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日本焦爐工序的節能環保近年發展概況技術簡介

世紀之交是日本焦炭生產的轉換期,一方面,九十年代泡沫經濟破滅后因鋼鐵需求疲軟導致焦炭減產;另一方面,供城市煤氣的焦爐因被降低焦比,因此綜合節能和減排CO2的效果良好,現普及率已達80%以上。

在配煤方面,由于近年主焦煤價格暴漲,從合理利用資源的角度出發,狠抓了擴大非微粘煤的配比,已由上世紀九十年代初的20%擴大到2001年的近40%,近年又擴大到50~60%,主要是采取了降低煤中水分的煤預熱技術和對微粉煤的預成型技術,目前相關設備已基本得到普及。

在延長爐體壽命方面,由于完善和改進了修補技術、爐體診斷技術及操作管理技術,焦爐的平均爐體壽命已達35年以上,部分達40年左右。

技術方面,除加強了防止粉塵排放和焦爐煤氣泄漏外,還從減排CO2出發,從2000年起在煉焦煤中摻入1%的廢塑料煉焦成功,能量利用率達94%,高于高爐噴吹的75~80%,除在新日鐵所屬5個廠推廣外,2006年JFE鋼鐵的京濱廠也開始試行,接著又開發成功將摻入量擴大到2%的技術并已推廣。

在焦爐煤氣合理利用方面,過去就開發成功了從焦爐煤氣中提氫,配合利用氧氣機的副產品氮和石灰窯的副產品CO2生產尿素的技術,近年為了適應發展燃料電池汽車的需要,新日鐵已將從焦爐煤氣中分離出的氫專供汽車加氫站,從而為節能環保作出更大的貢獻。

為適應21世紀對節能環保的更高要求,由政府主持開發的新焦爐項目“Scope 21”,經1994~2003年的研究開發已開發成功。根據50t/d的工試爐結果,其生產效率為現焦爐的2.4~3倍,非微粘結性煤比也進一步加大,節能率達20%左右,環保進一步改善,因此新日鐵正積極籌備建實用爐中。

從節約篇幅出發,對我國已在推廣并眾所周知的干熄焦等重大節能技術不再重復介紹,現重點對2001年日本各廠焦爐生產和節能技術推廣情況、焦爐摻用廢塑料工藝技術和“Scope 21”技術開發經過及具體技術介紹如下,以供參考。

日本2001年焦爐生產和節能技術推廣情況簡介

日本2001年產鋼10286萬t,比上年減少3.4%,產鐵7924萬t,產焦3539萬t,均略低于上年。共有焦爐45座合4262孔生產,其主要生產指標和節能技術推廣情況見表1。

表1 各廠焦爐生產指標和節能技術推廣情況

由以上可以看出,4262孔焦爐中僅有809孔未上干熄焦,說明其普及率已達81%以上。煤調濕雖略低,但靠煤預熱、成型煤等補足,因此節能效果也很好。還有各廠通過加強管理和推廣節能技術,除產量普遍超過設計能力外,當年非微粘結性的配比也達到40%左右,都值得我們學習。近年針對煉焦煤價格暴漲的嚴峻形勢,新日鐵的環境工藝研究開發中心通過大量基礎性研究后開發成功了進一步擴大非微粘結煤配比的技術,目前正在各廠推廣應用中。

煉焦煤中配入廢塑料應用技術簡介

日本NKK京濱廠4093m3高爐于1995年學習德國不來梅廠經驗試噴廢塑料代煤成功后,1996年出臺了減排CO2為中心的鋼鐵業2010年節能環保志愿計劃,即列入鋼鐵業吃廢塑料100萬t以折合鋼鐵節能1.5%的目標后,NKK福山廠和神戶制鋼加古川廠也開始推廣,能量利用量高達75~80%,但要求含氯廢塑料≤2%。新日鐵卻在過去廢塑料油化技術開發經驗的基礎上開發成功了在煉焦煤中摻入廢塑料1%的煉焦技術,加入的廢塑料除20%變成焦炭外,其余變成煤氣和化工副產品各40%,以使能量利用率達94%,高于高爐噴吹的75~80%和氣化液化的65%,同時含氯廢塑料的比例可放寬到5%,從而具有后發優勢。于是新日鐵首先于2000年在君津廠和名古屋廠各建成4萬t/a預處理裝置,2001年又在八幡廠和室蘭廠各建成2萬t/a預處理裝置。由于按“容器包裝再生法”的規定,廢塑料處理協會要付給處理廠2~4萬日元/t的委托處理費,在這種激勵政策下,新日鐵又通過開發成功將廢料配入比提高到2%的技術后,把各廠的預處理量加倍的同時,于2005年又在大分廠建4萬t/a預處理裝置,當年5個廠共吃廢塑料17萬t以上,超過了高爐噴吹的15萬t。不僅新日鐵計劃到2010年共吃38萬t,連JFE鋼鐵的京濱廠也于2005年起試摻6000t,擬成功后將繼續擴大,今后將成為鋼鐵企業吃廢塑料的主流。

具體預處理過程為:將回收的混合廢塑料拆包后先用人工檢出較明顯的雜物,然后經粉碎機碎為5mm左右的小片,若發現PVC等含氯廢塑料偏高時,可利用比重法將過多的部分選出,然后送造粒機壓成2~3mm的小粒,按比例加入煉焦煤中即可。由1%擴大到2%的關鍵為解決加大摻入比后不致影響焦炭的強度。經多次試驗,終于找出合適的造粒徑,從而問題得到了解決。從技術上看廢塑料還可更多的摻入,但缺點是此部分的焦炭回收率將由70%降至20%,即焦炭產量將降至1.5%左右,目前日本焦炭的生產能力不足,故維持在這一水平較為合適,若在我國推廣,還可適當加大摻入比。

“Scope 21”新技術的開發簡介

1 開發背景。為適應21世紀焦煤短缺,環保日益嚴格以及現有焦爐將于21世紀初大修的要求,日本政府于1994年決定由煤炭綜合利用中心會同鋼鐵聯盟共同開發下一代新爐型“Scope 21”,經過8年努力,終于在2001年完成50t工試,成為當代世界上最先進的煉焦法。但由于近年來從減排CO2出發,各廠采取擴大焦炭進口的方針和加強了老焦爐的維護,因此尚未得到利用。據近日的媒體報道,新日鐵正籌備在大分廠建實用化爐中。

2 開發目標。通過將現室式煉焦爐的功能分解為煤預熱、干燥和干餾及焦炭改質和熄焦等三大工序,以提高系統的功能和效率,具體目標為和當時的GM焦爐相比有以下優點:

——合理利用資源,非粘煤配比提高到50%。

——生產效率提高到2.4~3倍。

——環保和節能效果好:(a)達到無煙、無臭和無塵;(b)SOx-10%、NOx-30%;(c)節能20%。

其工藝流程大致如下:

(1) 原料煤通過干燥分級機分為兩級,干燥熱源利用煙氣余熱和補加燃料的熱風爐。

(2) 粗粒煤經快速加熱到350~400℃直接入爐,細粒煤經快速加熱到350~400℃并經熱成型后入爐,所用熱源同上。

(3) 焦爐炭化室由高導熱性耐火材料砌成,并附蓄熱室,在壓力控制下于750~850℃下干餾,成焦后于密閉狀態下送入改質器再加熱到1000℃后熄焦。

上述工藝具體達到目標的功能如下:

(1) 通過對煤的快速加熱以改善煤的粘結性,可多用非粘煤15%,另外對細粒煤熱壓成型可使入爐煤的堆比重由0.75kg/cm3提高到0.85kg/cm3,非粘煤可再多用15%。

(2) 目前焦爐在≤100℃下停8h,100~1000℃下停10h,在爐共18h;新爐為≤400℃下停0.5h,400~800℃下停5.5h,共計6h,只有原來的1/3,故生產效率大幅提高。

(3) 節能主要由于入爐煤溫度提高、干餾時間縮短和出爐溫度降低的原因。環保主要是由于煤焦密閉運輸和焦爐燃燒改進后的低NO2化等因素。

3 煤預技術的開發過程。1994年在基礎技術研究成果后建成0.6t/h中試爐,其成果如下:

(1) 為了驗證快速加熱對改進焦炭質量的效果,按設計流程用90kg/h試驗裝置進行了焦炭質量的改進試驗,可看出其基本效果如下:

(a)加熱氣體對焦炭質量的影響。試驗煤為粘結性煤和非粘結煤各1/2,其成分如表2。

表2 試驗煤的成分和性能

用3種加熱氣體對煤處理后,用模式爐成焦后的質量對比如表3。

表3 加熱氣體成分和焦炭質量的對照表

(b)對粘結煤和非粘煤分別處理對焦炭質量的影響。所用煤種的成分如表4。按5種不同方式預處理后對焦炭質量的影響如表5。由試驗結果可看出分別處理的效果最好。

表4 兩種煤的成分對比

表5 不同煤預處理方式對焦炭質量的影響

(2) 煤預熱處理系統中試。為給工試提供設計依據,在上述單項試驗成果的基礎上于1998年10月到1999年末進行了系統中試,其主要成果如下:

(a)設備概況。基本流程是在流化床加熱至300℃左右分級,通過氣流加熱塔分別對粗粒和細粒粉進行快速加熱試驗,并對加熱后的細粒進行熱壓成型試驗。由于氣流加熱爐只有一套,只能將兩者的加熱試驗時間錯開進行。試驗設備考慮分階段加大20倍的原則,系統中試為0.6t/h,放大到工試的12t/h和實用爐的230t/h,即考慮實用爐配套4000m3高爐的需要,焦爐的日產規模為4000t,中試設備的規格如表6。

表6 煤預熱系中試設備規格

(b)試驗結果基本符合設計要求,接著于2001年放大設計建成工試設備。

4 新焦爐結構的特征。為實現對預加熱到350℃的煤干餾,首先應開發保證高效生產的高負荷燃燒和高導熱性爐壁以及在高堆比重下確保爐壁長壽命的室狀爐。其具體結構如下:

(1) 燃燒結構。 在1995~1998年系列試驗基礎上,決定采取類似現有焦爐的燃燒結構。但為保高效生產采取了導熱性好的薄壁結構(由100mm厚改為70mm)和優質硅磚,它和現用硅磚的性能對比如表7。此外,新開發的

(2) 蓄熱式結構。為在總蓄熱室容積不變下將蓄熱負荷提高1倍,采取了將槽形格子磚的槽寬由15mm改為11mm的同時,將磚厚也由15mm改為11mm,從而擴大了蓄熱面積;加上蓄熱、放熱時間的改進,終于達到了預定目標。

(3) 炭化室結構。如上所述,在將爐壁減薄的同時還采用了導熱性好的高密度硅磚,使炭化室爐壁的導熱率提高到原焦爐的1.7倍。只是相鄰燃燒室間的接合部,從保護爐體結構的強度出發未予減薄,因此可保證預熱煤的快速干餾。

5 總體設備的工試。 從1998年開始干餾爐的設計,1999年起用2年時間建成了工試設備。其能力為中試設備的20倍和實用爐的1/20。另外對低溫出焦后焦炭的升溫改質和熄焦已于1994~1999年利用現干熄焦設備完成了試驗,不再列入此次工試。

煤預熱處理系統的主要設備規格均按實用機的1/20規模選用和參照中試結果設計,干餾爐采用1臺,也按上述燃燒最佳化試驗結果并考慮今后實用化時符合環保要求的條件設計;爐體尺寸按爐高、爐寬同實用爐而爐長為實用爐的1/2,即分別為7.5m、435/469mm和8m。

經2001年建成工試后,均達到了預定目標,并于2003年經有關部門評審合格后正式驗收,現正據以進行實用爐的設計和籌建中。新爐和老爐的對比示意圖如下,以供參考。


圖 新舊焦爐示意圖對比



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