高密度低水分智能码垛炼焦技术开发与应用

2022-02-06崔长青耿哲荣姚润生

煤化工 2022年6期

田辉，崔长青，耿哲荣，姚润生

（1.中化学赛鼎焦化工程科技有限公司，山西太原 030032；2.山西碳中和产业研究院，山西太原 030032；3.山西博嘉慧科技有限公司，山西太原 030032）

引言

我国煤炭资源和煤的种类分布不均匀，近年来随着钢铁工业的发展，可用优质炼焦煤炭资源越来越稀缺。如何开发利用其他新煤种，降低焦炭生产成本，满足大型高炉的需求是焦化行业一直关注的难题。在焦化企业中，炼焦用煤成本是焦炭生产的主要成本，通常占焦炭成本的75%～85%，所以降低焦炭生产成本主要就是降低装炉煤成本。炼焦是将气、肥、焦、瘦不同煤种的煤按一定比例进行混合，一般配煤比（质量分数）为气煤25%、肥煤15%、瘦煤10%、主焦煤和1/3 焦煤50%，由焦炉炭化室顶部或侧部装入炭化室进行干馏的工艺。从焦炉炭化室顶部装煤，配合后可燃基挥发分在25%左右，称为顶装炼焦工艺。捣固炼焦是近几年快速发展的侧装炼焦工艺，即将配合煤在捣固机内捣实成体积略小于炭化室的煤饼后，推入炭化室进行干馏炼焦。煤料捣固后，煤饼水分10%～12%，堆密度可由散装煤的0.72 t/m3提高到0.95 t/m3～1.05 t/m3（干基），因煤粒接触致密，可增加气煤或弱黏煤配比，因此，在少配入焦、肥煤的条件下，多配劣质煤也可以得到抗碎和耐磨指标均较好的焦炭。

高密度低水分智能码垛炼焦技术（简称智能码垛炼焦技术）是一种新型的侧装高密度低水分炼焦专利工艺技术，该技术先将配合煤高压静压成型，排出煤吸附的气体和多余的水分，形成工艺需要的煤块，煤块水分6.0%～9.5%，堆密度可由散装煤的0.72 t/m3提高到1.20 t/m3～1.30 t/m3（干基），并具备特定的机械性能，如密度高、外形尺寸规整、抗压抗折强度高、抗冲击强度高等；再通过智能机械人将煤块码垛成满足工艺需要的煤饼，侧装入焦炉炭化室高温炼焦，获得低成本、高热强度、高质量的优质焦炭。当装炉煤堆密度提高时，煤粒间接触更加紧密，在热解过程中产生的气相产物的逸出阻力增大，热解气体不易散出，使焦炭的气孔率和比表面积下降，同时炉内胶质体膨胀压力提高[1]，焦炭的反应性有所降低[2]。因此，增加装炉煤堆密度可以提高焦炭质量。

智能码垛炼焦技术具有智能性和标准性，在满足炼焦入炉煤基本控制条件的情况下，针对各地煤炭资源质量情况的不同，配煤技术方案也不完全相同；其入炉煤适用范围广，可多配入高挥发分弱黏煤与低挥发分不黏煤，且能保证焦炭质量基本相同。在智能码垛炼焦生产中，只要是适合企业生产实际，在保证焦炭质量的前提下，能充分利用炼焦煤资源、降低焦炭生产成本、稳定焦炭生产操作的配煤技术都是可行的。

1 智能码垛炼焦技术

1.1智能码垛炼焦工艺流程

智能码垛炼焦工艺流程示意图见图1。

图1 智能码垛炼焦工艺流程示意图

智能码垛炼焦工艺流程主要包括：计量给料、均化调湿、液压成型和智能码垛等过程，具体依据项目情况可以进行煤调湿组合延伸，减少焦化过程的热量消耗和焦化废水产生。

1.2技术原理

（1）智能成型码垛技术：采用数字高液压装置，使成型物料四周受力均匀，煤饼密度均匀，全自动智能控制，实时采集工艺过程控制参数，实现无人操作。

（2）高密度炼焦：配合煤经超高静压成型后，堆密度可由散装煤的0.72 t/m3提高到1.20 t/m3～1.30 t/m3（干基），煤粒间接触更加致密，减少所需的胶质体液相产物，可以炼制出结构均匀致密、强度高、块度均匀、气孔率低的优质焦炭，满足高炉大型化的要求。

（3）资源化、减量化、无害化综合利用：热废烟气进行煤调湿，充分利用废烟气的显热，同时减少带入焦炉的水分，降低加热耗热量，实现废热资源化梯级化利用，减少温室气体排放；焦化过程收集的粉尘、废渣等危废和废盐渣等配入炼焦煤作为黏结剂，经超高静压成型，废弃物循环利用，实现资源化绿色工厂。

1.3技术特点

（1）模块化：实现生产装置的模块化，满足大型焦化数字化建设，提升焦化技术在国际市场的竞争力。配合煤通过调湿计量、均化、送装入模具后高压成型，通过数字化装煤装置码成与焦炉尺寸相匹配的煤饼，并整体推入炭化室进行炼焦，确保焦化生产工艺稳定，实现焦炭质量高质化。

（2）大型化：码垛炼焦技术符合焦化行业“集约化、高质量”的发展要求，满足焦化行业建设现代化大型焦炉的需求。

（3）智能化：码垛炼焦技术与数字化信息技术的融合，可智能成型、数字码垛、无人装煤，提高安全生产效率，促进本质安全，实现焦化生产的智能数字化升级。

（4）洁净化：焦化企业生产过程产生的废水、废气和污染物达到行业先进值，创建绿色清洁智能工厂。

（5）精细化：优化配煤结构，做好优质煤种和劣质煤种的合理搭配；优化成型煤块密度、水分等参数，提高煤饼的强度及稳定性；生产装备的数字化升级带来智能化的工艺操作，便于调整工艺参数。

（6）资源化利用：吨产品废气产生量减少，废气显热充分利用，高浓度、难降解的焦化废水减量化产生，废渣、回收粉尘充分回用，难处理的焦化废盐资源化利用。

2 智能码垛炼焦与常规炼焦技术对比

捣固炼焦技术是利用固定式捣固机将细度（粒度≤3 mm）90%～93%的煤料捣固成煤饼，煤饼堆密度在1.00 t/m3以上，水分在11%，稳定性较好，不易坍塌；存在不足是煤料粉碎耗能高，炼焦过程废水产生量多、耗热量大，装煤过程容易造成环境污染。

智能码垛炼焦的核心技术是增加入炉煤料的堆密度、降低入炉煤水分，即高密度低水分炼焦理论。利用静压成型与智能码垛设备将细度（粒度≤3 mm）75%～90%的煤料液压码垛成煤饼，煤饼堆密度在1.20 t/m3以上，水分在8%。煤饼具有砌块性能，可以烘干预热，稳定性好，装煤过程环境友好。采用物理高静压成型法增加入炉煤料堆密度，通过测试煤料的堆密度，调整混合煤水分，设计好混合煤料的压缩比，得到不同密度的煤块用于试验。

利用山西某厂配合煤采样开展试验研究。根据配煤方案采用液压机及特制模具预制堆密度为1.00 t/m3（干基）和1.20 t/m3（干基）的煤块，成型压力15 MPa～30 MPa，成型尺寸250 mm×250 mm×250 mm，炭化温度1 050 ℃。

2.1堆密度提高对焦炭质量的影响

不同装煤堆密度的焦炭质量指标见表1。

从表1 可知，随着装煤堆密度的提高，焦炭粒径向20 mm～80 mm 集中；堆密度在1.20 t/m3时，粒径在20 mm～80 mm 的焦炭质量分数达80%以上，与堆密度为0.73 t/m3时相比，＞80 mm 和＜20 mm 的焦炭占比分别降低了8.8 个百分点和1.9 个百分点，相应的焦粉产量减少。

表1 不同装煤堆密度的焦炭质量指标

2.2堆密度提高对膨胀压力的影响

提高入炉煤堆密度，炼焦时对炉墙产生的膨胀压力增加，一般入炉煤安全膨胀压力应小于15 kPa[3]，极限压力＜20 kPa。利用山西某厂配合煤采样进行膨胀压力试验研究，测试高密度（1.20 t/m3）时煤块膨胀压力与炼焦焦炭的反应后强度（CSR），并与文献[3]中低密度（0.73 t/m3）和中密度（1.00 t/m3）的结果进行对比，结果见表2。

表2 不同配煤方案及堆密度下煤块的膨胀压力与炼焦焦炭CSR 值[3]

从表2 可知，入炉煤的膨胀压力越大，焦炭的反应后强度越高。与低密度入炉煤相比，相同的配煤方案下，中密度时入炉煤密度增加0.27 t/m3，膨胀压力高2.0 kPa 左右；高密度时入炉煤密度增加约0.50 t/m3，膨胀压力高5.0 kPa 左右，反应后强度提高9 个百分点左右。为了满足入炉煤安全膨胀压力的要求，有两种方法：一是调整配煤方案，减少焦、肥煤配比来降低膨胀压力；二是采取类似捣固焦炉的解决办法，即减少煤饼的体积，为炉体安全，建议码垛煤饼比捣固煤饼的宽度窄10 mm～15 mm。

2.3堆密度提高对炼焦工艺参数的影响

堆密度提高后，煤粒间的间隙减小，使煤粒间的接触更加紧密，传热和传质都加快，且在炼焦过程中胶质体易于填满空隙，胶质体的膨胀性和流动性都增加，焦炭质量改善。不同堆密度时的炼焦工艺参数见表3（炭化室平均宽度500 mm）。

表3 不同堆密度时炼焦工艺参数（炭化室平均宽度500 mm）

从表3 可知，相同水分的情况下，由于装煤量增加，码垛炼焦与捣固炼焦相比结焦时间延长了30 min。码垛炼焦煤饼上下密度、厚度均匀一致，要求的火道标准温度低，在焦化过程中产生的NOx和CO2排放低。

2.4堆密度提高对配煤指标的影响

配合煤水分、灰分、挥发分、黏结指数G、胶质层厚度Y、膨胀度b、粒度组成等参数对焦炭质量都有一定的影响，依据高密度炼焦理论，增加低膨胀性煤的配入量，减少对炉墙的膨胀压力，建议的不同堆密度时的配煤指标见表4。

表4 不同装煤堆密度时的配煤指标

由于炼焦时使用的炼焦煤资源具有区域性，往往配煤的煤料变化不大，使用高密度煤炼焦时，可以适当地增加高挥发分煤和弱黏结性煤配比，使配合煤的挥发分在30%以上，节约宝贵的主焦煤资源，降低配煤成本。

3 工业性单孔或群孔试验

工业性单孔、群孔试验在山东某焦化厂进行，焦炉炭化室高度4.3 m、5.5 m，炭化室宽度450 mm。采用捣固机制得的捣固煤饼水分10.5%，堆密度1.05 t/m3，煤饼厚度400 mm，结焦时间20 h。智能码垛炼焦设备采用1 250 t 静压成型机及特制模具，成型煤块尺寸550 mm×390 mm×500 mm，煤饼水分8%，堆密度1.28 t/m3，结焦时间20 h。

3.1焦炭质量提高

在相同的配煤条件下，智能码垛炼焦与捣固炼焦焦炭的质量对比见表5。