炼焦工艺的国内外发展状况

国内外炼焦工艺的发展状况

摘要：介绍了国内外炼焦技术的发展状况和发展趋势,分析了当前炼焦工业生产状况，并对高炉对焦炭质量的要求和炼焦工艺的发展作了较系统的介绍。

关键词：炼焦；国内外；工艺；现状；发展

（一）、国内炼焦生产技术状况

1.1 我国炼焦技术发展的回顾

建国初期我国只有日本和德国留下的老焦炉,工艺落后,装备较差,产量很低,根本无法满足新中国建设的需要。1958年,我国自行设计和建设的第一座58型焦炉在北京焦化厂一次投产成功,标志着我国炼焦工业和城市煤气事业有了革命性的进步。随之,一大批66型焦炉和70型焦炉如雨后春笋般出现,为推动我国重工业发展发挥了重要作用。70年代末期和80年代,通过认真学习、吸收国外炼焦新技术,并结合我国国情,设计建设了6m焦炉。仅在短短几年里,6m焦炉迅速推广应用,现已建成高于5m的焦炉39座(其中6m的27座,5.5m的5座,5m的4座),生产能力1800万t,占全国机焦产量的24%,在我国炼焦工业发展中占据了重要位置。进入90年代,焦化环保技术、炼焦自控技术、各种新型炼焦技术和装备发展迅速。我国炼焦工业在设计能力、产品产量、工艺技术水平等方面已逐步跃居国际先进行列。

1.2 炼焦技术发展

截至1998年底,我国共有炼焦企业170余家,有各类机焦炉753座,炼焦能力8010万t/a,其中炭化室高4m以上的焦炉177座,炼焦生产能力5919万t/a,占全国机焦炉座数的23.5%、占炼焦设计生产能力的73.9%。1997年全国生产焦炭13902万t,其中机焦7067.2万t,土焦6728.4万t。

在我国炼焦工业从无到有蓬勃发展的过程中,技术水平和装备水平不断提高。在焦炉方面,以宝钢二期6m焦炉为代表的我国焦炉技术已达到国际先进水平,该焦炉的设计、机械设备的国产化率达90%以上,其中焦炉本体的国产化率为100%。

在煤气净化方面,我国不但自行开发了氨水流程、硫铵流程、ADA脱硫工艺、氨焚烧工艺、单塔脱苯工艺等新技术,还通过与国外联合设计、技术引进等方式掌握了全负压煤气净化工艺、AS洗涤脱硫脱氰脱苯工艺、脱酸蒸氨工艺、无饱和器法硫铵工艺、FRC工艺、T-H 法脱硫脱氰工艺、索尔菲班法脱硫工艺、冷法和热法弗萨姆无水氨工艺、氨分解-克劳斯工艺等国际先进技术,并在设备和材料国产化方面取得了突破性进展,把煤气净化技术和装备推向了国际先进行列。

在环保方面,开发和掌握了高压氨水喷洒无烟装煤、热浮力罩、焦炉装煤与推焦集尘系统、带消烟装置的大型焦炉机械、干法熄焦工艺、焦化污水生物脱酚技术、活性炭吸附污水净化技术等现代炼焦工业的环保技术;特别是我国自行开发了具有国际先进水平的焦化污水生物脱氮技术,在山东薛城焦化厂工业试验成功后并在宝钢二期焦化工程中应用,取得了令人瞩目的成果。

在电气和生产过程自动控制方面,PLC技术和DCS集散型计算机控制技术已在新厂建设和老厂改造中广泛应用,并基本掌握了组态、软件编制、控制调试和硬件计算机设备的配套技术、信号传输技术,数据处理设备和一次元件所用材料的国产化程度愈来愈高;焦炉温压自动检测与调节技术、工厂计算机管理系统技术、“三电一体化”设计等最新技术也在开发和推广之中。

在化产品精制方面,大型焦油集中深加工技术、煤系针状焦技术、苯加氢等粗苯精制技术也已掌握和应用,工业萘、蒽、吡啶及其精制产品的品种越来越多,产量不断提高。

1.3存在问题及发展展望

尽管我国炼焦工业取得了巨大成就,但也存在一些问题,例如:炼焦企业规模小,小型焦炉比例高;化产品精制工艺陈旧,加工点分散,批量小,深加工不够;备煤、炼焦工艺比较单一,效率较低,不适应国内炼焦资源特点,且已有的捣固炼焦设备也较落后,效率低;土焦生产还占有一定比例,造成资源浪费严重,且又污染环境,在一定程度上制约了现代化炼焦工业大生产的发展等。

. F' }6 B4 ^8 K% O, E今后30年内我国炼焦工业(机焦)仍将继续发展,在相当长时间内,高炉仍将占主导地位,焦炭消耗量将有增无减。 6 \$ I5 i' }' ~

由于世界能源如油及天然气将维持高价,从整体上看焦炭资源将日趋紧张,而直接还原和熔融还原技术虽已发展到一定水平,但其能耗、效率及一系列工艺与材料的难点仍待解决,在相当长时间内难以与高炉抗衡。故21世纪初期的一段时间里仍将是传统的焦炉—烧结—高炉—转炉流程在钢铁生产中占统治地位。在未来20年的钢铁联合企业中,传统的焦炉—高炉冶炼流程仍将保持其优势。随着钢铁生产短流程技术的发展,电炉将逐步发展为炼钢的重要手段,至2010年,世界2/3以上的粗钢仍将由采用高炉流程的钢铁联合企业来生产,所以最近几十年内焦炭仍将是冶金工业的重要基本原料。

6 y6 ?$ X% U2 _ A$ O; q可以预计,今后30年内,世界范围内的高炉在钢铁生产中仍具有不可替代的地位和作用,尤其是发展中国家。

（二）欧洲炼焦技术现状

欧洲现行的焦化厂大规模现代化改造工程清晰的表明高炉在今后的铁水生产中仍然扮演着至关重要的角色。

在可以预见的将来，直接还原技术工艺还不有能取得突破性进展，无法代替高炉作为炼钢生产的大规模优质的原料源泉。因此，保持质量稳定的焦炭供应对钢铁生产仍是重要的。

今天的炼焦技术已经高度成熟。虽然热加收炼焦技术已经在某些市场中推广，但欧洲地区仍然采用传统炼焦工艺技术来实现焦炭产量。传统焦炉的炭化室容积已经超过了90m3，炼焦工艺做到了环保，煤气处理高效化。

钢铁工业已经取得了巨大的进步，可仍然在高速发展，现代钢厂的能源需求与数年前已经有很大不同。焦炭行业已经认识到这点，正在努力寻求适宜的解决方案。本文将介绍焦炭工业在近几所取得的进展，以及今年将会应用的技术。

2.1传统炼焦的发展

1)焦炉性能

在考虑传统焦炉的未来发展潜力时，更高的产量、更短的炼焦时间、更大的焦炉容积和更多的日推焦次数等几个方面日显重要：表1选择了德国6座有代表性的焦炉，反映了15年来焦炉性能与技术哲学的变迁：从该表看出，1971年蒂森焦化厂的焦炉炭化室宽400mm。

当时以炼焦时间短为先进，主要目标是高产，并不关心氮氧化物和CSR。萨尔茨吉特厂建设于过渡时期，炭化室宽度470mm，而其它焦炉的炭化室宽度都在600mm左右。

炭化室容积从1971年的35m3(蒂森)发展到1984年的70m3(HKM)，以至到1992年的

79m3(凯撒施图尔)。蒂森克虏伯施维尔格恩93m3的容积是目前最大的，可能会保持相当长的一个时期。焦炭产能的增长与此类似，从136万t至200万t，再到264万。

单位容积产焦量最大的是窄炭化室，宽炭化室的单位效率反而降低。以施维尔格恩600mm 的宽炭化室为例，每立方米产焦量比1971年蒂森400mm窄炭化室减少45％。然而，从表1可以看出，随着容积的增长，焦室年产焦量的上升幅度是明显的；前3个平均约13300t，HKM和凯撒施图尔约16000t，施维尔格恩最高，接近19000t。

20年间，年人均焦炭产量呈现巨大飞跃。蒂森老厂已经明显过时，年人均焦炭产量只有5490t。其后的4家焦。化厂人均焦炭产量11775t，几乎是蒂森厂的两倍。最新的施维尔格恩厂进一步跃升到17900t，生产效率提高了50％。生产效率的提高是工厂设计和广泛应用自动化技术的综合结果。施维尔格恩厂有两座70孔焦炉，为双烟道复合型焦室，煤气处理设备的能力是150000Nm3/h：一支工作队可同时控制焦炉机械和焦炉。

2)优化混煤

近几年，德国焦化厂用煤变化明显，其原因是：用进口低挥发份煤炭取代德国焦煤的比重日益增加，焦炭产量也相应上升；主要目标是生产优质焦炭，煤气及其它副产品的生产相对次要；宽焦室有效地降低了膨胀压，这就允许更多的使用低挥发分煤炭；宽焦室在膨胀压方面是“宽宏大量”的，使配煤的范围更宽。这种焦炉生产的焦炭非常适合大型高炉使用。

3)降低放散

减少放散是一个持久性的任务-零放散还没有实现，但使用大焦室能明显降低放散。主要原因是装料与推焦次数减少，焦炉门、上升管和装料孔减少，密封长度降低。大焦室一般配备性能优良的炉门和弹簧支撑系统，使得整座焦炉的气密性很好。

而PROven焦室压力集散控制系统又将焦炉的减排向前推进一步；它允许分别控制各个焦室的压力，降低了炉内反压，减轻了气体的泄漏量，而在炼焦后期，又能维持焦室压力，防止空气渗入―该系统已经在蒂森克虏伯公司施维尔格恩焦化厂应用。

最大的放散源头是焦炉排气管道，以灰尘、CO和氮氧化物为主：灰尘起源于未充分燃烧的煤气，而其它放散物与焦炉设计和操作有关：改变加热系统的设计和烟道温度对氮氧化物的减排有很大的影响：现代焦炉通过控制燃烧温度和使用过量空气参与燃烧等手段来解决氮氧化物的排放问题，目前最先进的是分段加热技术，分段数量取决于焦室高度，7m以上分为两段、通过内部废气循环的手段，进一步减排氮化物是可能的；宽焦室也有助于进一步减排氮氧化物；600mm焦室的锥度比450mm焦室小，致使从推焦机侧到炼焦区温度增长幅度小。

4)高温集气管

炼焦副产品市场发生了实质性的改变，优质优价的冶金焦是人们所希望的，而对焦炉煤气等副产品的兴趣减弱。因此，研发工作应在这一概念的指导下进行，即传统焦炉仅生产热能与焦炭。这个想法与热回收概念类似，应用在传统焦炉上时，对于那些生产率固定的焦炉，优点是明显的。

这一概念的理想应用场所是联合钢铁企业，高炉煤气用来加热焦炉。如果没有可用的高炉煤气，焦炉则需用人工净化煤气加热―这种焦化厂没有煤气处理设备，但实质上是环保的，粗煤气在进人大气前迅速烧掉；在工艺流程尾端，即在废热回收锅炉后，需要一套脱硫系统控制SO2的排放。

这样的一套系统有助于实现环保炼焦。实现该目标的关键是开发、设计回收管道来收集800℃的粗煤气，各焦室压力要控制得当。收集管道为负压，这与PROven系统相似：但对高温煤气流进行压力控制并不是一件轻松的工作。

德国正在做这方面的测试工作，并取得了巨大进展：与发电设备偶联的焦化厂一年可生产150-200万t焦炭。

2.2热回收炼焦的发展与现状

1)当前状况

工业无回收与热回收式焦炉的设计数据见表2。KCC无回收式焦炉在澳大利亚得到发展，最老的焦炉位于澳大利亚伊勒瓦拉―这些焦炉采用顶装料技术，废气经地下通道进入烟囱，燃烧空气通风口在炉门上。

这些焦炉的每个侧墙上只有一个下降管；另一种设计是Jewell―Thompson式焦炉，用在了太阳焦炭公司下属的万森特厂、印第安纳港焦炭公司。印第安纳港公司是热回收炼焦技术的第一个商业推广，用废煤气制造蒸汽进行发电。

2)焦炉性能

焦室在长度、宽度方向上及底部平滑的温度分布对实现均匀结焦是必不可少的。焦室墙壁下降管的数量、设计和布置对加热、结焦时间，以至煤炭处理能力都有重大影响。蒂森克虏伯EnCoke测试焦炉建在了伊勒瓦拉，每个焦室有3个下降管。所有的下降管都配备了控制元件，能够调节、优化煤气流量和温度分布。

设计上的改进明显缩短了结焦时间，老式焦炉在煤床厚度1.3m时结焦时间72h，而新焦炉则需要48h。相应的，每个焦室的年焦炭产量从3200t增加到4500t，增幅达40％。焦炭产量得到大幅增长，本应该是尽善尽美的。

事实上，可用容积50m3的无回收焦室年焦炭产量约6500t，而具有相同可用容积的传统焦室的年产焦量为13000t，93m3的大型传统焦室(蒂森克虏伯施维尔格恩)的年产焦量可达到19000t。换言之，与无回收焦炉比较，传统焦炉组更紧凑，生产率更高。

3)焦炭质量

在工业焦炉上的测试表明，如果密实装料，焦炭产量和质量明显提高Koch公司在传统焦炉上进行捣固装料有着丰富的经验，并在印度果阿的无回收焦化厂进行了测试，取得了良好效果。在采用捣固装料的焦炉上，焦炭粒度大，碎焦量少；在煤种不变的前提下，CSR值从65提高到72-75，M40提高了2-5个百分点，M10从7％降到4％-5，CRI从22ck变化到17%。这些结果指明，EnCoke将集中精力在热回收焦炉上实现捣固装料，因为这种组合使得焦炉性能改善、焦炭质量提高，投资成本更低。

4)环保效果

事实上，无回收和热回收焦炉的燃烧全都在负压条件进行，这就保证了这些技术符合美国洁净空气法的要求。然而，热回收焦炉装料时仍可以看到放散发生，装料过程对放散量的影响最大。澳大利亚和印度的焦炉采用顶装料，装料时炉门关闭，而美国焦炉采用侧装料，装料时推焦机一侧的炉门打开。后者放散物从炉门逸出，尤其是在装料后期。当热回收焦炉采用在推焦机侧捣鼓装料法时，需要在炉门上开设装料口，用于塞入煤饼：这个装料口只在炉门下部区域，炉门上部仍然保持关闭状态。

这样，整个焦室几乎封闭，没有放散发生。我们可以看到，顶装料，或者无回收焦炉的捣固装料，都具有优秀的环保效果。在炼焦过程中，无回收和热回收焦炉的环保效果更好。

5)热回收

热回收焦炉与现存发电设备的组合是个完美概念。这种配置节约了可观的总投资成本―另一个好的组合是与化工厂配合，消耗炼焦过程生产的蒸汽。如果采用干熄焦技术，可回收显热能进一步增加。以100万t热回收炼焦设备加80MW发电机为基础，采用干熄焦后，可增加发电量16MW。在蒸汽方面，将干熄焦引入热回收炼焦设备后．蒸汽(500℃，100巴)的输出量可从每小时270t增加到325t。

其它炼焦工艺：除了回收副产品的传统焦化厂、热回收/无回收炼焦技术外，还有如下几种炼焦工艺技术。

1)单焦室系统

该技术起源于“巨型焦化反应器”，其后以单焦室系统为人们所熟知。工业规模的试验厂于1996年在德国建成投产，反应器长10m，为整个焦炉长度的一半，高度亦为10m，宽度850mm装入的煤炭经过预热：虽然这个反应器能够工作，且运行良好，但目前还没有工业应用实例，也没有准备安装该技术装备的计划。

2)Scope21

Scope21这种技术的主要目标是实现更高的生产效率和更好的环保效果。结焦过程分为3个主要步骤：煤炭空气加热，随后高温压制；在750-850℃条件下，在水平焦室内进行部分结焦；改良焦炭质量，然后干熄焦相当数量的工艺环节都已进行了工业化、半工业化试验，一个完整的Scope21厂正在进行建设：对这种相当复杂的炼焦方法的评估需等到投产后才能进行。

结束语：通过调研炼焦技术的发展现状及未来发展潜力，得出如下结论：传统焦炉和副产品回收设备仍然是当前保证焦炭产量的主要手段，焦炉的生产效率不断提高，蒂森克虏伯施威尔格恩焦化厂拥有93m3焦室的焦炉的生产效率已经达到空前的高度；宽炭化室的大型焦炉的配煤范围更宽，可更多地使用低挥发分煤，优点是焦炭收得率增加；传统焦炉的环保效果得到明显改善，进一步的发展是通过对各个焦室进行独立压力调控来降低焦炉放散；高温粗煤气直接燃烧生产蒸汽是一个新概念，这种焦化厂的产品仅仅是焦炭和电能；热回收炼焦技术已经成熟，并推广应用，这种技术与捣固装料、干熄焦配合，可进一步增加发电量。

新的炼焦技术工艺，如单焦室系统、Scop21等还没有实现工业化。这些技术能否与传统技术、热回收技术成功地展开竞争，还要拭目以待。