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日本焦炉工序的节能环保近年发展概况技术简介

世纪之交是日本焦炭生产的转换期,一方面,九十年代泡沫经济破灭后因钢铁需求疲软导致焦炭减产;另一方面,供城市煤气的焦炉因被天然气取代而全部停产。近年由于钢铁需求恢复,除扩大喷煤比和大力延长焦炉寿命外,开始对部份停产焦炉恢复生产(如三井矿山)和新建焦炉(如JFE钢铁5#焦炉)。

在节能方面效果最好的干熄焦(CDQ)技术,既可回收余热进行发电,又可提高焦炭质量以利于
高炉降低焦比,因此综合节能和减排CO2的效果良好,现普及率已达80%以上。

在配煤方面,由于近年主焦煤价格暴涨,从合理利用资源的角度出发,狠抓了扩大非微粘煤的配比,已由上世纪九十年代初的20%扩大到2001年的近40%,近年又扩大到50~60%,主要是采取了降低煤中水分的煤预热技术和对微粉煤的预成型技术,目前相关设备已基本得到普及。

在延长炉体寿命方面,由于完善和改进了修补技术、炉体诊断技术及操作管理技术,焦炉的平均炉体寿命已达35年以上,部分达40年左右。

环保技术方面,除加强了防止粉尘排放和焦炉煤气泄漏外,还从减排CO2出发,从2000年起在炼焦煤中掺入1%的废塑料炼焦成功,能量利用率达94%,高于高炉喷吹的75~80%,除在新日铁所属5个厂推广外,2006年JFE钢铁的京滨厂也开始试行,接着又开发成功将掺入量扩大到2%的技术并已推广。

在焦炉煤气合理利用方面,过去就开发成功了从焦炉煤气中提氢,配合利用氧气机的副产品氮和石灰窑的副产品CO2生产尿素的技术,近年为了适应发展燃料电池汽车的需要,新日铁已将从焦炉煤气中分离出的氢专供汽车加氢站,从而为节能环保作出更大的贡献。

为适应21世纪对节能环保的更高要求,由政府主持开发的新焦炉项目“Scope 21”,经1994~2003年的研究开发已开发成功。根据50t/d的工试炉结果,其生产效率为现焦炉的2.4~3倍,非微粘结性煤比也进一步加大,节能率达20%左右,环保进一步改善,因此新日铁正积极筹备建实用炉中。

从节约篇幅出发,对我国已在推广并众所周知的干熄焦等重大节能技术不再重复介绍,现重点对2001年日本各厂焦炉生产和节能技术推广情况、焦炉掺用废塑料工艺技术和“Scope 21”技术开发经过及具体技术介绍如下,以供参考。

日本2001年焦炉生产和节能技术推广情况简介

日本2001年产钢10286万t,比上年减少3.4%,产铁7924万t,产焦3539万t,均略低于上年。共有焦炉45座合4262孔生产,其主要生产指标和节能技术推广情况见表1。

表1 各厂焦炉生产指标和节能技术推广情况
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由以上可以看出,4262孔焦炉中仅有809孔未上干熄焦,说明其普及率已达81%以上。煤调湿虽略低,但靠煤预热、成型煤等补足,因此节能效果也很好。还有各厂通过加强管理和推广节能技术,除产量普遍超过设计能力外,当年非微粘结性的配比也达到40%左右,都值得我们学习。近年针对炼焦煤价格暴涨的严峻形势,新日铁的环境工艺研究开发中心通过大量基础性研究后开发成功了进一步扩大非微粘结煤配比的技术,目前正在各厂推广应用中。

炼焦煤中配入废塑料应用技术简介

日本NKK京滨厂4093m3高炉于1995年学习德国不来梅厂经验试喷废塑料代煤成功后,1996年出台了减排CO2为中心的钢铁业2010年节能环保志愿计划,即列入钢铁业吃废塑料100万t以折合钢铁节能1.5%的目标后,NKK福山厂和神户制钢加古川厂也开始推广,能量利用量高达75~80%,但要求含氯废塑料≤2%。新日铁却在过去废塑料油化技术开发经验的基础上开发成功了在炼焦煤中掺入废塑料1%的炼焦技术,加入的废塑料除20%变成焦炭外,其余变成煤气和化工副产品各40%,以使能量利用率达94%,高于高炉喷吹的75~80%和气化液化的65%,同时含氯废塑料的比例可放宽到5%,从而具有后发优势。于是新日铁首先于2000年在君津厂和名古屋厂各建成4万t/a预处理装置,2001年又在八幡厂和室兰厂各建成2万t/a预处理装置。由于按“容器包装再生法”的规定,废塑料处理协会要付给处理厂2~4万日元/t的委托处理费,在这种激励政策下,新日铁又通过开发成功将废料配入比提高到2%的技术后,把各厂的预处理量加倍的同时,于2005年又在大分厂建4万t/a预处理装置,当年5个厂共吃废塑料17万t以上,超过了高炉喷吹的15万t。不仅新日铁计划到2010年共吃38万t,连JFE钢铁的京滨厂也于2005年起试掺6000t,拟成功后将继续扩大,今后将成为钢铁企业吃废塑料的主流。

具体预处理过程为:将回收的混合废塑料拆包后先用人工检出较明显的杂物,然后经粉碎机碎为5mm左右的小片,若发现PVC等含氯废塑料偏高时,可利用比重法将过多的部分选出,然后送造粒机压成2~3mm的小粒,按比例加入炼焦煤中即可。由1%扩大到2%的关键为解决加大掺入比后不致影响焦炭的强度。经多次试验,终于找出合适的造粒径,从而问题得到了解决。从技术上看废塑料还可更多的掺入,但缺点是此部分的焦炭回收率将由70%降至20%,即焦炭产量将降至1.5%左右,目前日本焦炭的生产能力不足,故维持在这一水平较为合适,若在我国推广,还可适当加大掺入比。

“Scope 21”新技术的开发简介

1 开发背景。为适应21世纪焦煤短缺,环保日益严格以及现有焦炉将于21世纪初大修的要求,日本政府于1994年决定由煤炭综合利用中心会同钢铁联盟共同开发下一代新炉型“Scope 21”,经过8年努力,终于在2001年完成50t工试,成为当代世界上最先进的炼焦法。但由于近年来从减排CO2出发,各厂采取扩大焦炭进口的方针和加强了老焦炉的维护,因此尚未得到利用。据近日的媒体报道,新日铁正筹备在大分厂建实用化炉中。

2 开发目标。通过将现室式炼焦炉的功能分解为煤预热、干燥和干馏及焦炭改质和熄焦等三大工序,以提高系统的功能和效率,具体目标为和当时的GM焦炉相比有以下优点:

——合理利用资源,非粘煤配比提高到50%。

——生产效率提高到2.4~3倍。

——环保和节能效果好:(a)达到无烟、无臭和无尘;(b)SOx-10%、NOx-30%;(c)节能20%。

其工艺流程大致如下:

(1) 原料煤通过干燥分级机分为两级,干燥热源利用烟气余热和补加燃料的热风炉。

(2) 粗粒煤经快速加热到350~400℃直接入炉,细粒煤经快速加热到350~400℃并经热成型后入炉,所用热源同上。

(3) 焦炉炭化室由高导热性耐火材料砌成,并附蓄热室,在压力控制下于750~850℃下干馏,成焦后于密闭状态下送入改质器再加热到1000℃后熄焦。

上述工艺具体达到目标的功能如下:

(1) 通过对煤的快速加热以改善煤的粘结性,可多用非粘煤15%,另外对细粒煤热压成型可使入炉煤的堆比重由0.75kg/cm3提高到0.85kg/cm3,非粘煤可再多用15%。

(2) 目前焦炉在≤100℃下停8h,100~1000℃下停10h,在炉共18h;新炉为≤400℃下停0.5h,400~800℃下停5.5h,共计6h,只有原来的1/3,故生产效率大幅提高。

(3) 节能主要由于入炉煤温度提高、干馏时间缩短和出炉温度降低的原因。环保主要是由于煤焦密闭运输和焦炉燃烧改进后的低NO2化等因素。

3 煤预热处理技术的开发过程。1994年在基础技术研究成果后建成0.6t/h中试炉,其成果如下:

(1) 为了验证快速加热对改进焦炭质量的效果,按设计流程用90kg/h试验装置进行了焦炭质量的改进试验,可看出其基本效果如下:

(a)加热气体对焦炭质量的影响。试验煤为粘结性煤和非粘结煤各1/2,其成分如表2。

表2 试验煤的成分和性能
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用3种加热气体对煤处理后,用模式炉成焦后的质量对比如表3。

表3 加热气体成分和焦炭质量的对照表
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(b)对粘结煤和非粘煤分别处理对焦炭质量的影响。所用煤种的成分如表4。按5种不同方式预处理后对焦炭质量的影响如表5。由试验结果可看出分别处理的效果最好。

表4 两种煤的成分对比
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表5 不同煤预处理方式对焦炭质量的影响
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(2) 煤预热处理系统中试。为给工试提供设计依据,在上述单项试验成果的基础上于1998年10月到1999年末进行了系统中试,其主要成果如下:

(a)设备概况。基本流程是在流化床加热至300℃左右分级,通过气流加热塔分别对粗粒和细粒粉进行快速加热试验,并对加热后的细粒进行热压成型试验。由于气流加热炉只有一套,只能将两者的加热试验时间错开进行。试验设备考虑分阶段加大20倍的原则,系统中试为0.6t/h,放大到工试的12t/h和实用炉的230t/h,即考虑实用炉配套4000m3高炉的需要,焦炉的日产规模为4000t,中试设备的规格如表6。

表6 煤预热系中试设备规格
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(b)试验结果基本符合设计要求,接着于2001年放大设计建成工试设备。

4 新焦炉结构的特征。为实现对预加热到350℃的煤干馏,首先应开发保证高效生产的高负荷燃烧和高导热性炉壁以及在高堆比重下确保炉壁长寿命的室状炉。其具体结构如下:

(1) 燃烧结构。 在1995~1998年系列试验基础上,决定采取类似现有焦炉的燃烧结构。但为保高效生产采取了导热性好的薄壁结构(由100mm厚改为70mm)和优质硅砖,它和现用硅砖的性能对比如表7。此外,新开发的燃烧器在低NOx化的同时,炉高方向的温差也缩小到±25℃以下,1200℃时的NOx也由现在的200ppm下降到50ppm。

表7 新用硅砖和原焦炉硅砖的性能对比
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(2) 蓄热式结构。为在总蓄热室容积不变下将蓄热负荷提高1倍,采取了将槽形格子砖的槽宽由15mm改为11mm的同时,将砖厚也由15mm改为11mm,从而扩大了蓄热面积;加上蓄热、放热时间的改进,终于达到了预定目标。

(3) 炭化室结构。如上所述,在将炉壁减薄的同时还采用了导热性好的高密度硅砖,使炭化室炉壁的导热率提高到原焦炉的1.7倍。只是相邻燃烧室间的接合部,从保护炉体结构的强度出发未予减薄,因此可保证预热煤的快速干馏。

5 总体设备的工试。 从1998年开始干馏炉的设计,1999年起用2年时间建成了工试设备。其能力为中试设备的20倍和实用炉的1/20。另外对低温出焦后焦炭的升温改质和熄焦已于1994~1999年利用现干熄焦设备完成了试验,不再列入此次工试。

煤预热处理系统的主要设备规格均按实用机的1/20规模选用和参照中试结果设计,干馏炉采用1台,也按上述燃烧最佳化试验结果并考虑今后实用化时符合环保要求的条件设计;炉体尺寸按炉高、炉宽同实用炉而炉长为实用炉的1/2,即分别为7.5m、435/469mm和8m。

经2001年建成工试后,均达到了预定目标,并于2003年经有关部门评审合格后正式验收,现正据以进行实用炉的设计和筹建中。新炉和老炉的对比示意图如下,以供参考。

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图 新旧焦炉示意图对比



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