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捣固焦炉与顶装焦炉技术经济比较分析

来源:茂胜集团公司总工办 浏览次数: 日期:2013-01-26

        一、捣固炼焦的机理:
        捣固炼焦工艺中,煤料在焦炉以外与炭化室尺寸相近的铁箱中进行捣固,捣固过的致密煤饼通过打开的炉门送入炭化室。煤料经捣实后,其堆密度可由顶装煤的0.7~0.75t/m3提高到0.95~1.15t/m3,有利于提高煤料的粘结性。由于煤堆密度的增加,煤粒间接触致密,间隙减小,填充间隙所需的胶质体液相产物的数量也相对减少,也即由煤热分解时产生的一定数量的胶质体,能够填充更多煤粒之间的间隙,可以用较小的胶质体液相产物均匀分布在煤料表面上,进而在炼焦过程中,在煤粒之间形成较强的界面结合。
        此外,捣实的煤料在结焦过程中产生的干馏气体不易析出,煤粒的膨胀压力增加,迫使变形的煤粒更加靠拢,增加了变形煤粒的接触面积,有利于煤热解产物的游离基与不饱和化合物进行缩合反应。同时,热解产生的气体逸出时遇到的阻力增大,使气体在胶质体内停留时间延长。气体中带自由基的原子团或热分解的中间产物有更充分的时间相互作用,有可能产生稳定的、分子量适度的物质,增加胶质体内不挥发的液相产物,这样,胶质体不仅数量增加,而且变得稳定。
        这些作用都有利于提高煤料的粘结性。这也是在同样焦炭质量情况下,捣固炼焦比顶装炼焦可以多配入高挥发分及弱粘结性煤;或在同样的配煤比条件下,捣固焦炭质量冷强度和热强度指标有所改善和提高的主要成因。

        二、捣固炼焦与常规顶装炼焦比较
        1、按装煤方式比较
        常规顶装炼焦是通过炉顶装煤车将煤从炉顶落入炭化室,即重力装煤,它的堆密度约0.75t/m3;而捣固炼焦是通过机侧推焦装煤车将经捣固机捣实的煤饼从机侧推入炭化室,其堆密度为0.95~1.15t/m3。
        顶装炼焦装入炭化室的散料煤紧贴炭化室两侧炉墙,捣固炼焦推入炭化室的煤饼与炭化室两侧炉墙有一定间隙,其炭化室锥度要比顶装炼焦炭化室锥度要小。
        2、按原料煤的应用比较
        1)同顶装炼焦相比,捣固炼焦原料范围宽,可以多配入高挥发分煤和弱粘结性煤,生产优质高炉用焦,还可以掺入焦粉和石油焦粉生产优质高炉用焦和铸造焦,以及100%用高挥发分的煤生产气化焦。
        2)同样配煤比条件下,焦炭质量可以得到改善,M40提高1-6%,M10降低2-4%,反应后强度CSR提高1-6%,反应性CRI下降1-2%
        3)在生产相同焦炭质量时,捣固炼焦的配合煤中,可以多配10-20%高挥发分煤和多配5-10%的弱粘结性煤,相应减少了焦煤、肥煤的用量。
        采用顶装炼焦一般配合煤挥发分大于29%时,焦炭强度明显下降,而采用捣固炼焦,配合煤挥发分只要不大于34%,焦炭强度仍可满足要求。
        根据中国炼焦行业协会焦炭资源专业委员会对24家顶装炼焦企业和8家捣固炼焦企业的调研,捣固炼焦比顶装炼焦多用气煤、1/3焦煤约8%,多用瘦煤、贫瘦煤约7%,相应少用焦煤9%,肥煤5%,而所产生的焦炭质量与顶装炼焦焦炭质量大体相当,即合理的利用了煤炭资源,又明显降低了炼焦配煤成本。为企业带来明显的经济效益和产生良好的社会效益。
        4)焦炭的微观结构比较,捣固焦炉生产的焦炭气孔壁厚度增大,气孔直径变小,气孔率降低,真密度、视密度提高 。焦炭孔壁厚度的增加不但使焦炭的冷态强度提高,还使得焦炭反应后残留的孔壁厚度增大,较少出现因焦炭孔壁局部气化消失、气孔融并而影响焦炭反应后强度的现象,这是捣固炼焦可以改善焦炭反应后强度的原因。
        5)在同样的炉孔数和炭化室尺寸时,捣固焦炉由于入炉煤堆重提高30~40%,其产能比顶装焦炉提高15%以上。
        6)捣固炼焦技术采用的炼焦煤源具有区域性,适应于对优质炼焦煤紧缺的地区和国家。实践证明,采用粘结性偏好的煤捣固炼焦,焦炭质量无明显改善,而常规顶装炼焦采用粘结性偏差的煤炼焦,焦炭质量明显下降,要获得优质焦炭,必须多用焦煤,肥煤。
        7)生产操作对比,捣固炼焦侧装煤比顶部重力装煤设备复杂、操作要求较高,要控制塌饼率在最小范围,以保证焦炉的正常作业。因此对配合煤细度,水分要求有严格规定。配合煤细度要求在90%以上(煤粒度<3mm百分率),且在<3mm煤料中,35~45%应小于0.5mm。为控制装炉煤的粉碎细度和粒级分配,一般采用分组粉碎方式。为保持煤饼的粘结性,装煤水分要控制在9~11%,南方地区为防止雨季煤水分过高,煤场应设置煤棚。
        8)基建投资:同等尺寸的炭化室,捣固焦炉产能要大于顶装焦炉,因此,同等规模产能的捣固焦炉炉体投资要少,但焦炉机械投资要大一些,两项相抵,捣固焦炉投资比顶装焦炉投资略低一些或相近。

        三、与其他几种煤预处理技术比较
        捣固炼焦技术与其他几种煤预处理技术相比,即与煤的选择粉碎、煤干燥、煤预热、配型煤相比优点较多,是几种煤预处理技术中性价比较高的一种工艺技术。如果把目前应用的湿煤捣固将来进一步开发改进为煤预热捣固炼焦技术(需添加粘结剂替代水),其工艺技术优势将进一步提高。

        四、环保
        焦炉除尘主要是推焦和装煤除尘。推焦除尘,捣固焦炉与顶装焦炉一致,多采用地面除尘站方式;捣固装煤采用侧装,装煤消烟除尘主要有二种方式置于炉顶的消烟除尘净化车和炉顶消烟除尘净化车与地面除尘站相结合的消烟除尘系统。前一种方式早期投产的捣固焦炉用的较多,但除尘效果较差,特别是当煤饼进入炉内1/2到2/3时,烟尘和荒煤气量最大,这时消烟除尘效果较差,难以达到排放标准;后一种方式是目前效果最好的一种,且由于装煤与出焦不同时作业,可合用一套地面除尘站。唐山佳华焦化公司2008年建成投产的我国首座6.25m捣固焦炉,采用德国伍德公司设计方案,采用双U形管导烟车进行装煤导烟,烟气经U形管导入相邻2个炭化室再导入集气管,避免污染,操作简单,维护方便,是一种新的装煤消烟除尘先进方法。随着近几年捣固焦炉的大型化和引进消化国外技术,捣固焦炉的环保装备水平得到大幅度提高。

        五、捣固炼焦技术经济分析
        捣固炼焦技术的经济效益主要表现在几个方面:
        其一,捣固炼焦入炉煤堆密度大幅度增加,虽然结焦时间略为延长,但其生产能力仍比顶装焦炉提高15%以上。所以在焦炭产能相同的情况下,所需炉孔数要比顶装焦炉少,单孔容积要比顶装焦炉小,相应炉体部分的投资可以减少。以年产250万吨焦炭的规模为例,对采用捣固焦炉和顶装焦炉两个方案的投资进行分析比较,其结果是:采用捣固焦炉方案时,虽然机械设备投资高于顶装焦炉方案,但总投资仍比顶装焦炉方案节省9%或接近。
        其二,采用捣固炼焦技术能用较多的高挥发分煤及弱黏结性煤生产合格的焦炭,而高挥发分煤及弱黏结性煤的煤价通常比强黏结性煤低,因此采用捣固炼焦技术可以降低焦炭成本。以山西地区目前出厂含税价计,气肥煤、气煤比焦煤低350~500元/t,比肥煤低300~450元/t;瘦煤、贫瘦煤比焦煤低150~250元/t,比肥煤低100~200元/t,按照中焦协调研的8家捣固焦企业的配煤比计,这些企业多用瘦煤、贫瘦煤7%,多用气煤、1/3焦煤8%,相当于少用焦煤9%,肥煤5%;以此计算,炼焦配煤成本降低十分可观。
        其三,捣固焦炉与顶装焦炉技术经济指标比较,6.25m捣固焦炉与7.0m顶装焦炉相比,技术经济指标参数也是较优的。
        其四,采用捣固炼焦技术,使焦炭质量得到了显著改善,对高炉的操作顺行、降低焦比、提高高炉利用系数起到十分重要的作用。按高炉利用系数提高100kg/m3.d,焦比下降10kg/t,以2000m3高炉为例,一年可增产铁7.3万吨,节约焦炭1.75万吨,高炉增产降耗效果明显。

        六、国内捣固炼焦技术的发展和应用
        捣固炼焦起源于德国,1882年德国最先采用捣固炼焦,从20世纪70年代,德国在捣固炼焦技术上取得重大突破,并相继在一些高挥发分中等或弱粘结性煤储量丰富而焦煤缺乏的国家和地区推广应用。
        2002年以前,我国的捣固焦炉生产规模较小,捣固焦炉炭化室高度为2.8m,3.2m,3.8m,与顶装炼焦技术相比发展较慢。主要原因是长期以来捣固机械不过关,炼焦煤供应相对充足。随着国家严格的节能降耗,环保和可持续发展政策的出台以及钢铁产能的急剧扩张,优质炼焦煤供给日益紧缺,我国捣固炼焦技术应运而生并迅速发展。
        2000年,中冶焦耐院开发的炭化室高4.3m JNDK43-99D型大型捣固焦炉,2002年底在山西茂胜公司首次成功使用。
        2006年,化二院开发的炭化室高5.5m捣固焦炉,在云南云维公司建成投产。
        2007年,中冶焦耐院开发的世界上最大的炭化室高6.25m捣固焦炉为唐山佳华公司采用,并于2008年底建成投产。
        现在我国正在运行的捣固焦炉300多座,产能达到约1.5亿吨,每年相当于少用强粘结性焦煤、肥煤2000多万吨,大大缓解了我国主焦煤的供应。
        这些捣固焦炉大多建在独立焦化厂,大中型钢铁企业建的较少。
        近几年,攀钢和涟钢分别建成投产了5.5m捣固焦炉,生产的焦炭全部提供给3200m3高炉使用,为钢铁企业大型高炉全部使用捣固焦炭起到了一个示范和推动作用,有利于消除国内钢铁企业对捣固焦炭使用的障碍和顾虑。这些障碍和顾虑主要来自三个方面:
        一方面,由于大型钢铁企业顶装焦炭自给率较高,外购捣固焦炭也只是小部分掺混使用,致使钢铁企业全部长期使用捣固焦炭的生产经验不足;
        第二个方面,国内独立焦化厂大多未能与下游用户钢铁企业建立长期稳定的供需关系,缺乏上下游之间的协调和对捣固焦炭的研究和认识,同时也没有针对全部使用捣固焦炭质量特点来调整高炉冶炼制度,影响了捣固焦炭在高炉冶炼中的使用。
        第三个方面,一些捣固焦炭生产企业为追求降低配煤成本,盲目减少优质炼焦煤的配比,使得焦炭质量不能满足大型和特大型高炉的需要(可以满足中小型高炉的需要),也是一个不可忽略的问题。
        从我国出口的冶金焦来看,主要以捣固焦炭为主。世界金融危机爆发的2008年以前的近8年时间,我国每年出口捣固焦炭都在1000万吨以上,这些焦炭主要是4.3m及以下捣固焦炉生产的,并基本用于国外2000m3及以上大高炉冶炼。说明国内生产的捣固焦炭是可以用于大型高炉冶炼生产的。
        国外,一些钢铁公司从上世纪80年代开始就采用捣固炼焦技术生产大型高炉用焦。例如:
        印度塔塔钢铁公司上世纪90年代建设的4.3m捣固焦炉配套2000m3高炉,正在建设的3800m3高炉同时配套建设大型捣固焦炉。
        印度JSW公司建设的大型高炉,由中国化二院配套设计4.3m捣固焦炉。
        乌克兰阿尔切夫焦化厂,上世纪90年代建成的5.0m捣固焦炉生产的捣固焦炭均用于该钢铁公司大高炉生产;
        乌克兰克里沃罗格钢铁公司不仅在2000m3~3000m3高炉使用,而且在特大容积5000m3高炉使用捣固焦炭。
        德国迪林根焦化厂1984年建成的6.25m捣固焦炉生产的焦炭供应2200m3高炉,高炉利用系数为2.5t/m3.d,焦比370kg/t,高炉喷煤量达到120kg。
        这些国外工厂采用大型捣固焦炉生产的捣固焦炭用于大型高炉冶炼,均取得了良好效果。
        由此可见,虽然国内钢铁企业大多采用顶装焦炭很少使用捣固焦炭,但国外高炉使用经验证明,捣固焦炭是能够适应和满足大容积高炉冶炼需要的。随着国内近十年来捣固炼焦技术和装备的快速发展和提高,以及合理节约利用煤炭资源政策的引导,捣固炼焦工艺具有的优势越来越显现出来,这种认识也越来越被钢铁企业所接受,并且在一些钢铁企业开始率先使用。这也许是钢铁企业今后采用捣固炼焦技术的趋势。
        中国已形成世界第一规模的炼铁和炼焦生产能力,捣固焦炭产能已超过总产能的1/4,协调好二者的关系,是实现炼焦与炼铁行业可持续发展的重要措施。可以针对不同容积的高炉提供不同质量的捣固焦炭,不仅可以满足大型高炉冶炼要求,而且满足特大型高炉冶炼要求,有效合理利用炼焦煤资源,降低炼铁成本。通过加强高炉冶炼对捣固焦炭质量研究、相互协调,建立捣固焦炭质量指标体系,使捣固焦炭得到更多的使用,才能形成炼焦炼铁双赢局面。

        七、分析结论
        1、我国炼焦煤资源分布极不平衡,气煤和1/3焦煤储量约占总储量的49%,肥煤和气肥煤约占13%,瘦煤和贫瘦煤约占15%,而焦煤、肥煤只占23%,中等变质程度的优质焦煤和肥煤储量较少,属于紧缺资源,随着大比例的开采使用将迅速枯竭。
        顶装焦炉虽然随着焦炉大型化,焦炭质量有所提高,但主要还是依靠配入高达70~75%左右的焦煤和肥煤才能获得高质量的焦炭,这是和国内炼焦煤资源分布比例不相适应的,长期来看,也是不可持续的。
        捣固焦炉在生产同等焦炭质量的情况下,可以多配入气煤、1/3焦煤、瘦煤、贫瘦煤等高挥发分煤和弱粘结性煤,合理利用煤炭资源,具有明显的企业降成本效益和社会效益,符合国家对保护性紧缺资源的利用政策,具有可持续性。
        2、从捣固炼焦与顶装炼焦工艺对比分析来看,捣固炼焦优点多于顶装炼焦。
        3、捣固炼焦的原料选择范围宽,扩大了炼焦用煤的使用范围,有利用原料的供应和灵活的生产组织。本省炼焦煤煤种齐全,捣固炼焦所需的各种煤种均可以就地解决,具有明显的区域供给优势。
        4、从捣固炼焦技术经济分析来看,多用高挥发分、弱粘结性煤,少用焦煤、肥煤,其降低企业的生产成本优势是明显的,也是长期的。钢铁企业从高利润时期进入微利时期,也将在内部挖潜增效上作文章,降低炼焦成本是其中之一。尽管目前钢铁企业绝大多数过去采用的是顶装焦炉,但随着优质炼焦煤的日益短缺和钢铁利润的下降,今后将不得不考虑采用捣固焦炉,目前一些钢铁企业选用了捣固焦炉正是基于此。
        5、钢铁企业大型高炉采用捣固焦炭存在的顾虑是目前产业结构造成的,并不是捣固炼焦工艺和捣固焦炭质量不能满足大型高炉的生产。从这几年国内部分钢铁企业攀钢、涟钢采用5.5m捣固焦炭在3200m3高炉的使用情况,以及国外一些钢铁公司大型高炉长期全部使用捣固焦炭来看,捣固焦炭用于大型和特大型高炉冶炼在技术上是没有问题的。
        6、近几年,捣固焦炉大型化技术发展很快,2008年以来,6.25m捣固焦炉在一些独立焦化企业相继建成投产,并取得良好使用效果。6.25m捣固焦炉成为当前的推荐炉型,有望在今后一段时间获得推广,但由于投产时间短,有关设计、制造、生产运行方面还有待于进一步完善和提高,积累经验。
        7、独立焦化企业从面对市场的多样性、生产组织的灵活性、资源的供给保障、成本效益等方面来考虑,宜选择捣固炼焦技术为好,从捣固焦炉大型化考虑,采用6.25m捣固焦炉为好。钢铁联合企业选择大型捣固焦炉亦是今后发展趋势.尤其是在钢铁企业将长期进入微利时代、合理利用资源可持续发展的大背景下。




 



 

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