静压成型高密度型煤协同处置焦化危废炼焦技术研究

岳伟明，燕 慧，崔长青，姚润生，牛志龙

（1.山西焦化股份有限公司，山西 洪洞 041606；2.中化学赛鼎焦化（山西）工程科技有限公司，山西 太原 030032；3.山西博嘉慧科技有限公司，山西 太原 030032）

当前大型工业焦炉装煤有顶装、侧装两种方式，顶装焦炉具有操作相对简单、适应性强等优点，但也存在相同品质焦炭情况下，配煤成本高、堆密度低等缺点；捣固焦炉堆密度相对较高，相同配比的情况下，焦炭机械强度、热强度均优于顶装焦炉，但也存在操作相对复杂、烟尘治理困难等缺点。

配型煤炼焦结合了两种装煤方式的优点，可提高入炉煤的堆密度，降低高价焦煤的使用量，增加低价煤的使用量，同时可增加焦炭产量、提高焦炭质量。配型煤炼焦技术于20世纪70年代由日本率先开发成功，我国宝钢公司曾于20世纪80年代初从日本新日铁引进型煤炼焦技术[1]。

从各国的炼焦实践看，制约配型煤炼焦技术的主要因素有型煤黏结剂、型煤强度、投资及生产成本等因素，为此，山西博嘉慧科技有限公司（以下简称博嘉慧公司）进行了“静高压型煤成型及配套设备”“高效生物质型煤黏结剂”等关键技术的开发，并与山西焦化股份有限公司（以下简称山西焦化）合作，依托山西焦化300 kg试验焦炉开展了静压成型高密度型煤炼焦相关技术研究。另外，焦化企业在生产过程中会产生大量危废物质，主要为脱硫废液、焦油渣、生化污泥渣等[2]，为实现这些危废资源的无害化利用，还进行了配型煤炼焦添加危废物的相关研究。本次配型煤炼焦技术的试验长达一年多，在环保、生产成本、生产应用等方面取得一些突破，现介绍如下，以期为顶装炉焦化企业的新建装置及老装置技改提供技术借鉴和支持。

1 静压型煤的外形尺寸及成型压力研究

1.1 静压型煤外形的尺寸特征分析

配合煤混合高效黏结剂高压成型后，需要混合散煤一同装入炭化室，传统的型煤外型受成型设备的制约普遍为球形，但球形易滚动，且成型时的压缩比不大，堆密度提高小，成型后的型煤强度主要由低效黏结剂提供，致使黏结剂用量大，生产成本偏高，灰分增加，影响焦炭的质量。本研究通过多次试验并不断总结经验后发现，将型煤外形改为圆柱形，直径和高尺寸保持在1∶1左右，由于形状和受力等原因，能有效解决滚动偏析问题，且圆柱体型煤的高压成型设备可使压缩比达到2∶1（模具内自然堆积与压制成型后高度之比），使型煤的堆密度达到1 250 kg/m3～1 300 kg/m3。当大量的散煤和型煤同时进入炭化室后，会产生随机的碰撞和接触，散煤包裹型煤速度加快，使圆柱体型煤的滚动更不易发生。所以，圆柱体的型煤较之球形型煤可以有效改善装炉时的偏析现象。

1.2 静压型煤成型压力研究

本研究型煤压机采用博嘉慧公司的静高压型煤成型压机，该成型压机主要特点是：适于压制各种形状型煤制品，模具可定制；成型压力、时间智能可调，还可以调整型煤的密度；压制产品质量高，黏结剂用量少；设备自动化生产，生产效率较高。

虽然高压成型设备的压力很大，但型煤作为固体物质压缩性较差，在型煤压制过程中，存在一个最大压力值；另外，从生产成本的经济层面分析，存在一个最佳压力值。试验过程取同一堆配合煤，不加黏结剂，配合煤水分10%、细度72%～85%（＜3 mm）、模具内装填高度均相同，不同成型压力时型煤的堆密度和落下强度见表1。表1中型煤落下强度试验的落下高度为1 830 mm，取10 mm圆孔筛筛上物质量占整个型煤质量的百分数为落下强度。

表1 不同成型压力时型煤的堆密度和落下强度

根据表1数据，综合考虑设备投入和能耗，成型压力控制在35 MPa～40 MPa为最佳值，成型压力再增加时，型煤堆密度无明显变化，且会有内应力裂纹产生。

2 BJH高效生物质黏结剂开发与研究

2.1 BJH高效生物质黏结剂介绍

型煤黏结剂是影响型煤质量的关键因素，对型煤强度有很大影响。当前开发的型煤黏结剂主要分为有机、无机、复合黏结剂三大类[3]。

有机黏结剂有亲水型和疏水型两种。亲水型有机黏结剂主要有淀粉、腐殖酸（风化煤）和生物质等。疏水型有机黏结剂主要有煤焦油沥青、石油沥青等。煤颗粒与黏结剂中的有机成分有很强的亲和力，黏结剂能均匀包裹煤颗粒甚至渗透到煤的微孔中，固化后可使型煤具有较高的机械强度，但在高温时，黏结剂中的有机质容易软化或分解，丧失黏结能力，因此，生产的型煤热强度和热稳定性都不太理想。无机黏结剂主要有石灰、黏土等。无机黏结剂的主要特点是具有较强的黏结能力，固化后能起到“骨架”作用，使型煤具有较高的机械强度且在较高温度下不易软化分解，因此，用无机黏结剂生产的型煤机械强度和热稳定性都比较理想，但无机黏结剂的防水性较差，不利于型煤储存和运输。另外，无机黏结剂的加入会增加型煤的灰分，所以在制作型煤时所选择的原料煤灰分不宜太高，以便为无机辅料的添加留有一定的空间。

复合黏结剂是同时使用2种或2种以上不同类型的黏结剂，利用单种黏结剂的优点，相互补充，发挥出综合效果。根据焦炉生产特点和环保要求，博嘉慧公司黏结剂开发排除了焦油、沥青、石灰、黏土等常规物质，通过反复试验优化，研发出BJH复合生物质有机无机高效黏结剂，该黏结剂采用生物质材料醚化氧化、高分子材料与无机材料复配而成，环保无味，配入质量分数0.1%～0.5%，仅为普通黏结剂用量的20%左右，生产出的炼焦型煤的性能优良，且不会对焦炭质量造成影响，同时降低生产成本。

2.2 BJH高效生物质型煤黏结剂加入量研究

在满足环保、生产要求的前提下，确定黏结剂的最佳加入量，以达到生产成本最低、强度最好的目的。在同煤源的条件下，研究了黏结剂加入量对型煤落下强度的影响，结果见表2。

表2 不同BJH高效黏结剂加入量的型煤落下强度%

由表2可见，黏结剂加入质量分数由0.1%增加到0.2%时，型煤落下强度的增加值远远大于由0.2%增加到0.3%时的增加值；黏结剂加入质量分数由0.4%进一步增加时，型煤落下强度的增加值变小且增加幅度趋缓，综合考虑成本等方面因素，确定黏结剂加入质量分数为0.3%～0.4%时，强度可满足生产需要，生产成本较低。

3 300 kg试验焦炉配型煤炼焦试验研究

3.1 高密度型煤配入量与焦炭质量相关性研究

在外型尺寸、成型压力、BJH黏结剂加入量等数据确定后，在300 kg试验焦炉上进行了型煤配入量 与焦炭质量相关性的研究，结果见表3。

表3 不同型煤配入量条件下焦炭质量分析

表3结果显示：在30%（体积分数）的型煤配入量时，焦炭抗碎强度提高了0.9个百分点，耐磨强度改善了1.5个百分点，反应后强度提高了1.0个百分点，产量提高了16%（实测值），但在40%的型煤配入体积分数时，焦炭各项主要指标变化不大，因此，确定30%的型煤配入体积分数为最佳配入量。

另外，表3中型煤加入体积分数为10%时的实验是最后一组实验，与其他组实验的时间相差4个月，部分数据出现异常，分析主要原因是煤质氧化造成的。

3.2 体积分数30%型煤配入量时黏结指数与焦炭质量相关性研究

最佳型煤配入量确定后，焦炭的指标较之前有所提高，那么降低配煤成本就有了可操作空间。根据实际生产经验，调整了配煤方案，将G值从70逐步调整至55，对比研究焦炭质量的变化。降低配合煤G值的试验方案见表4，表4中数据为理论计算值，基准方案不配入型煤。

表4 降低配合煤G值的试验方案

根据表4的试验方案，共进行了5次300 kg焦炉试验，结果见表5。

由表5可知：按体积分数30%的型煤配入量，在G65的时候，焦炭各项主要指标与G70的基准方案基本相同。但在G60的时候，焦炭各项主要指标下降明显。试验结论：型煤配入体积分数30%炼焦时，G值降低至65也可满足生产需求。

表5 配合煤不同G值下焦炭质量的试验数据

3.3 配型煤炼焦添加焦化危废的相关研究

在焦油沉淀以及污水的生化处理过程中，焦化厂会产生大量的焦油渣和剩余活性污泥，以及废脱硫液等有毒有害的危险废弃物；随着环保要求越来越严格，产生的焦化危废如何在焦化工艺内实现闭路循环和无害化处理，已成为焦化厂亟待解决的环保和生产问题。

焦油渣自身具有较强的黏结性，在高温下会融化，形成流动性很强的黏稠体。可充分浸润并吸附在煤粒表面，因此焦油渣可作为炼焦配煤黏结剂。

剩余活性污泥本身含有机物，如蛋白质、脂肪和多糖，具有一定的热值，又有一定的黏结性能，可作为型煤黏结剂，改善在高温下型煤的内部孔结构，同时也是疏松剂，可使剩余活性污泥的热值也得到利用。

焦炉煤气湿法脱硫是目前国内焦化企业脱硫的主流工艺，但是其脱硫废液因含有大量的硫氰酸盐、硫代硫酸盐和硫酸盐，不能采用生化等方法进行处理，一般直接喷洒到煤场，破坏地下水，造成了二次污染。甚至导致煤场煤堆之间常年形成堰塞湖、人工岛，煤场有效容量大幅降低，给堆煤、取煤操作带来很大困难，同时也存在较大的环境污染风险。

焦油渣和剩余活性污泥都是高挥发分、高水分、低灰分物质。在配煤炼焦过程中，会增大焦炭的气孔率，不会导致焦炭灰分的明显升高。脱硫液在高温炭化下将难处理的硫化物，分解为易于吸收处理的硫化氢等含硫化合物，对焦炭质量影响较小。因此在配煤炼焦时，适当添加焦化危废在理论上是可行的；而且通过本次研究采用的配型煤炼焦工艺与装备，可通过计量和混捏，将脱硫液、焦油渣和活性污泥有控制、有计量均匀压制入型煤中，使生产管理更加科学环保。

根据山西焦化焦油渣、脱硫液与活性污泥的产量，确定了三种危废的基本配入比例分别为（质量百分数）：焦油渣0.21%、脱硫液0.23%、活性污泥0.84%。在300 kg试验焦炉上，对配型煤炼焦工艺进行了最佳危废配入量与配入方式的试验，结果见表6。

由表6可以看出，通过配型煤炼焦工艺添加焦化危废后对焦炭质量影响较小，增加两倍危废配入量，也可保证焦炭质量。

表6 不同配煤方式、不同焦化危废添加量下的焦炭质量分析

4 高密度型煤协同处置焦化危废炼焦技术效果分析

此次配型煤炼焦研究，在型煤配入体积分数30%时效果较好，装炉煤的堆密度可从720 kg/m3提高到840 kg/m3，实现焦炭增产16%。按增产10%计算，以山西焦化年产300万t焦炭为例，每年可增产30万t焦炭，吨焦盈利按150元计算，年可创收4 500万元；该技术还可减少主焦煤、肥煤用量5%～10%，增加气煤、瘦煤用量5%～10%，吨焦配煤成本可降低50元～80元，按吨焦成本降低50元，年产300万t计算，每年可节约成本1 500万元。

高密度型煤配煤炼焦，无论在提高焦炉产能与降低能耗方面，还是在危废无害化循环利用与节能减排环保方面，都给焦化企业带来了一个新的思路。经此次试验研究，高密度配型煤协同处置焦化危废炼焦技术可作为焦化企业的一个新技术，为企业带来新的利润增长点，为焦化企业绿色发展提供技术与设备支撑。