不同熄焦方式對40 kg焦爐焦炭質量的影響

吳成林，唐 帥，侯金朋，張世東

(中鋼集團鞍山熱能研究院有限公司，遼寧 鞍山 114044)

0 引 言

40 kg實驗焦爐是焦化企業評價單種煤煉焦性能及配煤方案指導生產的重要試驗手段[1]。目前，企業配套的40 kg小型實驗焦爐的熄焦方式多采用直接噴淋的方式進行水熄焦，熄焦后焦炭水分一般難以穩定控制，而焦炭水分則對焦炭質量有一定的影響[2-3]。經研究發現，熄焦后焦炭水分過大，會影響焦炭機械強度的判斷，尤其影響對M10的評價；熄焦用水過少，可能引起焦炭水分過小，導致焦炭燒損，影響成焦率[4，5]。隨著焦化行業的發展，特別是國家發展改革委修訂發布的《產業結構調整指導目錄(2019年本)》，要求鋼鐵企業的焦爐必須配備干熄焦裝備[6]；河北、山西等地區要求焦化企業的轉型綠色發展，需同步配有干熄焦裝置[7]。2018年中國煉焦行業協會統計重點企業干熄焦率達到87.08%[8]。但目前焦化企業的40 kg小型實驗焦爐多采用水熄焦，很難模擬生產焦爐的干熄焦工藝特點，干熄焦炭的冷態強度、熱態強度、粒級、水分要好于濕熄焦[9]，導致試驗焦爐不能更好地指導生產，同時也存在著一定的環保風險[10]。因此此次試驗研究以改進小焦爐熄焦方式(蒸汽熄焦)為實驗手段[11]，并對比分析40 kg實驗焦爐蒸汽熄焦與水熄焦及生產焦炭干熄焦的焦炭質量，得到40 kg實驗焦爐2種熄焦方式焦炭質量關系及與生產焦爐焦炭質量的相關性[12]。

1 蒸汽熄焦原理及工藝流程

1.1 蒸汽熄焦原理

干法熄焦優于水熄焦的焦炭質量，國內外學者普遍認為:從物理方面闡述，焦炭在干熄過程中緩慢冷卻，減少了濕熄過程中焦炭內應力增大所產生的大量微裂紋現象；另外，從化學方面剖析，干法熄焦焦炭在預存室內的停留有燜爐作用，使得焦炭的熱縮聚更加充分，成熟度更均勻，在干熄焦過程中未發生水煤氣反應，使結焦過程中沉淀在焦炭表面的球狀組織得到保護，避免了焦炭內部產生裂紋和氣孔[13]。但從實驗成本上計算，干法熄焦的運行成本至少是水熄焦的6倍，而此次試驗研究的蒸汽熄焦方式，兼具干法熄焦的技術優勢及水熄焦的經濟優勢；熄焦過程中避免驟冷而使焦炭產生大量裂紋，且將焦炭置于熄焦箱內因而有燜焦作用，與蒸汽均勻接觸從而使得焦炭成熟度均勻[14]。

1.2 試驗煤樣煤質指標

選取4種不同煉焦煤和1種生產配合煤煤樣，檢測5種煤樣煤質指標，檢測結果見表1。

表1 試驗煤樣煤質分析
Table 1 Coal quality analysis of samples

煤樣名稱工業分析/%內在水分(Mad)灰分(Ad)揮發分(Vdaf)全硫(St,d)/%黏結指數(G)膠質層指數/mmXY奧亞膨脹度(b)/%焦煤0.8814.0427.310.218824.019.069氣煤1.599.7739.802.9010238.020.01361/3焦煤2.6913.5335.260.167437.015.0-10肥煤0.8010.3935.462.129630.031.0252配合煤1.3710.5429.930.698734.015.539

1.3 試驗流程與參數

1.3.1試驗流程

蒸汽熄焦試驗流程如圖1所示。40 kg煉焦完成后，將紅熱的焦炭直接扒入蒸汽熄焦箱，蓋好箱蓋，采取水封方式密封，箱體底部通入蒸汽進行冷卻，保持一定蒸汽壓力，待箱體內部焦炭溫度低于200 ℃時(約需1.5 h)停止通氣，打開箱蓋進行自然冷卻，然后將焦炭送入檢測區，完成整個熄焦過程[15]。

圖1 蒸汽熄焦工藝流程Fig.1 Steam quenching process

1.3.2試驗參數

40 kg煉焦試驗參數詳見表2。

2 水熄焦與蒸汽熄焦對焦炭質量的影響

2.1 對焦炭水分、成焦率的影響

蒸汽熄焦的焦炭水分較低，可穩定控制，水熄焦的焦炭水分較高且難以穩定控制，可能會影響焦炭性能指標的檢測。另外，由于蒸汽熄焦過程，環境密閉，減少與空氣接觸，水蒸氣與焦炭表面充分接觸，減少了焦炭表面燒損。在固定40 kg煉焦制度與配比方式下，水熄焦與蒸汽熄焦的焦炭水分與成焦率列于表3，不同煤樣焦炭水分與成焦率對比如圖2所示。

表2 40 kg煉焦試驗參數
Table 2 Test parameters of 40 kg experimental coke oven

項 目40 kg焦爐側裝式裝煤方式常規實驗方案單種煤/配合煤裝煤量(干基)/kg43裝爐煤水分/%10堆密度/(m3·t-1)0.75裝爐煤細度(<3 mm)/%80～85裝爐爐墻溫度/℃875爐墻設定最高溫度/℃1 050結焦時間/h15.5水熄焦用水量/kg12入口蒸汽溫度/℃99入口蒸汽壓力/Kpa980

表3 水熄焦與蒸汽熄焦的焦炭水分與成焦率
Table 3 Moisture and coking rate of water quenching and steam quenching

焦樣名稱熄焦方式焦炭熄焦分析焦炭水分/%成焦率/%氣煤水熄焦5.5067.23氣煤蒸汽熄焦0.3267.90肥煤水熄焦9.9467.86肥煤蒸汽熄焦0.3270.751/3焦煤水熄焦2.9269.971/3焦煤蒸汽熄焦0.3871.10焦煤水熄焦1.1876.21 焦煤蒸汽熄焦0.3676.38配合煤水熄焦1.4670.06配合煤蒸汽熄焦0.2471.07

圖2 不同煤種水熄焦與蒸汽熄焦的焦炭水分與成焦率對比Fig.2 Comparison of coke moisture and coking rate between water quenching and steam quenching of different coal types

結果表明，采取蒸汽熄焦方式，焦炭水分低于水熄焦，穩定保持1%以內；焦炭成焦率方面，采取蒸汽熄焦方式，肥煤煉焦的焦炭成焦率提高最多，焦煤煉焦的焦炭成焦率提高最少。

2.2 對焦炭塊度、機械強度及熱性質的影響

蒸汽熄焦的焦炭與蒸汽均勻接觸，避免因為驟冷而產生大量裂紋，且將焦炭置于密閉的熄焦箱內因而有燜焦作用，使得焦炭成熟度均勻，提升了焦炭塊度，改善了焦炭的機械強度和熱性質[16]。在固定40 kg煉焦制度與配比方式下，水熄焦與蒸汽熄焦的焦炭塊度列于表4，機械強度和熱性質列于表5，不同煤樣焦炭塊度對比、機械強度對比、熱性質對比分別如圖3、圖4、圖5所示。

表4 水熄焦與蒸汽熄焦的焦炭塊度
Table 4 Coke lump of water quenching and steam quenching

焦樣名稱熄焦方式焦炭塊度/%>60 mm<25 mm氣煤水熄焦67.377.14氣煤蒸汽熄焦71.426.53肥煤水熄焦60.616.92肥煤蒸汽熄焦66.946.421/3焦煤水熄焦64.509.521/3焦煤蒸汽熄焦78.567.72焦煤水熄焦64.605.12焦煤蒸汽熄焦75.794.64配合煤水熄焦69.165.93配合煤蒸汽熄焦78.194.60

表5 水熄焦與蒸汽熄焦的焦炭機械強度與熱性質
Table 5 Mechanical strength,coke reactivity index and coke strength after reaction of water quenching and steam quenching

焦樣名稱熄焦方式焦炭機械強度/%M40M25M10焦炭熱性質/%CRICSR氣煤水熄焦69.983.111.952.224.5氣煤蒸汽熄焦71.983.911.744.227.7肥煤水熄焦81.689.68.732.146.7肥煤蒸汽熄焦82.489.88.131.347.51/3焦煤水熄焦81.587.710.554.021.61/3焦煤蒸汽熄焦83.988.49.951.728.2焦煤水熄焦85.291.57.142.044.3焦煤蒸汽熄焦88.392.26.841.245.7配煤水熄焦81.187.99.839.143.2配煤蒸汽熄焦83.788.69.337.345.0

圖3 不同煤種水熄焦與蒸汽熄焦的焦炭塊度對比Fig.3 Comparison of coke lump in water quenching and steam quenching in different coal types

圖4 不同煤種水熄焦與蒸汽熄焦的焦炭冷強度對比Fig.4 Comparison of mechanical strength between water quenching and steam quenching of different coal types

圖5 不同煤種水熄焦與蒸汽熄焦的焦炭熱性質對比Fig.5 Comparison of coke reactivity index and coke strength between water quenching and steam quenching of different coal types

結果表明，采取蒸汽熄焦方式，氣煤的焦炭大塊度提升最少、1/3焦煤的焦炭塊度提升最多，焦煤的焦粒產率改善最少、1/3焦煤的焦粒產率改善最多；肥煤的焦炭M40提高最小、焦煤與配煤的焦炭M40提高最大，氣煤的焦炭M10改善最小、肥煤與1/3焦煤的焦炭M10改善最大；肥煤與焦煤的焦炭CRI改善最小、氣煤的焦炭CRI改善最大，肥煤的焦炭CRI提高最小、1/3焦煤的焦炭CRI提高的最大。

2.3 不同熄焦方式下40 kg與生產焦炭質量對比

蒸汽熄焦方式，原理上近似干熄焦方法，在熄焦過程中能減少焦炭產生大量裂紋、同時能夠控制焦炭水分；另外，將焦炭放置熄焦箱內有燜爐作用，使得焦炭熱態性能有所提升。采取生產配合煤，在固定40 kg煉焦制度與配比方式下進行煉焦，焦炭利用水熄焦與蒸汽熄焦后，進行相關指標測定，同時與生產干熄焦的焦炭指標進行對比，3種情況的焦炭質量列于表6，焦炭質量對比如圖6所示。

結果表明，蒸汽熄焦的焦炭性質優于水熄焦，且與生產干熄焦的機械強度與熱性質相關性(除大于60 mm塊度外)更好，特別是在熄焦水分、M40等指標的模擬性更接近。

表6 水熄焦、蒸汽熄焦與生產干熄焦焦炭質量
Table 6 Coke quality of water quenching,steam quenching and dry quenching

熄焦方式焦炭熄焦分析焦炭水分/%成焦率/%焦炭塊度/%>60 mm<25 mm焦炭機械強度/%M40M10焦炭熱性質/%CRICSR水熄焦1.4670.0669.165.9381.19.839.143.2蒸汽熄焦0.2471.0778.194.6083.79.337.345.0生產干熄焦0.5174.1161.531.4383.76.829.255.4

綜上所述，根據圖表分析，蒸汽熄焦與水熄焦對比，蒸汽熄焦的焦炭質量明顯優于水熄焦，在焦炭成焦率方面，肥煤提升的最大；在焦炭塊度方面，1/3焦煤提高的最多；在冷強度方面，1/3焦煤改善的最明顯；在熱性質方面，氣煤與1/3焦煤改善的最明顯。從蒸汽熄焦、水熄焦與生產干熄焦的焦炭質量對比得出，蒸汽熄焦的M40數據與生產一致、高于水熄焦2.6個百分點，M10數據高于生產2.5個百分點、低于水熄焦0.5個百分點，CRI數據高于生產8.1個百分點、低于水熄焦1.8個百分點，CSR低于生產10.4個百分點、高于水熄焦1.8個百分點。

3 結 論

(1)蒸汽熄焦與水熄焦的焦炭質量對比可得，蒸汽熄焦焦炭成焦率可提高0.17～2.89個百分點；焦炭(>60 mm)塊度可提高4.05～14.05個百分點，焦粒(<25 mm)可降低0.48～1.8個百分點；蒸汽熄焦焦炭冷強度M40可改善0.8～3.1個百分點，M10可改善0.2～0.6個百分點；蒸汽熄焦焦炭熱性質CRI可改善0.8～8個百分點，CSR可提升0.8～6.6個百分點。

(2)不同煤種受熄焦方式影響，其焦炭改善情況程度不同，采取蒸汽熄焦時，肥煤的成焦率提升最大，1/3焦煤的塊度提高最多，1/3焦煤的冷強度改善最明顯，氣煤與1/3焦煤的熱性質改善最明顯，其它煤種改善程度出現波動。

(3)蒸汽熄焦與生產干熄焦的焦炭質量模擬更接近，蒸汽熄焦的M40數據與生產一致，M10數據高于生產2.5個百分點，CRI數據高于生產8.1個百分點，CSR低于生產10.4個百分點。生產企業可以參照本試驗結果，調整優化生產焦爐與試驗焦爐的相關性。