中国炼焦技术发展概况及我院焦化技术研究现状.docx
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中国炼焦技术发展概况及我院焦化技术研究现状
中国炼焦技术发展概况及我院焦化技术研究现状
1 中国炼焦技术发展概况
2006年,我国炼焦行业平稳快速发展，全年焦炭产量达到2.9亿吨，出口焦炭1450万吨，国内焦炭表观消耗量达2.7亿吨，成为世界上焦炭生产和消耗量均为最大的国家。
炼焦规模的提高同时也促进了我国炼焦技术的发展。
近几年来，我国炼焦技术的主要发展可以概括为以下几个方面。
1.1焦炉大型化成为趋势
焦炉大型化是炼焦行业可持续发展的必然要求。
大型焦炉不仅可提高劳动生产率，减少炼焦过程对环境的污染，而且可提高焦炭质量。
我国2004年出台的《焦化行业准入条件》中规定，必须淘汰4.3m以下的焦炉，进一步促进了我国焦炉大型化的发展。
山东兖矿国际焦化公司、太钢焦化厂和马钢煤焦化公司7.63m焦炉的顺利投产，标志着我国已经掌握了特大型焦炉的生产能力，改善了我国焦化行业的技术装备水平。
上世纪80年代末，欧洲焦化工作者提出改变多室式传统焦炉的观念，并将煤预热与干熄焦直接联合的方案进行了巨型炼焦反应器试验（简称JCR），并取得了良好的效果。
焦炭的质量CSR提高4～10个百分点，CRI改善2～4个百分点。
扩大了煤种，可多用高膨胀、低挥发分煤和弱粘结性煤。
节能效果显著，节能8％。
降低污染物排放量50％。
根据JCR工艺的试验结果，推出了已具备工业化的“单室炼焦系统（简称SCS）”。
为提高单位炉容产量、节省投资和大幅度提高炉体结构强度（以实施煤预热炼焦工艺）推荐的SCS基本参数为：
H×L×W＝9.5m×19m×（450～610）mm。
1.2煤调湿技术（简称CMC）
将湿煤水分在炉外预先脱水干燥至6％以下，再装炉炼焦的工艺称干燥煤炼焦工艺。
而煤调湿炼焦工艺是在干燥煤炼焦工艺的基础上发展起来的，其核心是不管原料煤的水分是多少，装炉煤的水分均控制在5％～6％的范围内。
煤干燥与煤调湿的基本原理是利用外加热能将炼焦煤料在炼焦炉外进行干燥、脱水，以降低入炉煤的水分或对入炉煤的水分进行调节，以控制炼焦耗热量、改善焦炉操作、提高焦炭质量和扩大弱粘结性煤用量的炼焦技术。
CMC技术首先在日本得到推广使用。
日本新日铁第一代CMC是热煤油干燥方式，利用焦炉上升管煤气的显热和焦炉烟道气的余热加热煤油，在多管回转式干燥机中，热煤油对煤料进行间接干燥。
第二代CMC是用蒸汽干燥的方式。
用干熄焦蒸汽发电后的低压蒸汽或工厂其它的低压蒸汽作为热源，在多管回转式干燥机中用蒸汽对煤料进行间接干燥。
这种CMC的第一套装置于1991年3月在新日铁公司的君津厂建成投产。
1996年10月在北海制铁（株）公司的室兰厂开发投产了第三代流化床CMC装置，该装置是配合室兰厂5号焦炉建设的，煤处理能力120t/h。
年产焦炭近70万吨。
我国第一套CMC装置于1996年在重庆钢铁（集团）实施。
本世纪初，受炼焦煤资源和能源紧缺的影响，干燥煤炼焦工艺在我国受到重视并推广使用。
辽宁本溪钢铁公司焦化厂、河南平顶山天宏焦化公司、绍兴钢铁公司焦化厂、湘潭钢铁公司焦化厂等在煤料预处理工艺中相继采用了干燥煤炼焦工艺，并在原有工艺基础上进行了改进，发展成煤调湿工艺。
1.3 捣固炼焦技术
与顶装焦炉相比，捣固炼焦可以更合理地利用和扩大炼焦煤资源、提高焦炭质量和提高劳动生产率。
M40可提高1%～6％,M10可改善2％～4％,CSR提高1％～6％，生产能力提高10％。
由于捣固炼焦技术的优越性，特别针对我国主焦煤的短缺的现状，因而捣固炼焦的发展较快，已经成为一些地区焦化发展的首选。
云南云维集团有限公司的55孔、5.5m捣固焦炉已于2006年底投产，每孔装煤量超过35t，已接近世界先进水平，为我国捣固炼焦技术的发展奠定了基础。
该捣固焦炉甚至可以配入无烟煤炼焦,从而极大地拓展了炼焦煤源，符合我国炼焦技术发展方向，具有广阔的发展前景。
1.4 型煤炼焦技术
型煤炼焦技术能改善焦炭质量和减少强粘结性煤的配入量，其重要原因有：
（1）型煤内部煤粒接触紧密,在炼焦过程中促进了粘结组分和非粘结组分的结合，从而改善了煤的结焦性。
（2）型煤与粉煤混合炼焦时，在软化熔融阶段，型煤本身体积膨胀使煤粒间的接触更加紧密，形成结构坚实的焦炭。
（3）配有型煤的装炉煤中，由于型煤致密，其导热性比粉煤好，故升温速率快，可较早达到开始软化温度，延长了粉煤的塑性温度区间。
（4）配有型煤的炼焦煤料的散密度高，炼焦过程中半焦收缩小，因而焦炭裂纹也少。
（5）装炉煤成型时添加了一定量的粘结剂，对炼焦煤料有一定的改质作用。
国内采用配型煤的炼焦工艺以宝钢为代表。
宝钢一期工程引进了新日铁配型煤的炼焦工艺。
三期工程又引进了新日铁简化流程的配型煤炼焦工艺。
该技术的实施对提高宝钢冶金焦炭质量、缓解华东地区炼焦煤紧张状况起到了积极的作用。
武钢焦化厂、水城焦化厂等采用配入焦油渣的型煤炼焦技术，能够有效处理和利用焦油渣，并改善了焦炭质量。
1.5干熄焦技术（简称CDQ）
干熄焦技术具有突出的环保、节能和提高焦炭质量的特点，因而在我国发展十分迅速。
目前国内已有44套干熄焦装置正在运行，焦炭处理量达3000多万吨。
出炉红焦的显热占焦炉能耗的35％～40％，而干熄焦则可回收红焦显热的80％。
宝钢干熄焦系统的操作实践表明，干熄焦平均可降低能耗50～60kg标煤/t焦。
马钢的干熄焦生产实践表明，焦炭的M40可提高3％,M10降低1％以上，CSR提高3％以上,CRI改善1％以上。
由于干熄焦系统是密闭操作，基本上不污染环境，并能实现温室气体减排，同时具有节水的效果，经济效益和社会效益明显，值得进一步推广。
随着我国对干熄焦装置关键设备加工能力的掌握，以及生产经验的积累，同时由于国家对焦化环保的要求逐渐提高，干熄焦技术必将在我国全面推广和发展。
1.6 焦炉煤气制甲醇
甲醇是重要的化工原料，也是新一代的重要能源。
甲醇可以进一步制取二甲醚（DME），也可以制取汽油（MTG）。
甲醇是碳1化学的母体,因而用途广泛。
焦炉煤气是一种富氢气体，含H255%～60％、CO5％～8％、CH423%～27％，是理想的化工原料气。
焦炉煤气制甲醇,符合国家的产业、能源和环保政策，成为焦化企业新的经济增长点。
由化学工业第二设计院设计的我国第一套年产8万吨的焦炉煤气制甲醇项目，已于2004年12月在云南曲靖市焦化制气公司顺利投产。
目前，已建成或在建的焦炉煤气制甲醇的规模已经达到100多万t/a,表现出良好的发展前景。
特别是同煤制气相结合，能够更合理利用碳、氢资源，可最大限度地利用焦炉煤气，提高甲醇产量，降低甲醇生产成本。
1.7 煤焦油的集中加工
随着我国炼焦工业的快速发展和焦炉的大型化，使煤焦油的集中加工成为发展趋势。
由于煤焦油资源的短缺和煤焦油价格的不断上涨，使小型煤焦油加工企业逐步被淘汰，取而代之的是新建的一批20～30万t/a的煤焦油加工企业。
一些老的大型焦化厂也在不断扩容，提高煤焦油的加工规模。
目前，单套加工能力为30万t/a的煤焦油加工装置,已经在山西等地建成投产。
由于煤焦油加工规模的扩大，也使得一些炼油行业的常减压相结合的新技术可在煤焦油加工企业中得到利用，明显提高了煤焦油的加工技术。
2 我校煤焦化技术的研究现状
2.1 煤粘结性的基本理论研究
粘结性是炼焦用煤的一个重要的工艺性质,从理论上搞清煤粘结性的形成机理，对煤的合理加工利用具有十分重要的意义。
目前，胶质体理论和中间相理论已为人们广泛应用，但仍不能确定影响煤粘结性能的关键组分。
除煤本身的复杂性外，没有找到一种对煤有优良溶解性的溶剂也是原因之一。
自从Lino等人发现二硫化碳—N-甲基-2-吡咯烷酮（CS2—NMP）混合溶剂在常温常压下，对某些烟煤可达到50%～80％的高萃取率以来，该混合溶剂在煤结构研究中得到了广泛的应用。
煤的缔合结构对其溶解度、热膨胀率、导电性和比热等物理性质具有较大的影响，而煤样的抽提率与其粘结性有关，抽提率与煤的缔合结构密切相关。
由此可以推测，煤的缔合结构与其粘结性质密切相关，而这方面的研究尚未有文献报道。
煤样的粘结性与其抽提率密切相关，以混合溶剂抽提率和粘结指数作图，如图1所示。
图1煤样抽提率与粘结指数GR.I的关系
（△—混合溶剂中NMP含量＜50％；□—混合溶剂中NMP含量＞50％）
由图1可以看出，三种煤样经不同比例的CS2-NMP混合溶剂抽提，在混合溶剂中的NMP含量＜50％时，煤样的粘结指数GR.I随抽提率的增加而逐渐减少;当NMP含量＞50％时，煤样的粘结指数GR.I随抽提率的减少而逐渐增加。
可见煤样的粘结指数均随不同比例的CS2-NMP混合溶剂抽提率的增加而均呈下降趋势。
说明煤的粘结性与其抽提率有紧密的内在联系。
并且对于我们实验所用的肥煤和焦煤，在同一抽提率下，它们的粘结指数是略有差别的。
由图1可见,同一抽提率下，煤样在NMP中的含量＞50％的不同比例混合溶剂中的抽余物的粘结指数，大于煤样在NMP含量＜50％的不同比例的混合溶剂中的粘结指数。
说明虽然煤样在不同比例的混合溶剂中有相同的抽提率，但经抽提后，它们的抽余物和抽提物的成分还是有差别的，从而导致了煤样抽余物的粘结指数GR.I的差别。
对于瘦煤，其抽提率比较小。
为此在瘦煤中添加肥煤的PI（混合溶剂可溶、吡啶不溶物），考察其对瘦煤抽提率和粘结性的影响。
可溶组分对弱粘煤瘦煤的抽提率和粘结性的影响如表1所示。
表1 瘦煤的抽提率及粘结性变化
煤样
抽提率
粘结指数
瘦煤
5.1
17
瘦煤＋肥煤PI（0.1g/g煤）
7.9
56从表1可看出,在瘦煤中加入可溶组分肥煤的PI（0.lg/g煤）后，瘦煤的抽提率略有提高。
我们认为抽提过程是在室温下进行的，几乎不可能发生化学反应。
在CS2-NMP混合溶剂的溶解过程中，瘦煤可能和肥煤的PI分子重新进行缔合，削弱了煤中芳环体系的相互作用，从而破坏了煤分子间π－π键的作用和范德华力，使瘦煤的抽提率略有提高，肥煤的PI分子对瘦煤有一定的增溶作用。
而在瘦煤中加入可溶组分肥煤的PI后，瘦煤的粘结指数却大幅度提高。
可见肥煤的PI对瘦煤的粘结性能具有非常重要的影响，它起着致粘的作用。
这可能是由于煤样在受热碳化时，不仅瘦煤的可溶组分脱离非共价键的束缚而逸出，而且可能有肥煤的PI小分子和瘦煤重新进行缔合，共价键裂解产生的其它小分子物和肥煤PI小分子一起组成塑性流动相，形成胶质体，从而使煤样的粘结指数大幅度提高。
2.2 水热处理对炼焦煤的改质研究
煤的缔合结构影响煤在有机溶剂中的溶解性质和热性质。
煤的缔合结构对煤的反应性和转化也有重大的影响。
对煤进行预处理，以改变煤的缔合结构，从而改变煤的性质是一项非常有意义的工作。
水处理是一种非常重要的预处理方法，因为该方法可以改变煤的反应性和结构。
Graff和Brands认为，在50个大气压和340～500℃温度下水处理Llinois№6煤可以使其抽提率从17％上升到30％，但是将预处理的煤放在空气中暴露数分钟后，其抽提率变得和未处理的煤没有多大差别了。
Bienkowski等发现，经过200℃水处理的煤的液化率从27.3％上升到38.4％。
lino等发现经过600℃水处理后的煤的抽提率得到明显的提高。
因此产生了大量关于水处理后的煤的抽提和液化机理的探讨。
经过水处理后的煤中的弱键，如醚键的断裂理论、氢键断裂理论、在水处理过程中矿物质的转移理论和含氧基团的降低理论。
为此，我们对气煤和瘦煤进行了水热处理试验，发现处理后煤的抽提率和G值发生了很大变化，如表2所示。
表2 气煤和瘦煤G值和CS2－NMP混合溶剂常温抽提率（wt％）
项目
气煤
瘦煤
G值
抽提率
G值
抽提率
原煤
74.80
27.32
18.51
6.53
水处理1
76.80
34.21
17.73
6.24
水处理2
60.51
30.48
21.62
21.29
水处理3
50.43
27.02
17.52
9.22
水处理4
56.82
36.28
16.42
5.38将水热处理的气煤分别以10％的比例配入基础方案I和II中进行坩埚焦试验，测定坩埚焦的反应性和反应后强度，并同未处理的基础方案进行比较，结果如表3所示。
表3 焦炭反应后显微强度和反应性的变化
代号
基础方案Ⅰ
基础方案Ⅱ
ⅠY
ⅠQ150
ⅠQ170
ⅠG150
ⅠG200
ⅡY
ⅡQ150
ⅡQ170
反应后的MSI0.2
20.20
28.29
23.09
26.6
28.3
24.5
33.42
26.5
MSI0.2提高％
－43.3
14.3
31.7
40.2
－
36.4
7.8
反应性降低
－
26.56
9.82
10.01
18.34
－
18.40
－2.68
可见，水处理煤炼焦能够降低焦炭的反应性和提高反应后强度，其主要原因可能是水处理能够脱去煤中部分金属矿物质，同时会造成煤分子中的烷基侧链和较活泼键的断裂，从而降低焦炭的反应性。
2.3 炼焦配煤专家系统的开发与焦炭质量的预测
利用计算机科学和企业配煤专家所积累的知识和经验，建立适合国内煤质特点的焦炭质量预测、生产管理、质量控制以及低成本配煤系统。
实践中又进一步完善了单种煤性质的评价、煤炭资源数据库、专家系统知识库、弱粘煤利用以及最优化控制算法等核心内容。
2.3.1总体思路
首先，构建企业炼焦用煤资源数据库的基本信息，包含重要的煤质数据以及相关信息；其次，利用信息科学、计算机以及控制理论的知识，融合知名配煤专家的实际经验，设计和提出炼焦配煤专家系统的基本框架与软件设计平台；第三，在上述系统的结构内，对企业生产用煤的历史数据进行分析或者对可能利用的单种煤煤源数据进行分析，获得煤资源数据库的相关信息；第四，对当前使用或者以后可能采用的单种煤进行单种焦试验研究，获得单种煤结焦性以及对焦炭质量贡献的评价信息；第五，根据专家知识库确定各单种煤使用的约束条件；第六，利用线性规划法或者非线性规划以及模拟进化算法确定最优化配煤比．最优化目标函数为保证焦炭质量前提下的配煤成本最小；第七，由焦炭质量预测模型计算最优化配比下的焦炭质量预测值，再经过配煤专家系统或专家确认，生成生产最优配煤比；第八,采用计算机自动控制配煤槽操作，使控制配煤比的精度在97％以上；最后，根据生产实绩实现模型的自学习和控制模型的修正。
2.3.2主要的技术内容
（1）炼焦煤资源系统。
从应用的角度考虑，炼焦煤资源使用数据库系统相对独立，包括世界煤资源总览、中国煤资源总览以及企业或公司用煤资源总览子系统。
（2）炼焦配煤专家系统原理与设计。
按照目前的炼焦生产框架设置其功能，软件设计划分为信息管理部分、数据模型部分、配比生成部分三大模块,现分述如下：
信息管理部分：
对于采用大型数据库的企业，一般性的统计和管理功能由此系统承担，专家系统仅完成数据的采集和传输功能。
没有数据库的企业独立设计数据库系统，并与生产数据和历史数据并存。
数据模型部分：
配合企业的质量工程师（6西格玛）项目支撑环境，提供有关的数据模型模块．以及若干知识库数据源。
配比部分：
实现配比下焦炭质量预测和配比方案优化部分是技术创新的核心。
其功能是满足一定焦炭质量要求，方便地按照不同约束情况获得最优化的配比方案，或者给定配比后迅速地获得焦炭质量预测结果。
（3）炼焦单种煤性质数据库及其评价体系。
在常规应用数据库功能与结构的基础上，根据炼焦专业的特殊性，设计和完善了单种煤性质与评价体系。
该体系涉及煤质的波动性、真实性、使用约束条件以及性能价格比等新概念，为合理规划用煤资源和指导配煤提供了极为珍贵的技术支撑。
煤质数据库包括了一定时期的历史数据和全部现在生产数据，实现对生产数据的（单种煤、配合煤、焦炭、焦炉操作等）输入、输出、查询、浏览、添加和修改、统计分析以及性能识别等功能。
还可得到各类图表和各指标的变化趋势、波动情况等进行综合分析。
对于单种煤的评价，以往的研究中多数学者仅给出定性描述，本技术基于历史数据和实验数据建立定量的评价体系和使用约束条件，输出煤质的炼焦性能与性能价格比。
（4）质量预测与控制模型通用平台。
设计出焦炭质量预测新方法的通用平台，适用于不同类型的配煤结构和焦炭质量要求。
对焦炭热性质影响与控制因素的研究全面、深入、细致，并且在研究的过程中结合了企业实际，不断充实研究内容。
焦炭质量的预测模型包括焦炭灰分、硫分、M40、M10、CSR和CRI预测，在建立各类预测模型时，既利用已有的知识、专家经验以及研究成果，又根据不同种类数据对于焦炭质量预测的贡献形式，采取加权求和、修正加权、设定奖惩系数等手段对预测结果进行修正，鉴于焦炭的M40、M10、CSR和CRI等指标影响因素比较复杂，焦炭热性质又是大家广泛关注的指标，预测模型包括由单种煤数据和配煤数据两条预测路线，由单种煤数据推导配合煤数据，再由配合煤数据推导焦炭数据。
2.4 焦炉自动加热控制系统的开发
焦炉是冶金行业中最复杂的炉窑，焦炉的加热过程是单个燃烧室间歇、全炉连续、受多种因素干扰的热工过程，是典型的大惯性、非线性、时变快的复杂系统。
1973年日本钢管公司在福山5号焦炉上首次开发应用。
目前已有十余种工艺流程和控制方法，代表性的工艺有日本的CCCS系统、美国的COHC系统、德国的CODECO与ABR系统、法国的CRAPO、比利时冶金研究中心CRM以及荷兰的CETCO工艺。
在控制方式上也有多种形式，一种为依据装炉煤参数、生产参数前馈设定煤气流量或供热量；第二种是控制火道温度稳定，由实测的火道温度和设定火道温度的偏差调节煤气流量，使火道温度稳定；第三种控制方式实质上是前两种的结合，即前馈与反馈调节相结合。
目前该项技术在日本、德国、美国、荷兰、法国、比利时等国一直在正常运行。
安徽工业大学开发的焦炉加热优化串级控制系统结构框图如图2所示。
图2 优化串级控制系统框图
第一种为稳定结焦时间方案：
以二前馈、二反馈、一监控相结合的优化串级调控。
二前馈为供热量前馈、分烟道吸力前馈控制；二反馈为炉温反馈、目标温度反馈；一监测为分烟道含氧量监测（或α反馈）；炉温控制采用串级控制，吸力控制采用设定值随动控制方案
第二种为结焦时间变动时的控制方案：
以优化串级控制与专家系统相结合的方案，该方案只在结焦时间变动时运行，运行中按结焦时间变化幅度分步实施。
具有操作简单、稳定可靠的特点，当达到规定的结焦时间和炉温后，即进入稳定结焦时间的控制方案。
焦炉要实现优化串级调控的关键是建立合理、正确的工艺数学模型。
建立数学模型的方法可分为理论建模和试验建模两类。
前者根据对象的内部机理过程，经分析建立起描述对象动态特性的数学表达式。
由于焦炉加热系统的复杂性，若按此建模时，须作一些简化和假设，无疑会带来误差，降低了数学模型的真实性和准确性。
试验建模是对实际生产过程或对象的试验，取得输入输出数据，然后对数据进行分析、处理，建立输入输出模型，对复杂的系统是非常简便而有效的。
本模型的建立是根据焦炉热平衡理论、焦炉传热双层平壁原理分别推导供热量的计算公式，并进行分析比较，提出了以焦炉热平衡理论为基础，并以生产过程采集到的大量数据进行处理计算得到前馈供热量模型（试验建模）；并根据焦炉传热原理，在线测量的大量数据基础上，分析形成了目标火道温度、焦饼中心温度、火道温度的相关模型和判断结焦终了的结焦指数模型。
焦炉实施优化串级调控建模数据的采集分为两类：
一类是采集数年的历史数据；另一类是现场采集有关数据。
经过在50余座焦炉上的操作实践证明，由安徽工业大学自主开发的焦炉自动加热控制系统运行稳定可靠，节能效果明显，可节约煤气约2％，并可以提高焦炭质量。
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