捣固焦炉值得关注的几点问题

捣固炼焦值得关注的几个问题钟英飞近几年，我国捣固装煤炼焦有较快发展。焦炉炭化室高度已由过去的2.8m、3.2m、3.8m增加到4.3m、5m、5.5m以及6.25m，捣固焦炭产能己超过8000万吨。捣固装煤炼焦是适合我国炼焦煤资源中粘结性肥煤和焦煤不足状况的炼焦工艺。在当前较快发展中提出以下有关捣固炼焦配煤和焦炭质量的关系、捣固强度与配煤的关联性以及需要在生产实践中探索的几个问题进行一些讨论，供业界参考。1焦炭质量的基础是配煤质量，不会因煤准备和炼焦工艺等有根本性的改变这里说的焦炭质量是指焦炭强度（不包括灰分和硫分等），焦炭强度与配煤的关系，经过长期研究和实践己有了明确而科学的结论：焦炭强度从其本质而言，决定于焦炭气孔壁厚薄及其组成、所形成气孔的均匀程度和所占有的体积。这个概念指导着传统的、经典的煤质指标和以此为依据的煤分类，以及按此分类形成的以煤种为基础的配煤原则。焦炭是多孔体，这个多孔体的强度可分成气孔壁强度、孔状体强度和块焦强度。孔状体强度是指含有气孔，但几乎没有裂纹的焦炭颗粒的机械抗性。孔状体强度和气孔壁强度经常合称焦炭结构强度，这就是M10的内涵。块焦强度中的M40，即依服于结构强度又决定于焦炭中裂纹和裂纹数量与特性。目前评价焦炭强度，既有冷强度，又有热强度。M40和M10属于冷强度，用中等变质程度、粘结性肥煤和焦煤占50％以上的配煤，其生成的焦炭气孔壁厚而牢固，裂纹少，故M40和M10指标好。而热强度以CRI和CSR为指标，理论和实践表明，以低变质程度、高挥发分的炼焦煤（气煤类煤）为主的配煤，其焦炭显微结构在光学上各向同性占优势，其CRI和CSR指标差。以中等变质程度、粘结性肥煤和焦煤占50％以上的炼焦配煤，其焦炭显微结构在光学上各向异性占优势，其CRI和CSR指标好。基于上述，即炼焦界周知的决定焦炭冷、热强度的基础是炼焦配煤，而对煤准备，如煤调湿和捣固等工艺以及干熄焦等对焦炭质量的作用，在于对气孔壁厚度、气孔率大小和均匀程度以及裂纹等有影响，这些影响对焦炭质量（特别是冷强度）在不同程度上有一定改善。而对热强度，由于不能改变焦炭显微结构的组成，故基本影响不了焦炭的热强度。当然，并不是说改进煤准备和炼焦工艺没有必要，而只是对焦炭质量不会有根本性的改变。这里需要提出的是宝钢配入型煤炼焦，在增加装煤堆密度的同时，主要是增加了粘结剂，相当增加了配煤中的粘结组分。因而在宝钢炼焦配煤中，虽然粘结性的肥煤和焦煤只占50％左右，但由于粘结组分的增加，提高了焦炭质量，生产出可满足大于4000m3高炉需要的焦炭。2捣固炼焦的亮点是多用低变质程度、高挥发分气煤类的炼焦煤，生产出一定质量的焦炭捣固炼焦是用机械力将煤料的粒子压紧，因压紧而导致：①增加煤料堆密度；②因粒子的压紧而使胶质体填充的空隙减少，而相对扩展了粘结范围；③由于堆密度的增加单位体积内析出的煤气量增加，而提高了膨胀压力。这些因素导致了焦炭多孔体的气孔壁增厚，气孔率降低且趋向均匀，因而M40、M10都有所改善，CRI和CSR也略有改善。我国比较传统性捣固炼焦用配煤大体是：Vdaf30％～33%,G值58～72（平均～65),Y值14±2、膨胀序数≮2.5。这样的配煤如在顶装焦炉中炼焦，焦炭的M40～65,CSR50。而捣固炼焦生产的焦炭（捣固堆密度0.9～0.95t/m3)的M4o大体在70左右,CSR～50。这样的焦炭曾用到1000～1500m3高炉上。这里需要特别提出攀钢的焦炭质量，攀钢成功地用大型高炉冶炼钒钛磁铁矿，攀钢炼焦配煤偏瘦、碱金属含量较高，所以高炉用焦炭热强度不高。但由于高炉炉料中有较高的钛含量，对焦炭的溶碳反应有较强的抑制作用，所以攀钢用捣固炼焦生产的焦炭，能适应～2000m3的高炉冶炼要求。有关资料显示，德国Saar地区Dilingern厂，在公元2000年以前，将国际煤分类中的522、523、633、634以及621等高挥发分煤的配入量占～70%，其他煤料是瘦煤10%、鲁尔煤10%、石油焦15%。配合煤的Vdaf28％～33%，膨胀序数2.5～4。用捣固炼焦（堆密度1～1.1t/m3),其焦炭的M40为72～75,M10～7,CSR～50。这样的焦炭在Dilingem铁厂1800m3的高炉使用。德国捣固炼焦用的配煤相当我国的1/3焦煤和肥气煤，其粘结性好于我国传统的捣固炼焦配煤。捣固炼焦有两个方面需要重点关注，一是投资和成本；二是操作管理。在投资和成本方面，捣固炼焦工艺的基建投资，据德国估算，捣固炼焦比顶装炼焦工艺的基建投资少9%，但捣固焦炉一代炉龄在20年左右，再加上设备维修费用等因素，影响折旧等运行费用。我国的数据表明，生产规模基本相同时，捣固炼焦的基建投资比顶装焦炉工艺略高，再加上生产操作中不稳定因素较多，设备故障，设备维修量也较大，这都增加了生产成本。另一方面，捣固炼焦装煤的操作热损失较大，且捣固作业本身要增加能耗，再由于煤料中挥发分高，结焦过程中气态物带走的热量大，故捣固炼焦的能耗高于顶装炼焦工艺，大体高10％左右。但捣固炼焦，由于多用弱粘结性煤，原料成本低，据国外公布的数据，德国吨焦节省成本7美元，印度节省20美元，土耳其节省16美元。我国还缺乏统计数据，并且我国煤价各煤种牌号间的比价也不尽合适，但从合理利用我国炼焦煤资源，多用弱粘结性气煤类，肯定是有宏观效益的，这也是促进捣固炼焦发展的推动力。在操作管理方面，捣固焦炉由于其装煤的特殊性，往往发生焦侧头部装煤不足，装煤时余煤较多，因此捣固焦炉达产较难。由于受煤料水分、粒度和捣固操作的影响，会发生装煤时煤饼倒塌或局部缺角过大，因此推焦操作系数较低。一方面影响其产量，也会影响焦炉的热工管理，这是由于装煤操作的特点常会发生焦侧装煤少，机侧煤料受推力顶部凸起而装煤多，因而造成焦侧焦炭过火，机侧焦炭加热不足。这种现象因缺乏规律性，所以在焦炉热工调火中难以克服。因此，捣固焦炉无论装煤操作、热工管理、余煤处理和环保治理等均比顶装焦炉难度大，更需要科学管理、精心操作，方能正常生产。综上所述，捣固炼焦的最大亮点是多用弱粘结性煤，这是符合我国资源特点的。但同时也要提出，正因为由于是用以弱粘结煤为主的配煤，捣固炼焦生产的焦炭质量，强度指标属于二级冶金焦，实践表明，用在≯2000m3高炉上是可以的。3捣固炼焦的配煤中，适当增加粘结性配煤比例，可以提高焦炭质量,若用接近顶装焦炉的配煤进行捣固炼焦，则丧失了捣固炼焦的优势并将引发问题（1）以弱粘结性煤为主的捣固炼焦生产出的焦炭，在我国高炉炼铁应用上存在两个问题,一是缺乏用在2000m3以上高炉的生产实践；二是目前我国大于4000m3的高炉要求的焦炭质量为：M4085、M10～6,CSR≮65。对这样指标要求的合理性当然可以研究，但毕竟对捣固炼焦来说是难以达到大于4000m3高炉对焦炭质量要求的。（2）目前现实生产中，有的企业为了提高捣固炼焦的焦炭质量，在捣固炼焦配煤中增加粘结性煤的比例，从理论和实践来说，适当增加粘结性煤的比例是可以的。德国Dilingern厂大体在公元2000年以来，在捣固炼焦配煤中，将Saar地区煤由～70％减至～55%，而增加外地粘结性煤的比例，生产出焦炭的M40接近80,CSR也接近60，已开始用在2800～3200m3的高炉上。当然，随着粘结性煤在捣固炼焦配煤中比例的增加，生产成本也相应增加，捣固炼焦的优势将逐渐丧失。需要提出的是，煤料在结焦过程中产生膨胀压力，一般随着粘结性煤在配煤中比例的增加而增加，同时，还随着煤饼的捣固强度增加而增加（捣固强度主要体现在煤饼的堆密度上，捣固强度越大，其堆密度越高）。根据我国规定，炼焦配煤的膨胀压力极限值为20kPa，这是由于焦炉结构强度要求，从设计计算和实践经验得出的结果，越过此极限值将危及焦炉炉体的安全。另一方面，在结焦过程中，焦饼是收缩的，随着捣固炼焦配煤中粘结性煤的增加和捣固强度的加大，而焦饼的收缩度降低，如焦饼收缩不够，则推焦困难。提出这个问题是说，在捣固炼焦配煤中增加粘结性煤，一定要进行配煤试验，通过试验来确定以下两点。①粘结性煤增加到何种比例，采用多大捣固强度，其膨胀压力不超过20kPa，并且焦饼有适量收缩，不会造成推焦困难。②配煤生产的焦炭质量达到什么标准，适用于何种用户。在此基础上评估生产成本和经济效益后再作出抉择。其实这种配煤试验和效益评估，在建厂之前就应进行，而且随着煤源和用户需求的变化，宜作为经营管理的重要工作来进行。（3）如用接近顶装焦炉配煤的煤料进行捣固炼焦，可能危及炉体安全和推焦困难，并且增加了操作的不稳定性，还增加了生产成本和能耗，将得不偿失。国内外的研究和生产实践表明，用同一配煤时，顶装焦炉生产的焦炭和捣固炼焦生产的焦炭在强度上，捣固炼焦改善焦炭质量的幅度其趋势是随着弱粘结性煤在配煤中比例的增加而提高幅度大，如用接近顶装焦炉的配煤时，其焦炭质量的改善并不明显，有个别指标反而因应力问题而下降。4捣固炼焦工艺尚需在实践中推敲的问题（1）捣固焦炉炭化室大型化的趋势已明显，过去一般认为捣固煤饼的高宽比不宜超过9:1，现在6.25m捣固焦炉已达13:1。随着炭化室煤饼高度的增加，生产操作的难度也随之增加。国外有人提出，捣固炼焦煤饼的高宽比最好不超过11:1，超过11:1则操作难度加大，生产不稳定性也随之增加。我国目前有炭化室高5m、5.5m和6.25m的捣固焦炉，其煤饼高宽比5m和5.5m都小于11:1，而6.25m则大于11:1，其操作难度已显现。故需要在生产实践中摸索出合适的高宽比。当然，这与生产规模有关，但从生产操作管理的角度，还是可以评估出比较优化的高宽比。捣固焦炉的高宽比，为捣固焦炉进一步大型化增加了难度。因为焦炉在宽度上增加的余地己不多，捣固焦炉要进一步大型化，只有增加炭化室高度，而炭化室高度再增加，其操作难点将远大于6.25m捣固焦炉。反观，顶装焦炉己发展到8.43m，德国试验炉高度己达10m,在设计和操作上均不存在太多的困难。而捣固焦炉进一步大型化将受到限制。（2）顶装焦炉炭化室内的堆密度是下大上小，故适应火道温度的下高上低较大的温差。但捣固装煤由于煤饼上下堆密度基本相同，则火道上下温度差应当小。因而对于捣固炼焦，特别是炭化室增高到一定程度时，火道采用一段型已不适应，应改成分段加热设计，更何况分段加热还有利于降低火道燃烧废气中氮氧化物的生成。这一问题，应在今后的设计中进行研究推敲。（3）捣固炼焦的装煤除尘，目前的模式基本是上升管和集气管在焦侧，上升管喷高压氨水。炉顶设导烟车，机侧炉门有烟气罩和导烟管道。装煤时，大量的烟尘（尽管捣固装煤的烟气中粉尘量低于顶装焦炉）进入焦侧上升管和集气管。众所周知，捣固装煤很难避免焦侧煤饼不缺角，故大量装煤烟尘通过焦侧缺角部位最易积聚石墨，而导致影响推焦。这需要在生产实践中注意观察，建议生产厂列为一项观察记录的日常性工作，如发现焦侧石墨增长快的迹象，则应考虑改变装煤除尘方式。