我國焦化行業節能減排技術現狀與發展建議(1)
編輯:冶金科技發展中心 時間:2011-07-26
李庭壽1、祁蘇平1、鄭文華2
1)冶金科技發展中心 2)中冶焦耐工程技術有限公司
前 言
我國提出了，“到2020年，非化石能源消費達15%、CO2排放強度降低40%-45%的目標”。為此，加快推進非化石能源發展，加快推進水電、核電建設，積極有序做好風電、太陽能、生物質能等可再生能源的轉化利用，確保到2015年非化石能源消費占一次能源消費的比重達到11%以上。
焦化企業是能源轉換的工廠，也是煤炭消耗的大戶。我國年消耗煤炭近30億噸， 2009年我國共生產焦炭3.551億t，按生產每噸焦炭消耗1.33～1.35t洗精煤計算，至少共消耗掉4.73億t洗精煤，相當于9億多t煉焦原煤，同時生產出1500億m3焦爐煤氣。焦化過程中還產生了約50kgce/t焦的余熱、余能。我國鋼鐵企業焦化生產過程中的能耗（含化產）約為150kgce/t焦，約占噸鋼綜合能耗的25%。2008年全國焦化行業排放的SO2占全國總排放量的1.02％、COD占1.16％、NOX占0. 61％、NH3-N占2. 90％。
因此，在鋼鐵行業大力推廣應用降低燃料消耗（焦炭和煤）的新工藝新技術的同時，焦化行業應加快開發和應用降低煤炭資源消耗量、能源消耗量和污染物排放量為目的的新技術新工藝，實現生產高效化、產品潔凈化和環境無害化，促進焦化行業低碳循環可持續發展。
本文對我國焦化行業的主要節能減排工藝技術現狀進行了總結評述，提出了今后發展的建議。
一 煤調濕技術現狀與發展建議
1.1 煤調濕技術
“煤調濕”（CMC）是“裝爐煤水分控制工藝”(coal moisture control process)的簡稱，是將煉焦煤料在裝爐前去除一部分水分，保持裝爐煤水分穩定在6%左右，然后裝爐煉焦的一種煤預處理工藝。煤調濕有嚴格的水分控制措施，能確保入爐煤水分恒定。煤調濕以其顯著的節能、環保和經濟效益受到普遍重視。美國、前蘇聯、德國、法國、日本和英國等都進行過不同形式的煤調濕試驗和生產，尤其是日本發展最為迅速。截至2009年底，日本現有的16個焦化廠51組（座）焦爐中，其中有36組（座）焦爐配置了煤調濕裝置，占焦爐總數的70.5％。
1.2 煤調濕工藝原理
煤調濕的基本原理是利用外熱將煉焦煤在裝爐前進行干燥、脫水，調節裝爐煤水分，以降低煉焦耗熱量、減少溫室氣體排放、改善焦爐操作、延長焦爐使用壽命、提高焦炭質量或擴大弱黏結焦煤用量的煉焦技術。
焦爐正常操作下單位時間供熱量穩定，一定量煤結焦熱一定，所以裝爐煤水份穩定有利于焦爐操作穩定，避免焦炭不熟或過火；裝爐煤水份降低，使炭化室物料在100℃左右停留時間縮短，從而縮短結焦時間、提高加熱速度、減少能耗。裝爐煤水分降低到6%以下時，煤粒表面水膜變得不完整，表面張力降低，裝爐后煤的流動性得到改善，煤顆粒間間隙容易相互填滿，于是裝爐煤堆密度增大。裝爐煤密度增大和結焦速度加快可提高焦爐生產能力，改善焦炭質量或者多用高揮發分弱黏結性煤煉焦。
1 .3 煤調濕主要工藝
目前，世界上采用較多的主要有兩種煤調濕工藝流程：蒸汽管式回轉干燥機技術和流化床（含氣流床）干燥器技術。
1.3.1 蒸汽管式回轉干燥機技術
蒸汽管回轉干燥機技術，以干熄焦蒸汽發電后的背壓汽或工廠內其他低壓蒸汽為熱源，多采用蒸汽走管內，煤走管外的形式。其外形像一個回轉窯，圓筒內與筒平行裝有多層同心圓排列的蒸汽管。濕煤通過螺旋給料機送入干燥機內，與管內蒸汽進行間接換熱。采用焦爐煙道廢氣作為載氣，在起防爆和帶出水汽作用的同時，還利用焦爐煙道廢氣的顯熱直接加熱濕煤。濕煤脫除部分水份后，于筒尾通過出料螺旋排至輸送系統。該煤調濕技術最早于20世紀90年代初在日本君津廠和福山廠投產，日本正在運行的煤調濕多數為此種形式。近幾年在對此項技術進行不斷優化的基礎上，我國的寶鋼、太鋼及攀鋼的煤調濕裝置也已相繼投產。表1為中日韓三國蒸汽間接加熱煤調濕已投產的裝置統計。
我國焦化行業節能減排技術現狀與發展建議(2)
編輯:冶金科技發展中心 時間:2011-07-27
采用煙道廢氣的流化床煤調濕裝置工藝流程短，設備少且結構簡單，便于制造，維修方便，具有投資省、操作成本低、占地面積小等優點。煤料與煙道廢氣直接換熱，效率高。但是，因有10%～30%的細煤粉被廢氣攜帶出，所以必須設置龐大的除塵設施；只調濕不能風選；并且操作和粒度控制較嚴，存在粉塵爆炸的危險，對易結壁和結塊的物料，易產生設備結壁和堵床現象。
2）我國開發的移動隔板式氣流床煤調濕技術，該裝置位于備煤
車間粉碎機前，先對煤料進行風選分級，然后再進行煤調濕。床體采用長方形結構，內設有開小孔的布風板。床體內部安裝移動式隔板裝置，以保證原料煤的移動與流化效果，煤料與煙道廢氣直接換熱，煙氣余熱利用率高，工藝流程短，設備少，投資省，操作成本低，占地面積小。
3）我國正在開發的振動流化床煤炭風力分離及調濕技術，采用
以振動流化床煤炭風力分離調濕機為核心設備的風力分離及調濕系統。該系統由振動流化床煤炭風力分離調濕機、細粒分離器、細粒回收裝置、一次送風機、排煙風機、定量給料裝置和原料煤緩沖倉等組成。
其工作原理是：煤炭通過布料裝置被連續地拋灑到振動流化床煤炭風力分離調濕機的床面上，熱煙道氣分二次進入振動流化床煤炭風力分離調濕機，一次風用于流化原料煤，同時對粗顆粒煤料進行調濕；二次風用于細顆粒煤料的調濕。調濕煤則從不同渠道分離并流出，未被流化的粗顆粒煤料在振動力的作用下，從振動流化床煤炭風力分離調濕機出口流出；中、細顆粒煤料則隨氣流流出，進入細粒分離器后，中顆粒煤料被分離收集，細顆粒煤料則被細粒回收裝置收集。不同粒徑的煤料在振動流化床煤炭風力分離調濕機中處于不同的調濕狀態。
其技術特點：分離效率高；調濕快速且高效；調濕均勻且有選擇性；調濕效果好；安全性好；可靠性高；投資和運行費用低；占地面積小。
4)我國正在開發半沸騰流化床風動分離干燥機（專利申請號：2006100315.5）。該裝置由緊貼于布風板上的移動刮板將煤料從進料口刮向出料口，煤料在氣流作用下呈半流化狀態，與熱氣流熱交換，實現干燥，同時細顆粒從布置于流化床兩側的溢流口排出，實現風力分離。
流化床(含氣流床)干燥器技術的調濕效果與焦爐煙道廢氣的組成有關。我國獨立焦化廠的焦爐大多用焦爐煤氣加熱，而鋼鐵企業焦化廠大多用高爐煤氣（摻入2％～7％焦爐煤氣）加熱。因焦爐煤氣中含氫高達55～60％，因此，焦爐煙道廢氣中水分含量高，將其作為流化床煤調濕熱源時，不利于煤水分的蒸發。昆明制氣廠的焦爐用焦爐煤氣加熱，其焦爐煙道廢氣含水高達17.3%，最多只能去除2～2.5個百分點的煤水分。而寶鋼焦爐用高爐煤氣加熱，其焦爐煙道廢氣只含水份3.3%，有利于煤水分的蒸發干燥。因此，以焦爐煙道廢氣為熱源的煤調濕裝置適合建在用高爐煤氣加熱焦爐的鋼鐵企業焦化廠。焦爐煙道廢氣組成見表3。
表3 焦爐煙道廢氣組成（體積百分比％）
|
組分 |
CO |
CO2 |
H2 |
CH4 |
N2 |
H2O |
CmHn |
|
焦爐煤氣（COG） |
5~7 |
2~3 |
55~60 |
25~30 |
2.5~3.5 |
|
2~3 |
|
高爐煤氣(BFG) |
26.6 |
12 |
2.4 |
0.3 |
56.4 |
2.3 |
|
|
燒COG廢氣（昆氣） |
|
5.4 |
|
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71.0 |
17.3 |
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燒BFG廢氣（寶鋼） |
|
22.1 |
|
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70.5 |
~3.3 |
|
流化床干燥器技術，以焦爐煙道廢氣為熱源和載氣。用引風機抽取焦爐煙道廢氣送往流化床干燥機，控制風壓和風速，使濕煤在流化床干燥機內呈流態化狀態，與通過布風板的煙道廢氣充分對流換熱、干燥。換熱后的煙道廢氣去往袋式除塵器過濾，然后由引風機送至煙囪外排。流化床干燥器內焦爐煙道廢氣與濕煤直接接觸，換熱效率高，工藝流程較短，操作運行成本較低。流化床干燥器因采用的工藝設備不同還可具體分為若干種，其工藝效果也有很大差別。目前國內外已投產的流化床煤調濕工藝主要有如下幾種類型： 1) 日本開發的流化床煤調濕技術，利用布風噴嘴噴出的高速斜向氣流使煤料流化并向出口移動，溫度為55～60℃的70%～90%的粗粒煤（相對而言）從干燥機排入螺旋輸送機，剩下的10%～30%粉煤隨70℃的干燥氣體進入袋式除塵器，回收的粉煤排入螺旋輸送機。粉煤和粗粒煤混合后經管狀帶式機輸送至焦爐煤塔。截至2009年12月，日本和我國流化床煤調濕裝置如下表2。
表2 日本和我國流化床煤調濕裝置
|
公司 |
焦化廠 |
焦爐組別 |
能力 t/h×臺 |
投產年月 |
|
新日鐵 |
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 |
|
北海制鐵 |
室籣 |
N0.5 |
120×1 |
1996.12 |
|
中國馬鋼焦化廠 |
N0.5、6號6米爐 |
167×1 |
預計2011.9 |
用煙道廢氣的流化床煤調濕裝置工藝流程短，設備少且結構簡單，便于制造，維修方便，具有投資省、操作成本低、占地面積小等優點。煤料與煙道廢氣直接換熱，效率高。但是，因有10%～30%的細煤粉被廢氣攜帶出，所以必須設置龐大的除塵設施；只調濕不能風選；并且操作和粒度控制較嚴，存在粉塵爆炸的危險，對易結壁和結塊的物料，易產生設備結壁和堵床現象。
2）我國開發的移動隔板式氣流床煤調濕技術，該裝置位于備煤
車間粉碎機前，先對煤料進行風選分級，然后再進行煤調濕。床體采用長方形結構，內設有開小孔的布風板。床體內部安裝移動式隔板裝置，以保證原料煤的移動與流化效果，煤料與煙道廢氣直接換熱，煙氣余熱利用率高，工藝流程短，設備少，投資省，操作成本低，占地面積小。
3）我國正在開發的振動流化床煤炭風力分離及調濕技術，采用
以振動流化床煤炭風力分離調濕機為核心設備的風力分離及調濕系統。該系統由振動流化床煤炭風力分離調濕機、細粒分離器、細粒回收裝置、一次送風機、排煙風機、定量給料裝置和原料煤緩沖倉等組成。
其工作原理是：煤炭通過布料裝置被連續地拋灑到振動流化床煤炭風力分離調濕機的床面上，熱煙道氣分二次進入振動流化床煤炭風力分離調濕機，一次風用于流化原料煤，同時對粗顆粒煤料進行調濕；二次風用于細顆粒煤料的調濕。調濕煤則從不同渠道分離并流出，未被流化的粗顆粒煤料在振動力的作用下，從振動流化床煤炭風力分離調濕機出口流出；中、細顆粒煤料則隨氣流流出，進入細粒分離器后，中顆粒煤料被分離收集，細顆粒煤料則被細粒回收裝置收集。不同粒徑的煤料在振動流化床煤炭風力分離調濕機中處于不同的調濕狀態。
其技術特點：分離效率高；調濕快速且高效；調濕均勻且有選擇性；調濕效果好；安全性好；可靠性高；投資和運行費用低；占地面積小。
4)我國正在開發半沸騰流化床風動分離干燥機（專利申請號：2006100315.5）。該裝置由緊貼于布風板上的移動刮板將煤料從進料口刮向出料口，煤料在氣流作用下呈半流化狀態，與熱氣流熱交換，實現干燥，同時細顆粒從布置于流化床兩側的溢流口排出，實現風力分離。
流化床(含氣流床)干燥器技術的調濕效果與焦爐煙道廢氣的組成有關。我國獨立焦化廠的焦爐大多用焦爐煤氣加熱，而鋼鐵企業焦化廠大多用高爐煤氣（摻入2％～7％焦爐煤氣）加熱。因焦爐煤氣中含氫高達55～60％，因此，焦爐煙道廢氣中水分含量高，將其作為流化床煤調濕熱源時，不利于煤水分的蒸發。昆明制氣廠的焦爐用焦爐煤氣加熱，其焦爐煙道廢氣含水高達17.3%，最多只能去除2～2.5個百分點的煤水分。而寶鋼焦爐用高爐煤氣加熱，其焦爐煙道廢氣只含水份3.3%，有利于煤水分的蒸發干燥。因此，以焦爐煙道廢氣為熱源的煤調濕裝置適合建在用高爐煤氣加熱焦爐的鋼鐵企業焦化廠。焦爐煙道廢氣組成見表3。
表3 焦爐煙道廢氣組成（體積百分比％）
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組分 |
CO |
CO2 |
H2 |
CH4 |
N2 |
H2O |
CmHn |
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焦爐煤氣（COG） |
5~7 |
2~3 |
55~60 |
25~30 |
2.5~3.5 |
|
2~3 |
|
高爐煤氣(BFG) |
26.6 |
12 |
2.4 |
0.3 |
56.4 |
2.3 |
|
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燒COG廢氣（昆氣） |
|
5.4 |
|
|
71.0 |
17.3 |
|
|
燒BFG廢氣（寶鋼） |
|
22.1 |
|
|
70.5 |
~3.3 |
|
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