副产焦炉炼焦工艺改进技术

副产品焦炉焦化工艺改进技术

炼焦煤在副产品焦炉电池中转化为焦炭。焦化过程包括在没有空气的情况下加热粉碎的焦煤混合物以驱除挥发性化合物。所得焦炭是一种坚硬但多孔的碳材料，用于在高炉中还原含铁材料。副产品焦炉还以焦炉气、硫酸铵、焦油和油的形式回收挥发性化学物质。在过去的三到四十年中，已经开发了几种技术，这些技术不仅导致 (i) 在混煤中使用劣质煤，(ii) 焦化过程的巨大改进，(iii) 提高了所生产冶金的质量焦炭，(iv) 提高产量，(v) 废能回收，以及 (vi) 改进对电池排放的控制。下面给出了这方面的一些主要技术。

煤的选择性破碎

煤是一种异质材料。它的各种成分具有不同的硬度，因此在机械破碎过程中，无论是采矿中不可避免的破碎，还是焦化选煤过程中的破碎，较弱的成分倾向于集中在细粒中，而其他成分则集中在粗粒中。预计这些不同的馏分具有不同的焦化特性。这引发了选择性破碎的概念，该概念旨在控制混合煤不同成分的破碎程度。当煤的岩相异质性时，这项技术很有用。

该技术是一种理论上合理的技术，旨在控制煤的不同成分的破碎程度。它旨在提高煤中反应性和惰性组分的均匀性。煤的反应成分主要是镜质体，是最软的成分，而煤的矿物质是最硬的成分。在传统的煤炭破碎装置中，整个煤炭被一起破碎，镜质体被破碎到与矿物质成分相比相对更细的尺寸。为了生产更高质量的焦炭，希望将矿物质粉碎得比煤的镜质体成分更细，以便在焦化过程中，当煤料软化时，矿物质被更好地同化，从而提高强度。这通常是通过分别破碎每种煤种来进行的。

选择性煤破碎包括缓冲仓、破碎站、混合站、混煤机，并将煤输送到焦炉组的煤塔。煤炭通过带式输送机从储煤场输送到缓冲仓，缓冲仓缓冲来自煤场的高质量流量，防止流向破碎站的质量流量减少。在破碎站，煤通过单独的破碎机设置逐个破碎。在破碎过程之后，破碎的煤被输送到混合站。每种煤种都存储在单独的混合仓中。根据煤种的数量及其相对于配煤组成的百分比，设计了不同数量和大小的料仓。

在混合仓的下游，不同类型的煤炭通过皮带称重给料机送至输出输送机。煤从混合站被输送到混合机。在混合机前的上游输送溜槽中的煤中添加油、水、焦尘等添加剂。在混合器中，混合煤被均化。在混合过程之后，煤被送入煤塔。煤的水分测量发生在带式输送机末端到煤塔的上游。煤选择性破碎的基本原理如图1所示。

图1选择性破碎的基本概念

在选择性碎煤概念中，碎煤机的调整根据每种煤种的预设值自动改变。这提供了在考虑混煤成分的情况下实现每种煤类型的最佳粒度并随时对变化的煤性质作出反应的可能性。例如，焦化能力较弱的煤种被破碎到较大的平均粒度，以确保较低的比表面积。可以将具有大量惰性物质的软焦煤研磨至相对于配煤组合物更低的平均粒度。与混合破碎的情况相比，混合煤更均匀。煤的惰性成分和活性成分均匀分布在煤混合物中，而不集中在某些颗粒组分中。这样可以减少焦炭中的脆弱点，并避免因惰性气体分布不均而导致的收缩差异。

破碎机前的预筛分

一个值得推荐的附加工艺步骤是在煤被送到碎煤站之前对煤进行预筛分。大多数原煤类型有 30% 到 50% 的粒度小于 3 毫米，不需要进一步破碎。在破碎机之前从煤中去除这种粒度具有积极作用，它有助于大大降低破碎机的容量。此外，可以更有效地控制细颗粒的比例。

细煤的分离可以通过气动分级机或翻转筛进行。该设备的额外投资部分通过煤破碎机产能的降低得到补偿。

通过减少细颗粒，有效地降低了混煤的平均粒度，增加了堆积密度，对焦炉生产率产生了积极影响。此外，通过降低比表面积来改善混煤的焦化性能。这允许在混合物中使用更高比例的低品位炼焦煤。

加油

可以通过添加 0.1% 至 0.5% 的相对少量的油来调节煤的堆积密度。这显示了对焦炭性能的积极影响。在添加油以补偿由于增加小于 0.5mm 的颗粒百分比而导致的堆积密度降低的情况下，发现煤的气体压力不会同时增加。在粒度分布恒定的情况下，由于添加了油，煤的气体压力甚至略有下降。此外，焦炉电池操作员在多次试运行中证实了充电期间室内更好的流动特性。因此，可以通过恒定的煤线实现室内更均匀的煤分布，并减少残留物。这导致更少的溢出煤和煤在整个焦炉室上的均匀碳化。此外，还优化了热消耗并且可以避免煤上方的集气空间过热。这减少了在 850 摄氏度以上的温度下发生的裂解反应产生的碳。

煤水分控制

煤水分控制是通过将煤干燥到恒定的水分水平来进行的。它现在是一个共同特征。恒定的湿度水平提供了焦炉电池的稳定运行。通过布置在混合站后面的旋转管式干燥器或流化床干燥器进行干燥。煤水分控制利用焦炉煤气的余热对炼焦用煤进行干燥。

用于焦炉装料的混煤的水分含量通常在 8% 到 10% 的范围内变化。混合煤的干燥将混合煤中的水分含量降低到大约 6% 的水平。这反过来又减少了焦炉中的燃料消耗。使用焦炉煤气、低压蒸汽或任何其他废热源的热量来干燥焦炭。煤水分控制流程示意图见图2。

图2煤水分控制示意图

控制煤水分的好处是：(i) 节省燃料约 71,700 千卡/吨，(ii) 焦炭质量提高 1.7%，(iii) 焦炭产量增加约 10%，(iv) 减少在焦化期间，以及（v）减少水污染。

另一个有利但尚未实现的替代方案是结合气动分级器，用于去除煤粉并通过破碎站前面的气流干燥煤。这样的系统在一个处理站中结合了预筛分和预干燥的优点。该工艺所需的基本设备在市场上有售，但其组合应用尚未在煤处理厂得到实际应用。

煤的印花税

喷煤在高炉中的广泛使用对焦炭质量提出了更高的要求。此外，随着炼焦煤变得更加昂贵、价格波动和相对可用性，在混煤中引入更便宜的煤已成为必要。这导致了煤的加盖煤的使用，该煤最初是为使用高挥发性弱焦煤而开发的。

装料制备技术包括在金属盒中用煤混合物制备饼饼，然后将其装入焦炉中。与传统装料相比，较高的装料密度意味着更好的焦炭质量。因此，视情况而定，要么获得更好的焦炭质量，要么在混合物中加入弱焦煤。

煤的冲压使装料的体积密度增加 30% 至 35%，达到约 1,150 公斤/立方米。将煤破碎至 -3 毫米以下 90% 以上和 40% 至 50% 以下 - 0.5 毫米尺寸需要稳定的煤饼。通过冲压装料，可以使用 20% 左右的低阶、弱焦化和高挥发性煤，但由于煤装料被压实至高堆积密度，因此可能会出现壁压增加的问题。为了确保耐火炉壁不被损坏，所用的配煤应通过高低挥发分煤之间的最佳平衡来仔细选择。

自 20 世纪初以来，就开始使用印花税工艺。这项技术100多年前诞生于西里西亚和波兰。在早期的工厂中，冲压站位于两个电池之间的空间中。稻草被用作蛋糕强度的助剂。稻草被用作粘合剂和专门设计的充电器车/冲压机，用于将装料从后面装入烤箱。与其他方法制造的焦炭相比，通过冲压装料工艺制造的焦炭密度更大，种类更多，因此更适合于强度是重要因素的铸造厂的炼铁。另一个值得注意的优点是可以使用更大范围的煤，同时（高）挥发性和焦化性能的限制大大提高。

现代工艺开发在德国福尔克林根的富斯滕豪森焦炭厂进行，重点是使用高挥发性煤。 1978年，经过深入研究和开发，生产出第一块6米高的蛋糕，克服了该技术经济植入的瓶颈。该规模的第一家工厂于 1984 年在德国启动。传统的槽式烤箱和非回收/热回收烤箱都使用了这项技术。

该技术主要涉及通过在炉外进行机械冲压以进行碳化，从而使细碎的煤形成稳定的煤饼。在冲压装料中，通过将装料物理冲压成饼状来增加装入炉中的煤的体积密度。然后将大小与烤箱几乎相似的蛋糕放入烤箱中。冲压在冲压加料加推机中进行，采用落锤进行冲压。

为此目的，冲压设备可以位于建筑物内或装料/推料机中。冲压过程通常包括将预先研磨成特定尺寸的混合煤引入钢箱内，作为连续层，机械夯实。它可以垂直或水平应用。此外，可以施加振动以促进颗粒的容纳。一个水平的盒子里装满了三个相等层的混合煤，具有确定的粒度分布和水分含量。通过覆盖整个蛋糕表面的多个落锤板施加压实和振动，每层持续两分钟，以支​​持从盒子到烤箱的转移。据说在这种情况下，不需要像传统冲压那样细粒度。

必须考虑两个方面。这些是（i）致密化和（ii）机械性能。焦化过程需要致密化。考虑到冷机械强度和高温行为，蛋糕越致密，焦炭质量越好。机械性能应足以支持将滤饼运输到焦炉中。

当致密化开始时，煤颗粒在冲压机施加的应力下屈服，用较小的颗粒填充间隙空隙。颗粒的重排由表面水分支持，从而减少了内部摩擦。随着进一步的应变，颗粒发生弹塑性变形，部分导致颗粒破碎和碎片填充小孔。而孔隙体积减小，孔隙饱和度增加，水分增加引起阻尼效应。

除了毛细水对致密化过程本身的影响外，压实块的机械性能也由地表水决定，因为它在形成粘附力时充当粘合剂。在工艺工程系统中，印饼可称为所谓的湿团聚体，其特点是毛细孔系统内的液桥产生的粘附力。

滤饼密度的目标是 1,100 公斤/立方米和 1,150 公斤/立方米，这取决于混煤的水分和粒度以及施加的压实能量。煤的机械性能也有影响。当水分从 6% 增加到 13% 时，湿密度不断增加。对于更高的水分，施加的能量用于将水分从蛋糕中排出。通常，混合煤的两个重要变量是水分和粒度，以实现滤饼运输和装料所需的强度。操作变量是施加的压实能量，相关的力学性能是抗压强度和抗剪强度。

对于将饼装入焦炉，根据焦炉的设计（立式槽式炉或卧式不回收/热回收焦炉）使用不同的技术。对于立式焦炉，饼装入通过推进器进行侧门。这一过程会导致高排放。为了减少这种排放，在煤饼装料过程中已经尝试了几种系统，特别是通过使用密封框架。但是，排放控制系统只是部分减少了排放，而没有完全消除它。新电池最近在烘箱充电过程中采用的减少排放的解决方案是在充电阶段在集流管中产生强烈的凹陷（负 400 Pa）。设置为标称负压。在开始压饼过程之前，切换到较高的压力设定点。

通常，混煤的规格包括 25% 至 32% 的挥发性物质（无灰干基）和最低为 3 的自由膨胀指数。然而，不同工厂的配煤规格会有所不同，具体取决于煤炭的可用性和成本。在某些工厂，混煤包括石油焦和焦粉。

冲压装料的优点是（i）由于较高的堆积密度而增加了 8% 至 10% 的吞吐量，以及（ii）由于在碳化过程中单个煤颗粒更紧密地堆积，提高了焦炭的强度（云母和 CSR 值），生产出来的焦炭密度更大、体积更小、尺寸更均匀。

大室顶部装料焦炉

大型腔式焦炉高 7.6 m。大型腔式焦炉电池综合体代表了炼焦厂的最新技术和综合技术。表1为以年产190万吨焦炭为基准，大室顶装焦炉组与6.25 m高焦炉组对比表。

表1大腔焦炉与6.25 m焦炉对比
主题	单位	大炉膛焦炉	6.25 m 高的焦炉
年产量	吨	1,900,000	1,900,000
烤箱高度	米	7.6	6.25
烤箱宽度	毫米	550	410
烤箱容积	暨	79左右	大约 40 个
电池数量	编号	2	4
烤箱数	编号	118	160
每天推送	编号	116	226
焦炉门	编号	236	320
充电盖	编号	472	640
立管盖	编号	118	160
操作机器组	编号	31	2
续航对比
焦化时间	小时	24.5	17
每个烤箱每天推送次数	编号	0.98	1.41
每年每个烤箱的推力	编号	358	515
每个电池的预期寿命（每个烤箱 16000 次推动）	年	44.6	31

大室焦炉组每天推料次数减少，作业机只需1台，而6.25m高的焦炉组需要2台，在焦炉投资成本方面具有优势机器，以及 (ii) 运营成本。表 1 还显示，考虑到每个烤箱在其使用寿命期间可以执行的平均推送次数，结果是预期使用寿命大大增加。

每个加热墙由 38 个加热烟道组成，其配置包括 (i) 双烟道，废气的部分再循环以减少 NOx 的产生，(ii) 三级交错的进气口，以尽量减少 NOx 的形成并保持适当的垂直温度分布，以及 (iii) 混合气体和空气的流量可通过放置在蓄热室底部的调节板轻松调节。

高压氨液抽吸系统

高压氨水抽吸系统可有效控制焦炉电池的充电排放。在该系统中，作为副产品的氨水被加压至 35 kg/sq cm 至 40 kg/sq cm 左右，并在装料时通过设置在鹅颈上的特殊喷嘴注入。这会在烤箱内产生足够的吸力，从而防止污染物释放到大气中。该系统由高压多级增压泵、坚固的管道、专门设计的喷嘴、合适的阀门和控制仪器组成。该系统排放控制可节省工艺蒸汽量，提高原料气收率。

焦炭干熄焦

焦炭干熄焦是传统湿熄焦的替代方法。它是焦炉电池生产焦炭过程中使用的一种节能工艺。焦炭干熄焦装置也称为焦炭干冷装置。在传统的焦炭湿法熄焦工艺中，从焦炉推出的炽热焦炭通过向热焦炭上喷水冷却。用于冷却的水被蒸发并释放到大气中。这种传统系统的一个问题是，当炽热焦炭的热能转化为蒸汽，蒸汽被汽化并释放时，会产生能量损失。另一个缺点是焦炭湿熄焦工艺也会产生空气中的焦尘，因此该工艺与高二氧化碳排放和热能损失有关。

在用于冷却炉焦运行的焦炭湿熄焦过程中，热焦炭的显热消散到大气中并损失掉。此外，还有空气排放（每吨焦炭需要 0.5 吨蒸汽，其中含有苯酚、氰化物、硫化物和粉尘），湿熄焦需要大量的水（每吨焦炭约 0.6 立方米） .水中的污染物也会排放到环境中。

在焦炭干熄焦装置中，红热焦在专门设计的耐火内衬钢冷却室中通过在由冷却室、集尘室、余热锅炉、粉尘旋风器、磨风机、吹风装置和循环管道。赤热焦的热能在余热锅炉中回收作为蒸汽使用，从而节约能源并减少焦炭颗粒排放。表2为两种工艺生产焦炭的典型性能比较。

Tab 2 生产的焦炭典型性能比较
Sl. No.	参数	单位	焦炭湿法熄焦工艺	焦炭干熄焦工艺
1	含水量	%	2-5	0.1-0.3
2	灰分	%	11.35	11.39
3	挥发性成分	%	0.5	0.41
4	平均粒径	毫米	65	55
5	焦粉率（在 -15 毫米处切割后）	%	10	13
6	孔隙率	%	49	48
7	鼓索引	%	83.5	85
8	反应后焦炭强度 (CSR)	%	58	60

推后的热焦焦由熄焦车上的底部开口桶从焦炉组带至干熄焦车间。该铲斗在焦炭干熄焦车间由提升/装料装置提升至干熄焦室顶部，并通过装料装置将炽热的焦炭排放至预燃室。热焦炭（温度约为 1,000 摄氏度至 1,100 摄氏度）在室内通过循环气体冷却。在室内，循环气体与焦炭运动逆流，即循环气体向上运动，而焦炭在重力作用下向下运动。

连续运行的干熄焦装置中的循环气体是一种混合气体，主要由氮气和少量的二氧化碳、一氧化碳和氢气组成。热焦炭在室内下降的同时，被从冷却室下部区域吹出的循环气体冷却至低于200℃的温度，并从室底部的排放设施中排出。焦炭通过腔室的时间约为 5 至 6 小时。

在冷却室经过热交换过程后的高温循环气体（800℃～850℃左右）通过初级除尘器供给锅炉。在锅炉中经过热交换过程后的循环气体被冷却到180摄氏度左右。锅炉中产生的蒸汽既可以作为通用工艺蒸汽使用，也可以转化为过热高压蒸汽用于发电通过涡轮发电机发电。

循环气通过二级除尘器进入气体循环鼓风机，通过鼓风机对其进行增压，并通过添加氮气校正其成分，然后将循环气注入干熄焦室的底部。必要时可加装副省煤器，将循环气体温度降至130℃左右，提高冷却室的冷却效率。

有一些辅助设施，包括用于将焦炭从室中截除的切断装置，用于去除循环惰性气体中的灰尘的除尘系统，以及安装在循环鼓风机之前的二级除尘器。焦炭干熄焦工艺流程图如图3所示。

图3干淬工艺流程图

在焦炭干熄焦过程中，炽热的焦炭通过封闭系统中循环的气体冷却，从而防止空气中的焦尘释放。在常规焦炭湿熄焦过程中损失的炽热焦炭的热能被收集并在焦炭干熄焦过程中作为蒸汽再利用。该技术使用较少的化石燃料并降低二氧化碳排放量，从而有助于防止全球变暖。如今，焦炭干熄焦装置以其高效的能量回收和减少环境污染的特点而受到了世界的广泛关注。它们被认为是应对二氧化碳和空气污染引起的全球变暖等环境问题的必要设施。一项基于现有干熄焦工艺运行进行的节能计算研究表明，干熄焦工艺可回收煤炭干馏过程中产生的 85% 的余热。 .

干熄焦还提高了焦炭强度。干熄焦的其他优点包括减少温室气体 (GHG) 排放和提高用水效率。

现代防​​漏门

焦炉电池的泄漏门始终是主要的污染源。烤箱门的设计经历了一个演变过程，从带凹槽的门到现在的自调节零泄漏门。防漏门的进口特点是（i）带有刀口的薄不锈钢隔膜作为密封框架，内置在门体和砖保持器之间，（ii）刀口弹簧加载调节自密封， (iii) 提供门体的空气冷却，以及 (iv) 大尺寸的气道，便于烤箱内的气体循环。

防漏门的优点是最大限度地减少门的泄漏，无需调节操作，由于风冷门体的翘曲更少，使用寿命更长，并且减少了维护。

陆基推进排放控制系统

赤热焦推动过程中产生的排放物含有大量焦炭粉尘（约占焦炉总污染物的 11%。陆基推动控制系统可减轻这种污染。它包括 (i) 固定在导焦车与导焦器一起移动，将烟气导向焦炭侧集尘管（ii）集尘管和（iii）烟气的设备清洗。大量阵发性高温烟气被收集到热浮风机进入安装在导焦车上的大型吸风罩，通过其他设备进入除尘管道，空气经脉冲管道收集器净化后，经蓄能器冷却后排入大气。该系统由可编程逻辑控制器（PLC）控制。

自动化和过程控制系统

焦炉的自动化结构分为经典级别，从 0 级（现场级）到 3 级（管理级）。焦炉厂的自动化设计通常分为六个基本设备层。图4为焦炉厂自动化系统的层次结构。

图 4 焦炉厂自动化层次结构

电气设备、控制元件和仪表通常通过标准 4-20 mA 和 24 DC 接口连接到冗余远程 I/O（输入/输出）单元。智能子系统通常与 Profibus 或 Modbus 耦合。所有自动化设备都通过光纤工厂网络连接，该网络贯穿放置相关设备的所有工厂位置。所有的数据都通过这个网络进行收集和分发，数据源和数据目标可以通过配线架和交换机的物理连接以及网络管理系统的逻辑连接灵活地相互连接。通过这个网络，所有系统都能够相互通信。

在焦炉厂区，在过程控制级别使用集成的“分布式控制系统”（DCS）。焦炉厂的很多应用都是顺序控制功能，最好由PLC来执行。

焦炉电池加热和机器的自动化和过程控制是使用 2 级控制系统实现的，该系统基于从 1 级自动化系统收集的处理数据进行各种过程模型计算。二级控制系统为焦炉操作员提供了先进、准确且易于使用的支持工具，可成功用于改善工厂的运营和环境绩效。

自动化和过程控制系统的好处包括通过减少燃料气体消耗来降低能耗、稳定焦炉电池的状态和运行、稳定的焦炭质量、减少排放、延长电池寿命以及易于报告和分析操作和维护数据。