面，比如提高炼焦温度、延长焖炉时间、确定合理的加热制度和改善焦饼加热的均匀性等是我们在生产的过程中一直在进行的工作，也不断的在提高这方面的能力。在改进炼焦工艺条件，优化加热制度上只能在现有的配煤状况下，提高焦炭质量，而在扩大弱粘结用煤上，煤的预处理技术就显得效果更加明显。目前，常见的煤料的预处理技术主要有以下几种。

3.1 选择性粉碎可以比较合理的改善煤料的粒度，使各单种煤的粒度均匀性更好

炼焦煤的粉碎工艺必须适应炼焦煤的粉碎特性，使粒度达到或接近最佳粒度分布，由于煤的最佳粒度分布因煤种、岩相组成而不同，因此在实际生产中应根据不同煤种采用相应的粉碎工艺。配煤炼焦中，常用的炼焦煤主要有四种，包括气煤、肥煤、焦煤、瘦煤，当然也有采用气肥煤和1/3焦煤等。如果按照常规的先配后粉工艺把四种常用的炼焦煤同时进行粉碎，得到的粒度组成是不均匀的，或者按照先粉后配工艺单独粉碎四个煤种，虽然粒度控制比较好，但是投资大，操作复杂，不经济。

按照变质程度来说，气煤、肥煤、焦煤、瘦煤是依次加深的，同时不同变质程度的煤的硬度是不同的。较低变质程度的气煤和较高变质程度的瘦煤的硬度较大，因此粉碎粒度较大，而中等变质程度的肥煤、焦煤的硬度较小，因此粉碎粒度较小。更重要的是，根据粘结机理，结焦性较差的煤气煤、瘦煤希望其粒度小些，可以改善焦炭质量。而结焦性较好的煤肥煤、焦煤如果过度粉碎反而会破坏其粘结性，所以希望其粒度大些较好。这恰恰又与我们实际得到的是相反的。所以采用选择性粉碎工艺，可以分别按照我们的需要进行合理的粉碎。

因此，选择性粉碎工艺是目前比较经济有效的预处理方式，大多数采用气煤、瘦煤同时粉碎，肥煤、焦煤同时粉碎，这样既根据单种煤的硬度不同可得到合适的粒度组成，又可以节省粉碎机的数量、节省投入成本。并且只需要在原有的生产工艺上增加一套单独的粉碎系统，只需要再增加几台粉碎设备即可完成，比较简单方便。

3.2 配型煤炼焦可以在不降低焦炭质量的情况下，多配入10%～15%低灰低硫的弱粘结性煤，以降低焦炭灰分、硫分及焦炭成本[4]

以弱粘结煤或不粘结煤为原料加入一定量的有机粘结剂混捏，成型后制成型煤，按一定比例和粉煤混装炼焦叫配型煤炼焦。因此配入一定量的型煤会提高整个装炉煤的堆密度，改善焦炭质量。另外，配型煤炼焦时，型煤结构紧密，其煤粒与煤粒距离近，其导热性比粉煤好，因此在炼焦过程中升温速度较快，能较早的出现胶质体，延长胶质体的软化温度区间，改善粘结性，从而也能达到提高焦炭质量的效果。但是当型煤的配比量大到一定程度时，型煤的设备投入和生产成本增加，另外型煤配比超过40%时装炉煤堆比重开始出现下降，同时也会引起对炉墙膨胀压力的急剧增加，影响焦炉寿命，所以一般情况下，型煤配入量以不超过30%为宜。

3.3 煤调湿技术(CMC)[5]

煤调湿技术的基本原理是利用外加热能将炼焦煤料在炼焦炉外进行干燥、脱水以降低入炉煤水分，使水分调整、稳定在6%左右，从而缩短结焦时间，提高加热速度，控制炼焦耗热量、改善焦炉操作、保护炉体、提高焦炭质量或扩大弱粘结性煤用量的炼焦技术，同时煤调湿也是炼焦生产中节能降耗的一个重要手段。

采用煤调湿可以利用焦炉的烟道废气、上升管粗煤气等余热作为干燥热源，这样不但能回收废气的热量，而且能对环境保护起到一定的作用。

目前我国在实际生产中采用的煤调湿技术大多是采用低压蒸汽为热源或者以焦炉烟道废气为热源。例如宝钢2套煤调湿装置，生产能力330 t/h，其是采用低压蒸汽为热源，一套正常运转，另外一套由于与焦炉匹配不好而停运；攀钢有1套380 t/h的煤调湿装置，只投产几个月，就一直处于停产状态；邯钢焦化采用焦炉烟道废气为热源的煤调湿装置在投产后一直在完善。因此，煤调湿在工业化生产中的应用需要解决由于装炉煤水分的降低而造成的一系列问题，包括在装煤时会加剧装炉的冒烟冒火、炭化室及上升管结石墨现象和煤气冷却净化系统易堵等问题，只有这些技术问题得到彻底解决，才能保证煤调湿技术在我国的大规模推广。

3.4 煤预热技术

煤预热技术是将装炉煤在焦炉外预先加热至150～250℃后，再装炉炼焦。煤预热的基本原理是根据烟煤的成焦机理，在煤干馏过程中，从常温到300℃，煤的本质没有发生变化，固有性质并没有发生明显变化，只是被干燥和预热了，没有发生化学变化。但是，当生产过程中将预热煤再送入到焦炉内进行炼焦时，导热性明显改善，炭化室内的结焦过程发生了显著变化(如软化、熔融、热解、固化、收缩等)，同时预热煤的堆密度比湿煤增加10%～13%，且分布较均匀，装炉煤的升温速度加快从而达到改善焦炭质量，但是若预热温度过高，会造成装煤过程大量荒煤气析出以及部分煤粒变粘，最终导致堆密度又出现下降。目前为解决热煤装炉的密封、防止煤粒氧化、发生爆炸、灰尘逸出导致焦油渣含量增加的实际问题，一般煤的预热均采用流态化装置进行，采用专门的装炉技术，比如英国奥托-西姆卡夫公司提出的装煤车装炉、美国阿赖德化工公司开发的管道装炉法、德国煤矿联营公司和迪弟尔公司开发的埋刮板装炉法。煤预热技术能提高焦炭质量、改善环境污染，提高经济效益，但是技术要求高、难度大，在今后的发展中需要进一步解决相关的技术问题。

所以，从生产工艺上来说，想要在原有炼焦生产工艺的前提下提高焦炭质量，我认为还是从煤料的预处理方面来解决是目前比较可行且有效的措施。而在煤料的预处理的几种方式中，目前我国的生产工艺情况上比较容易在生产中进行技术改造并生产较为稳定的就是选择性粉碎和配型煤炼焦。