采用配煤炼焦新技术 稳定提高焦炭质量

采用配煤炼焦新技术 稳定提高焦炭质量

  • 2014年08月25日 11:20
  • 来源:中国铁合金网

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  • 关键字:焦炭 高炉 无烟煤 焦粉 焦煤
[导读]高炉大型化、喷吹煤粉等技术的应用,使焦比大幅度下降,焦炭在高炉中停留时间加长,其料柱骨架作用更加突出,这对焦炭质量提出了更高的要求。增加炼焦配煤中优质炼焦煤的配入比例是提高焦炭质量的有效和通常做法。

1 前言

高炉大型化、喷吹煤粉等技术的应用,使焦比大幅度下降,焦炭在高炉中停留时间加长,其料柱骨架作用更加突出,这对焦炭质量提出了更高的要求。增加炼焦配煤中优质炼焦煤的配入比例是提高焦炭质量的有效和通常做法。我国国民经济的持续高速发展极大地拉动了钢铁生产的高速增长,因而强力带动了炼焦生产的高速度发展,焦化行业连续数年快速发展,2006年焦炭产量达到29768万吨,同比增长17.14%,机焦26279万吨,同比增长19.44%,占88.28%,焦炭出口1450万吨。焦炭产能的快速扩张导致炼焦煤供应紧张,炼焦煤价格大幅度升高,优质炼焦煤供应更加紧张。同时,由于焦炭产能过剩,焦炭价格低迷。焦化行业面临着煤炭资源供应紧张和经济效益低下的双重压力,如何合理利用煤炭资源,提高焦炭质量,降低生产成本,提高企业经济效益,满足钢铁工业持续发展是摆在焦化企业面前的紧迫任务,也是长期任务。

选择合适的备煤工艺及炼焦新技术、以煤岩学理论和实践为基础,通过合理选择原料煤、优化炼焦配煤,以期达到合理利用煤炭资源,降低主焦煤和肥煤的配入量,降低生产成本和提高焦炭质量,是焦化企业实现长期发展与资源利用相协调和提高企业经济效益的重要途径。

2 喷吹煤粉的大型高炉对焦炭质量的要求

随着我国钢铁行业的发展,高炉大型化、喷吹煤粉技术和精料技术应用,使焦比大幅度下降,焦炭在高炉中停留时间加长,其料柱骨架作用更加突出,这要求焦炭的化学指标、冷态机械强度和热态性能均应提高。尤其是反映热态性能的反应性(CRI)、反应后强度(CSR)应达到较高指标,以弥补焦炭在高炉中停留时间延长带来的碳溶反应加剧的问题。同时,对于大型高炉,可考虑适当加大入炉冶金焦的平均粒度,以抵消碳溶反应带来的粒度减小,使高炉风口焦保持合适的粒度,确保高炉的透气性。

我国钢铁企业众多,高炉容积从数百立方米到四、五千立方米,高炉喷吹煤粉量从几十千克到二百千克不等,对焦炭质量的要求不同。各钢铁企业应根据各自高炉实际设定焦炭质量指标,不宜盲目追求高的焦炭质量指标,以节省优质炼焦煤、降低生产成本。

我国几家大型钢铁企业的大型高炉焦炭质量达到以下指标:Aad≤12.5、St,d≤0.7、M40≥82、M10≤7、CRI≤30、CSR≥57。有些企业的焦炭质量远高于以上指标。

3 采用备煤新工艺新技术。稳定、提高焦炭质量

3.1 捣固炼焦技术

将炼焦煤料在炉外捣固成煤饼再装炉炼焦,使装炉煤堆积密度提高到950~1150kg/m3,一般可使焦炭机械强度M40提高1%~6%,M10降低2%~4%,反应后强度CSR提高1%~6%。捣固炼焦工艺可以多配气煤、l/3焦煤、肥气煤,合理利用我国煤炭资源。近年来,我国捣固炼焦技术得到了长足发展,炭化室高4.3米捣固焦炉已推广应用,5.5米捣固焦炉也已成功用于生产。根据中国炼焦行业协会焦炭煤资源专业委员会的调研(见表l,表2),捣固焦炉可以大量配用价格较低的气煤、1/3焦煤、瘦煤,明显降低了炼焦配煤成本,合理利用了煤炭资源,为企业带来了明显的经济效益并产生了良好的社会效益。

3.2 配型煤炼焦技术

将炼焦装炉煤的一部分从备煤系统切出配加粘结剂后压制成型煤,再与其余散状煤料混合装炉炼焦,由于煤料堆积密度的提高和粘结剂对煤料的改质作用,可显著改善焦炭质量。

中钢集团鞍山热能研究院与包钢鞍钢合作进行的配型煤炼焦工业炉孔试验表明,在型煤配比30%时,取得了可以多配入弱粘结煤8~12%,M40提高2~3%,M10改善0.5~1.0%的明显效果。该工艺可提高焦炭质量和多配入弱粘结性煤,扩大炼焦煤资源。

宝钢一期工程和三期工程从日本引进了配型煤技术,应用至今,型煤配人量15%~30%。

3.3 煤调湿工艺

煤调湿工艺是新日铁于上个世纪80年代开发的技术。旨在降低装炉煤水分,减少由于洗煤厂脱水工艺及气候影响造成的装炉煤水分波动。经煤调湿后,配煤水分控制在6%左右。用此工艺技术有助于提高焦炭质量(包括冷态强度和热态强度)、增加焦炉生产能力、降低炼焦耗能、稳定焦炉操作、减少炼焦污水、延长焦炉寿命。其缺点是运煤过程易扬尘、炭化室易结石墨、焦油渣量增大。

如某厂采用煤调湿技术,煤的水分由11%左右降至6.5%,焦炉生产能力提高7~8%,焦炉加热煤气消耗减少500kJ/kg,剩余氨水减少30%,焦炭机械强度相应提高。

目前,日本煤调湿多采用干熄焦所产蒸汽直接加热的工艺设备或用烟道气直接流化干燥的流化床干燥器。我国也有多家单位在开发该项技术和相关设备并已取得明显进展,建议相关单位加强合作、加大对该技术的开发力度,争取该技术早日应用于生产。

3.4 配合煤选择粉碎工艺

该工艺是先将配合煤送入流化床风选机内进行分级。细粒煤被风带出作为产品,而比重大的、粒子粗的、灰份高的煤粒沉于床底,用刮板机运出进行两次粉碎后再进入风选机风选,如此循环操作。由于该工艺将<3mm的细粒煤先从配合煤中分离出来,大颗粒煤进入粉碎机粉碎,降低了粉碎机的负荷节省了电力。比重大的、粒子粗的、灰份高的煤粒经过重复粉碎和风选也达到合理的粒度,使不同粒级煤料性质更接近,使装炉煤的粒度分布和细度合理,提高了煤料堆密度,从而提高了焦炉产量,改善了焦炭质量。酒泉钢铁公司焦化厂引进俄罗斯风动选择粉碎工艺技术,并已生产应用。该工艺提高焦炉生产能力2%,焦炭M40提高1.46%、M10改善0.5%。

风动选择粉碎工艺对入选煤水分有严格控制要求,即必须小于9.0%。由于中国炼焦精煤中渗入煤泥,故水分偏高。特别是南方地区,因雨季长,水分就更大一些,难以达到要求。因此,该工艺的直接推广受到了限制。

3.5 风选调湿工艺

中钢集团鞍山热能研究院根据国内外相关工艺技术研究开发的炼焦煤风动选择粉碎和水分控制技术(简称风选调湿技术),针对我国炼焦煤水分大的特点,采用流化床技术,利用焦炉烟道气等代替空气作为沸腾介质,将煤料风动选择粉碎和水分控制结合为一体。其主要特点:(1)在炼焦配煤中可多用气煤和1/3焦煤,少用焦煤和肥煤;(2)提高焦炭强度,改善焦炭质量;(3)可降低焦炉耗热量5%,焦炉生产能力提高5~l0%;(4)投资少,回收期短,回收期约2~3年。

中钢集团鞍山热能研究院与本钢合作建成了我国第一套处理能力为1000kg/h风选调湿试验装置。对鞍钢、本钢、宝钢炼焦煤进行了风选调湿试验,并进行了半工业性炼焦试验,取得了提高焦炭质量等明显效果:

(1)改善炼焦煤的粒度组成,各粒级煤质变化趋于均匀;

(2)装炉煤堆积密度提高4.0%-6%;

(3)提高焦炭强度:M40提高0.5~2.5个百分点,M10改善0.5~1.5个百分点;

(4)焦炭反应性降低0.7~2.6个百分点,反应后强度提高0.2~2.4个百分点;

(5)在保持焦炭质量不变或略有提高的情况下,可多配用弱粘结性煤10~12%。

该项技术已获得国家发明专利,拥有自主知识产权,已进入工业化应用推广阶段。

4 推广干熄焦技术,提高焦炭质量

干熄焦是采用惰性循环气体熄焦的技术,具有节能、环保和提高焦炭质量三大优点。

干熄焦与湿熄焦相比,焦炭的M40提高3%~8%,M10降低0.3%~1%,反应后强度CSR提高1%~6%。干熄焦炭用于高炉冶炼可以降低高炉焦比,提高高炉的生产能力,对于采用富氧喷吹煤粉的大型高炉效果更加显著。国外文献认为大型高炉采用干熄焦炭冶炼可降低焦比2%,提高高炉生产能力1%。日本采用干熄焦炭高炉焦比降低约20kg/t铁。保持焦炭质量不变,采用干熄焦技术可降低资源紧张的焦煤和肥煤的配入量,合理利用煤炭资源,降低炼焦成本。

干熄焦可回收80%~83%的红焦显热,平均1吨焦炭可回收3.9Mpa,450℃蒸汽0.5~0.59吨。对于100万t/a焦化厂而言相当于减少了8~l0万吨动力煤的消耗,从而减少了燃煤而产生的温室气体CO2及SO2的排放量,还减少了湿熄焦所产生的有害物和粉尘对大气的污染。可见干熄焦技术还有节能、环保、减排的作用。

鞍山华泰干熄焦工程技术有限公司在国家产业政策的支持下,实现了干熄焦技术的国产化,使投资明显下降,国内大中型钢铁企业建设热情高涨,独立焦化企业也已开始建设干熄焦项目进行温室气体减排交易。目前我国干熄焦产能已达4600万吨,相对于30000万吨的产能还有相当大的发展空间,国家应进一步在产业政策和税收等方面出台相应鼓励政策和措施,促进干熄焦技术在焦化企业的广泛应用,为我国温室气体减排、节约资源作出贡献。

5 推动配煤技术进步,稳定、提高焦炭质量

近年来,通过增加优质炼焦煤的配用量,我国的焦炭质量有了明显的提高一一焦炭的冷、热态强度提高,灰分、硫分降低。但在原料煤配比选择和焦炭质量控制上主要仍是延用多年来传统的技术方式,仍根据生产经验以挥发分(Vdaf)、胶质层厚度(y)及粘结指数(G)为主要控制指标开展配煤工作,配煤技术较多停留在定性的、经验的阶段。

随着高炉冶炼技术的提高,要求焦炭质量——灰、硫、冷强度和热强度稳定和提高。传统的经验配煤由于不能很好地实现从定性到定量的转化,尤其是对热强度的控制难以奏效,企业只好多配用优质炼焦煤来保证焦炭各项质量指标不低于目标值,使企业的配煤成本增加且浪费了宝贵的优质炼焦煤。采用煤岩学配煤是解决这一问题的有效方法。

5.1 采用煤岩配煤技术开展科学配煤

5.1.1 煤岩配煤技术的概念

煤岩配煤技术是根据煤岩学的原理,利用煤岩学的检测方法和煤岩参数,指导炼焦原料煤管理、配合及其它煤焦工艺参数的调整,预测、控制焦炭质量,以达到稳定、提高焦炭质量、合理利用煤炭资源、降低生产成本的技术理论和技术方法。煤岩配煤的发展已经形成几条公认的基本原理:

(1)煤是不均一的物质,煤是一种复杂的有机物质和无机物质的混合体。煤中有机物质的性质不同,在配煤中的作用不同。因此,可以说每种煤都是天然的配煤。根据煤在加热过程中的变化,把煤的有机物质按其在加热过程中能熔融并产生活性键的成分,视作有粘结性的活性成分;加热不能熔融的、不产生活性键的为没有粘结性的惰性成分。

(2)一种煤的活性成分的质量不是均一的,这可用反射率分布图来说明。活性成分的质量差别可以很大,不但不同变质程度煤差别大,而且即使同一种煤,所含的活性成分的质量也可有相当的差别。如果以反射率表示一种单种煤中所含不同性质的活性成分(指镜质组)的组成,则每一种煤的活性成分反射率图都大体成正态分布。这使得煤镜质组反射率分布成为鉴别混煤的唯一有效方法。

(3)惰性组分与活性成分一样,同是配煤中不可缺少的成分,其含量的多少是决定配煤性质的又一重要指标。任何一种合理的炼焦配煤方案,都是不同质量不同数量的活性成分与适量惰性成分的组合。

(4)成焦过程中,不是煤粒相互熔融成均一焦炭的过程,而是通过煤粒间的界面反应、键合而连接成为焦块。

5.1.2 煤岩学在炼焦煤采购和日常管理中的应用

(1)煤岩学在炼焦煤采购管理中的应用

目前,各焦化厂选择供煤基地时,除考虑各煤种间相互的配合外,主要考虑其粘结性、挥发分、灰分、硫分的高低。而实际上,粘结性好坏、挥发分产率高低主要决定于煤变质程度和岩相组成,有时煤的还原程度也能引起粘结性异常。煤中灰分主要来自煤中矿物质,煤可选性大小取决于矿物质与有机组分之间不同的共生关系。另外,来自同一供煤基地的煤,由于产自不同煤层,其性质可以有非常显著的差别。运用煤岩学手段,结合供煤点煤田地质特性,有利于找到煤种适宜、煤质稳定并可保障供应的供煤基地。

(2)煤岩学在炼焦煤日常管理中的应用

目前很多供煤厂家是汽车送煤或站台发煤,其煤源本身就很复杂。同一厂家不同批次来煤,有时尽管常规检测属同一种煤,但煤岩特征差异较大,在配煤中所起的作用并不相同,把这样的煤作为单种煤,对配煤炼焦质量会产生非常不利的影响。

对人厂原料煤进行显微组分定量统计及镜质组反射率测定,运用这两个指标可以判别每次来煤是否稳定、正常。其中,镜质组反射率直方图可以非常直观地反映出混煤现象,并可从图中求出非正常煤的大致混入量;从显微组分定量统计结果的变化也可以看出来煤煤源发生的变化。

5.1.3 煤岩学在煤场管理中的应用

由于焦炭产能的大幅度增加,炼焦煤供应紧张,一家焦化企业用几十种煤的情况非常普遍。由于煤分类的局限性和煤的复杂性,再采用简单的按煤分类牌号堆放炼焦煤的方法就会出现配煤比没变,但焦炭质量明显变化的现象,为确保炼铁生产稳定,只能按焦炭质量下限进行生产,炼铁焦比高,配煤成本高,煤资源利用不合理。解决的方法是:按照单种煤的镜质组反射率基本一致,反射率分布图围成的面积绝大部分重叠,粘结性能和炼焦特性相近分类的原则进行堆放,就能使焦炭质量稳定,从而合理利用煤资源,降低了配煤成本

5.1.4 煤岩学在优化配煤中的应用

研究表明,配合煤中单种煤的煤种结构不同,最佳配煤的反射率分布图的特征也不同。因此,应把配合煤反射率分布图特征也作为控制配煤的一个指标。

具体做法:按配煤方案中各单种煤镜质组反射率分布,通过加权平均得出配煤的反射率分布,并力求调整到理想的配合煤的反射率分布图。应避免有明显凹口的配合煤反射率分布图出现,因为这样可使配合煤在结焦过程中保证塑性状态的良好衔接和合适的焦炭光学显微组织组成的形成,保证焦炭在结焦过程中和形成焦炭的微观结构得到优化。这种方法的应用使许多企业提高了配煤的水平,稳定了焦炭质量,减少了优质炼焦煤的配入量。

5.2 应用煤岩学进行焦炭质量预测

由于煤岩指标、数据众多和处理的复杂性以及煤质与焦炭质量之间的非线性关系,采用传统的经验配煤、经验公式和线性模型很难适应当前配煤工作的需要。采用人工神经网络及遗传算法结合计算机技术,通过采集大量配煤炼焦试验数据,运用这些新型数据处理方法来建立焦炭质量预测模型是近年来煤岩配煤工作的主要特点。这种综合了煤岩配煤理论、现代数学处理方法和计算机技术的配煤方法使配煤技术从经验的和定性的阶段进入科学的和数值化定量的新阶段。由于煤岩指标的采用,使配煤水平和焦炭质量指标预测精度明显提高,中钢集团鞍山热能研究院所做的研究工作证明了以上观点,见表3、4、5、6.

5.3 建立配煤专家系统

信息技术、计算机技术和自动化技术使建立配煤专家系统成为可能。在建立了焦炭质量数值预测模型的基础上结合专家经验、煤焦数据库、生产管理流程可以建立针对具体焦化厂的配煤专家系统。该系统包括:数据库模块、煤场管理模块、焦炭质量预测模型模块、配煤优化系统模块四部分。

配煤专家系统的应用将煤资源、煤质指标、煤炭价格、焦炭质量要求、专家经验、煤焦历史数据等诸多因素相互关联,采用现代数学方法进行数值预测和方案优化,达到少用优质焦、肥煤,合理利用煤炭资源,降低配煤成本,提高配煤技术水平、管理水平和自动化水平等目的。

配煤专家系统作为一种智能控制系统,充分吸收了焦化领域专家在配煤炼焦领域的知识与经验,综合了煤岩学应用领域中的预测焦炭质量、煤场单种煤的日常检测及分类、配煤优化等功能。专家经验、煤岩配煤理论和现代科技的紧密结合使配煤专家系统具有了强大的综合性功能。中钢集团鞍山热能研究院长期从事此项目的研究工作,目前已开始为广大焦化企业提供相关的技术服务。

5.4 重视煤灰成份对焦炭质量的影响

焦炭的机械强度和热强度都与煤阶、煤的粘结性及焦炭光学显微组织、气孔结构密切相关,焦炭的反应性和反应后强度还与炼焦煤中灰成分有很大关系。煤灰成分中的碱金属、碱土金属和金属氧化物对焦炭与CO2反应具有明显的催化作用,致使焦炭反应性增大、反应后强度下降。因此,焦化企业应将煤灰成分作为焦炭的反应性和反应后强度的预测参数,并作为炼焦煤日常采购、管理和配煤的控制指标。

6 拓展炼焦煤资源

6.1 充分利用国外优质炼焦煤资源

我国炼焦煤中优质焦煤和肥煤十分缺乏,开采和使用比例严重失调。为解决我国焦化企业长期稳定发展与炼焦煤资源供应的协调问题,东部沿海省份应考虑多从国外进口优质焦、肥煤,各边境省份可从临近国家进口炼焦煤,减轻国内资源和运输压力,保护我国的炼焦煤资源。目前我国主要从澳大利亚和加拿大等国进口炼焦煤。政府应制定政策鼓励进口优质炼焦煤,同时限制炼焦煤出口。

6.2 添加添加剂和非炼焦煤炼焦

煤沥青、焦油渣加入配煤中可提高配合煤的粘结性,减少强粘结性煤的配人量或增加弱粘结性煤的配入量。该方法适于配煤粘结性偏低、强粘结性煤缺乏或煤沥青销路不畅的企业应用。随着我国焦炭产量的激增及煤焦油加工能力的提高,焦油渣和煤沥青产量大幅度提高,为炼焦配煤配加提供了物质基础。配加煤沥青或焦油渣炼焦会带来装煤困难和上升管结石墨等问题,可采用与煤料压块装炉一即型块配煤方式解决。

对于配煤粘结性较高的企业,可以考虑配加优质的不粘煤、烟煤、延迟焦、焦粉等,既可以针对性地改善焦炭质量,又可以节省炼焦煤资源。

7 结语

推动备煤炼焦技术进步、拓展炼焦煤资源、以煤岩学理论和实践为基础,通过合理选择原料煤、优化炼焦配煤,可以合理利用煤炭资源,稳定和提高焦炭质量。实现我国炼焦行业可持续发展,从而保障我国钢铁行业发展,进而保证我国经济的持续高速发展,实现国家倡导的节约资源、节能减排的目标。

  • [责任编辑:Puyunyun]

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