我国焦化行业节能减排技术现状与发展建议(1)
编辑:冶金科技发展中心 时间:2011-07-26
李庭寿1、祁苏平1、郑文华2
1)冶金科技发展中心 2)中冶焦耐工程技术有限公司
前 言
我国提出了，“到2020年，非化石能源消费达15%、CO2排放强度降低40%-45%的目标”。为此，加快推进非化石能源发展，加快推进水电、核电建设，积极有序做好风电、太阳能、生物质能等可再生能源的转化利用，确保到2015年非化石能源消费占一次能源消费的比重达到11%以上。
焦化企业是能源转换的工厂，也是煤炭消耗的大户。我国年消耗煤炭近30亿吨， 2009年我国共生产焦炭3.551亿t，按生产每吨焦炭消耗1.33～1.35t洗精煤计算，至少共消耗掉4.73亿t洗精煤，相当于9亿多t炼焦原煤，同时生产出1500亿m3焦炉煤气。焦化过程中还产生了约50kgce/t焦的余热、余能。我国钢铁企业焦化生产过程中的能耗（含化产）约为150kgce/t焦，约占吨钢综合能耗的25%。2008年全国焦化行业排放的SO2占全国总排放量的1.02％、COD占1.16％、NOX占0. 61％、NH3-N占2. 90％。
因此，在钢铁行业大力推广应用降低燃料消耗（焦炭和煤）的新工艺新技术的同时，焦化行业应加快开发和应用降低煤炭资源消耗量、能源消耗量和污染物排放量为目的的新技术新工艺，实现生产高效化、产品洁净化和环境无害化，促进焦化行业低碳循环可持续发展。
本文对我国焦化行业的主要节能减排工艺技术现状进行了总结评述，提出了今后发展的建议。
一 煤调湿技术现状与发展建议
1.1 煤调湿技术
“煤调湿”（CMC）是“装炉煤水分控制工艺”(coal moisture control process)的简称，是将炼焦煤料在装炉前去除一部分水分，保持装炉煤水分稳定在6%左右，然后装炉炼焦的一种煤预处理工艺。煤调湿有严格的水分控制措施，能确保入炉煤水分恒定。煤调湿以其显著的节能、环保和经济效益受到普遍重视。美国、前苏联、德国、法国、日本和英国等都进行过不同形式的煤调湿试验和生产，尤其是日本发展最为迅速。截至2009年底，日本现有的16个焦化厂51组（座）焦炉中，其中有36组（座）焦炉配置了煤调湿装置，占焦炉总数的70.5％。
1.2 煤调湿工艺原理
煤调湿的基本原理是利用外热将炼焦煤在装炉前进行干燥、脱水，调节装炉煤水分，以降低炼焦耗热量、减少温室气体排放、改善焦炉操作、延长焦炉使用寿命、提高焦炭质量或扩大弱黏结焦煤用量的炼焦技术。
焦炉正常操作下单位时间供热量稳定，一定量煤结焦热一定，所以装炉煤水份稳定有利于焦炉操作稳定，避免焦炭不熟或过火；装炉煤水份降低，使炭化室物料在100℃左右停留时间缩短，从而缩短结焦时间、提高加热速度、减少能耗。装炉煤水分降低到6%以下时，煤粒表面水膜变得不完整，表面张力降低，装炉后煤的流动性得到改善，煤颗粒间间隙容易相互填满，于是装炉煤堆密度增大。装炉煤密度增大和结焦速度加快可提高焦炉生产能力，改善焦炭质量或者多用高挥发分弱黏结性煤炼焦。
1 .3 煤调湿主要工艺
目前，世界上采用较多的主要有两种煤调湿工艺流程：蒸汽管式回转干燥机技术和流化床（含气流床）干燥器技术。
1.3.1 蒸汽管式回转干燥机技术
蒸汽管回转干燥机技术，以干熄焦蒸汽发电后的背压汽或工厂内其他低压蒸汽为热源，多采用蒸汽走管内，煤走管外的形式。其外形像一个回转窑，圆筒内与筒平行装有多层同心圆排列的蒸汽管。湿煤通过螺旋给料机送入干燥机内，与管内蒸汽进行间接换热。采用焦炉烟道废气作为载气，在起防爆和带出水汽作用的同时，还利用焦炉烟道废气的显热直接加热湿煤。湿煤脱除部分水份后，于筒尾通过出料螺旋排至输送系统。该煤调湿技术最早于20世纪90年代初在日本君津厂和福山厂投产，日本正在运行的煤调湿多数为此种形式。近几年在对此项技术进行不断优化的基础上，我国的宝钢、太钢及攀钢的煤调湿装置也已相继投产。表1为中日韩三国蒸汽间接加热煤调湿已投产的装置统计。
我国焦化行业节能减排技术现状与发展建议(2)
编辑:冶金科技发展中心 时间:2011-07-27
采用烟道废气的流化床煤调湿装置工艺流程短，设备少且结构简单，便于制造，维修方便，具有投资省、操作成本低、占地面积小等优点。煤料与烟道废气直接换热，效率高。但是，因有10%～30%的细煤粉被废气携带出，所以必须设置庞大的除尘设施；只调湿不能风选；并且操作和粒度控制较严，存在粉尘爆炸的危险，对易结壁和结块的物料，易产生设备结壁和堵床现象。
2）我国开发的移动隔板式气流床煤调湿技术，该装置位于备煤
车间粉碎机前，先对煤料进行风选分级，然后再进行煤调湿。床体采用长方形结构，内设有开小孔的布风板。床体内部安装移动式隔板装置，以保证原料煤的移动与流化效果，煤料与烟道废气直接换热，烟气余热利用率高，工艺流程短，设备少，投资省，操作成本低，占地面积小。
3）我国正在开发的振动流化床煤炭风力分离及调湿技术，采用
以振动流化床煤炭风力分离调湿机为核心设备的风力分离及调湿系统。该系统由振动流化床煤炭风力分离调湿机、细粒分离器、细粒回收装置、一次送风机、排烟风机、定量给料装置和原料煤缓冲仓等组成。
其工作原理是：煤炭通过布料装置被连续地抛洒到振动流化床煤炭风力分离调湿机的床面上，热烟道气分二次进入振动流化床煤炭风力分离调湿机，一次风用于流化原料煤，同时对粗颗粒煤料进行调湿；二次风用于细颗粒煤料的调湿。调湿煤则从不同渠道分离并流出，未被流化的粗颗粒煤料在振动力的作用下，从振动流化床煤炭风力分离调湿机出口流出；中、细颗粒煤料则随气流流出，进入细粒分离器后，中颗粒煤料被分离收集，细颗粒煤料则被细粒回收装置收集。不同粒径的煤料在振动流化床煤炭风力分离调湿机中处于不同的调湿状态。
其技术特点：分离效率高；调湿快速且高效；调湿均匀且有选择性；调湿效果好；安全性好；可靠性高；投资和运行费用低；占地面积小。
4)我国正在开发半沸腾流化床风动分离干燥机（专利申请号：2006100315.5）。该装置由紧贴于布风板上的移动刮板将煤料从进料口刮向出料口，煤料在气流作用下呈半流化状态，与热气流热交换，实现干燥，同时细颗粒从布置于流化床两侧的溢流口排出，实现风力分离。
流化床(含气流床)干燥器技术的调湿效果与焦炉烟道废气的组成有关。我国独立焦化厂的焦炉大多用焦炉煤气加热，而钢铁企业焦化厂大多用高炉煤气（掺入2％～7％焦炉煤气）加热。因焦炉煤气中含氢高达55～60％，因此，焦炉烟道废气中水分含量高，将其作为流化床煤调湿热源时，不利于煤水分的蒸发。昆明制气厂的焦炉用焦炉煤气加热，其焦炉烟道废气含水高达17.3%，最多只能去除2～2.5个百分点的煤水分。而宝钢焦炉用高炉煤气加热，其焦炉烟道废气只含水份3.3%，有利于煤水分的蒸发干燥。因此，以焦炉烟道废气为热源的煤调湿装置适合建在用高炉煤气加热焦炉的钢铁企业焦化厂。焦炉烟道废气组成见表3。
表3 焦炉烟道废气组成（体积百分比％）
|
组分 |
CO |
CO2 |
H2 |
CH4 |
N2 |
H2O |
CmHn |
|
焦炉煤气（COG） |
5~7 |
2~3 |
55~60 |
25~30 |
2.5~3.5 |
|
2~3 |
|
高炉煤气(BFG) |
26.6 |
12 |
2.4 |
0.3 |
56.4 |
2.3 |
|
|
烧COG废气（昆气） |
|
5.4 |
|
|
71.0 |
17.3 |
|
|
烧BFG废气（宝钢） |
|
22.1 |
|
|
70.5 |
~3.3 |
|
流化床干燥器技术，以焦炉烟道废气为热源和载气。用引风机抽取焦炉烟道废气送往流化床干燥机，控制风压和风速，使湿煤在流化床干燥机内呈流态化状态，与通过布风板的烟道废气充分对流换热、干燥。换热后的烟道废气去往袋式除尘器过滤，然后由引风机送至烟囱外排。流化床干燥器内焦炉烟道废气与湿煤直接接触，换热效率高，工艺流程较短，操作运行成本较低。流化床干燥器因采用的工艺设备不同还可具体分为若干种，其工艺效果也有很大差别。目前国内外已投产的流化床煤调湿工艺主要有如下几种类型： 1) 日本开发的流化床煤调湿技术，利用布风喷嘴喷出的高速斜向气流使煤料流化并向出口移动，温度为55～60℃的70%～90%的粗粒煤（相对而言）从干燥机排入螺旋输送机，剩下的10%～30%粉煤随70℃的干燥气体进入袋式除尘器，回收的粉煤排入螺旋输送机。粉煤和粗粒煤混合后经管状带式机输送至焦炉煤塔。截至2009年12月，日本和我国流化床煤调湿装置如下表2。
表2 日本和我国流化床煤调湿装置
|
公司 |
焦化厂 |
焦炉组别 |
能力 t/h×台 |
投产年月 |
|
新日铁 |
大分 |
N0.3、4 |
284×1 |
1992.9 |
|
名古屋 |
N0.1～4 |
460×1 |
1996.11 |
|
君津 |
N0.4、5 |
270×1 |
1996.10 |
|
北海制铁 |
室籣 |
N0.5 |
120×1 |
1996.12 |
|
中国马钢焦化厂 |
N0.5、6号6米炉 |
167×1 |
预计2011.9 |
用烟道废气的流化床煤调湿装置工艺流程短，设备少且结构简单，便于制造，维修方便，具有投资省、操作成本低、占地面积小等优点。煤料与烟道废气直接换热，效率高。但是，因有10%～30%的细煤粉被废气携带出，所以必须设置庞大的除尘设施；只调湿不能风选；并且操作和粒度控制较严，存在粉尘爆炸的危险，对易结壁和结块的物料，易产生设备结壁和堵床现象。
2）我国开发的移动隔板式气流床煤调湿技术，该装置位于备煤
车间粉碎机前，先对煤料进行风选分级，然后再进行煤调湿。床体采用长方形结构，内设有开小孔的布风板。床体内部安装移动式隔板装置，以保证原料煤的移动与流化效果，煤料与烟道废气直接换热，烟气余热利用率高，工艺流程短，设备少，投资省，操作成本低，占地面积小。
3）我国正在开发的振动流化床煤炭风力分离及调湿技术，采用
以振动流化床煤炭风力分离调湿机为核心设备的风力分离及调湿系统。该系统由振动流化床煤炭风力分离调湿机、细粒分离器、细粒回收装置、一次送风机、排烟风机、定量给料装置和原料煤缓冲仓等组成。
其工作原理是：煤炭通过布料装置被连续地抛洒到振动流化床煤炭风力分离调湿机的床面上，热烟道气分二次进入振动流化床煤炭风力分离调湿机，一次风用于流化原料煤，同时对粗颗粒煤料进行调湿；二次风用于细颗粒煤料的调湿。调湿煤则从不同渠道分离并流出，未被流化的粗颗粒煤料在振动力的作用下，从振动流化床煤炭风力分离调湿机出口流出；中、细颗粒煤料则随气流流出，进入细粒分离器后，中颗粒煤料被分离收集，细颗粒煤料则被细粒回收装置收集。不同粒径的煤料在振动流化床煤炭风力分离调湿机中处于不同的调湿状态。
其技术特点：分离效率高；调湿快速且高效；调湿均匀且有选择性；调湿效果好；安全性好；可靠性高；投资和运行费用低；占地面积小。
4)我国正在开发半沸腾流化床风动分离干燥机（专利申请号：2006100315.5）。该装置由紧贴于布风板上的移动刮板将煤料从进料口刮向出料口，煤料在气流作用下呈半流化状态，与热气流热交换，实现干燥，同时细颗粒从布置于流化床两侧的溢流口排出，实现风力分离。
流化床(含气流床)干燥器技术的调湿效果与焦炉烟道废气的组成有关。我国独立焦化厂的焦炉大多用焦炉煤气加热，而钢铁企业焦化厂大多用高炉煤气（掺入2％～7％焦炉煤气）加热。因焦炉煤气中含氢高达55～60％，因此，焦炉烟道废气中水分含量高，将其作为流化床煤调湿热源时，不利于煤水分的蒸发。昆明制气厂的焦炉用焦炉煤气加热，其焦炉烟道废气含水高达17.3%，最多只能去除2～2.5个百分点的煤水分。而宝钢焦炉用高炉煤气加热，其焦炉烟道废气只含水份3.3%，有利于煤水分的蒸发干燥。因此，以焦炉烟道废气为热源的煤调湿装置适合建在用高炉煤气加热焦炉的钢铁企业焦化厂。焦炉烟道废气组成见表3。
表3 焦炉烟道废气组成（体积百分比％）
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组分 |
CO |
CO2 |
H2 |
CH4 |
N2 |
H2O |
CmHn |
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焦炉煤气（COG） |
5~7 |
2~3 |
55~60 |
25~30 |
2.5~3.5 |
|
2~3 |
|
高炉煤气(BFG) |
26.6 |
12 |
2.4 |
0.3 |
56.4 |
2.3 |
|
|
烧COG废气（昆气） |
|
5.4 |
|
|
71.0 |
17.3 |
|
|
烧BFG废气（宝钢） |
|
22.1 |
|
|
70.5 |
~3.3 |
|
|
