1.3　煉焦生產工藝

1.3.1　煉焦基本生產工藝

以煙煤為原料，在隔絕空氣條件下持續加熱到較高的溫度，經過干燥、熱解干餾、熔融、黏結、固化、收縮等階段，最終得到焦炭，這一過程即為煉焦。焦炭結焦溫度區間大體為500～1300℃，其基本的化學過程包括以下3個階段［4］。

①第一階段（350～400℃）：干燥脫氣階段，溫度從室溫升到活潑熱分解溫度（350～400℃），大約在200℃完成脫氣（CH4、CO2和N2）。

②第二階段（約550℃）：煤開始活潑分解，以分解聚合分解反應為主，生成和排放大量揮發物（煤氣和焦油），原煤結成半焦。

③第三階段（550～1000℃以上）：又稱第二次脫氣階段，以縮聚反應為主，半焦變成焦炭，析出的焦油量極少，揮發分主要是煤氣。

煉焦工藝從根本上分為土焦和機焦兩種工藝。

①土焦，即土法煉焦，包括原始的土焦和改良焦。它與機焦的本質區別在于：炭化和燃燒同室，部分煤與空氣直接接觸，不完全隔絕空氣，部分煤料被燃燒。

②機焦，包括有化產回收的傳統機焦和無回收煉焦。它的特點是：炭化室結焦、燃燒室供熱、蓄熱室節能、機械化操作。

1.3.2　土焦生產工藝

土焦是一種原始的煉焦方式，將焦煤或肥煤放入就地挖好的圓坑內或將煤堆成錐形，坑底預先設好火道，引燃窯底火道煤料，通過焦煤燃燒放熱使內部焦煤黏結焦化，這種焦爐內焦煤釋放的煤氣、焦油等產品被作為熱源燃燒或直接排放。

改良土焦爐將炭化室與燃燒室分設，在原始土焦基礎上，建立了固定的封閉拱形窯，并設煙道和35～40m高煙囪（見圖1-3）。可消除窯爐逸散并使污染物高空排放，有利于空氣對污染物的稀釋與擴散。

從土焦的生產工藝可以看出，土焦存在的主要問題如下。

①污染排放嚴重。土焦爐釋放的PAHs濃度遠遠高于機械煉焦爐，其中苯濃度是機焦爐無組織釋放的4.7倍，遠高于美國國家職業安全健康規定的煉焦爐釋放物8h平均標準0.15μg/m3。

②焦炭質量差，性能不穩定。土焦生產中窯溫、結焦時間、熄焦程度等均憑操作人員的經驗判斷，主觀隨意性很大，造成生產的不穩定，焦炭產品質量差別很大。

③煤耗高，資源浪費嚴重。原始土焦噸焦產品耗焦煤或肥煤2t。在國外，黏結性好、灰分低的焦煤和肥煤都是作為戰略資源予以保護的。

1.3.3　機械化煉焦工藝

機械化煉焦工藝每組焦爐由十幾到幾十個炭化室、燃燒室依次排列組成。焦爐兩側分別為機側和焦側導軌，并有獨立的熄焦塔，機側分布裝煤車和推焦車，焦側有熄焦車（見圖1-4）。

入爐煤料由裝煤車在爐頂煤孔機械裝入炭化室，每2個炭化室之間是燃燒室，燃燒室和爐底蓄熱室的熱量輻射到炭化室內，將煤料加熱，在950～1050℃溫度下干餾，干餾過程中大量揮發性物質成為荒煤氣從煤料中逸出到炭化室頂部空間。荒煤氣經集氣管被抽出爐外。炭化室結焦18～63h后焦炭成熟，推焦車將焦炭推至焦側，由攔焦機將焦炭攔至熄焦車上，經軌道將熄焦車送出。熄焦包括濕法熄焦和干熄焦兩種工藝。濕法熄焦是用熄焦車將焦炭送入熄焦塔內，用水噴淋，熄焦水閉路循環。熄焦后的焦炭送至晾焦臺，然后通過鐵軌運輸至篩焦場，篩分后成為合格的冶金焦。至此完成一次從裝煤到產出焦炭的生產過程。

根據對產生的荒煤氣的處理方式，機械化煉焦工藝主要分為有化學產品回收的機焦和無回收焦爐［5］。有煤氣凈化和化產回收的傳統機焦和無回收焦爐的生產工藝流程，分別見圖1-5和圖1-6。

對于傳統機焦，煉焦荒煤氣經上升管進入集氣總管，經氣液分離器分離部分焦油和冷卻氨水后，依次通過初冷器、電捕焦油器、鼓風機、脫硫裝置、脫氨裝置、終冷塔、脫苯裝置，得到凈煤氣。凈化后的煤氣一部分去后序工藝處理后發電或供城市煤氣，剩余部分返回焦爐蓄熱室和燃燒室，供給炭化室熱量。而在無回收焦爐中，荒煤氣在燃燒室充分燃燒，產生的廢氣由煙道送出，進入余熱鍋爐，產生蒸汽發電。

從機焦和無回收煉焦兩種生產工藝流程看，無回收煉焦的主要優點表現在：a.煉焦工藝流程簡單，省去了龐大的化產回收系統；b.污染物排放少，無污水和苯的排放，而機焦在化產回收過程中有污染物排放；c.投資小，省去了化產回收系統的建設投資和運行費用；d.因焦爐生產時爐內為負壓，所以生產中無煙塵泄露；e.廢熱得到利用，送去發電。

但是無回收焦爐也存在明顯的不足，以下不足也正是傳統機焦不可替代的優點。

①無回收工藝不能回收化產。煉焦排出的荒煤氣中主要化學產品為煤焦油和苯，是國內外市場需求的化學基本原料，尤其高溫煤焦油是某些特種原料的主要或唯一來源。因此，無化產回收的焦爐資源浪費嚴重。

②焦爐爐齡短。從澳大利亞和美國已投產的無回收爐看，一代爐齡為10～15年，是機焦爐的1/2，日常維修量也較大。

1.3.4　搗固煉焦與常規煉焦技術的對比

機械化煉焦工藝按其裝煤方式的不同主要分為常規頂裝煤、搗固法側裝煤、配型煤頂裝煤和預熱法頂裝煤4類。國內焦化廠目前所采用的煉焦技術主要是常規煉焦和搗固煉焦技術［6］。

1.3.4.1　常規煉焦技術

常規煉焦技術就是指頂裝煤煉焦技術，是一種開發較早的煉焦技術。我國煉焦爐中以常規頂裝焦爐為主，其生產能力約為總生產能力的95%。

常規煉焦技術的生產工藝流程：從備煤工段來的洗精煤，經輸煤皮帶后運往煤塔，經配煤盤混合和破碎機破碎，裝入煤箱，由裝煤車通過炭化室頂部裝煤孔卸入炭化室內，用燃燒室燃料燃燒產生的熱量把煤料隔絕空氣加熱。煤料在碳化時經高溫裂解，由上升管逸出生成荒煤氣，經過橋管氨水冷凝，進入煤氣凈化系統，回收得到焦化化學產品及凈煤氣；余下的固定碳在炭化室內固化成焦炭。用爐頂上的裝煤除塵設備上的吸塵孔抽出裝煤時產生的灰塵，經地面站除塵后外排。成熟后的焦炭由推焦車推出，由攔焦機進入熄焦車，電機車牽引熄焦車至熄焦塔內進行噴水熄焦（如若干法熄焦，則送去干法熄焦裝置熄焦）。焦炭熄焦后卸至焦臺上，冷卻一定時間后進行篩焦。

1.3.4.2　搗固煉焦技術

搗固煉焦是一種可以擴大煉焦煤資源，多配入弱黏結性氣煤，降低煉焦成本的新技術。最早期該類焦爐炭化室高度約2～3m，每個搗固機上約2～3個錘頭，依靠皮帶式驅動落錘裝置控制錘的下落位置，搗固機放置在煤塔下側的橋架上。

搗固煉焦是將配合煤預先在搗固箱內壓實，搗后的煤餅體積略小于炭化室，再從焦爐的機側由托板推入炭化室內高溫干餾。其工藝是在煉焦之前，采用外用搗固設備，根據炭化室的尺寸把煤粉搗成略小于炭化室而堆密度更高的煤餅，在炭化室內隔絕空氣熱解。

從目前我國現有搗固煉焦生產實踐來看，限制我國該技術發展的瓶頸主要是搗固機械的問題。與國外的搗固設備性能相比，國產的搗固設備存在的差距主要體現在如下幾方面［7］。

①搗固裝置規模小，大多小于3.8m，且年產只有1×105t。與同等規模的頂裝焦爐相比雖然有一定優勢，但小規模制約了經濟效益的發展。國外的搗固焦爐生產規模相對較大。

②低效率的搗固設備。煤餅搗固耗時較長，制約了其發展，另外長時間的搗固也限制了焦爐孔數，焦爐生產能力受影響。

③搗出的煤餅質量不好。國內搗固機械搗出的煤餅堆密度不足1.10t/m3，進而限定了焦爐炭化室的高度，焦爐向大型化方向發展較難。而國外搗固機械搗出的煤餅堆密度則較大，可達1.10～1.15t/m3。這樣就可以增大炭化室高度，提高焦炭的產量和質量。

此外，搗固煉焦工藝還存在的煤餅易坍塌、溫控不合理、集氣管及焦油盒發生堵塞和裝煤時煙易從爐頭溢出4個方面的問題。

1.3.4.3　兩種煉焦工藝的對比

由于兩種工藝利用原理的差異，導致了一系列的不同點，主要包括用煤的差異、成本的差異和焦炭質量的差異。

（1）用煤的差異

相比常規煉焦只能配入約35%的高揮發分煤，搗固煉焦工藝卻能高達55%左右。而且前者的煤料黏結性可選擇的范圍很小，后者可選擇較寬范圍黏結性的煤料，不管是采用高還是低黏結性的煤料，只要配煤合理，焦炭質量都可以有很好的保證。

（2）成本的差異

對于同樣生產能力的頂裝焦爐和搗固焦爐而言，其總投資基本相當，只是煤料的費用差別很明顯，焦炭成本費用的70%～75%為煤料的費用。常規焦爐為了保證焦炭質量，價格較高的優質強黏結煤的配入較大，成本較大；而搗固法煉焦可配入價廉的弱黏結性煤，降低了成本。

另外，搗固焦爐在配入高揮發分煤的基礎上，無煙煤和焦粉等也可以配入，既降低了煙煤的配比，焦炭的機械強度也得到了改善，又可以對低價值無煙煤和焦粉進行利用等，成本低，也保證了焦炭質量。

（3）焦炭質量的差異

常規煉焦與搗固煉焦最根本的區別就是煤料堆積密度的不同，前者是從焦爐頂部將配合煤裝入炭化室，其煤料的堆密度一般為0.72～0.75t/m3，而后者是在煤箱內將煤料預先搗打成煤餅，從而堆密度可提高到1.10～1.15t/m3。這樣搗固煉焦工藝可將煤粒間的距離縮小28%～33%，故在結焦過程中膠質體很容易均勻分布在不同性質的煤料表面，這樣可以使較少膠質體液態產物填充浸潤煤粉之間的空隙，從而會在煤粒之間形成較強的界面結合。

1.3.5　國外煉焦工藝概況

1.3.5.1　無回收焦爐

針對傳統的焦爐煤氣處理及回收裝置環保控制費用較高等問題，美國和澳大利亞在20世紀80年代后期相繼開發應用了無回收焦爐，將廢熱用于生產蒸汽和發電。

美國弗吉尼亞州的Jewell Thompson焦爐內，煤層高約0.6m，長不足14m，寬不到4m，有效容積約30m3。在Jewell Thompson焦爐基礎上，美國陽光煤業公司經過逐步改進而設計的年產焦炭55×104t（已投產）焦爐，尺寸為：寬3.7m，高4.6m，長13.7m。澳大利亞的堪培拉煤焦公司在東澳大利亞兩個廠建成年產焦炭24×104t的焦爐。1997年1月14日開始在美國內陸鋼鐵公司的印第安納哈博鋼廠興建一座133×104t/a焦炭的煉焦和發電聯合工廠，煉焦部分由4座共268孔無回收焦爐組成。

無回收焦爐的優點：a.煉焦工藝流程簡單，設計和基建投資費用低；b.取消煤氣回收裝置，不會產生焦油和酚水等污染物，環境有所改善；c.負壓操作，解決了爐門漏氣，使其廢物放散能降到最低水平；d.廢熱得到利用并送去發電。

1.3.5.2　巨型煉焦反應器

巨型煉焦反應器是一個獨立的巨型炭化室，炭化室兩邊為燃燒室、隔熱層和由大型H鋼組成的剛性側墻。每個炭化室自成一個體系，炭化室錐度為零，蓄熱室布置在炭化室側面或下部。從炭化室出來的煤氣經回收裝置凈化后用于工業或民用。

巨型煉焦反應器特點如下。

①由于炭化室、燃燒室、隔熱層和H鋼剛性側墻形成了一個具有彈性的整體結構，因此可加大炭化室容積和采用熱煤煉焦，并較好地解決了爐墻變形問題。

②由于炭化室較寬，加之煤經過預熱，煤料堆密度可達860kg/m3，煉焦爐生產率、焦炭機械性能、孔壁強度、氣孔率等大大提高且可擴大煤源基地。

③巨型煉焦反應器采用程控加熱，根據不同煉焦階段所需熱量進行供熱，能有效保持煉焦過程的熱平衡。

④爐孔數、開口次數及開口密封面長度大幅減少，加上改進爐門密封裝置，以2.0×106t/a焦炭裝置為例，污染物排放量與目前最現代化的凱澤斯圖爾廠相比可減少1/2。

巨型煉焦反應器是為了克服傳統室式焦爐大型化所受的多種因素限制，特別是爐墻變形等問題而開發的。20世紀80年代后期，以德國為主的歐洲煉焦專家提出了單室式巨型煉焦反應器和煤預熱及干熄焦相結合的方案，該方案經兩次工業試驗后于1990年由“歐洲煉焦技術中心”進行專門的設計和試驗工作。1993年4月，巨型煉焦反應器示范裝置（炭化室高10m，寬850mm，長10m，長度只是工業規模的1/2）在埃森市的普羅斯佩爾焦化廠開始運行，生產15個月后，即1994年7月完成了技術修改和完善工作，現正朝工業化方向推進。

1.3.5.3　日本SCOPE21煉焦技術

1994年以來，日本鋼鐵聯盟的成員公司發起了新型焦工藝的研究工作，命名為21世紀高產無污染大型焦爐（SCOPE21）。濕煤經干燥后在快速加熱的預熱裝置中預熱到約400℃，為防止細粒煤的溫度過高而引起變質，預熱分兩段進行，前段采用流動床加熱，并將煤按粗級、細級篩分分離，細粒煤進行成型，以避免預熱煤裝爐時夾帶煤粉，影響焦爐操作和焦油質量；粗粒煤繼續采用氣流床加熱，使其達到規定的預熱溫度。成型煤與進一步預熱的粗粒煤采用脈沖式輸送技術混合裝爐，進行中溫干餾（焦餅中心溫度為700～800℃）。由中溫干餾爐排出的焦炭經密閉輸送系統送入帶加熱系統的干熄焦裝置中進行高溫改質，將其改質成為與高溫焦炭一樣質量的焦炭。

新型焦工藝具有以下特點。

①通過將煤快速加熱到接近熱分解溫度使粉煤高溫成型，可以改善煤的黏結性，并可使裝爐煤的堆密度提高到850kg/m3，以改善焦炭質量。在保持焦炭質量一定的情況下，非黏結性煤的配入量可達50%。

②通過提高爐墻的熱傳導率（磚厚70～75mm，導熱率提高到硅磚的1.5倍），裝爐煤的高溫預熱和焦餅中心溫度達到700～800℃（即推焦的中溫干餾），焦爐生產率可提高到300%。

③煤炭中溫干餾及干餾產品在干熄焦裝置的預存室內進行高溫加熱改質，與常規焦爐相比可節能20%。

④由于采取了對焦爐所有開口處進行嚴密密封、紅焦的密閉輸送以及預熱煤的脈沖式輸送技術，可將環境的污染降低到最低的程度。

1.3.5.4　CTC連續煉焦工藝

美國煤炭技術公司（CTC）開發了一種連續煉焦新工藝，在完全密閉的裝置內，從煤到生產焦炭不到2h，生產過程中沒有常規焦爐那樣的污染物排放，且焦炭質量好。該工藝由兩個工藝過程組成，在第一道工藝過程中，煤在溫度為650～760℃的雙螺旋低溫氣化反應器中氣化（常壓，隔絕空氣），經約20min生成半焦、液體產物和工藝氣體。半焦的揮發物含量在10%以下，液體產物進一步精煉，熱值為18.6MJ/m3的工藝氣體可用于反應器加熱。熱半焦在第二道工藝過程中，經粉碎成粉狀后與粉焦、煤和瀝青在混勻裝置中混合，然后壓成尺寸和形狀不同的型塊，壓成的熱型塊送入回轉爐或隧道窯中加熱到1090～1200℃成焦，整個過程不到90min，所產焦炭各項指標均達到或超過常規焦的指標。

該工藝的主要特點如下。

①建設投資和生成費用低，據初步設計估算，建一個年產1.0×106t焦炭的焦化廠投資僅為常規焦化廠的3/8～1/2，操作人員為常規焦爐的1/2。

②焦炭質量能滿足或超過所要求的指標，與常規型焦相比，CTC型焦的尺寸和形狀不規則，且煤粒間能充分熔融，大大改善了型焦在高爐中的性能。

③整個生成過程在完全密閉的系統中進行，污染環境的放散物少，也不會產生粉焦和碎焦等廢料。

④生產上具有高度的靈活性，螺旋汽化器開停工作迅速；可生產高爐焦，也可生產鑄造焦和鐵合金用半焦。

1.3.5.5　立式連續層狀煉焦工藝

為擴大煉焦煤源、減少污染物排放量，從20世紀70年代起，烏克蘭開始了立式爐連續煉焦新工藝的研究。試驗工作由烏克蘭煤化所進行，共經歷了三個階段。

第一階段為試驗室試驗階段，在烏克蘭煤化所建立一套焦炭生產能力為50～75kg/d的試驗裝置。開始時，炭化室是金屬的，后來改為剛玉耐火材料。試驗證實，用直立式炭化室進行煤料強制間斷漸進的煉焦過程是可行的，并同時研究了各種工藝因素對煤料移動的影響，以及黏結成焦過程和所得焦炭用作高爐的質量。

第二階段為半工業試驗階段，在哈爾科夫焦化試驗廠建立直立式煉焦爐的半工業試驗裝置進行。

煤料經過螺旋輸送機、斗式提升機和螺旋輸送機送入裝煤斗，然后由裝煤斗用星形給料機經溜槽分批送入炭化室的裝煤段，炭化室兩側沿其高度排列水平火道，每個火道都可以單獨調節溫度以控制成焦過程。用液壓缸帶動的推焦壓頭把批量煤料從炭化室的裝煤區推至加熱區，與此同時將煤壓實。炭化室底部為排焦裝置，熄焦后的焦炭用斗式提升機送人焦倉。

在下述技術條件下使用寬175mm和350mm的炭化室進行了試驗研究：裝煤段溫度200～250℃；水平火道溫度900～1350℃；推焦周期15～40min；推焦行程110～220mm。長期操作得出如下結果：a.裝煤裝置操作可靠，未觀察到有煙塵逸出；b.炭化室高向的溫度易控制，從而可控制成焦過程；c.整個過程可實現自動化。

第三階段為工業性試驗階段，在哈爾科夫煉焦廠建造了一套工業裝置，其主要工藝參數如下：垂直炭化室數（包括熄焦段）2個；炭化室寬350～366mm；長4～4.2m；高3.9m；推焦行程300mm；推焦周期20～30min；一次裝煤量400～420kg；煉焦時間7～8h；生產能力30t/d。

該工藝具有以下特點。

①煤料經壓實（堆密度可達1000kg/m3）和分階段控制加熱速度可改善煤的結焦性能，所產焦炭的耐磨強度高、密度大、氣孔少和結構堅固，有效地拓寬了煉焦用煤的范圍，與傳統工藝相比，可節約70%肥煤和焦煤。

②系統密閉連續，環境污染小，自動化程度高。技術經濟指標的計算表明，與常規工藝相比，使用連續層狀煉焦，每生產1t焦炭可降低原料費8%～9%；生產總費用可降低5%～6%；煙塵排放量可降低到原來的1/3～1/4；生產率可提高40%～50%。