我国煤焦化及热解技术的发展与展望

第三届选煤企业管理论坛论文集 470我国煤焦化及热解技术的发展与展望

商铁成 张 王晓磊 王利斌 曲思建 （煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院）

摘 要：本文论述了在我国焦化和热解工业的发展史中，煤炭科学研究总院所做的部分具有里程碑意义的重大事件，并对今后我国焦化和热解工业发展方向提出了展望。 关键词：焦化 热解 煤岩学 滚动床

近年来，我国焦炭产量占世界总产量的一半以上，已成为全球最大的焦炭生产和出口国。由此刺激了炼焦技术的快速发展，新建和改造焦炉数量直线上升，焦炉大型化比例显著提高；干熄焦、捣固炼焦、炼焦生产自动化[1]等一批新技术得到推广和应用；扩大弱粘结煤利用、配煤专家系统、煤与不同添加物的共焦化以及改善焦炭热性质等应用型研究也取得了可喜的成绩[2]。 煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院长期从事炼焦新工艺、新技术的研究，在炼焦技术研究与工艺开发方面技术力量雄厚，成果丰硕。建院50多年来，完成了一百多项研究课题，取得了一系列重要研究成果。

1 烟煤粘结指数G的制定和中国煤炭分类 粘结指数G是表征烟煤粘结性的指标之一，也是我国烟煤分类的两个主指标之一，同时还是我国配煤炼焦必选指标，它的研究、制定是我国煤炭分类史、焦化史上具有里程碑式的重要事件。 粘结指数G是由煤炭科学研究总院煤焦所参照采用了ISO335-1974《硬煤——粘结力的测定——罗加试验方法》[4]，针对罗加指数法的缺点，进行了改进，经过转鼓次数、无烟煤选择、计算公式的确定等大量理论和试验研究提出的。于1985年由国家标准局批准发布，标准号GB5447-85。在1986年发布并实施的“中国煤炭分类”国家标准（GB5751-86）中，粘结指数（G）作为表征烟煤粘结性的主要指标，受到煤炭生产和使用部门技术人员的普遍欢迎。 在粘结指数G未成功研制之前，我国一直沿用1956年由煤炭部、冶金部提出了的第三届选煤企业管理论坛论文集 471“中国煤（以炼焦煤为主）分类方案”，该方案将中国煤分为10大类24小类，于1958年实施[3]。随着中国经济建设事业的蓬勃发展，该分类方案在使用过程中也发现存在一些问题。1985年，煤炭部和冶金部的生产、使用和煤炭科学研究总院等科研单位经过研究，提出“中国煤炭分类”国家标准，1986年由当时的国家标准局批准并发布。该标准的主要特点既在“烟煤分类”中粘结性的主指标使用粘结指数G，并且在今后的煤炭使用中发挥了巨大作用。

2 优质系列铸造焦技术研究 始于“六五”和“七五”计划期间，延续至今，煤炭科学研究总院根据各地炼焦煤资源情况，分别研制出了二级、一级、特级和高密度铸造焦，科研成果显著。其中“铸造焦的工艺和装备——常规焦炉试制一、二、特级铸造焦”于1985年获国家科技进步二等奖；“铸造焦技术推广”于1991年冶金部科技进步二等奖；“高密度铸造焦技术研究”于1995年获煤炭部科技进步一等奖。 在炼焦过程中配加添加剂既扩大了炼焦煤源，又可提高了焦炭质量。按照添加剂性质划分，大致可分为活性、半惰性和惰性添加剂三类。 活性添加剂一般指焦油沥青、石油沥青、氢化煤及处理过的焦油、十环烯等，当配合煤中由于缺少强粘结性煤而流动度不足时，添加适当的粘结剂可以提高焦炭强度和降低焦炭反应性。这是因为优质粘结剂可以提高配合煤的流动度、改善焦炭的结晶性和显微组织。此外，活性添加剂还对煤料有一定的改质作用。 无烟煤、石油延迟焦、石油焦、焦粉、石墨及电极糊等常作为惰性添加剂使用。炼焦过程中产生二个峰值，第一个峰值高低决定焦炭的平均块度，峰值越高，焦炭块度越小；第二个峰值引起相应的裂纹，但程度上较浅，第二个峰值高低决定焦炭的抗碎强度指标，要增大焦炭的平均块度及其强度，都要设法降低两个收缩系数的峰值。惰性添加剂可降低煤料结焦过程中的两个收缩峰，能与煤料胶质体很好结合，从而改善胶质体性质，有利于胶质体内气体逸出，有效降低焦炭气孔率，提高焦炭质量。 煤炭科学研究总院根据煤资源情况，对主要的配煤添加剂（活性、惰性、半惰性）进行了常规煤质分析、煤岩显微组分组成、焦炭显微结构等方面的研究，并将其与基础煤种进行了大量的配煤试验，分别研制出了二级、一级、特级和高密度铸造焦。该成果应用于薛城焦化厂、镇江焦化厂、古县焦化厂和修文焦化厂等，经济效益显著。 第三届选煤企业管理论坛论文集 4723 煤岩学在焦化领域的应用 煤岩学把煤作为有机岩石为其研究对象，研究其性质、变化及应用的一门学科。煤岩学的产生及发展，是焦化领域的一件大事，它将配煤炼焦技术从宏观指标带向微观，为焦化研究开辟了一条崭新的渠道。 根据煤岩学的发展，形成了几条公认的公理： 1）煤是不均一的物质，每一种煤都是天然的配煤。 煤岩学认为煤是一种复杂的有机物混合体，可以说每种煤都是天然配煤。为便于应用，把煤的有机物质按其在加热过程中能熔融并产生活性键，划分为活性组分和惰性组分。 2）一种煤的活性组分的质量不是均一的，可用反射率分布图解来表示。 活性组分的质量差别很大，不但不同变质程度煤差别大，而且即使同一种煤，所含的活性组分的质量也有差别，镜质组反射率分布图是决定炼焦煤性质的首要指标。 3）惰性成分和活性成分一样，同是配煤中不可缺少的成分，缺少或过剩都对配煤炼焦不利，都会导致焦炭质量下降。 4）成焦过程中，煤粒间并不是互熔成均一的焦块，而是通过煤粒间的界面反应，键合而连接起来的，也包括物理结合的过程。 利用煤岩学理论，20世纪80年代末，煤炭科学研究总院开展了煤岩学在焦化配煤领域研究，建立了粘结指数（G）—惰性物含量（I）关系，辅之以变质程度指标，以G值为基础的指导炼焦配煤的新方法，并绘制了G—I曲线，应用该曲线，当测知某一煤的粘结指数G，由其G—I曲线查惰性物含量时，所得惰性物含量实质上是烟煤中惰性物（包括半惰性物）相当于无烟煤的含量。因此，不仅对同一煤中不同惰性物性质上的差别给予简化，而且使不同煤的惰性物具有可比性，与通过显微镜测定的惰性物含量相比更具有直接的工艺意义。此外，还深入探讨了焦炭显微结构的组成与煤质、炼焦工艺的关系及形成条件，对炼焦配煤也起到了积极作用。

4 配煤炼焦技术研究及专家系统的建立 煤炭科学研究总院长期从事炼焦煤性质评价、配煤炼焦研究工作，对炼焦煤种的配伍性研究具有相当的深度，特别是对弱粘煤、不粘煤等非炼焦煤在焦化企业的应用具有第三届选煤企业管理论坛论文集 473较高的研究，建立了配煤炼焦专家系统。 4.1 上海宝钢总厂焦化厂（一期工程）炼焦用煤方案研究 20世纪70年代，经历了十年浩劫的中国经济百废待兴，中国政府在上海宝山区建设当时最先进的钢铁工厂——宝山钢铁（集团）公司。作为政府的旗舰钢铁公司，当时的宝山钢铁（集团）公司拥有最好的工程师和经理人，使用尖端技术，并得到政府的有力支持。 煤炭科学研究总院承担了上海宝钢焦化厂（一期工程）炼焦用煤方案研究工作，对全国炼焦煤产区的炼焦煤进行煤质分析、煤种选择、200kg炼焦试验、配煤方案的优化等研究，并最终得到理想的炼焦生产方案。“上海宝钢总厂焦化厂（一期工程）炼焦用煤方案研究”于1986年获得煤炭部科技进步一等奖；同时获国家科技进步三等奖。 4.2 高挥发分煤炼焦技术 在配煤炼焦中多用气煤的技术途径最先由煤炭科学研究总院研究并提出，该技术突破了脱离我国煤炭资源实际情况的“以主焦煤为主体，气、肥、焦、瘦按比例配煤”的框框；通过大量的试验研究，提出了配煤G—V图，用来指导配煤，并预测焦炭强度，突破了我国沿用的前苏联V—Y方法，大大提高了高挥发分煤用量，使配煤更加趋于合理。 4.3 弱粘煤炼焦技术 煤炭科学研究总院于2004年对神木煤为代表的低阶煤进行了配煤炼焦研究，该研究首次将神木煤这一传统的动力煤应用于焦化领域，丰富了配煤炼焦理论，填补了国内空白。 该研究将神木煤与我国主要地区（华北、东北、西北、华南以及华东）焦化企业炼焦基础煤种进行了大量理论和试验研究，结果表明：各区神木煤总体配入量依工艺条件、炼焦煤源不同而有所差别。在保证焦炭质量的前提下，顶装工艺时，神木煤配入量总体在17%左右，华北区可配入20%，华南区、东北区相对较少一些；对于捣固工艺，神木煤配入量在20%以上，其中华北区配入22%时，焦炭质量仍可满足出口焦的一般要求；配入25%时，焦炭质量仍能达到二级焦标准。2008年下半年，该成果在凌源钢铁集团有限责任公司第一焦化厂应用，结果进一步表明，在保证焦炭质量的前提下，神华煤的配加比例可达15%。 4.4 配煤炼焦专家系统 第三届选煤企业管理论坛论文集 474表征炼焦煤变质程度的指标包括挥发分、镜质组平均最大反射率、碳含量等，表征粘结性的指标更多，如：粘结指数G、胶质层最大厚度、奥亚膨胀度、基氏流动度、自由膨胀序数等，根据企业（或某一地区）不同的情况，可以有很多的焦炭质量（特别是热性质）预测模型。 煤炭科学研究总院根据目前焦炭质量预测模型多，但均存在某些缺陷，各有其局限性和片面性的现状，以我国各矿区主要炼焦煤源的煤质特性为研发的切入点，在此基础上，综合考虑煤质和炼焦工艺两大基本因素，来预测和调控焦炭的主要质量指标（特别是焦炭的反应性和反应后热强度指标），最终形成一个完整的焦炭热态质量预测及控制技术专家系统和一整套技术。 该配煤炼焦专家系统考虑因素全面，实际操作效果强，经济效益突出。目前已在部分焦化厂应用，效益显著提高，对于焦化行业进行配煤炼焦、进行煤种优化选择、提高焦炭质量具有重要的现实意义，填补了行业空白。

5 中低温热解技术 我国从20世纪50年代开始对煤热解工艺进行开发和研究。80年代，开发了固体热载体新法干馏工艺，并在实验室建立了5kg/h规模的实验装置，对褐煤和油页岩进行了大量的试验研究。该炉型传热效率虽然较高，但其得到的半焦全部呈粉状，造成煤焦油与粉尘无法分离，至今无法得到推广应用。 20世纪90年代，煤炭科学研究总院开发的MRF热解工艺（流程图见图1），该工艺采用分段热解，首先对低阶煤在干燥炉内进行脱水，然后在热解炉内进行干馏，采用外热式加热，半焦采用密闭式水熄焦，回收煤焦油和净煤气。 该工艺先后建立了1、10、100kg/h规模的一系列试验室热解装置，对先锋、大雁、扎莱诺尔、天祝、东胜等煤进行了大量的热解试验，系统地分析了半焦、焦油和煤气的性质，并对半焦和焦油的加工利用途径进行了研究，于90年代初在内蒙古某地建起了2万t/a规模的褐煤MRF热解工艺示范厂。 进入21世纪，煤炭科学研究总院在MRF煤热解工艺的基础上，提出了低阶煤内热式滚动床清洁热解提油新技术，并得到国家高技术研究发展计划（863计划）支持，已申请专利。该技术采用分段式热解，首先将高水分煤料在回转式圆筒干燥机内烘干后，进入热解窑尾；加热用的烟气自窑头喷入窑内，直接对煤料进行加热热解；热解产生的