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日本焦?fàn)t工序的節(jié)能環(huán)保近年發(fā)展概況技術(shù)簡介

世紀(jì)之交是日本焦炭生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換期，一方面，九十年代泡沫經(jīng)濟(jì)破滅后因鋼鐵需求疲軟導(dǎo)致焦炭減產(chǎn)；另一方面，供城市煤氣的焦?fàn)t因被天然氣取代而全部停產(chǎn)。近年由于鋼鐵需求恢復(fù)，除擴(kuò)大噴煤比和大力延長焦?fàn)t壽命外，開始對部份停產(chǎn)焦?fàn)t恢復(fù)生產(chǎn)（如三井礦山）和新建焦?fàn)t（如JFE鋼鐵5#焦?fàn)t）。

在節(jié)能方面效果最好的干熄焦（CDQ）技術(shù)，既可回收余熱進(jìn)行發(fā)電，又可提高焦炭質(zhì)量以利于高爐降低焦比，因此綜合節(jié)能和減排CO2的效果良好，現(xiàn)普及率已達(dá)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(fā)，狠抓了擴(kuò)大非微粘煤的配比，已由上世紀(jì)九十年代初的20%擴(kuò)大到2001年的近40%，近年又?jǐn)U大到50~60%，主要是采取了降低煤中水分的煤預(yù)熱技術(shù)和對微粉煤的預(yù)成型技術(shù)，目前相關(guān)設(shè)備已基本得到普及。

在延長爐體壽命方面，由于完善和改進(jìn)了修補技術(shù)、爐體診斷技術(shù)及操作管理技術(shù)，焦?fàn)t的平均爐體壽命已達(dá)35年以上，部分達(dá)40年左右。

在環(huán)保技術(shù)方面，除加強(qiáng)了防止粉塵排放和焦?fàn)t煤氣泄漏外，還從減排CO2出發(fā)，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(dá)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(fā)成功將摻入量擴(kuò)大到2%的技術(shù)并已推廣。

在焦?fàn)t煤氣合理利用方面，過去就開發(fā)成功了從焦?fàn)t煤氣中提氫，配合利用氧氣機(jī)的副產(chǎn)品氮和石灰窯的副產(chǎn)品CO2生產(chǎn)尿素的技術(shù)，近年為了適應(yīng)發(fā)展燃料電池汽車的需要，新日鐵已將從焦?fàn)t煤氣中分離出的氫專供汽車加氫站，從而為節(jié)能環(huán)保作出更大的貢獻(xiàn)。

為適應(yīng)21世紀(jì)對節(jié)能環(huán)保的更高要求，由政府主持開發(fā)的新焦?fàn)t項目“Scope 21”，經(jīng)1994~2003年的研究開發(fā)已開發(fā)成功。根據(jù)50t/d的工試爐結(jié)果，其生產(chǎn)效率為現(xiàn)焦?fàn)t的2.4~3倍，非微粘結(jié)性煤比也進(jìn)一步加大，節(jié)能率達(dá)20%左右，環(huán)保進(jìn)一步改善，因此新日鐵正積極籌備建實用爐中。

從節(jié)約篇幅出發(fā)，對我國已在推廣并眾所周知的干熄焦等重大節(jié)能技術(shù)不再重復(fù)介紹，現(xiàn)重點對2001年日本各廠焦?fàn)t生產(chǎn)和節(jié)能技術(shù)推廣情況、焦?fàn)t摻用廢塑料工藝技術(shù)和“Scope 21”技術(shù)開發(fā)經(jīng)過及具體技術(shù)介紹如下，以供參考。

日本2001年焦?fàn)t生產(chǎn)和節(jié)能技術(shù)推廣情況簡介

日本2001年產(chǎn)鋼10286萬t，比上年減少3.4%，產(chǎn)鐵7924萬t，產(chǎn)焦3539萬t，均略低于上年。共有焦?fàn)t45座合4262孔生產(chǎn)，其主要生產(chǎn)指標(biāo)和節(jié)能技術(shù)推廣情況見表1。

表1 各廠焦?fàn)t生產(chǎn)指標(biāo)和節(jié)能技術(shù)推廣情況
佳工機(jī)電網(wǎng)

由以上可以看出，4262孔焦?fàn)t中僅有809孔未上干熄焦，說明其普及率已達(dá)81%以上。煤調(diào)濕雖略低，但靠煤預(yù)熱、成型煤等補足，因此節(jié)能效果也很好。還有各廠通過加強(qiáng)管理和推廣節(jié)能技術(shù)，除產(chǎn)量普遍超過設(shè)計能力外，當(dāng)年非微粘結(jié)性的配比也達(dá)到40%左右，都值得我們學(xué)習(xí)。近年針對煉焦煤價格暴漲的嚴(yán)峻形勢，新日鐵的環(huán)境工藝研究開發(fā)中心通過大量基礎(chǔ)性研究后開發(fā)成功了進(jìn)一步擴(kuò)大非微粘結(jié)煤配比的技術(shù)，目前正在各廠推廣應(yīng)用中。

煉焦煤中配入廢塑料應(yīng)用技術(shù)簡介

日本NKK京濱廠4093m3高爐于1995年學(xué)習(xí)德國不來梅廠經(jīng)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(yè)2010年節(jié)能環(huán)保志愿計劃，即列入鋼鐵業(yè)吃廢塑料100萬t以折合鋼鐵節(jié)能1.5%的目標(biāo)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(dá)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(shù)開發(fā)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上開發(fā)成功了在煉焦煤中摻入廢塑料1%的煉焦技術(shù)，加入的廢塑料除20%變成焦炭外，其余變成煤氣和化工副產(chǎn)品各40%，以使能量利用率達(dá)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(fā)優(yōu)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(yù)處理裝置，2001年又在八幡廠和室蘭廠各建成2萬t/a預(yù)處理裝置。由于按“容器包裝再生法”的規(guī)定，廢塑料處理協(xié)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(fā)成功將廢料配入比提高到2%的技術(shù)后，把各廠的預(yù)處理量加倍的同時，于2005年又在大分廠建4萬t/a預(yù)處理裝置，當(dāng)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(xù)擴(kuò)大，今后將成為鋼鐵企業(yè)吃廢塑料的主流。

具體預(yù)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(jīng)粉碎機(jī)碎為5mm左右的小片，若發(fā)現(xiàn)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(jī)壓成2~3mm的小粒，按比例加入煉焦煤中即可。由1%擴(kuò)大到2%的關(guān)鍵為解決加大摻入比后不致影響焦炭的強(qiáng)度。經(jīng)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(shù)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(chǎn)量將降至1.5%左右，目前日本焦炭的生產(chǎn)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(dāng)加大摻入比。

“Scope 21”新技術(shù)的開發(fā)簡介

1 開發(fā)背景。為適應(yīng)21世紀(jì)焦煤短缺，環(huán)保日益嚴(yán)格以及現(xiàn)有焦?fàn)t將于21世紀(jì)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(lián)盟共同開發(fā)下一代新爐型“Scope 21”，經(jīng)過8年努力，終于在2001年完成50t工試，成為當(dāng)代世界上最先進(jìn)的煉焦法。但由于近年來從減排CO2出發(fā)，各廠采取擴(kuò)大焦炭進(jìn)口的方針和加強(qiáng)了老焦?fàn)t的維護(hù)，因此尚未得到利用。據(jù)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(fā)目標(biāo)。通過將現(xiàn)室式煉焦?fàn)t的功能分解為煤預(yù)熱、干燥和干餾及焦炭改質(zhì)和熄焦等三大工序，以提高系統(tǒng)的功能和效率，具體目標(biāo)為和當(dāng)時的GM焦?fàn)t相比有以下優(yōu)點：

——合理利用資源，非粘煤配比提高到50%。

——生產(chǎn)效率提高到2.4~3倍。

——環(huán)保和節(jié)能效果好：（a）達(dá)到無煙、無臭和無塵；（b）SOx-10%、NOx-30%；（c）節(jié)能20%。

其工藝流程大致如下：

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

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

（3）焦?fàn)t炭化室由高導(dǎo)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(tài)下送入改質(zhì)器再加熱到1000℃后熄焦。

上述工藝具體達(dá)到目標(biāo)的功能如下：

（1）通過對煤的快速加熱以改善煤的粘結(jié)性，可多用非粘煤15%，另外對細(xì)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?fàn)t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(chǎn)效率大幅提高。

（3）節(jié)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(huán)保主要是由于煤焦密閉運輸和焦?fàn)t燃燒改進(jìn)后的低NO2化等因素。

3 煤預(yù)熱處理技術(shù)的開發(fā)過程。1994年在基礎(chǔ)技術(shù)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(jìn)焦炭質(zhì)量的效果，按設(shè)計流程用90kg/h試驗裝置進(jìn)行了焦炭質(zhì)量的改進(jìn)試驗，可看出其基本效果如下：

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

表2 試驗煤的成分和性能
佳工機(jī)電網(wǎng)

用3種加熱氣體對煤處理后，用模式爐成焦后的質(zhì)量對比如表3。

表3 加熱氣體成分和焦炭質(zhì)量的對照表
佳工機(jī)電網(wǎng)

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

表4 兩種煤的成分對比
佳工機(jī)電網(wǎng)

表5 不同煤預(yù)處理方式對焦炭質(zhì)量的影響
佳工機(jī)電網(wǎng)

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

（a）設(shè)備概況�；玖鞒淌窃诹骰布訜嶂�300℃左右分級，通過氣流加熱塔分別對粗粒和細(xì)粒粉進(jìn)行快速加熱試驗，并對加熱后的細(xì)粒進(jìn)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(jìn)行。試驗設(shè)備考慮分階段加大20倍的原則，系統(tǒng)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?fàn)t的日產(chǎn)規(guī)模為4000t，中試設(shè)備的規(guī)格如表6。

表6 煤預(yù)熱系中試設(shè)備規(guī)格
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（b）試驗結(jié)果基本符合設(shè)計要求，接著于2001年放大設(shè)計建成工試設(shè)備。

4 新焦?fàn)t結(jié)構(gòu)的特征。為實現(xiàn)對預(yù)加熱到350℃的煤干餾，首先應(yīng)開發(fā)保證高效生產(chǎn)的高負(fù)荷燃燒和高導(dǎo)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(jié)構(gòu)如下：

（1）燃燒結(jié)構(gòu)。在1995~1998年系列試驗基礎(chǔ)上，決定采取類似現(xiàn)有焦?fàn)t的燃燒結(jié)構(gòu)。但為保高效生產(chǎn)采取了導(dǎo)熱性好的薄壁結(jié)構(gòu)（由100mm厚改為70mm）和優(yōu)質(zhì)硅磚，它和現(xiàn)用硅磚的性能對比如表7。此外，新開發(fā)的燃燒器在低NOx化的同時，爐高方向的溫差也縮小到±25℃以下，1200℃時的NOx也由現(xiàn)在的200ppm下降到50ppm。

表7 新用硅磚和原焦?fàn)t硅磚的性能對比
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（2）蓄熱式結(jié)構(gòu)。為在總蓄熱室容積不變下將蓄熱負(fù)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(kuò)大了蓄熱面積；加上蓄熱、放熱時間的改進(jìn)，終于達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)。

（3）炭化室結(jié)構(gòu)。如上所述，在將爐壁減薄的同時還采用了導(dǎo)熱性好的高密度硅磚，使炭化室爐壁的導(dǎo)熱率提高到原焦?fàn)t的1.7倍。只是相鄰燃燒室間的接合部，從保護(hù)爐體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度出發(fā)未予減薄，因此可保證預(yù)熱煤的快速干餾。

5 總體設(shè)備的工試。從1998年開始干餾爐的設(shè)計，1999年起用2年時間建成了工試設(shè)備。其能力為中試設(shè)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(zhì)和熄焦已于1994~1999年利用現(xiàn)干熄焦設(shè)備完成了試驗，不再列入此次工試。

煤預(yù)熱處理系統(tǒng)的主要設(shè)備規(guī)格均按實用機(jī)的1/20規(guī)模選用和參照中試結(jié)果設(shè)計，干餾爐采用1臺，也按上述燃燒最佳化試驗結(jié)果并考慮今后實用化時符合環(huán)保要求的條件設(shè)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(jīng)2001年建成工試后，均達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)，并于2003年經(jīng)有關(guān)部門評審合格后正式驗收，現(xiàn)正據(jù)以進(jìn)行實用爐的設(shè)計和籌建中。新爐和老爐的對比示意圖如下，以供參考。

佳工機(jī)電網(wǎng)
圖新舊焦?fàn)t示意圖對比

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