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利用焦化厂焦油渣配煤炼焦的工艺研究

卜二军1，黄世平2，余诚桓2，王晓晖1

(1．河北钢铁集团 邯钢公司 技术中心，河北 邯郸 056015；2．河北钢铁集团 邯钢公司 焦化厂，河北 邯郸 056015)

摘 要：根据邯钢目前焦油渣的产量、处理方式以及废渣特性，在小焦炉进行了配煤炼焦试验。试验结果表明：添加适当比例的焦油渣对炼出的焦炭质量影响不大，配煤炼焦是可行的，添加1%焦油渣效果最好，可以合理有效地解决焦油渣造成的环境污染问题，同时还能创造一定的经济效益。

关 键 词：焦油渣；配煤；炼焦；工艺；研究

1 前言

钢铁厂中的焦化车间每年产生大量的焦油渣，全国每年的产量有20万t左右［1］。焦油渣是焦化生产过程中产生的一种粘稠状工业固体废弃物，含有苯类、酚类、萘类等多种有毒成分，对人和动物有致癌作用。主要来源于机械化氨水澄清槽、超级离心机以及澄清槽等，其主要成分有煤粉、焦粉和重质焦油等物质。在炼焦生产过程中，从焦炉逸出的煤气在集气管和初冷器冷却后，高沸点的有机化合物被冷凝形成煤焦油，与此同时，煤气中夹带的煤粉、半焦、石墨和灰分也混杂在煤焦油中，形成大小不等的团块，这些团块就是焦油渣。焦油渣属于危险废弃物［2］，直接外排不但会直接影响片区大气环境质量，而且会通过地表，渗入地下，污染地下水源，危害人们的身心健康。

邯钢老区、西区焦化厂焦油渣年产出总量大约为2500t，直接低价外卖，买入的小化工厂再通过甩焦油的方式提炼出来焦油外卖，剩余的残渣制作加工成煤球供人取暖用，焦油渣没有得到很好的利用。

2012年5～6月，技术中心与焦化厂联合开展焦油渣配煤炼焦40kg小焦炉试验研究，结合本厂实际情况设计并进行了5组10次小焦炉试验，焦油渣按不同比例添加到配合煤，掺入比例分别为0%、1%、3%、5%和7%，每个配比做2次平行试验，并与空白试验的焦炭质量进行比较。

2 焦油渣作用机理

焦油渣是粘稠状废渣，配有焦油渣的焦炭质量优于单种煤的焦炭，这与煤料中有焦油和沥青等粘结剂的存在是分不开的，可吸附在煤粒表面。煤粒与粘结剂之间的界面发生互溶，粘结剂与煤粒间的界面消失，形成化学键，相互连结。化学键连结对抵抗应力集中，防止裂缝扩展，抗御破坏性环境的侵蚀，作用较突出［3］。

在炼焦的热解过程中，由于瘦煤的挥发分低，热解时析出的气体少，产生的液态物能够转化为胶质状态的少，但焦油渣在该过程可形成大量的气体及胶质体，把分子量较大的固态物质包围起来，形成气、液、固三相共存的胶质体，抵消了瘦煤黏结性相对较差的弱点。而在形成半焦过程中，液相膜外表开始固化，中间仍为胶质体，内部为没有变化的瘦煤及胶质体混合物，在半焦壳出现裂纹后流出，这些胶质又发生固化，形成新的半焦层，最后转变为半焦。

在半焦收缩过程中，焦油渣挥发分高，收缩量相对较大，而瘦煤挥发分低，胶质体数量极少，半焦收缩过程平缓，收缩量极低，所以在配合煤炼焦过程中，其中的瘦煤、焦油渣在成焦的每个过程中，都能互相弥补缺限，大大降低了对焦炭强度的影响［4，5］。可见，在配煤炼焦时，适量添加焦油渣是可行的。

3 碳管炉试验研究

利用实验室碳管炉开展了大量试验，在1050℃氮气保护的条件下进行了(10min、1h、4h、6h)不同恒温时间、(10%焦油渣、配合煤)不同物料的20多次试验研究，并分别进行了抗压强度测试。

在相同条件下，试验测得配焦油渣前后焦炭抗压强度相近，因此可以进行焦油渣少量添加。

4 小焦炉试验

小焦炉主要是模拟大焦炉炼焦，通过试验焦炉进行炼焦配煤试验，测量所炼得的焦炭质量来预测工业化生产焦炭质量，从而使生产焦炭的质量得到控制并保持稳定。小焦炉试验主要包括原料的检测分析、工艺流程控制、试验结果检测、焦炭显微组织分析等几个部分。炼出的焦炭放入落下强度检测机、转鼓强度试验机及焦炭筛分机中进行性能测试，配合煤及焦炭试验的采取、制备及检测严格按照国家标准进行操作。

4．1 原料分析

试验所用的煤种为配合煤，10次小焦炉试验用煤大约为500kg，一次性从生产皮带输送线上取得，减少了试验误差。焦油渣来源于机械化澄清池分离出来的焦油渣排放槽中，密度在1．2～1．3g/cm3之间，其工业分析结果如表2所示。

为了实现现场能够配加焦油渣，需对焦油渣在不同温度下流动性能进行试验，以保证焦油渣槽不堵塞，试验结果如表3所示。

结果显示：焦油渣在温度大于90℃时具有很强的流动性。

4．2 工艺流程

40kg小焦炉试验一次装入干基料为40kg，炉温初始温度为800℃，设定燃烧室的最高温度为(1050±10)℃，恒温2h后出炉，整个结焦时间为15h，采用湿法熄焦。小焦炉试验工艺流程为：配料→混料→装炉→升温→恒温→开炉→熄焦→冷强度检测→热强度检测

在试验过程中实现均匀配料采取的方法：

(1)取的煤种为现场已经配好的配合煤，并且是一次性取够，装入袋中密封，防止水分流失和空气氧化，在试验时配合煤进行二次充分混合。

(2)焦油渣掺入配合煤的试验中，为了达到煤与渣的稳定结合、均匀配入，主要采用先少量煤与焦油渣预混的方式。使煤在焦油渣表面粘附，降低焦油渣粘性，采用人工加工的方式使焦油渣粒度降低，并过12．5mm的筛，使混合料粒度控制在一定范围内，然后与剩余煤进行混合。

(3)在混料过程中，采用12遍翻混物料，使得物料尽量均匀。

4．3 结果分析与讨论

表4列出了所有焦油渣配煤炼焦的小焦炉试验煤种的分析数据。从表4可以看出，随着焦油渣配入量的增加，试验煤样的工业分析数据在小范围内波动，主要原因为系统误差和人为误差造成对试验结果的影响，挥发分和硫分小幅增加。

共进行5组10次小焦炉试验，焦炭质量检测结果见表5。

从表5可以看出，焦炭的灰分和硫分变化不大，挥发分有所降低。在焦油渣按3%比例掺入配合煤时对应的焦炭M40抗碎强度有所降低，但M25耐磨强度变化不大。总体来说，焦炭的冷态强度M40略有下降，M25、M10基本保持不变，焦炭的热态强度CRI有所降低，CSR变化不大。综合考虑冷态强度和热态强度，在焦油渣配入量为1%时为最佳配比，焦炭的M40、M25都高于空白试验，M10小于空白试验，焦炭的冷态强度有所提高；CRI有所降低，CSR保持不变，热态强度有所改善，焦炭的整体性能得到提高。另外，配加1%焦油渣有利于现场的配吃。

焦炭组分中粗粒镶嵌和流动状结构属于光学各向异性结构，其对焦炭强度起着决定性的作用，气孔壁的强度对I型转鼓强度起着基础性作用。由于焦炭中粗粒镶嵌和流动状结构是由中间相小球体融并后固化形成的，其自身碳网平面层排列比较整齐，更趋于石墨化，再加上周围的化学键连接会提高焦炭的强度，因此气孔壁的强度随焦炭中粗粒镶嵌和流动状结构的增加会升高。但由于I型转鼓强度还会受到气孔和裂纹的影响，在加入焦油渣量较多时，反应性和膨胀压力都会增高，会产生更多的气孔和裂纹，其强度会有所降低，需要找出最佳配比。

从空白试验和添加1%焦油渣的焦炭在低倍下的显微组织中(图1、2)，可以看出两种焦样的组织、气孔分布较为均匀，组织较为致密，气孔孔径较小，原煤颗粒含量很少，且粒度较小，焦样表面未发现裂纹。添加1%焦油渣的焦炭中镶嵌状结构较为丰富，且这些组织结合得较好。

4．4 焦炭的显微组织分析

5 效益分析

年处理2500t焦油渣，可代替配合煤使用，配合煤为1300元/t，焦油渣为450元/t。

焦油渣直接外卖创收：2500×450=1125000(元)=112．5万元

焦油渣如果配煤炼焦年直接经济效益为：2500×1300=3250000(元)=325万元

生产成本：工资、设备维护、设备折旧等成本合计为90．2万元。

此项目建成后产生的经济效益比焦油渣直接外卖多创效益：(325－112．5)－90．2=122．3(万元)

6 结语

利用焦油渣进行配煤炼焦，可在对配煤质量和焦炭质量影响不大的情况下，科学合理的消化工业废渣，有效治理“三废”，既解决工业污染问题合理保护了环境；又充分利用资源节约炼焦煤原料，使工业废渣得以“资源化”和利用的“高效化”，降低生产成本，实现焦化生产过程中的清洁化，提高了企业的循环经济效益，达到了经济效益和社会效益双丰收。

参 考 文 献

［1］   解建光，傅大放，等．焦油渣配煤炼焦试验［J］．有色冶金设计与研究，2007，3(28)：215～217．

［2］   韩晓玲．南钢联焦油渣回收技术改造浅析［J］．江苏冶金，2008，4(36)：53～55．

［3］   朱思坤，吴贤熙．利用焦化废弃物制型煤粘结剂的研究［J］．广州化工，2011，(15)：106～108．

［4］   杨明平，戴财胜，傅勇坚．焦油渣配煤炼焦的实验研究［J］．煤化工，2007，12(6)：51～54．

［5］   司晋明．煤焦粉尘、焦油渣混合配煤炼焦应用［J］．化工文摘，2005，(2)：59～60．