【技术】发达工业国的焦化技术

发达工业国的焦化技术(之一)

德国：顶装焦和捣固焦技术领先

超大型顶装焦炉烟道废气排放标准严格

2003年3月份，德国投产的施韦尔格恩(Schwelgern)焦化厂是当今世界现代化程度最高的焦化厂之一，有两座世界最高的顶装焦炉。该厂全年消耗380万吨炼焦煤，焦炉煤气产量为16万立方米/小时，经净化后进入蒂森克虏伯联合钢铁厂的煤气管网。两座焦炉用混合煤气加热，混合煤气的组成成分为：70%高炉煤气(热值约为3.2MJ/m3)、24%转炉煤气(热值是8.5MJ/m3)、6%焦炉煤气(热值是16MJ/m3)。

该厂在使用混合煤气加热时，每座焦炉需要的气体用量为831立方米/吨焦;而使用焦炉煤气加热时，每座焦炉需要213立方米/吨焦。其煤气和空气系统每20分钟交换一次，交换过程大约需要4分钟，这样每座焦炉每小时中有48分钟处于给混合煤气加热的状态。在这种情况下，加热系统处于最优状态，使热能消耗降至最低，热量分布稳定均匀。其中，该厂焦炉烟道废气排放标准低于德国国家标准。

同时，该厂在焦炉立火道底部设有斜道出口，1/3的燃烧用空气由此处供给。为了降低温度和拉长火焰长度，1/3的助燃空气从炉墙附近2.5米处加入，剩余空气从5.5米高处加入。这种多段燃烧方式使得烟囱内的含氧量低于2%。助燃空气量的调节是应用废气交换开闭器中的调节翻板，依靠人工调节开度来完成的。

尽管该厂是世界上最现代化的焦化厂之一，有先进的自动化控制系统。但是，许多工作仍然要依靠手动进行操作，操作工人的经验对提高焦炭产量是非常重要的，有助于蒂森克虏伯钢铁联合企业的高炉摆脱对进口焦炭的依赖。

捣固焦炉焦化技术和环保措施领先

德国迪林根(Dillingen)ZKS的3号新焦炉炭化室高6.25米，是世界上炭化室最高的捣固焦炉，于2010年2月2日推出了第一炉焦炭。与原有1号、2号焦炉相比，3号新焦炉的炉体强度增加30%，SUGA值为12千帕。

德国Dillingen3号新焦炉采用了世界最先进的焦化技术和环保措施。

第一，复热式技术。设置自动加热控制系统，采用4种加热方式：其一，1/3使用混合煤气，2/3使用焦炉煤气。其二，1/3使用焦炉煤气，2/3使用混合煤气。其三，全部焦炉使用混合煤气。其四，全部焦炉使用焦炉煤气。加热方式的切换由可控逻辑控制器(PLC)完成。废气开闭器借助于两个交换拉条完成加热的交换：一个拉条用于进风门的选择，另一个拉条用于废气瓣的交换。

第二，采用全仿真组装程序VAP进行炉体设计。3号炉砖型设计是借助于VAP(全仿真组装程序)完成的，实现了精准设计、对耐火材料用量的精确估计和砌筑计划的优化。VAP是一款可以进行3D模拟设计的软件包，从小烟道到焦炉顶的每一块砖都可以在程序中进行尺寸设计并摆放在合适位置。通过设计，可将砖层高度提高到140毫米，以减少燃烧室水平砖缝，避免串漏和减少CO有害气体的排放。

第三，采用FAN系统对燃烧室进行精心设计。焦炉蓄热室被分为4个部分：机侧炉头(1火道~4火道)、机侧中间部分(5火道～18火道)、焦侧炉头(31火道~34火道)和焦侧中间部分(19火道～30火道)。废气开闭器内设置了两个调节板(上下各一个)，使操作者轻松地控制炉头与中间部分空气和混合煤气的流量。炉头火道的微调是通过标准化调节板来实现的，使炉头加热得以控制，减少损耗，节省能源。

第四，单孔炭化室压力控制系统SOPRECO。在捣固焦炉装煤过程中，煤饼是通过机侧炉门装入的，送煤饼过程中会产生大量烟尘，为减少烟尘排放，过去开发了许多治理方法，但效果均不理想。为此，该焦炉应用了SOPRECO阀门，这种特殊的控制阀位于水封阀与桥管之间。焦炉装煤时，集气管内为400帕的负压，抽吸装煤产生的大量烟尘而不外排;不装煤干馏过程中，炭化室内压力稳定在正值，3号新焦炉中预设压力为130帕;焦炉推焦时，借助于水封阀使焦炉炭化室与集气管完全切断。

发达工业国的焦化技术(之二)

日本：焦化技术创新瞄准高效、低碳

SCOPE21：高效与环保的探索

SCOPE21是"SuperCokeOvenforProductivityandEnvironmentEnhancementtowardthe21stCentury"的缩写，其含义是"面向21世纪的高效与环保型超级焦炉"。针对当今炼焦工艺存在的许多问题(如煤资源的有效利用、环境保护等)，1994年日本钢铁联盟与日本煤利用中心合作投入110亿日元，开展了为期10年的SCOPE21新炼焦技术研究，以应对21世纪焦化工业面临的各种问题。该项目的研究目标是：将炼焦利用劣质煤比例从20%提高到50%，焦炉生产效率提高3倍，使炼焦过程产生的NOx减少30%，实现无烟无尘密闭生产，节省能源20%。

该项目在2001年完成中试的基础上，于2003年3月进行了一年单孔炉(50吨焦炭/天)半工业试验，其煤处理量为6吨/小时，单孔炉尺寸为7.5米×8米×0.45米。该项目共试验440炉，取得了阶段性成果：平均焦炭强度比通常值提高2.5，在非黏结煤配比为50%时，操作可正常进行;在装入煤温度为330℃、炉温为1250℃时，结焦时间为7.4小时，生产率提高2.4倍;焦炉废气中NOx浓度在100ppm以下;工艺能耗降低21%;占地面积节约一半，设备费降低16%，总生产成本费降低18%。

2005年4月份，日本决定在新日铁大分制铁所动工建设首次采用SCOPE21技术的5号焦炉，共64孔，年产焦炭100万吨。2008年2月该项目建成投产，总投资370亿日元，2008年5月进入综合运转阶段。

生产实践证明，SCOPE21工业化装置与SCOPE21单孔试验装置的差异为：一是热压型煤温度由350℃～400℃降低至165℃;二是原料煤入炉温度由350℃～400℃降低至250℃;三是炼焦温度由750℃～850℃提高至1000℃，与常规焦炉相同;四是在焦炉中的结焦时间由7.4小时延长至13小时，与采用煤预热工艺的常规焦炉相同;五是与常规焦炉比的劳动效率由2.36倍降低至1.35倍。因此，SCOPE21工业化装置的实践效果与SCOPE21单孔试验装置的预期相差较大。

COURSE50：高效减排CO2

2007年，日本提出"美丽星球50(CoolEarth50)"计划，实现这一计划的革新性技术之一就是环境友好型炼铁技术开发。

COURSE50项目是日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)委托神户制钢、JFE、新日铁、新日铁工程、住友金属、日新制钢6家共同开展的环境友好型炼铁技术开发项目，于2008年7月22日获得通过。该项目焦化技术研究目标包括以下几个方面：

第一，生产高强度、高反应性焦炭。使用改质COG(富氢煤气)的氢作为还原剂，降低高炉焦炭使用量，以减少CO2排放量。在焦炭用量减少的情况下，仍能维持铁矿石还原所需的炉内透气性，就需要高强度焦炭。由于氢还原是吸热反应，高炉内温度降低，需要适合的高反应性焦炭。新开发的高性能黏结剂具有高软化熔融性和膨胀性，将入炉煤颗粒间的空隙填满压实，可提高焦炭质量。制造兼具高强度和高反应性两种特性的焦炭，还可以增加以前不能使用的高反应性煤的配入量。

第二，提高焦炉煤气氢含量。从外部采购高炉还原铁矿石用的氢气时，在制造氢气的场所会产生CO2。而COG中含有50%以上的氢，目前钢铁企业大多将COG用作燃料。通过改质COG中的煤焦油，可以提高氢含量，并与COG中的CO同时喷入高炉，就可以降低焦比。该项目将大力开发促进COG中煤焦油改质的催化剂。高炉喷吹改质COG(H2>60%)技术进一步提高了改质焦炭干馏过程中产生的COG中的氢含量。即焦炉煤气改质前的组成为：CH428%、CO6%、H260%。在催化剂的作用下，对焦炉煤气进行改质处理，变成富氢煤气，其组成为：CH418%、CO8%、H267%。这种改质的富氢气体从高炉下部或中部喷吹到高炉中，实现比传统高炉炼铁法更高效减少CO2排放量的目标。

美国：热回收焦炉技术日趋成熟

热回收焦炉工艺凸显环保效果

太阳焦炭是美国最大的独立商品焦生产企业，其在美国的5家炼焦厂和国外的1家炼焦厂产能合计为489万吨/年。日前，该已掌握了成熟的热回收焦炉技术。

该下属的俄亥俄州Haverhill炼焦厂一期工程于2005年投产，二期工程于2008年投产，全厂年产焦炭110万吨。一期焦炉余热产生的中压蒸汽供给附近的化工厂。二期焦炉余热产生的高压蒸汽供给透平机发电。该厂主要设备包括：炼焦炉、推焦装煤车、熄焦车、烟气除硫装置、熄焦塔、余热锅炉和发电装置。

在该厂焦炭生产过程中，不产生含有化学成分的废水，无须建立废水处理厂;结焦时间缩短至48个小时(国内焦化企业结焦时间为68小时～80小时);炭化室一次装煤量为43.2吨，炭化室最高温度可达到1540℃;炼焦炉的设计使用寿命至少为30年;采用干法烟气脱硫(喷洒石灰乳)，脱硫效率达到90%。该厂使用的炼焦煤规格为：典型的挥发分含量为21%~28%，极限值为19%~32%;平均反射率范围为1.00~1.65;发电量约为790千瓦时/吨焦炭;焦炭烧损率大约为2%～4%。热回收焦炉的主要工艺如下：

装煤工艺。卧式热回收焦炉采用链条刮板机送煤，堆积密度为0.85吨/立方米，而顶装密度为0.75吨/立方米，捣固密度为0.9吨～1.1吨/立方米，可配入30%弱黏结性煤。一般入炉煤由3种～4种煤配合而成，挥发分为24%～25%。沿焦炉机侧的纵向有一条带小车的输煤皮带机，将入炉煤随时送至PCM机(推焦装煤机)。为防止PCM机伸入炭化室内送煤时被烧坏，机体内用循环冷却水进行冷却。PCM机上有烟气收集净化装置，防止装煤时出现冒烟现象。

焦炉加热工艺。焦炉炉门上有3个传统的圆形一次空气入口，直径为100毫米。炉门下部有一个传统的圆形二次空气入口，直径为300毫米;空气口开度由人工调节;炉墙厚度为475毫米。此外，在炭化室的机侧和焦测设置有压力测点，连动调节上升管阀门。集气管内烟气温度为1427℃，进废热锅炉烟气温度为1204℃～1316℃。

推焦和熄焦工艺。推焦时，将焦饼推至带机罩的平板接焦车内，机罩可以有效地捕获和收集推焦过程中释放的烟尘。平板接焦车行驶至湿熄焦塔处，再用简易推焦机将焦饼推至位于熄焦塔内的敞开式平板熄焦车内。熄焦塔喷水熄焦，每次熄焦约90秒。随后熄焦车出熄焦塔倾斜，将熄灭的焦炭倒入焦台。实际成焦率达到68%～73%。

热回收焦炉技术将不断改进优化

目前，太阳焦炭热回收焦炉技术已经获得较快的发展。接下来，该又提出了新一轮技术优化目标：第一，缩小占地面积，未来占地面积要缩小超过30%;第二，节约基建投资，实现廉价采购，进一步降低投资成本;第三，提高成焦率，改进焦炉设计使烧损率降至1%以下;第四，降低炼焦煤成本，灵活使用压实/捣固技术;第五，对炼焦煤的配比进行建模预测和设计;第六，增强限产能力，限产超过30%;第七，加强环境保护，应用循环流化床脱硫，使烟气脱硫率达到96%~98%;第八，提高炼焦炉的使用效率，延长其使用寿命，采用新一代监控设备，优化操作;第九，应用新型材料及分析模型(CFD/FEA);第十，提高发电效率，开发新型余热锅炉，并应用计算流体动力学建模和优化。