高密度低水分智能碼垛煉焦技術(shù)開發(fā)與應用

田 輝，崔長青，耿哲榮，姚潤生

（1.中化學賽鼎焦化工程科技有限公司，山西 太原 030032；2.山西碳中和產(chǎn)業(yè)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

我國煤炭資源和煤的種類分布不均勻，近年來隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，可用優(yōu)質(zhì)煉焦煤炭資源越來越稀缺。如何開發(fā)利用其他新煤種，降低焦炭生產(chǎn)成本，滿足大型高爐的需求是焦化行業(yè)一直關(guān)注的難題。在焦化企業(yè)中，煉焦用煤成本是焦炭生產(chǎn)的主要成本，通常占焦炭成本的75%～85%，所以降低焦炭生產(chǎn)成本主要就是降低裝爐煤成本。煉焦是將氣、肥、焦、瘦不同煤種的煤按一定比例進行混合，一般配煤比（質(zhì)量分數(shù)）為氣煤25%、肥煤15%、瘦煤10%、主焦煤和1/3 焦煤50%，由焦爐炭化室頂部或側(cè)部裝入炭化室進行干餾的工藝。從焦爐炭化室頂部裝煤，配合后可燃基揮發(fā)分在25%左右，稱為頂裝煉焦工藝。搗固煉焦是近幾年快速發(fā)展的側(cè)裝煉焦工藝，即將配合煤在搗固機內(nèi)搗實成體積略小于炭化室的煤餅后，推入炭化室進行干餾煉焦。煤料搗固后，煤餅水分10%～12%，堆密度可由散裝煤的0.72 t/m3提高到0.95 t/m3～1.05 t/m3（干基），因煤粒接觸致密，可增加氣煤或弱黏煤配比，因此，在少配入焦、肥煤的條件下，多配劣質(zhì)煤也可以得到抗碎和耐磨指標均較好的焦炭。

高密度低水分智能碼垛煉焦技術(shù)（簡稱智能碼垛煉焦技術(shù)）是一種新型的側(cè)裝高密度低水分煉焦專利工藝技術(shù)，該技術(shù)先將配合煤高壓靜壓成型，排出煤吸附的氣體和多余的水分，形成工藝需要的煤塊，煤塊水分6.0%～9.5%，堆密度可由散裝煤的0.72 t/m3提高到1.20 t/m3～1.30 t/m3（干基），并具備特定的機械性能，如密度高、外形尺寸規(guī)整、抗壓抗折強度高、抗沖擊強度高等；再通過智能機械人將煤塊碼垛成滿足工藝需要的煤餅，側(cè)裝入焦爐炭化室高溫煉焦，獲得低成本、高熱強度、高質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)焦炭。當裝爐煤堆密度提高時，煤粒間接觸更加緊密，在熱解過程中產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物的逸出阻力增大，熱解氣體不易散出，使焦炭的氣孔率和比表面積下降，同時爐內(nèi)膠質(zhì)體膨脹壓力提高[1]，焦炭的反應性有所降低[2]。因此，增加裝爐煤堆密度可以提高焦炭質(zhì)量。

智能碼垛煉焦技術(shù)具有智能性和標準性，在滿足煉焦入爐煤基本控制條件的情況下，針對各地煤炭資源質(zhì)量情況的不同，配煤技術(shù)方案也不完全相同；其入爐煤適用范圍廣，可多配入高揮發(fā)分弱黏煤與低揮發(fā)分不黏煤，且能保證焦炭質(zhì)量基本相同。在智能碼垛煉焦生產(chǎn)中，只要是適合企業(yè)生產(chǎn)實際，在保證焦炭質(zhì)量的前提下，能充分利用煉焦煤資源、降低焦炭生產(chǎn)成本、穩(wěn)定焦炭生產(chǎn)操作的配煤技術(shù)都是可行的。

1 智能碼垛煉焦技術(shù)

1.1智能碼垛煉焦工藝流程

智能碼垛煉焦工藝流程示意圖見圖1。

圖1 智能碼垛煉焦工藝流程示意圖

智能碼垛煉焦工藝流程主要包括：計量給料、均化調(diào)濕、液壓成型和智能碼垛等過程，具體依據(jù)項目情況可以進行煤調(diào)濕組合延伸，減少焦化過程的熱量消耗和焦化廢水產(chǎn)生。

1.2技術(shù)原理

（1）智能成型碼垛技術(shù)：采用數(shù)字高液壓裝置，使成型物料四周受力均勻，煤餅密度均勻，全自動智能控制，實時采集工藝過程控制參數(shù)，實現(xiàn)無人操作。

（2）高密度煉焦：配合煤經(jīng)超高靜壓成型后，堆密度可由散裝煤的0.72 t/m3提高到1.20 t/m3～1.30 t/m3（干基），煤粒間接觸更加致密，減少所需的膠質(zhì)體液相產(chǎn)物，可以煉制出結(jié)構(gòu)均勻致密、強度高、塊度均勻、氣孔率低的優(yōu)質(zhì)焦炭，滿足高爐大型化的要求。

（3）資源化、減量化、無害化綜合利用：熱廢煙氣進行煤調(diào)濕，充分利用廢煙氣的顯熱，同時減少帶入焦爐的水分，降低加熱耗熱量，實現(xiàn)廢熱資源化梯級化利用，減少溫室氣體排放；焦化過程收集的粉塵、廢渣等危廢和廢鹽渣等配入煉焦煤作為黏結(jié)劑，經(jīng)超高靜壓成型，廢棄物循環(huán)利用，實現(xiàn)資源化綠色工廠。

1.3技術(shù)特點

（1）模塊化：實現(xiàn)生產(chǎn)裝置的模塊化，滿足大型焦化數(shù)字化建設，提升焦化技術(shù)在國際市場的競爭力。配合煤通過調(diào)濕計量、均化、送裝入模具后高壓成型，通過數(shù)字化裝煤裝置碼成與焦爐尺寸相匹配的煤餅，并整體推入炭化室進行煉焦，確保焦化生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，實現(xiàn)焦炭質(zhì)量高質(zhì)化。

（2）大型化：碼垛煉焦技術(shù)符合焦化行業(yè)“集約化、高質(zhì)量”的發(fā)展要求，滿足焦化行業(yè)建設現(xiàn)代化大型焦爐的需求。

（3）智能化：碼垛煉焦技術(shù)與數(shù)字化信息技術(shù)的融合，可智能成型、數(shù)字碼垛、無人裝煤，提高安全生產(chǎn)效率，促進本質(zhì)安全，實現(xiàn)焦化生產(chǎn)的智能數(shù)字化升級。

（4）潔凈化：焦化企業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的廢水、廢氣和污染物達到行業(yè)先進值，創(chuàng)建綠色清潔智能工廠。

（5）精細化：優(yōu)化配煤結(jié)構(gòu)，做好優(yōu)質(zhì)煤種和劣質(zhì)煤種的合理搭配；優(yōu)化成型煤塊密度、水分等參數(shù)，提高煤餅的強度及穩(wěn)定性；生產(chǎn)裝備的數(shù)字化升級帶來智能化的工藝操作，便于調(diào)整工藝參數(shù)。

（6）資源化利用：噸產(chǎn)品廢氣產(chǎn)生量減少，廢氣顯熱充分利用，高濃度、難降解的焦化廢水減量化產(chǎn)生，廢渣、回收粉塵充分回用，難處理的焦化廢鹽資源化利用。

2 智能碼垛煉焦與常規(guī)煉焦技術(shù)對比

搗固煉焦技術(shù)是利用固定式搗固機將細度（粒度≤3 mm）90%～93%的煤料搗固成煤餅，煤餅堆密度在1.00 t/m3以上，水分在11%，穩(wěn)定性較好，不易坍塌；存在不足是煤料粉碎耗能高，煉焦過程廢水產(chǎn)生量多、耗熱量大，裝煤過程容易造成環(huán)境污染。

智能碼垛煉焦的核心技術(shù)是增加入爐煤料的堆密度、降低入爐煤水分，即高密度低水分煉焦理論。利用靜壓成型與智能碼垛設備將細度（粒度≤3 mm）75%～90%的煤料液壓碼垛成煤餅，煤餅堆密度在1.20 t/m3以上，水分在8%。煤餅具有砌塊性能，可以烘干預熱，穩(wěn)定性好，裝煤過程環(huán)境友好。采用物理高靜壓成型法增加入爐煤料堆密度，通過測試煤料的堆密度，調(diào)整混合煤水分，設計好混合煤料的壓縮比，得到不同密度的煤塊用于試驗。

利用山西某廠配合煤采樣開展試驗研究。根據(jù)配煤方案采用液壓機及特制模具預制堆密度為1.00 t/m3（干基）和1.20 t/m3（干基）的煤塊，成型壓力15 MPa～30 MPa，成型尺寸250 mm×250 mm×250 mm，炭化溫度1 050 ℃。

2.1堆密度提高對焦炭質(zhì)量的影響

不同裝煤堆密度的焦炭質(zhì)量指標見表1。

從表1 可知，隨著裝煤堆密度的提高，焦炭粒徑向20 mm～80 mm 集中；堆密度在1.20 t/m3時，粒徑在20 mm～80 mm 的焦炭質(zhì)量分數(shù)達80%以上，與堆密度為0.73 t/m3時相比，＞80 mm 和＜20 mm 的焦炭占比分別降低了8.8 個百分點和1.9 個百分點，相應的焦粉產(chǎn)量減少。

表1 不同裝煤堆密度的焦炭質(zhì)量指標

2.2堆密度提高對膨脹壓力的影響

提高入爐煤堆密度，煉焦時對爐墻產(chǎn)生的膨脹壓力增加，一般入爐煤安全膨脹壓力應小于15 kPa[3]，極限壓力＜20 kPa。利用山西某廠配合煤采樣進行膨脹壓力試驗研究，測試高密度（1.20 t/m3）時煤塊膨脹壓力與煉焦焦炭的反應后強度（CSR），并與文獻[3]中低密度（0.73 t/m3）和中密度（1.00 t/m3）的結(jié)果進行對比，結(jié)果見表2。

表2 不同配煤方案及堆密度下煤塊的膨脹壓力與煉焦焦炭CSR 值[3]

從表2 可知，入爐煤的膨脹壓力越大，焦炭的反應后強度越高。與低密度入爐煤相比，相同的配煤方案下，中密度時入爐煤密度增加0.27 t/m3，膨脹壓力高2.0 kPa 左右；高密度時入爐煤密度增加約0.50 t/m3，膨脹壓力高5.0 kPa 左右，反應后強度提高9 個百分點左右。為了滿足入爐煤安全膨脹壓力的要求，有兩種方法：一是調(diào)整配煤方案，減少焦、肥煤配比來降低膨脹壓力；二是采取類似搗固焦爐的解決辦法，即減少煤餅的體積，為爐體安全，建議碼垛煤餅比搗固煤餅的寬度窄10 mm～15 mm。

2.3堆密度提高對煉焦工藝參數(shù)的影響

堆密度提高后，煤粒間的間隙減小，使煤粒間的接觸更加緊密，傳熱和傳質(zhì)都加快，且在煉焦過程中膠質(zhì)體易于填滿空隙，膠質(zhì)體的膨脹性和流動性都增加，焦炭質(zhì)量改善。不同堆密度時的煉焦工藝參數(shù)見表3（炭化室平均寬度500 mm）。

表3 不同堆密度時煉焦工藝參數(shù)（炭化室平均寬度500 mm）

從表3 可知，相同水分的情況下，由于裝煤量增加，碼垛煉焦與搗固煉焦相比結(jié)焦時間延長了30 min。碼垛煉焦煤餅上下密度、厚度均勻一致，要求的火道標準溫度低，在焦化過程中產(chǎn)生的NOx和CO2排放低。

2.4堆密度提高對配煤指標的影響

配合煤水分、灰分、揮發(fā)分、黏結(jié)指數(shù)G、膠質(zhì)層厚度Y、膨脹度b、粒度組成等參數(shù)對焦炭質(zhì)量都有一定的影響，依據(jù)高密度煉焦理論，增加低膨脹性煤的配入量，減少對爐墻的膨脹壓力，建議的不同堆密度時的配煤指標見表4。

表4 不同裝煤堆密度時的配煤指標

由于煉焦時使用的煉焦煤資源具有區(qū)域性，往往配煤的煤料變化不大，使用高密度煤煉焦時，可以適當?shù)卦黾痈邠]發(fā)分煤和弱黏結(jié)性煤配比，使配合煤的揮發(fā)分在30%以上，節(jié)約寶貴的主焦煤資源，降低配煤成本。

3 工業(yè)性單孔或群孔試驗

工業(yè)性單孔、群孔試驗在山東某焦化廠進行，焦爐炭化室高度4.3 m、5.5 m，炭化室寬度450 mm。采用搗固機制得的搗固煤餅水分10.5%，堆密度1.05 t/m3，煤餅厚度400 mm，結(jié)焦時間20 h。智能碼垛煉焦設備采用1 250 t 靜壓成型機及特制模具，成型煤塊尺寸550 mm×390 mm×500 mm，煤餅水分8%，堆密度1.28 t/m3，結(jié)焦時間20 h。

3.1焦炭質(zhì)量提高

在相同的配煤條件下，智能碼垛煉焦與搗固煉焦焦炭的質(zhì)量對比見表5。

表5 智能碼垛煉焦和搗固煉焦焦炭的質(zhì)量對比 %

從表5 可知，智能碼垛煉焦技術(shù)的應用不僅可提高焦炭質(zhì)量，而且可減少焦粉率，給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟收益。

3.2降低成本，提高經(jīng)濟效益

在相同焦炭質(zhì)量時，智能碼垛煉焦和搗固煉焦配煤比例對比見表6。

表6 智能碼垛煉焦和搗固煉焦的配煤比例對比（質(zhì)量分數(shù)） %

由表6 可知，智能碼垛煉焦擴大了煉焦煤源，可提高不黏煤、弱黏煤配煤比例20～30 個百分點，降低配煤成本50 元/t～200 元/t。

3.3低碳節(jié)能、環(huán)保友好

（1）相比于傳統(tǒng)焦爐裝爐煤餅水分11%，智能碼垛煉焦碼垛煤餅水分可降至8%，可降低焦化廢水生成量27.3%。

（2）入爐煤水分降低，意味著耗熱量降低，水分每降低1 個百分點，噸煤耗熱量降低45.6 MJ[4]；相比傳統(tǒng)煉焦，智能碼垛煉焦僅入爐煤水分降低噸煤就可降低耗熱量136.8 MJ，噸焦可減少CO2排放5 m3。

4 結(jié) 論

近年來，隨著“雙碳”政策的驅(qū)動，無論是從低碳發(fā)展角度出發(fā)，還是從提高焦化企業(yè)的利潤考慮，采用清潔型高密度智能碼垛煉焦技術(shù)與裝備，適應焦化行業(yè)高質(zhì)量低碳發(fā)展，是加強企業(yè)競爭力、實現(xiàn)可持續(xù)健康發(fā)展的良好選擇。

4.1在焦炭質(zhì)量穩(wěn)定的情況下，在現(xiàn)有配煤基礎上，智能碼垛煉焦可增加不黏煤、弱黏煤配入量20～30 個百分點，顯著降低配煤成本，節(jié)約寶貴的主焦煤資源，降低生產(chǎn)成本。

4.2在相同的配煤情況下，智能碼垛煉焦較搗固煉焦焦炭的反應后強度提高2～5 個百分點，焦炭反應性改善2～7 百分點，焦炭質(zhì)量提高。

4.3相同規(guī)模的焦化裝置，智能碼垛煉焦較搗固煉焦焦化廢水減少27.3%，焦粉減少3～5 個百分點，噸煤耗熱量減少136.8 MJ，具有顯著地減少廢水排放、降低能源消耗的效果。