炼焦工业现状和炼焦工艺的发展.doc

炼焦工业现状和炼焦工艺的发展摘要：本文建立在大量的有关炼焦的文献之上，综合介绍了我国焦炭的市场和产量情况。分析了国内外炼焦行业生产技术、产品供求关系、副产回收利用等一系列问题，并对炼焦行业的发展提出了建议。关键词：炼焦；炼焦炉；焦化厂；煤；资源；发展；现状前言焦炭是冶金、机械、化工等行业的重要原料、燃料，其中以冶金工业高炉炼铁消耗焦炭量最大。尽管高炉富氧喷吹煤粉和直接还原炼铁等技术的发展使冶金工业对焦炭需求量有所下降，但一种普遍的观点是不用焦炭的炼铁工艺至少在今后20年30年内不会大范围替代目前的高炉炼铁法，焦炭仍然是未来钢铁生产的主要原料。世界炼焦工业近几十年来取得了长足发展。大容积焦炉、捣固焦炉、干法熄焦等开发较早的先进工艺技术在工业化实际生产运行中日臻完善；日本的型焦工艺、德国的巨型炼焦反应器、美国的无回收焦炉、前苏联的立式连续层状炼焦工艺等近30年来开发的新工艺、新技术则加快了工业化进程。我国炼焦工业近20余年发展较快：以宝钢二期工程6m焦炉为代表的中国焦炉技术，达到国际水平；捣固焦技术及装置、干熄焦技术、配型煤炼焦技术正在加快推广；铸造型焦和热压型焦装置已建成。可以说与国际先进水平的差距正逐渐缩小1。一、国内焦炭市场现状1.1 焦炭国内市场保持稳定态势国内焦炭市场保持稳定态势。现各大城市焦炭价格已经达到阶段性高点，焦化厂利润也相对有所提高，为使钢厂正常采购，焦炭市场价不会出现过大波动。一些主导城市焦炭市场还是仍具有市场占有力，市场价格仍有一定上涨空间。现阶段炼焦煤价格一直处于上涨趋势，今日，山西低硫主焦煤含税车板价已达到1700元，焦炭原材料一直处于“货紧”状态，这也促使焦炭市场价格一直保持高价位的原因之一，预计，近期焦炭市场价格不会有太大变化，月末一些焦化集团制定指导价格也应与市场价相符合。河北地区二级冶金焦含税出厂价在18501900元，准一级冶金焦到厂价在19802070元，临汾准一级冶金焦含税车板价在1880元，二级冶金焦含税车板价在1780元，东北地区二级冶金焦含税出厂主流价格在1900元2。1.2 焦化行业扭亏前景仍不乐观据中国炼焦行业协会会长黄金干介绍，由于国内外需求下降，我国焦化行业已经连续9个月限产。根据国家统计局快报，今年前5个月，全国规模以上焦化企业生产焦炭12641万吨，同比减产1005.64万吨，减产7.4。其中，山西焦化行业前5个月减产焦炭1220万吨，同比减产32.5。今年7月份，山西焦化行业协会仍要求会员单位执行限产50的措施。当前焦炭市场价格有所回升，独立焦化企业生产逐步恢复，但今年前5个月，国内焦炭企业的总体亏损达7.25亿元，300多家企业仍处于全面亏损的困境中。而预期下半年焦化产品市场仍然难见起色，黄金干表示，煤焦油、粗苯及其深加工焦化产品出口的大幅下降，内销价格低迷，同时受到低价甲醇进口冲击，焦化企业盈利空问将严重挤压，焦化行业整体扭亏前景仍不容乐观3。二、国内焦炭生产现状2.1 国内焦炭的地位1993年我国焦炭产量已稳居世界第一位，约占世界总产量的13，随着我国炼焦业的快速发展，还在逐年提高，2005年上升至535 ，2006年达到570左右 2006年，我国出口焦炭1450万t占世界贸易总量的45以上；我国焦炭表观消费量为2.83亿t， 占世界焦炭表观消费总量的54以上。我国已成为名副其实的世界焦炭生产、消费及贸易第一大国。2.2 国内焦炭的生产状况我国焦炭生产遍及全国29个省区即除西藏和海南外，我国大陆29个省区均有焦炭生产，但产能分布非常不均衡，基本分布在华北、华东、华中、东北、西南五大区域。2006年，全国焦炭产量29 768万t，其中机焦26279万t，占88.28；土焦、改良焦约1450万t，占4.9；无回收焦炭、半焦1784万t，占6；石油焦255万t。我国焦炭产量排前10位的省份中，陕西省基本上是生产半焦产能占全国半焦产能的58左右：内蒙古以生产半焦为主，产能占全国半焦产能的近25： 山西及云南两省有少量半焦生产，其他省份均为冶金焦。冶金焦最主要的生产省市是： 山西、河北、山东、河南、辽宁、江苏、四川、云南、上海，产量合计占到我国冶金焦产量的80左右。我国半焦生产主要集中在陕、蒙、晋、宁四省区交界地带并以陕西榆林神府地区和内蒙古伊旗、准旗的产量最大。2006年，全国半焦产量约为1800万t陕西和内蒙的产量占了近90 4。三、国内炼焦煤资源现状3.1 已查明资源储量炼焦煤主要包括焦煤、13焦煤、气煤、肥煤、瘦煤、贫瘦煤等煤种，属中变质烟煤，查明资源储量2758.6亿t占全部煤种查明资源储量的26.24 炼焦煤查明资源储量煤种构成列于表1 由表1可见最优良的炼焦煤焦煤仅占我国已查明煤资源总储量的6.2 而气煤和13焦煤储量约为焦煤的2倍。表1炼焦煤查明资源储量煤种构成我国炼焦煤资源主要集中在山西省。该省炼焦煤资源占全国资源的56 。已查明资源量高达1544.54亿t，我国炼焦煤资源分布见表25。表2 我国炼焦煤资源分布3.2 预测资源量根据全国最新的煤炭资源预测结果表明，垂深1000 m以浅的预测资源量为1.844万亿t，垂深2000 m 以浅的预测资源量为4.5521万亿t，其中炼焦煤约占29。按煤种分布的炼焦煤预测资源量见图1，我国炼焦煤预测量地区分布见表3。由表3看出，华北地区将成为我国重要的炼焦煤生产地。四、国内外炼焦技术工艺进展44.1 无回收焦炉针对传统的焦炉煤气处理及回收装置环保控制费用较高等问题，美国和澳大利亚在20世纪80年代后期相继推出了新设计的无回收焦炉，将废热用于生产蒸汽和发电。无回收焦炉的优点：(1)炼焦工艺流程简单，设计和基建投资费用低；(2)取消煤气回收装置，不会产生焦油和酚水等污染物，环保有所改善；(3)负压操作，解决了炉门漏气，使其废物放散能降到最低水平；(4)废热得到利用送去发电。从炼焦生产的普遍规律和无回收焦炉生产特点出发，无回收焦炉存在如下几个主要问题：(1)煤耗高，炼焦煤煤源变窄。由于炉顶空间很大，煤在塑性阶段能自由膨胀，造成炉子上部焦炭结构疏松、质量差。这需要用挥发分低、结焦性好的煤料消除这种影响；(2)部分煤和焦炭被烧损，成焦率下降；(3)无回收焦炉仍有大气污染；(4)加热控制手段简单，焦炭的均匀性差；(5)炉龄短，维修量大；(6)所产蒸汽和电能的出路也是需要考虑的问题。山西寰达公司将捣固装煤和无回收焦炉结合起来，在侯马建成了一座l9孔的无回收焦炉。有关专家认为已投产的19孔炉存在以下几个问题：(1)炉体用高铝砖是错误的；(2)烟道相互联是错误的；(3)炉体内部结构存在多处不合理；(4)装煤车等设备还远不能说已过关。综合以上情况，有关专家认为，在我国不可能大量建无回收焦炉，也不应用无回收焦炉代替改良焦炉，总之不宜推广。但在某些地区，如有低挥发分的粘结煤，焦炉煤气暂时没有用户，电能有出路等条件下，尽可能少量地建设带有热回收装置的无回收焦炉也是可行的。4.2 大容积焦炉近年来，国外焦化企业主要技改途径是用现代化的大容积焦炉取代老损焦炉。国外资料报道，大容积焦炉的最大优点是基建投资省，然而国内有关专家认为，焦炉并非越大越好，6m焦炉与4.3m捣固焦炉相比无论相对基建投资、改善焦炭质量以及煤种适用范围上并无优势而言。当国内4.3m捣固焦炉投产后，国内炼焦行业也许会重新评价6m焦炉。大容积焦炉存在的问题：美国的大容积焦炉都出现了砌体过早损坏的现象，美国黑色冶金设计院确定炭化室高6m及以上焦炉平均使用寿命15年；炭化室高7m的焦炉必须供应配煤组成较好的煤料，以保护砌体和保证正常生产操作；大容积焦炉不适用煤预热，美国及英国钢铁公司的雷德卡尔冶金厂也证实了这一点。显然，大容积焦炉在各方面要求都比常规炭化室焦炉要高。因此；虽然大型焦炉是发展方向，但各国要根据国情、技术水平和设备制造水平来确定焦炉规模和尺寸。4.3 巨型炼焦反应器巨型炼焦反应器是为了克服传统室式焦炉大型化所受的多种因素限制，特别是炉墙变形等问题而开发的。20世纪80年代后期，以德国为主的欧洲炼焦专家提出了单室式巨型炼焦反应器和煤预热及干熄焦相结合的方案。巨型炼焦反应器商业化进程受以下诸因素制约：随着单个巨型炼焦反应器装置变为由多个巨型炼焦反应器单元组成的炉组，就必须将推焦和出焦操作的机械设计为移动式，将会大幅度增加该机械重量， 随着煤预热装置能力的大幅度提高，对系统的可靠性要求也随之提高；干熄焦与煤预热联合的大型生产装置还有待于进一步开发。有关专家认为解决。上述问题不存在技术障碍，主要问题是需要大量资金并需依托大规模的工程才能实施。4.4 日本SCOPE21的炼焦技术该技术的特点是将配入50 的非粘结性煤，在人炉前快速预热到350 400 ，使煤接近热分解温度，以改善煤的粘结性，预热煤中的细粉热压成型，而后与粗粒煤混合装炉。故装炉煤的堆密度提高(约850 kgm )，焦炉用高导热性的70 mm75 mm的炉墙砖，在焦炉中加热到700 800的焦饼，放人干熄焦预存段进行再加热使焦饼最终温度达1000左右。各国炼焦同行在等待该工艺的工业实践结果。4.5 捣固焦炉捣固焦炉的诸多优点，这里不再详述。捣固焦炉过去费用高，现已通过将捣固机操作效率提高一倍和在捣固焦炉上采用大容积炭化室得到补偿。捣固工艺的进一步研究课题是通过捣固箱进一步现代化来减少捣固工艺流程的能耗，缩短捣固压实时间和提高整个煤饼密度的均匀性。同先进国家相比，我国捣固焦炉发展缓慢，主要原因是捣固技术落后，捣固机锤头少。重量轻，捣固锤加煤布料和游动均由手工操作。此外捣固频率低，自动化程度差等致使捣固焦炉大型化进展缓慢。因此，国内要实现捣固焦炉大型化，有必要引进国外先进的设备或引进捣固机械的软件。4.6 干法熄焦干法熄焦技术特点：(1)节能效果显著；(2)环保效益好；(3)提高焦炭质量，优化高炉生产。干法熄焦技术首先盛行于前苏联。与传统的直接式干熄焦技术相异，美国克雷斯公司开发了世界上第一台间接式干熄焦装置并在伯利恒钢铁公司雀点厂进行了试验样机的操作示范。装置主要部分是由车辆运载的一外冷式密封贮焦箱，推焦时焦箱与炭化室对准并密封，推出的焦存放在箱内，然后由运载车辆送往冷却台冷却，冷却后的焦箱再送到密封的焦炭贮库，由此将焦炭卸到胶带机上。整个过程在密封状态下进行，据称能降低90 以上推焦粉尘和碳氢化合物排放物。前苏联东方煤化所曾提出在一套设备中同时完成炼焦煤预热和红焦干熄，此工艺可完全杜绝向大气中排放污染物，所得冶金焦块度、强度、磨损性、堆密度等指标有所改善。4.7 型焦工艺开发型焦工艺目的：(1)扩大炼焦煤源。试验表明，型焦工艺可使非粘结性煤和弱粘结性煤使用量达60100 ；(2)使炼焦在密闭的连续装置中运行，彻底解决污染问题。高炉试验结果表明，型焦在高炉上最多可使用到30 ，换句话说，型焦不能完全取代常规焦炭。为此，1994年以来，日本钢铁联盟公司开发了新型焦工艺。新型焦工艺特点：(1)通过将煤快速加热以及粉煤高温成型，可以改善煤的粘结性，并可使装炉煤的堆密度提高到850kgm ，以改善焦炭质量。在保证焦炭质量前提下，非粘结煤的配人可达50 ；(2)通过提高炉墙热传导率、装炉煤高温预热等措施，使焦炉生产能力提高到300 ；(3)煤炭中温干馏及干馏产品在干熄焦装置的预存室进行高温加热改质，比常规焦炉节能20 ；(4)对焦炉所有开口严密密封，红焦密闭输送及预热煤脉冲式输送，可使环境污染大幅度减轻。新型焦工艺要实现工业化需解决以下问题：(1)型焦的透气阻力比室式炉焦炭约高2倍，在高炉中大量使用型焦受到限制；(2)型焦生产的能耗比室式炉高。4.8 配型煤炼焦在炼焦煤中配人型煤炼焦，在国际上已有几十年的历史。由于提高了人炉煤料的密度加之型煤中粘结剂对煤料粘结性能有所改善，因此能提高焦炭质量或在不降低焦炭质量前提下，少配用优质炼焦煤。一般说来，焦炭质量在一定范围内随着配人型煤比例增加而提高。生产试验表明，型煤配比每增加10 ，焦炭强度指标DI115015约提高0711 ；反应后强度约提高22。随着型煤配比增至30时，DI15015可提高2 一3 ，M10可改善2 4 。我国包钢焦化厂等单位一直进行着配型煤炼焦的工业试验，经过多年对引进技术的消化吸收工作，我国已具备了工厂设计能力，但关键设备仍需引进。4.9 立式连续层状炼焦工艺从20世纪70年代起，前苏联乌克兰煤化所开始了立式炉连续炼焦新工艺的研究。试验经历了三个阶段：试验室试验阶段，半工业试验阶段，工业性试验。装置主要工艺参数：垂直炭化室数(包括熄焦段)2个，推焦行程300mm，推焦周期20min30min，一次装煤量400kg420kg，炼焦时间7h8h，能力30td。该装置对中国一批气煤的试验表明，单种气煤在连续层状炼焦装置上能生产出质量符合要求的冶金焦。工艺特点：煤料经压实(堆密度可达1000kgm3)和分阶段控制加热速度可改善煤的粘结性能，改善焦炭质量，有效拓宽了炼焦用煤范围，与传统工艺相比，可节约70肥煤和焦煤；系统密闭连续，自动化程度高。从各阶段试验结果看，该工艺具有很好的推广应用前景，但要达到大规模工业化生产，在装煤操作、顺利排焦和装置大型化方面还需进一步改进完善。4.10 煤预热利用煤预热技术，不仅能将炼焦用煤范围扩大到高挥发分煤，还能扩大到半无烟煤和石油焦等低挥发分惰性物料。目前，俄罗斯年产107万t焦炭的第一台煤预热工业装置，正在西西伯利亚钢厂7号焦炉上使用，系采用气体热载体预热煤料。焦炉用预热煤料炼焦时生产能力提高40左右，可多配人2025弱粘煤，炼焦热耗降低1012 ；美国和英国、日本都使用煤预热装置；波兰登赛斯科焦化厂建造了40th煤预热装置，还将根据试验结果建造100th装置。但是使用煤预热装置的美国大容积焦炉和英国钢公司两座焦炉都出现了焦炉砌体过早损坏现象。五、炼焦工业未来的发展方向5.1 因地制宜炼焦工艺我国生产的冶金焦炭质量除宝钢外与发达国家相比存在较大差距。为适应高炉大型化、高炉富氧喷煤技术，必须提高焦炭质量。目前我国采用炼焦新技术条件是具备的。随着国家限制土焦政策实施，炼焦工业焦炉装置的新建和改扩建将不可避免，为了赢得高起点，国内炼焦业应利用这次诸多焦炉改造大修机会，结合国情，因地制宜，因煤制宜，采用国际上先进的、工业化程度较高的新工艺、新设备，实现炼焦生产的高效、优质、低耗、低污染和操作控制自动化，使我国炼焦水平上一个新台阶6。5.2 开发炼焦产品的生产工艺出于以下考虑：(1)回收化工产品的投入高，而美国的无回收焦炉又有较大的缺陷；(2)将炼焦的荒煤气裂解成还原气将来可以与直接还原炼铁联合，在第二届国际炼焦会议上，欧洲炼焦专家提出了两种焦化产品(焦炭和还原气)的生产工艺。国内有关专家认为，生产两种焦化产品的工艺，煤气热裂解器与焦炉的连接存在技术问题，因此结合我国的国情提出开发三种产品(焦炭、煤焦油和还原气)的焦化生产工艺6。5.3 产业结构调整方面5.3.1 焦炉向大型化、焦炭生产向集群化发展(1)有利于炼焦副产的回收、综合利用和深加工。炼焦副产品的回收、加工、利用水平与炼焦规模的关联度非常大，是最能体现“规模效应”的产业之一。炼焦装置若达不到一定的规模，不仅不利于焦炭本身经济效益和竞争力的提升，更谈不上副产品的有效回收和利用。(2)有利于炼焦装置整体水平的提高。焦炉大型化有利于降低吨焦的煤耗和能耗；在同等规模下，可减少投资规模，减少出炉次数和阵发性的污染，提高劳动生产率和提高焦炭质量。焦炉大型化是焦化企业实现可持续性发展最基本的条件焦炉大型化是推动炼焦装置采用干法熄焦工艺的重要条件。新建焦炉或改扩建焦炉时，钢铁企业必须同步配套建设干熄焦装置；独立焦化企业要在减少酚氰废水发生并有妥善处理酚氰废水出路的条件下，力求配套建设干熄焦装置。(3)有利于节能减排、保护生态环境和发展循环经济，焦炉炉型的选择可根据装置建设规模、所在地资源等情况进行选择。沿海地区的企业应选择763 m焦炉。中西部地区应选择6 m焦炉，气煤资源比较丰富、肥焦煤又比较缺乏地区应选择6 m及以上捣固焦炉7。5.3.2 炼焦企业要向一体化方向发展在市场竞争日趋激烈、煤炭价格不断上涨、焦炭利润不断摊薄的形势下，炼焦企业要向煤一焦一化一体化方向发展。由炼焦向煤化工模式推进延长产业链条。形成多元化发展，走可持续性发展之路5.3.3 煤焦油、粗苯加工规模(1)煤焦油初加工规模不应低于20万ta。煤焦油集中加工有利于采用各项先进工艺技术和装备。不仅有利于节能、环保，而且也有利于开发新的焦油加工产品，从各项工艺技术与经济指标分析。焦油的年加工量20万t是最低的经济规模，目前我国已有设计和制造单套焦油加工装置规模为20万ta的能力和条件。因此新建煤焦油初级加工装置单套规模要达到20万ta及以上。(2)粗苯加氢单套装置规模不应低于10万ta 加氢精制是一种清洁工艺。而且得到的苯类产品质量优、收率高，但装置投资较大，必须达到一定的规模才能有好的经济收益。一般认为单套装置最低规模在5万ta。经济规模应在10万ta8。5.4 产业升级方面5.4.1 重视捣固焦的发展我国炼焦煤资源贫乏优质炼焦煤供应更是紧张。在炼焦煤价格飚升、焦炭成本不断上涨的形势下，发展捣固炼焦工艺是节约优质炼焦煤、生产高品质的焦炭重要措施之一，是我国当前和今后相当长一段时期焦化工业发展的主要方向。5.4.2 推广采用清洁炼焦技术和先进的煤气净化技术(1)开发焦炉微负压控制技术。采用焦炉微负压控制技术使焦炉炭化室由传统微正压变成为微负压，可彻底解决炼焦过程的烟气溢散，为焦炉的清洁生产创造良好基础。该技术不仅能在7.63m焦炉使用，同时也能用于6 m焦炉、4.3 m焦炉，为我国焦炭行业彻底消除污染创造条件。太钢与国外公司合作正在开展此项工作。(2)焦炉煤气深度净化技术。现有的脱硫净化工艺不能满足甲醇生产对脱硫精度的要求，因此焦炉煤气的深度净化，特别是其中所含的形态。复杂的有机硫(硫醇、硫醚及噻吩)和不饱和烃等杂质的深度净化，成为焦炉气化工利用生产甲醇的技术“瓶颈”必须开发新型的脱硫净化工艺，使焦炉煤气中硫体积分数降至0.1 ulL以下达到甲醇合成气的要求。西北化工研究院开发的两段加氢、两段吸收工艺及相应的催化剂及吸收剂(称之为新型干法净化工艺)。可使硫含量达到甲醇合成气的要求。成都五环新锐化工有限公司开发的焦炉煤气非催化转化制合成气技术， 即焦炉气不需净化，在常压(或加压1下将焦炉气中的有机物(焦油、萘、苯、酚及有机硫化物)全部裂解转化，其中的有机硫全部转化为无机硫。降低了脱硫技术难度和脱硫费用9。5.4.3 压低焦油沥青产出焦油加工时沥青产率约为55。2006年沥青产量约为240万t因此。焦油沥青市场出路如何落实，是建设焦油加工项目必须考虑的问题，也可以说是焦油加工的一个“包袱”。一个必须解决的难题。所以近年来选择国内外技术出现的新动向是看好能降低沥青产率的新工艺。德国、日本以及鞍山焦萘院都推荐焦油沥青产率控制在13甚至14的技术10。5.5 加强对褐煤的加工利用褐煤是煤化程度最低的一类煤含水量高(3050)，挥发分高(1530)，发热量低(12.5614.65 MJkg)，而且易风化碎裂，易氧化自燃，不适于远途运输(300 km)利用；褐煤直接燃烧时排出的粉尘量大，环境污染严重，热利用率低。对褐煤热解提质生产半焦，不但可解决上述问题，还可得到煤焦油和焦炉煤气等多种煤基产品，是褐煤高效、低污染利用的非常重要途径对褐煤的加工，应根据褐煤的质量性能、产品市场定位等，选择相应的加工技术和加工规模，我国低灰分褐煤资源很少，应进行合理利用。5.5.1 低灰分的优质褐煤加工方案(1)采用中低温干馏工艺制取高品质还原剂，替代冶金焦，用作铁合金、电石生产的原料。(2)制取炭质吸附剂，用褐煤制得的活性炭产品以大中孔为主，不仅对硫的吸附容量很大。而且很适合处理各种工业污水，在我国水资源日益紧缺情况下，开发这类煤基活性炭有着非常重要的意义。5.5.2 高灰分、高含硫的褐煤加工方案采用温和热解的技术，对褐煤进行提质，同时可得到低温煤焦油提质后的褐煤主要定位在动力用煤，装置加工规模相应比较大，最好定位在500万ta以上。得到的低温煤焦油是生产液体燃料的优质原料，对其进行加工可生产多种液体燃料。5.5.3 褐煤低温煤焦油加工方案褐煤低温煤焦油的组成与性质更类似于重油，是一种非常有价值的资源对其进行加工可