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炼焦工艺论文

作者:威尼斯人app 发布日期:2020-10-28 09:11



  捣固炼焦的发展与应用 班级:应用化工 093 姓名:陈艳艳 摘要:我国焦炭市场自 2006 年底开始转暖, 焦化企业已实现扭亏为盈但我国焦炭产能过剩, 炼焦煤及 运输价格持续走高,炼焦企业利润空间有限优化配煤方案,降低原料煤成本及焦炭生产成本,提高焦 炭和焦化产品质量是每个企业研究的课题。各国都在寻求能够扩大炼焦用煤源的新工艺,而捣固炼焦 。 工艺作为一种能够增加配煤中高挥发分、 弱粘结性甚至不粘结性煤含量来扩大炼焦原料煤的方法, 现 已成为一种成熟的炼焦工艺,被国内外广泛采用。而捣固炼焦的技术特点在于:采用该技术可以多配 高挥发分、弱粘结性的炼焦煤,并可以提高焦炭质量。本文论述了为提高捣固式焦炉的焦炭质量,结 合生产实际, 采取了延长捣固时间、 增加煤饼堆比重、 提高加热速度及保持适当集气管压力的措施, 改 善了入炉煤料的粘结性, 从而提高了焦炭质量。对于焖炉期较长的炭化室, 关闭上升管翻板有利于保 证焦炭质量。 1.1 我国捣固炼焦发展历程 1919 年,我国第一座 Koppers 式捣固焦炉在鞍钢投产。1956 年,我国自行设计的第一座炭化室 高 3.2m 的捣固焦炉投产。1970 年,炭化室高 3.8m 的捣固焦炉建成投产。1995 年,青岛煤气厂使用 引进德国摩擦传动、薄层给煤、连续捣打的捣固机。至 1997 年,我国先后在大连、抚顺、北台和淮 南等市建成了 18 座捣固焦炉,炭化室高大多为 3.2 米,总产能为 212 万 t/a。在本世纪初,设计开发 了炭化室高 4.3m 的捣固焦炉。2005 年 8 月,景德镇焦化煤气总厂将炭化室高 4.3m、宽 450mm 的 80 型顶装焦炉改造成捣固焦炉。2006 年 2 月邯郸裕泰实业有限公司将炭化室高 4.3 米、宽 500mm 的顶 装焦炉改造成捣固焦炉,拉开了我国 4.3m 顶装焦炉改造成捣固焦炉的序幕。2006 年底,5.5m 的捣固 焦炉在云南曲靖建成投产,在全国掀起了建设 5.5m 捣固焦炉的热潮。现在河北的旭阳、华丰、河南 的金马、山东的日照、邹县、银川的宝丰、神华、乌海、涟钢、攀钢和江苏的沂州都正在建设 5.5m 捣 固焦炉。2007 年 6 月,中冶焦耐公司总承包了河北唐山市佳华公司的炭化室高 6.25m 世界最高的捣 固焦炉的建设,预计 2008 年 8 月投产,这标致着我国大型捣固焦炉技术达到了国际先进水平。2007 年 9 月,中冶焦耐公司中标建设印度塔塔钢铁公司 5m 的捣固焦炉,标致着我国大型捣固焦炉设计正 式走向国际市场。同期,涟源钢铁公司和攀枝花钢铁公司也决定新建捣固焦炉,标致着我国大中型钢 铁企业开始接受和采用捣固炼焦技术。 近几年,我国的捣固炼焦技术发展很快,投产的捣固焦炉已有 355 座,总炼焦生产能力超过了 9600 万 t/a。但这些焦炉有 95%以上是建在独立焦化厂, 钢铁企业焦化厂采用捣固炼焦工艺的并不 多,已投产的只有北台钢铁公司、长治钢铁公司、南昌钢铁公司和山东潍坊钢铁公司等。 1.2 捣固炼焦的价值与意义 捣固炼焦工艺是在炼焦炉外采用捣固设备,将炼焦配合煤按炭化室的大小,捣打成略小于炭化 室的煤饼, 将煤饼从炭化室的侧面推入炭化室进行高温干馏。 成熟的焦炭由捣固推焦机从炭化室内推 出,经拦焦车、熄焦车将其送至熄焦塔,以水熄灭后再放到凉焦台,由胶带运输经筛焦分成不同粒级 的商品焦炭。 1 - 20 世纪 90 年代, 我国焦化工作者曾为马钢焦化厂做过捣固炼焦试验,其结论是:在相同配煤比 时,捣固炼焦能大幅度提高焦炭的冷态强度。焦炭气孔壁材料的光学组织主要取决于原料煤的性质, 捣固对其无明显影响。因此,与光学组织有关的焦炭反应性,在捣固后无显著变化。但可改善焦炭的 气孔结构,提高焦炭反应后强度。在焦炭质量不变的条件下,采用捣固炼焦可使气煤的配入量提高到 70%~80%,即可多用高挥发分煤 10%~20%。采用捣固技术可以提高焦炭反应后强度的原因是焦 炭的气孔直径变小、孔壁变厚、气孔率变低,捣固焦炭的耐碱侵蚀性也变强。 1.3 捣固炼焦在我国的发展前景 2006 年我国的焦炭产量 29678 万吨,占世界总产量的 57%。当年炼焦精煤耗量至少 4 亿吨,折 合原煤 7.5 亿吨。炼焦煤供应已成为我国焦化业可持续发展的重大问题。因国内焦煤和肥煤的储量只 占炼焦煤储量的 37%左右,致使优质炼焦煤的供应已成为影响炼焦生产、焦炭质量和炼焦成本的重 要因素。且强粘结性煤与弱粘结性煤的差价越来越大,入炉煤成本也越来越高。长江以南焦化厂的入 炉煤成本已高达 900~1200 元/t, 钢铁企业焦化厂所承受的成本压力也越来越大。 100 多家使用捣固焦炉的独立焦化厂为钢铁企业焦化厂提供了宝贵的实践经验, 找到了捣固焦炉 的存在问题和改进方向,增强了研发和使用捣固炼焦技术的信心。特别是国内 5.5m 捣固焦炉(年产 焦炭 1.01~1.05 万 t/孔)的投产和 6.25m 捣固焦炉(年产焦炭 1.2 万 t/孔)的设计与建设,为钢铁企 业建设大型捣固焦炉提供了有利条件。 总之,尽管捣固炼焦技术尚存在许多难题,但可持续发展的潜力深深地吸引着钢铁业的焦化工 作者。 虽然捣固炼焦技术在大中型钢铁企业的使用刚刚开始, 还需要扶持、 探讨和开发, 更需要改进、 完善优化. 2 捣固炼焦的工艺特点 扩大炼焦用煤煤源炼焦用煤最重要的特性是要求具有一定的粘结性,这样在加热熔融,经过胶 质状态,使煤粒彼此结合,固化成坚实的块状焦,因此炼焦煤中都需要配入一定量的强粘结性煤,以 保证焦炭的质量。目前我国强粘结性煤的资源有限,而捣固炼焦工艺可多用弱粘结性煤,少用强粘结 性煤,通常情况下,普通工艺炼焦只能配入气煤 35%左右,而捣固炼焦工艺可配入气煤 55 %左右。此 外,捣固炼焦工艺煤料的粘结性可选范围宽,无论是采用低粘结性煤料,还是采用高粘结性煤料,经 过合理的配煤,都可以生产出高质量的焦炭。而普通工艺煤料的粘结性可选范围很窄。因此捣固法炼 焦不失为一种扩大煤源的炼焦工艺。 目前我国的炼焦行业焦煤和肥煤供应不足, 不论是储量还是目前 开采量,都与气煤不成比例,不能满足我国炼焦用煤的需要,我国的几个大型钢铁联合企业每年都要 从国外进口一部分焦煤以满足需求。 常规炼焦是将配合煤从焦炉顶部装入炭化室,在炭化室内高温干馏形成焦炭,焦炉中炭化室的 3 3 煤料堆密度一般为 0.7 t/m ~0.75t/m 。 ,而捣固炼焦是将煤料在煤箱内预先捣固成煤饼,其堆密度 3 3 可提高到 0.95 t/m ~1.15t/m 。 。为了保证焦炭的强度,常规焦炉往往依靠配用较大量的强粘结煤来 满足焦炭的质量要求,而捣固焦炉却可以少用强粘结煤,多配入弱粘结煤。其成焦原理是通过捣固煤 料,增加煤料的堆密度,减少煤粒间的空隙,从而减少结焦过程中为填充空隙所需的胶质体液相产物 的数量,这样,较少量的胶质体就可以在煤粒之间形成较强的界面结合。另外,煤饼的堆密度增加, 其透气性则差,使得结焦过程中产生的干馏气体不易析出,增大了胶质体的膨胀压力,使变形煤粒受 压挤紧,进一步加强了煤粒间的结合,从而改善煤的粘结性,达到提高焦炭强度的目的。实践证明, 2 - 在原料煤同一配比的前提下,利用捣固工艺所生产的焦炭无论从耐磨强度,还是抗碎强度,都比常规 顶装焦炉所生产出的焦炭有很大程度的改善,其机械强度 M 25 约提高 5.6~7.6 %,耐磨指标 M10 约 改善 2~4 %。因此捣固炼焦工艺是提高焦炭强度的一种有效途径。我国强粘结性炼焦煤多数高灰、 高硫,且可选性差,常规顶装焦炉因配强粘结性煤达 6O %,势必造成焦炭较灰分较高,而强度不高 的影响; 我国气煤的灰分含量一般在 6~8.9 %之间, 捣固焦炉可以多配气煤, 必然降低焦炭的灰分, [2] 提高焦炭的质量 。 在总投资方面,同样生产能力的捣固焦炉与顶装焦炉的投资大体相当。差别比较明显的是煤料 的费用。通常煤料的费用占焦炭成本费用的 70~75 %。常规焦炉往往需要配用价格较高的优质强粘 结煤以保证焦炭的质量。而捣固法炼焦配煤选择比较灵活,煤源广,可以用价廉的弱粘结性煤,使生 产成本降低。另外,由于捣固法炼焦可增加煤料的堆密度,同样配比条件下可增加 3O% 左右,因此 在相同炭化室条件下能够增加焦炭的产量。虽然煤料的堆密度增加,相应的结焦时间要延长,但由于 传热较好,结焦时间的增加与煤料堆密度的增加不成正比例关系。以堆密度增加 25%计算,单位体积 产量将增加 12%,相当于炭化室高 6m 的捣固焦炉的产焦量等于炭化室高 7m 的常规顶装焦炉炭化室的 产焦量。此外,捣固焦炉在以高挥发分煤作为配煤的基础上,可以配入焦粉,既可以降低低挥发分煤 的配比,改进焦炭的机械强度,也可以利用低价值的焦粉,降低生产成本而且焦炭的质量也能够得到 保证。总之,由于捣固工艺既可以利用价廉原料,又可以增加焦炭产量,所以捣固工艺的经济效益优 于常规的顶装工艺的经济效益。另外,捣固工艺由于配有装炉烟尘转送系统,可将在密闭系统中收集 的装炉烟尘转送到荒煤气中,因此能够满足严格的环保要求。捣固焦炉过去费用高,优点不突出,现 已通过提高捣固机操作效率和在捣固焦炉上采用大容积炭化室得到补偿。 捣固工艺进一步研究课题是 通过捣固箱的现代化来减少捣固工艺流程的能耗,缩短捣固压实时间和提高整个煤饼密度的均匀性。 3 提高捣固式焦炉焦炭质量的途径 根据煤的粘结成焦机理, 煤生成焦炭要经历两个非常重要的阶段, 即粘结阶段和固化成焦阶段。 在粘结阶段, 煤经热解生成气、液、固三相的混合物即胶质体, 未软化的煤粒、惰性组分、矿物质被 胶质体中的液相产物浸润、填充它们之间的间隙, 从而形成一个整体。在粘结阶段, 胶质体的性质、 数量决定了煤粒之间粘结的紧密程度, 对焦炭孔孢结构有决定性的影响。 在固化成焦阶段, 随着温度 的升高, 胶质体继续分解、 缩聚逐渐固化形成半焦, 半焦继续进行热分解和缩聚, 放出气体, 质量减 轻、体积收缩、焦质致密、产生裂纹形成焦炭。在固化成焦阶段, 体积收缩的剧烈程度以及焦质的致 密程度决定了焦炭的块度及机械强度。因此, 从煤的粘结成焦机理来看, 要生产优质的焦炭,入炉煤 具有良好的粘结性是前提。减少优质炼焦肥煤、焦煤的配入, 增加弱粘结性气煤、瘦煤的配入, 是我 国配煤炼焦的基本原则之一, 既合理利用了我国炼焦煤资源, 又降低了炼焦原料煤成本。 这样, 在考 虑提高焦炭质量时, 首先要从改善入炉煤的粘结性入手。 从前期青钢兖州焦化厂焦炭质量恶化的情况 来看, 主要是焦炭中各组分之间的界面结合不好、 粘结松散, 未形成均一的彼此结合紧密的整体。 这 也说明提高焦炭质量首要的是改善煤料的粘结性。 3.1 延长捣固时间 延长捣固时间, 可提高煤饼堆比重, 入炉煤堆比重增加后, 煤粒之间间隙减小、 接触致密, 填充 煤粒间隙所需的胶质体液相产物将会减小, 可以用较少的胶质体液相产物均匀分布在煤粒表面上, 在煤粒之间形 成较强的界面结合, 或者在胶质体液相产物量一定的情况下, 会填充更多的煤粒间 隙、 粘结更多的煤粒和惰性物质, 增加弱粘结性煤的配入。 另外, 堆比重增加将使煤饼更致密, 生成 3 - 的胶质体中的气态物质不易析出,增加了胶质体内的膨胀压力, 迫使软化变形的煤粒更加靠拢, 增加 了变形煤粒的接触面积。 气体在胶质体内停留的时间延长, 气体中带原子团或热分解的中间产物有更 充足的时间相互作用, 有可能生成稳定的、 分子量适中的液相物质。 这样, 胶质体不仅数量增加, 而 且变得稳定, 因此增加堆比重能够改善煤料的粘结性。 在捣固设备一定的情况下, 只能靠延长捣固时间来增加煤饼的堆比重。 在生产实践中, 将捣固时 间由原来的 8min 延长到 12min, 或者保持锤数×时间为 110 锤?min, 同时优化了捣固程序, 在保证 [3] 煤饼稳定性的前提下, 减小煤饼高向堆比重的差异, 使焦炭质量更均一 。 从生产实践来看, 捣固时间由 8 min 延长到 12min 后, 焦炭抗碎强度 M25 提高 1%~2%, 耐磨强 度 M10 改善 1%~1.5%, 堆比重的增加对提高焦炭质量效果明显。当然, 在入炉煤堆比重提高后, 在 保持焦炭质量不变的情况下, 可以多配入弱粘结性的气煤和瘦煤( 或无烟煤、焦粉等瘦化剂) , 从而 进一步降低生产原料煤成本。 3.2 提高加热速度 提高加热速度可以增加胶质体的温度间隔, 一方面胶质体生成的初期热分解速度大于缩聚速度, 使生成的胶质体中液相产物量增加; 胶质体的粘度减小、流动度增加, 液相产物更易填充煤粒间隙; 气态物质来不及析出, 增加了胶质体的膨胀压力, 使煤粒粘结更加紧密, 焦炭结构更均匀。 另一方面, 胶质体温度间隔变宽后, 配合煤中各单种煤的胶质体软化区间和温度间隔能较好地搭接, 胶质层彼 此重叠程度变大,在较大的温度范围内煤料处于塑性状态, 从而改善了入炉煤的粘结性。 提高加热速度, 就要增加焦炉供热量, 在结焦时间较长的情况下, 势必要引起炉温过度升高。 解 决这个问题的有效方法是采用程序加热, 即保持加热煤气主管压力比正常压力高 50 Pa 左右, 在装 煤后, 供给两侧燃烧室较多热量( 加减旋塞全开) , 保证煤料干燥、热解、粘结所需热量, 提高粘结 阶段的加热速度( 升温速度) ; 在炭化室中心部位煤料全部变成半焦后, 炭化室所需热量降低、炉温 升高, 特别是在结焦后期, 炉温升高非常明显, 必须减少两侧燃烧室煤气量( 关小加减旋塞) ; 但 在推焦前适当保持较高的炉温有利于炉墙蓄热, 装煤后有较高的加热速度。 就目前焦炉加热煤气量的 控制手段, 对炉温控制的精度很差, 而且需频繁开关加减旋塞, 这就需要高素质的职工队伍, 加强 管理, 增加责任心, 加减旋塞开关要及时, 否则将出现高温事故影响炉体结构, 或事与愿违, 出现 [4] 低温, 严重影响焦炭质量 。 实行程序加热必须建立严格的炉温测调制度。 对加减旋塞的开关进行严格登记, 并经常检查开关 的实际情况, 确保粘结阶段有较高的加热速度, 又使炉温得到有效监控, 避免出现高温或低温事故。 在长结焦时间的生产情况下, 可以采用提高加热速度的方法来改善入炉煤粘结性, 进而提高焦 炭质量。对于在设计结焦时间下运行的焦炉, 因程序加热操作困难, 不宜采用此法。 3.3 保持适当的集气管压力 集气管压力提高后将使炭化室内压力增加, 煤热解时产生的气体析出速度减缓, 气体在胶质体 内的停留时间延长, 不仅有利于胶质体的生成, 还将增加膨胀压力, 使煤粒接触更紧密, 有利于改 善煤结性。 集气管压力的提高, 将增加荒煤气在炭化室的停留时间, 化产品二次裂解反应增加, 对苯族烃 4 - 的回收有一定影响, 在焦化产品市场看好的情况下是不利的。 但是在结焦时间较长的情况下, 焦炭成 熟后的焖炉时间较长, 此时煤气量很小, 需要较高的集气管压力才能保证炭化室底部压力为正压。 因 此, 保持较高的集气管压力也是确保焦炭焖炉期炭化室底部压力为正压( ≥5 Pa) 的需要。 在结焦时间很长, 焖炉期较长的生产过程中, 焦炭成熟后的焖炉期, 煤气发生量非常小, 炭化室 底部压力对集气管压力的波动非常敏感, 集气管内的荒煤气可能倒流进入炉顶空间, 这种情况对焦 炭、化产品质量、产量都有很大影响。如果关闭处于焖炉期炉室上升管翻板, 隔断炭化室与集气管连 通, 即可消除集气管压力波动对炭化室底部压力的影响, 避免荒煤气倒流进入炉顶空间。这样既减少 了荒煤气不必要的损失, 又能保证焦炭质量、减少石墨在焦炭上过度沉积。经过实际测量, 关闭上升 管翻板后, 炭化室的底部压力能够保持正压( ≥5 Pa) , 避免了空气进入炭化室、 焦炭烧蚀、 灰分增加。 4 我国捣固技术存在的问题及改造 从我国现有捣固炼焦生产装置来看, 制约我国捣固炼焦技术发展的问题主要是捣固机械的问题。 目前,国产的捣固设备与国外的捣固设备相比有一定的差距,主要表现在以下几个方面:一是装置规 模偏小,在 3.8 m 以下,且多数是 10 万 t/a 的焦化厂(目前国内捣固式焦化厂规模较大的很少,最大 的是由化学工业第二设计院设计的山西东盛焦化煤气有限公司 70 万 t/a 装置)。 虽然其比同规模的顶 装焦炉有一定优势,但由于规模小,很难发挥规模经济效益。而国外的捣固式焦炉通常生产规模都比 较大;二是捣固设备的效率低。国内捣固机捣固一个高 3.2m 的煤饼需 9min,而国外捣固设备采用连 续给料薄层多锤连续捣固,捣固一个 6m 高的煤饼只需 4min。另外捣固时间长也限制了炉组的孔数, 3 3 制约了焦炉生产能力; 三是捣固煤饼的质量。 国内捣固机械捣固的煤饼密度为 0.95 t/m 。 ~1.0t/m 。 , 由于稳定性的影响,其高宽比不能超过 9:1,因此制约了捣固焦炉炭化室的高度,限制了焦炉向大 3 3 型化方向发展。而国外捣固机械捣固的煤饼密度可达 1.10 t/m 。~1.15 t/m 。 。由于国外捣固机生 产的煤饼密度大,因此不易倒塌,其高宽比 5:1,不仅可以增加焦炭的产量,而且还可以大大提高 焦炭的质量。近两年,我国新型捣固机的试验研究,也取得了一定成果,但与国外先进技术相比仍存 在一定差距。因此,我国在做好国内捣固设备研究开发工作的同时,必要时可引进国外先进技术,以 实现我国捣固焦炉大型化,加快我国捣固炼焦技术的发展。 捣固炼焦工艺与常规炼焦相比,主要是加煤方式的不同,焦炉炉体结构基本不做改动,因此顶 装焦炉经过适当的改造, 可改造成捣固炼焦炉。 我国国内部分厂家已经对其顶装炼焦炉在原有的基础 上进行了改造,实践证明,改造的效果很好。如淄博市焦化煤气公司就将其常规 66—4 型顶装焦炉成 功地改造为捣固焦炉, 取得了一定的效果。 山东兖矿集团公司焦化厂亦将 66—4 型焦炉在近期改造成 了捣固工艺。在改造的过程中,厂家可充分利用原有的设备,在不停产的情况下将原有炼焦工艺改造 成捣固炼焦工艺。以山东兖矿集团公司焦化厂为例,该厂的原有推焦车可改装成推焦装煤车,使其具 备推焦、装煤两种功能。同时,由于捣固炼焦要求人炉煤细度(3mm 煤料所占百分数)一般为 90%以 上,而原有的配煤系统中反击式破碎机只能保证 72~76 %入炉煤细度,因此须将原有破碎机换成笼 式破碎机。另外,由于捣固装煤车机身长,重量大,捣固煤饼时对轨道有很大的冲力,因此捣固装煤 车不能设在炉顶,应当设在机侧一边,相应的煤塔也应设在机侧。该厂经改造后,利用捣固炼焦工艺 生产焦炭, 在原料煤配比变化不大的情况下, 焦炭的强度得到了提高, M25 由 83~88 上升到 88~92, M10 可由 11.0~10.5 下降到 10.5~8.5。煤气、化工副产品的产量变化不大。炼焦时间虽有所延长, 但每孔炭化室装煤量增加了约 38%,同时入炉煤中气煤可多配人 20 %~60 %,入炉煤挥发分可以由 26% ~30 %提高到 32%~34 %。总之,中小型焦化厂将常规顶装焦炉改为侧装煤捣固焦炉,只将配煤、 装煤系统作一定改造, 炉体基本不作变化, 焦炭质量却可以得到提高, 同时煤气及化工产品基本不变。 因此,有条件的厂家不妨一试,将其原有炼焦装置进行改造, 将会取得良好的经济效益。 5 - 5 结 论 我国是世界焦炭生产大国,目前年产量 1 亿多 t,占世界焦炭年产量的 36 左右。采用先进的且 适合我国煤种资源的炼焦工艺非常重要。 捣固炼焦工艺是扩大和充分利用炼焦煤资源以及提高焦炭质 量的有效途径,是炼焦技术的发展方向。因此我国要大力发展捣固炼焦技术。鉴于国产捣固设备存在 的不足, 我国应该加大对国产捣固设备的研究与开发, 发展大型捣固焦炉机械, 提高国产设备机械化、 自动化装备水平,必要时可引进国外先进的设备或引进捣固机械软件。另外,根据局部地区资源特点 和工业发展需要,可在某些地区有选择地建设小型捣固焦炉。与此同时,我国也应当做好对现有顶装 焦炉的改造工作,争取以最少的投入,取得最好的效益。 对于捣固式炼焦来说, 要充分发挥捣固的作用, 延长捣固时间, 增加煤饼堆比重。 在结焦时间较 长的情况下, 炉温不宜控制太低,可采用程序加热的方式保证加热速度;保持适当的集气管压力, 可以进步 改善煤料的粘结性; 对于焖炉期较长的炭化室, 关闭上升管翻板对保证焦炭质量是有 利的。 6 -

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