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提高焦炭质量所采取的技术措施

1前言

由于高炉容积日趋增大和喷煤量日渐提高,焦炭在高炉冶炼中扮演的角色发生了很大的变化,高炉炼铁对焦炭质量的要求也越来越高,这一点随着对高炉炼铁过程的不断深入研究,广大炼铁工作者和炼焦工作者已逐渐取得共识并不断深化。现代炼铁技术对焦炭质量的目标要求至少应当包括更高的冷热态机械强度、更低的热反应性、低灰、低硫和低且稳定的水分。

正是由于明确了焦炭质量目标要求,所以我国的广大炼焦工作者为了实现这些目标,研究、开发和应用了大量的具体技术措施,使我国生产的焦炭质量取得了显著的提高。本文拟对这些技术措施进行较为系统的整理和分析,为进一步提高和完善这些措施,促进研发出更多的技术措施搭桥和铺路。

2提高焦炭质量的技术措施

2.1原料的选择与预处理

焦煤的性质是决定焦炭质量的基本因素。所以选择适当的炼焦煤及其配比是提高焦炭的首要措施。但是,由于我国是一个炼焦煤分布不均且优质炼焦煤短缺的国家,因此针对国情合理配煤和对煤进行一定的预处理就成为提高焦炭质量的必不可少的技术措施。

(1)优化配煤

所谓优化配煤就是运用焦炭质量预测方程,在多种煤参加配比炼焦且满足一定的焦炭质量的前提下,筛选出一组成本最低的炼焦用煤及配比。显而易见,采用优化配煤技术可以在焦炭质量一定的条件下降低炼焦用煤成本,或者在炼焦煤成本一定的条件下,提高焦炭质量。中冶焦耐已研制出将煤场管理系统、焦炭质量预测系统、配煤优化系统紧密架构成一体的优化配煤技术。该技术已成功地运用在天津天铁炼焦化工有限公司并稳定运行了一年多,使优质焦煤的配用量由原来的20%下降到10%,使每吨入炉煤成本下降25.7元,其经济效益和社会效益巨大。日本已确立使用Ca含量高达3%~8%的煤生产高强度、高反应性的焦炭,从而降低高炉的还原剂比。

需要指出的是,优化配煤是建立在对煤性质准确分析的基础之上,而煤岩学从煤岩组成的角度出发研究煤的性质,这是一门能够更为深刻准确地揭示煤的各种性质的学科,已在选煤、煤炭分类、炼焦领域得到广泛应用,因此,煤岩学也是优化配煤的很重要理论基础。目前,运用煤岩学理论开展优化配煤研究和应用已经受到广大炼焦工作者的广泛重视。

(2)煤料捣固

将炼焦煤料在炉外捣固,使其堆积密度提高到950~1150kg/m3,一般可使焦炭M40提高1~6个百分点,Ml0降低2~4个百分点,CSR提高1~6个百分点。在焦炭质量一定的情况下,煤料捣固还可以多配15%~20%的弱粘结性的气煤、气肥煤,合理利用我国煤炭资源。

我国自行开发的5.5米捣固焦炉,已在云南曲靖投产,并正在金马、旭阳、日照、神华二期和宝丰设计施工。中冶焦耐开发的世界最高的6.25米捣固焦炉已在唐山佳华设计施工,预计2008年8月底投产,它将使我国的捣固炼焦技术迈向一个新台阶。中冶焦耐还成功地将炭化炭高4.3m、宽450mm的80型顶装焦炉和炭化炭高4.3m、宽500mm的顶装焦炉改造成捣固焦炉,为现有顶装焦炉的改造创造了条件。现在我国已投产的捣固焦炉已超过260座,炼焦生产能力已接近7000万吨。

(3)型煤压块

将炼焦装炉煤的一部分进行压块成型,与其余散状煤料混合装炉炼焦,可通过提高装炉煤散密度,显著改善焦炭质量。装炉煤散密度随型煤配入量的增加而增加,当配人量为30%~50%时,装炉煤散密度可达最大值(800kg/m3)。一般地,焦炭质量在一定范围内随型煤配人量的增加而提高。另外,如果保持焦炭机械强度不变,则可增加10%~15%的弱粘结性煤的用量,扩大煤料的使用范围,其经济性是显而易见的。宝钢是我国唯一一家采用配型煤压块炼焦的焦化厂,其一期、三期均配置有型煤压块装置,在实际生产中,其入炉煤配人15%~30%的型煤压块。武钢鞍钢为采用型煤压块技术进行了可行性研究或方案比较。

(4)煤调湿(CMC)

煤调湿是将炼焦煤料在装炉前除掉一部分水分,保持装炉煤水分稳定且相对较低,一般为6%左右。这项技术因其具有显著的节能、环保和经济效益以及提高焦炭质量等优势而受到普遍重视,在日本已得到迅速发展。以干熄焦发电机抽出的背压蒸汽为热源,在多管回转式干燥机内,蒸汽与湿煤间接换热。另一种煤调湿技术采用流化床,用焦炉烟道气与湿煤直接换热。

采用煤调湿工艺可将煤水分稳定在6%左右,使焦炉生产能力提高3%~10%,装炉煤散密度提高4%~7%,DI15150提高0.8~1.5个百分点。

目前,宝钢和太钢以蒸汽为热源、采用多管回转干燥机和济钢以焦炉烟道气为热源、采用流化床的煤调湿装置都在设计施工,预计2007年底投产;中冶焦耐已完成以焦炉烟道气为热源、既能调湿又能风选的煤调湿中试试验,即将进行工业装置试验。

(5)煤预成型技术(DAPS)

煤预成型技术(DAPS)是将配合好的人炉煤(湿煤)送人流化床干燥分级机,将其水分由9%降至1.8%。然后,用旋风分离方式将粒径<0.3mm的微粉分出,微粉入辊压成型机,压成小球状,再和干燥后的大粒煤混合,加入焦炉炼焦。将发尘性高的微粉煤在干燥状态下压实为球状后人炉,既可以提高焦炭强度,又可以使发尘性得到抑制。采用DAPS炼焦技术的效果见下表。

(6)选择粉碎

选择粉碎工艺根据炼焦煤料中煤种和岩相组成在硬度上的差异,按不同粉碎度要求,将粉碎和筛分(或风力分离)结合在一起,使煤料粒度更加均匀,既能消除大颗粒又防止过细粉碎,并使惰性组份达到适当细度。该工艺能够提高煤的结焦性和减少焦炭裂纹。

由于煤粒分离方法上的差异,选择粉碎又可分为机械选择粉碎和风力选择粉碎。风力选择粉碎不仅在生产能力、投资、能耗、运行等方面显著优于机械选择粉碎,而且除了可以像机械筛分那样将大颗粒煤分离出,还可以把密度大的惰性组份和灰分高的煤分离出来,使之粉碎得更细,从而消除或减少裂纹中心,提高焦炭强度。

我国炼焦配煤中难粉碎的气煤配比较高,风力选择粉碎工艺非常适应这一煤质特点。2003年底,酒泉钢铁集团公司焦化厂从俄罗斯引进的我国第一套风选配煤工艺装置投产调试,其生产能力为500t/h。该套装置2004年7月通过考核验收,所生产的焦炭强度M40提高了1.5~2个百分点,M10改善了0.8~1.0个百分点。

一些炼焦工作者针对我国南方煤水分大的特点,提出了先煤调湿(煤干燥)再风力选煤的工艺方案。

(7)配添加物

所谓配添加物就是在装炉煤中配入适量的粘结剂和抗裂剂等非煤添加物,以改善其结焦性的一种炼焦煤准备技术措施。配粘结剂工艺适用于低流动度的弱粘结性煤料,有改善焦炭机械强度和焦炭反应性的功效;配抗裂剂工艺适用于高流动度的高挥发性煤料,可增大焦炭块度、提高焦炭机械强度、改善焦炭气孔结构。日本研究含有金属铁的焦炭,借助于金属铁的催化作用,可以大大提高焦炭的反应性,从而使高炉热保存带温度降低100℃,高炉还原剂比降至300kg/t。

2.2焦炉加工工艺

(1)焦炉大型化

焦炉的大型化,是实现冶金焦生产可持续发展的一条重要途径。增加炭化室容积,在生产同等规模的焦炭量的情况下,可以大大减少出炉次数,减少阵发性的污染,改善炼焦生产环境;焦炉大型化的本身就能提高焦炭质量,并有利于提高焦炉的自动化水平,降低能耗,适应高炉大型化对焦炭质量及其稳定性的要求;焦炉大型化可以显著提高劳动生产率,降低生产成本,提高焦化产品的竞争能力。

一般情况下,6m焦炉的焦炭比4.3m焦炉焦炭M40提高1~2个百分点,M10降低0.2个百分点左右。

目前,为满足各种规模焦化厂的需要,我国已开发出6.98米顶装焦炉,现正在鞍钢鲅鱼圈、邯钢本钢攀钢施工建设。引进的7.63米超大容积焦炉已在兖矿焦化、太钢和马钢投产,并正在武钢、首钢京唐和沙钢设计或施工。我国开发的5.5米捣固焦炉,已在曲靖投产,并在金马、旭阳、日照、神华二期和宝丰设计施工。中冶焦耐公司开发的世界最高的6.25米捣固焦炉已在唐山佳华设计施工,预计2008年8月投产。

(2)增加焦炉炭化室宽度

增加焦炉炭化室宽度,具有提高装炉煤散密度,改善焦饼水平收缩,使焦炭的机械强度提高,平均块度增大,煤源适用范围广等优点。我国已将4.3米顶装焦炉宽度从450mm加大至500mm,在全国已广泛应用。中冶焦耐公司新开发的6.98米顶装焦炉,既有炉宽450mm,又有炉宽加大至500mm的。

(3)降低结焦速度或焖炉

降低结焦速度或焖炉都是适当地延长结焦时间。生产实践表明,对于粘结性较好的煤,适当降低结焦速度,延长结焦时间,可以提高焦炭的机械强度。焦饼成熟后,再经一段焖炉时间,可以使焦炭均匀成熟,粒度均匀化,焦炭质量提高。我国6m焦炉的结焦时间就是基于上述经验确定的,所生产的焦炭质量得到提高。结焦时间延长1h,M40提高1个百分点。宝钢焦炭质量如此之好,其中焖炉也起着一定的作用。

2.3焦炭的后处理

(1)干法熄焦(英文缩写CDQ)

干法熄焦(简称干熄焦)是采用惰性气体熄灭赤热焦炭的熄焦方法,是一项成熟和先进的工艺,具有节能、提高焦炭质量和环保三大优点。

干熄焦与湿熄焦相比,焦炭的M40提高3~8个百分点,Ml0改善0.3~0.8个百分点,粒度均匀,反应性降低。因此,高炉使用干熄焦炭,可降低高炉焦比,有利于高炉炉况顺行和提高高炉的生产能力,对采用富氧喷吹技术的大型高炉效果更加显著。国际上公认,大型高炉采用干熄焦炭可降低焦比2%,提高高炉生产能力1%;保持同样焦炭质量,采用于熄焦技术,可降低强粘结性的焦、肥煤配比,有利于保护资源、降低炼焦成本。

由于干熄焦提高焦炭质量给高炉生产带来可观收益,和节能带来可观收益,所以干熄焦有着很好的投资收益。1×140t/h干熄焦装置(全部国产化)的经济效益分析如下所述:

估算总投资15000万元,1×140t/h干熄焦装置(每年处理焦炭110万t)可创效益6940余万元,吨焦收益达63.09万元,扣除吨焦综合成本38.70元,干熄焦净收益达24.39元/t焦,投产回收期约为7.19年。

正是由于干熄焦具有上述可观的效益,因此我国大力推广干熄焦技术。现在我国已投产干熄焦装置44套,干熄焦炭能力约为3000万吨。至2008年底,我国运行的干熄焦装置将达到80套,干熄焦炭能力将达到7800万吨,位居世界第一位。

(2)新型湿法熄焦

新型湿法熄焦工艺深入剖析湿法熄焦原理,对传统湿法熄焦的喷洒方式、喷洒量及控制方式加以改进,达到熄后焦炭水分均匀、稳定且低的目的。采用新型湿法熄焦可使焦炭水分稳定在2%~4%之间,比湿法熄焦焦炭水分至少降低2个百分点,焦炭水分每降低1个百分点,高炉焦比可降低1.3%~1.5%。因此,新型湿法熄焦对高炉冶炼稳定操作、降低成本有着显而易见的效果。目前在世界上比较成熟的新型湿法熄焦工艺有美钢联开发的低水分熄焦工艺和德国的稳定熄焦工艺,前者已在我国得到推广应用,后者也已在中冶焦耐与UHDE公司合作设计的7.63m焦炉中运用。

(3)焦炭整粒

如前所述,采用富氧喷吹技术的高炉对焦炭的强度、粒度均匀性等焦炭质量提出了更高的要求。有着原生裂纹的焦炭其破裂成块是通过外力作用和焦块之间的摩擦最后完成的,其完成的深度取决于外界条件的作用。为了稳定焦炭的性能,使焦炭这种磨损破裂过程完成于进入高炉前,必须对熄焦后的焦炭采取整粒工艺措施。

焦炭整粒可以采用切焦工艺,但适当地增加筛运焦系统的皮带转运次数和落差高度也能达到较好的整粒效果。

在这里需要指出的是(2)中所述的新型湿法熄焦也具有整粒功能。

(4)喷洒焦炭添加剂

将特殊的焦炭添加剂溶液如硼酸复合剂喷洒到炽热的焦炭上,可以使处理过的焦炭的反应后强度(CSR)和反应性(CRI)得到显著改善。例如,昆明钢铁股份有限公司在6号高炉(2000m3)进行了工业性试验,试验结果表明:喷洒过添加剂的焦炭反应性(CRI)较未喷洒的CRI降低了3.13个百分点,CSR提高了4.72个百分点。日本在DI15150保持在86.2%、CSR保持在71.6的情况下。

喷洒焦炭添加剂之所以能够改善焦炭的热性质,主要是由于所喷洒的添加剂在焦炭表面形成一层“保护膜”,既可以降低焦炭的反应性,又可以对焦炭内的碱起屏蔽作用,还可以抵抗碱的侵蚀。

(5)甲烷化学气相渗透沉积

甲烷在焦炭和炭系物的小孔中进行热解炭的气相渗透沉积,能有效地修饰焦炭气孔,在气孔中形成一层均匀的热裂解炭,这种热裂解炭具有各向异性,抗二氧化碳反应能力强,故可以达到降低焦炭反应性,提高焦炭反应后强度。相关试验表明,甲烷渗透沉积的焦炭抗CO2反应能力大幅提高,CRI和CSR明显改善,分别降低约10个百分点和提高约14个百分点。

3提高焦炭质量技术措施的原理分析

如上所述,在焦炭生产的各个环节中,提高焦炭质量的技术措施很多,但按各个技术措施提高焦炭质量的基本原理进行分类不外乎如下四个方面:一、增大装炉煤的散密度,二、改善煤的性质,三、改进炼焦工艺,四、改进焦炭后处理工艺。下面分别对这些基本原理进行阐述。

3.1通过增大装炉煤散密度提高焦炭质量

在上述的提高焦炭质量的技术措施中,煤料捣固、型煤压块、煤调湿和加高加宽炭化室都是通过增大装炉煤散密度来实现提高焦炭质量的。

显而易见,煤料捣固、型煤压块、可以提高装炉煤散密度。而煤调湿通过降低装炉煤水分、提高装炉煤的流动性来提高装炉煤散密度。炭化室加高则装炉煤的“自由下落”时间延长、动能增加,装炉煤散密度因而增加,而炭化室加宽则可相对减少炭化室墙对装炉煤的“边壁效应”,增加装炉煤散密度。

那么,增加装炉煤散密度为什么能够提高焦炭质量呢?这是由于炼焦过程中,煤颗粒之间发生表面粘结和界面反应。装炉煤散密度大,则单位容积内热态煤颗粒之间的接触点多,热解液相产物和气相产物多,膨胀压力大,这有利于表面粘结和界面反应。所以增大装炉煤散密度可以改善焦炭气孔结构,提高焦炭质量。

3.2通过改善配合煤的性质提高焦炭质量

在上述的提高焦炭质量的技术措施中,优化配煤、选择粉碎和配添加物,都是通过改善配合煤的性质来提高焦炭质量的。

毫无疑问,配合煤的性质是决定焦炭质量的内在因素,而改善配合煤的性质也就是提高焦炭质量的最直接最有效的技术措施。要改善配合煤的性质,就必须依据焦炭质量的目标要求,选择恰当的配煤指标,而配煤指标的选择依据于相关的理论研究,例如,运用煤岩学指导炼焦的理论研究,焦炭强度预测的理论研究以及焦炭的宏观和微观性质、冷态和热态强度以及新的成焦理论的研究等。

3.3改善炼焦工艺提高焦炭质量

在上述提高焦炭质量的技术措施中降低结焦速度或焖炉以及干熄焦都是通过改善炼焦工艺来提高焦炭质量的。

显而易见,选择合适的结焦速度是确定炼焦工艺的很重要的一个方面,之所以把干熄焦也归类到改善炼焦工艺之中,是由于干熄焦时焦炭要在干熄炉预存段停留一段时间,这就相当于1000℃(±50℃)的焦炭在干熄炉中“焖”了一段时间,起到了炼焦过程中的“焖炉”的作用。

煤料结焦的热量是通过两侧炉墙提供的,热量从两侧传向炭化室中心。因此,结焦过程是从两侧炭化室墙面开始,逐渐移向炭化室中心的层状结焦过程。该结焦过程决定了当炉内焦炭达到焦饼成熟标志即其中心温度达到1000℃(±50℃)时,焦饼内部的温度场是不均匀的,焦饼宽向(即从炭化室墙面到炭化室墙面)和长向(机焦侧方向)的成熟程度也是不一致的,如果在这个时候结束炼焦,则推出炭化室的焦饼的“结焦”时间相对短的部分如焦饼中心或机焦侧炉头部分就可能不成熟、出现生焦。因此,针对这种结焦特性,在焦饼中心温度达到1000℃(土50℃)时,再设置一段“焖炉”时间,使焦饼的温度场尽可能达到均匀,使焦炭的机械和物理化学性质发生改变,使可能存在的生焦成熟。这就是焦炉延长结焦时间即焖炉和干熄焦的焦炭在预存室中停留1~1.5h可以提高焦炭质量的基本原理。

3.4通过改善焦炭的后处理工艺提高焦炭质量

在上述提高焦炭质量的技术措施中新型湿法熄焦、焦炭整粒、干熄焦和喷哂焦炭添加剂等都是通过改善焦炭的后处理工艺来提高焦炭质量的。

新型湿法熄焦除了能够降低焦炭水分外,还因为它采用大水流熄焦,使焦炭处于“沸腾”状态,因而具有焦炭整粒功能,而焦炭整粒就是使焦炭的潜在缺陷提前释放,以稳定的粒度进入高炉。

在炼焦煤及炼焦工艺相同的条件下,熄焦方式对焦炭的微孔结构具有明显的影响。在湿熄焦过程中,熄焦水喷洒在赤热的红焦上,焦块骤然冷却收缩,使焦炭的内应力骤增,产生大量的裂纹,形成较多的微孔;此外,在湿熄焦过程中,部分水蒸汽与红焦发生气化反应,也生成一些微小的孔洞。而干熄焦则不然,它是通过惰性气体与红热焦炭换热来熄灭焦炭的,焦炭的降温速度非常缓慢(一般长达约2小时,远远大于湿法熄焦的1.5分钟),因此,焦炭内部因干熄而产生的热应力非常小,焦炭因此而产生的裂纹和破坏也就非常少。这就是干熄焦提高焦炭质量的原理。对焦炭微孔结构的分析结果表明,干熄焦炭的微孔数量少于湿熄焦炭,而且微孔的平均孔径也远远大于湿熄焦炭。干熄焦炭的总表面积显著小于湿熄焦炭,是干熄焦改善焦炭热态性质一降低反应性(CRI)、提高反应后强度(CSR)的主要原因。

此外,干熄焦时,焦炭通过多次倒运以及焦炭在干熄槽中从上而下的运动过程中,焦炭之间相互碰撞和摩擦,相当于受到了充分的机械整粒作用;焦炭在干熄过程中的缓慢冷却,避免了湿熄过程中焦炭内应力的增加,也就避免了大量微裂纹的产生。这是干熄焦能改善焦炭冷态强度的主要原因。

如前所述,喷洒焦炭添加剂、甲烷化学气相渗透沉积是直接改善焦炭热性质的手段。当然,这两项措施尚处于研究阶段,还有待于进一步试验和生产实践。

4结束语

在炼焦生产中,自觉运用提高焦炭质量的基本原理,积极开发并广泛采用提高焦炭质量的技术措施,为高炉生产提供更多的质量优良的焦炭,将会给炼铁生产带来巨大的经济效益,对于提高冶金生产在国际上的竞争力具有重大的战略意义。

 
发表于:2011年06月11日
 
 
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