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日本钢铁业合理利用煤炭降本节能

2010/5/13 8:59:05 来源:中国钢铁产业网信息中心 编辑:王宝玉
  钢铁工业是仅次于发电行业的第二号用煤大户,且对煤质的要求远较发电为高,特别是炼焦用煤除要求强粘结性外,还要求灰分硫分和水分少等,高炉喷吹用煤除了不要求粘结性外,对其它要求也很严。但自然资源中符合上述要求的煤较少,因此价格昂贵,如日本2006年的进口价格即为上年的2.2倍。各钢铁大户为降低成本,便在政府支持下除开发在炼焦中多配用廉价非微粘煤的技术外,还对含水高的低灰褐煤和高灰的非微粘结煤等进行了脱水、脱灰的技术开发,并均获得了初步的成果。我国的虽较为丰富,但从建设资源节约型和环境友好型社会出发,对上述技术仍有借鉴之处。现根据日刊资料摘译简介如下,以供参考。
  新日铁:在炼焦中多用非微粘煤
  焦炉将煤干馏生产出焦炭后,供高炉作为对铁矿石的还原剂使用,同时还作为铁矿石熔化的主要热源并保证还原气和熔化铁水的畅通,因此对炼焦用煤的质量有较严的要求。日本每年进口的1.5亿t煤炭中有40%为炼焦煤,但世界上强粘结性的炼焦煤贮量较少且价格昂贵,2006年价格竞暴涨至上年的2.2倍。为此,新日铁在政府支持下开展了多配非粘结煤炼焦的技术开发。
  新日铁的室兰、君津、名古屋、八幡和大分5个厂共有焦炉1500孔,每座大焦炉为100孔,每孔由45cm宽的炭化室和75cm宽的燃烧室组成,炉高为6m。干馏温度将近1000℃,决定焦炭质量的关键是合理配煤。一般焦炭的强度决定于膨胀性强的强粘煤,但在提高装煤密度下膨胀性差的廉价非粘结煤也可产出高强度焦炭。据此,新日铁首先开发出煤干燥系统“CMC”和“DAPS”,解决了这一问题。同时控制合理的非微粘煤比和装煤密度,以防止由于膨胀压过大而影响推焦和损坏炉壁。经对焦炭强度和膨胀压的形成机理及其关系进行研究后,找出了非微粘煤合理配比增加下焦炭强度提高的模式和操作方式,现已在各厂的焦炉推广,成为世界领先的技术。
  神户制钢:对印尼褐煤脱水(UBC)
  印尼产低褐煤由于其水分高使发热量低而不便利用,不少单位曾开发出褐煤脱水技术,但由于处理装置的高温高压使成本偏高,或者预处理中由化学变化产生的含大量热分解物的废水而污染环境,因此均未实用化。神户制钢在政府支持下开发成功基本上不引起化学变化温度下的脱水技术,经工试后认为可行。现简介如下:
  1 工试设备和试验内容。
  将粉碎后的褐煤在油中用料浆脱水,再将脱水后的料浆用离心分离机使固液分离,回收油分供再次使用,对固体中残留的油分用加热回收,然后对脱水后的褐煤粉末经压块成型为优质燃料。于2003年9月在印尼建成3.5t/d工试装置后,到2004年10月共对印尼的5个含水煤种进行了13次工试,每次连续运行3~4天。制成的煤块以5t送日本进行了性能分析及装卸和燃烧试验。
  2 试验结果和考察。
  经工试,5个煤种的脱水效果均不错(见表1)
表1 褐煤脱水试验数据
项目
A煤
B煤
C煤
D煤
E煤
水分合计(%)
32.4
2
22.6
1.9
36.2
2
40.2
5
26
2.3
灰分(%)
3
2.9
4.4
4.8
4.3
3.5
4.2
4.9
4.3
4.2
挥发分(%)
50.1
49.9
46.4
46.9
49.7
49.6
53.8
52.5
47.8
48.6
固定炭(%)
46.9
47.2
49.2
48.3
46
46.9
42
42.6
47.9
47.8
发热量(kcal/kg)
42.57
6441
5202
6687
4093
6680
3488
5818
5115
6996
含炭量(%)
69.26
70.19
72.61
71.41
69.3
71.52
65.67
67.03
76.19
76.63
含硫量(%)
0.12
0.13
0.89
0.62
0.14
0.13
0.4
0.37
0.19
0.28
  由上可以看出,脱水后的褐煤比从澳洲进口的发电用煤,其灰分和硫分均低,发热量除D煤外均在6500~7000lcal/kg之间,从而是优良的发电用煤。自然发火性也比发电用低,因此安全性较好。经用100kg/h燃烧试验装置对A、B、C 3种脱水煤进行试验,NOx发生量也比动力煤低得多。
  用上述试验结果,按5000t/d的商用设备对含水25%、40%和50%的3种褐煤的脱水成本试算结果,分别为每吨8美元、9美元和10美元,加上褐煤的原价仍比同等发热量的动力煤低。下一步拟进行更大规模的实用化试验,以扩大其用途。
  神户制钢:对无灰煤的技术开发
  煤炭作为世界上的主要能源,现约占能量耗量的30%,到2010年有可能减少到20%。逐步减少的原因主要是煤中含灰分高,既影响燃烧效率,导致多产生CO2,导致地球变暖;同时增加了进口时的运输量和燃后灰渣的处理量。神户制钢受新能源产业技术综合开发机构的委托进行了无灰煤生产技术的开发。在开发过程中充分利用了褐煤脱水的固液分离法,从液中提取出无灰煤(以下简称HPC),以及将灰分浓缩后的副产煤(简称RC)。在360~380℃、1MPa的常规条件下且不用回转机械的生产工艺,每t无灰煤的加工成本仅10美元。这样若在产地建厂处理后运回日本,不仅可大量节约运输费用和提高燃烧效率以有利减排少CO2排放和灰渣处理,还可扩大用于高炉用焦原料和喷吹用煤,有利于钢铁节能环保。现将开发过程简介如下。
  1 试验
  首先从广泛的煤种中选用了沥青煤ST、GR、EN和亚沥青煤GN、SN、ON及褐煤ML作为试验煤,以便选出最佳应用对象和生产参数。其次用连接高温高压过滤器的加热过滤装置对各种煤的高温状态下从熔液中的提取率进行了测定,无水无灰煤的提取率ε%={(加入煤-残留煤)/加入煤}×%。同时用间歇式沉降筒测定了残留煤种灰分沿筒高度的分布情况。然后在此基础上用干燥煤处理能力0.1t/d的连续式无灰煤生产装置(简称BSU)进行了生产试验。该装置由料浆调制、预热、抽提、沉降、过滤和溶剂回收等工序组成,是以基础试验的结果进行操作条件的设计,以通过连续试验找出最佳的操作条件。
  2 试验结果和考察
  (1) 煤炭的溶剂抽提特性。
  以前的研究者通过将沥青煤在N-甲基吡咯素(简称NMP)和硫化炭的溶液中在室温下曾融化了60%~70%,说明煤的高层次结构并非共有强克力形成的架桥方式,而是由结合力弱的氢结合和π-π相互作用等形成会合的凝集结构而提高抽提率,并考虑实用化而采取了溶剂的重复循环使用。考虑到NMP等溶剂对煤的抽提率虽好,但不易回收后循环利用,最后选用了兼具回收率高和适于循环利用的2环芳香族为溶剂。经用此溶液对各种煤炭进行了溶化和抽提的试验结果,所有煤种随着抽提温度的上升,抽提率也上升,但到360~380℃的顶峰后,抽提率也快速下降。初步分析,初期由于温度上升使煤炭分子的凝集结构松动使煤炭结构内部向液相的移动加速;而当温度过高时,由热分解反应活跃产生的生成物进入溶液,由于聚合反应生成架桥结构使煤炭分子结构转换为强固的重质结构而使抽提率下降之故;即在抽提率顶峰附近的温度区,溶化成分的生成速度和不溶解分子结构的生成速度处于均衡状态。各煤种的顶峰温度均属于360~380℃,故此温度区也是抽提率最佳的温度。加上此时由于热分解而产生了CO2、CH4、水和油分,油分的生成量为沥青煤的1~3%、褐煤为5%,且其主要成分为2环芳香族,正好补充了溶液的损失,因此不需要补充溶剂,这种BSU的循环运行方式正在应用。
  (2) 不同煤种的影响。
  尽管4种沥青煤均为抽提率达60%的煤种,但仍存在一定的差别。据先行研究者对煤炭和嵌二萘共热处理在370℃时氮萘的可溶量的调查结果,软化开始温度低且流动性高的煤种则氮萘的可溶量上升。经进一步研究发现,煤的软化熔融性和其最大流动度的相关度较低,而与软化开始温度的相关度较高。从煤种上看,软化熔融性高的多为FOB价高达约115美元/t的炼焦煤,而低价的亚沥青煤和褐煤泽软化熔融性低使得抽提率低。从而用现行工艺对GN、SN煤尚可得到60%的抽提率,对今后利用此类高灰分煤用于炼焦有重要意义。
  (3) 固液分离特性和沉降试验结果。
  将抽提工序产生的料浆先送入沉降筒,进行了各煤种的固液分离特性试验以了解其特性后,再进行60h的连续沉降和过滤试验,最后产品HPC中的灰分可降到300~500ppm的低水平。由此可知,本试验中的去灰率,连续沉降后可达98.5%,加上过滤处理后可达99.6%,说明其去灰性甚佳。
  (4) 无灰煤产品的特性。
  对各种煤按最大抽提率条件下所产生的无灰煤产品及副产品的成分、发热量和HPC、RC的回收率等各项指标见表2。可看出HPC的灰分仅数百ppm,发热量高达8200~8700kcal/kg。
表2 各煤种及其产品、副产品的性能
煤种
原料及产品
回收率(%)
水分(%)
灰分(%)
工业分析(%)
发热量
VM
C
H
N
S
O
ST
原料煤
1.6
10.3
32.8
87
5.5
2.3
0.7
4.6
7340
HPC
67
0
0.05
29.8
86.6
5
0.9
0.7
5.9
8510
RC
37
0
25.4
24.7
80.9
3.5
2
0.8
12.7
6400
GR
原料煤
 
2.3
6
35.6
84.7
5.4
2.3
0.6
7.1
7720
HPC
51
0
0.08
45
85.6
5.6
2.2
0.7
6
8490
RC
37
0
15.7
23.6
80
4.2
2.2
0.7
12.1
6900
EN
原料煤
 
3.4
12.6
45
78.9
5.4
1.3
4.2
10.2
7100
HPC
66
0
0.02
51.8
83.5
5.6
1.4
1.8
7.7
8390
RC
31
0
28.9
40.3
80.2
4.4
1.4
2
12.1
5390
GN
原料煤
 
5.8
8.2
40.8
76.4
5.5
1.9
0.9
15.4
7030
HPC
58
0
0.08
49.6
83.2
6
1.6
0.6
8.6
8560
RC
39
0
18.5
27.9
82.8
4.8
2
0.9
9.6
6140
ON
原料煤
 
3.2
11.4
45
79.4
5.6
2.1
1.2
11.7
6650
HPC
39
0
0.06
63.3
85.9
6
1.7
0.8
5.5
8750
RC
58
0
15.6
19.9
84.8
3.4
2.5
1.5
7.8
5620
ML
原料煤
 
29
2.8
53.3
71.1
5.4
1.1
0.2
22.9
4710
HPC
30
0
0.07
77.1
82.9
6.4
0.7
0.2
9.8
8240
RC
55
0
4.5
51.4
81.4
3.5
1.4
0.2
13.5
6710
   由上表可以看出,不仅HPC的质量比原料煤大为改进,连RC的发热量也和一般的动力煤相当,加上起因于含CO2量功能基的自然发火性受到抑制,因此可供发电用。将来如在煤矿建5000t/d商业化生产装置,则可对HPC供出口、RC供就地发电用;ML等褐煤尽管HPC的回收率低,但RC的发热量高,仍可作为动力煤出口。
  其次,对各煤种生成物的软化溶解特性用吉斯勒塑性计试验(JIS-M8801)的结果如表3。
表3 吉斯勒流动试验结果
煤种
原料及生成煤
熔融温度(℃)
最大流动温度(℃)
最大流动性
再固化温度(℃)
备注
MFD(ddpm)
log(MFD)
(logddpm)
ST
原料煤
420
452
121
2.08
482
RC无流动性
HPC
322
443
28000
4.45
485
GR
原料煤
394
440
1183
3.07
474
RC无流动性
HPC
320
420
>60000
4.78
487
EN
原料煤
380
422
1098
3.04
467
RC无流动性 流动性超过测量极限
HPC
211
297~440
>60000
4.78
465
GN
原料煤
400
426
5
0.7
454
RC无流动性 流动性超过测量极限
HPC
163
299~450
60000
4.78
477
ON
HPC
275
297~441
>60000
4.78
492
原料煤和RC无流动性 流动性超过测量极限
ML
HPC
184
287~459
>60000
4.78
475
  由上表可以看出,软化溶解性较好的ST、GR等煤种,历来作为炼焦煤进口,所生产的HPC的软化开始温度也为320℃的较低温、再固化温度则比原料煤高3~13℃,最大流动性则大为超过原料煤。而未作炼焦用的GN煤,除软化溶解性较低外,所产HPC的软化开始温度比原料煤降低的幅度更大,流动性也超过测量范围。而无软化溶解性的ON和ML等煤种产出的HPC,不仅在较低温度下开始软化,而且具有较大的流动性,从而有望作为炼焦煤应用。
  3 小结
  对各种煤在2环芳香族为主成分的溶液中加热抽提、再经固液分离以生产无灰煤的技术已开发成功,其主要结果如下:
  (1) 在煤抽提工序生成的自生油分可补充所耗的2环芳香族溶剂,有利于低成本生产。
  (2) 选定最佳的原料煤种,HPC的回收率可达60%以上。
  (3) 软化点越低的煤种,其HPC的抽提率越高,但在软化溶解性差的煤种中,有的也可达到60%左右的高抽提率。
  (4) 最大抽提率的抽提温度为360~380℃左右。
  (5) 固液分离以用重力沉降法为宜,仅用重力沉降分离时,无灰褐煤中的灰分为2000ppm左右,若增加过滤工艺后可去灰至数百ppm的水平。
  (6) 产出的无灰煤也不含水分,故各煤种的发热量均在8000kcal/kg以上。
  (7) 尽管低品位煤种的HPC抽提率仅为~40%左右的低水平,由于含氧功能基的除去效果,使RC的发热量达沥青煤的水平,加上原有的低灰、低硫特点,不仅HPC的质量比原料煤大为改善,连副产品的RC也达到一般煤的用途。
  (8) 无灰煤比原料煤的软化点低而流动性高,同时再固化温度也较高。
  (9) 以无软化溶解性的劣质煤为原料,所产的HPC也可产生优良的软化溶解性。
  (10) 对以劣质煤原料生产的HPC,通过提高抽提温度以促进含氧功能的进一步脱除,则HPC的再固化温度将可达强粘结煤以上的水平。
  由以上可以看出,HPC不仅是优质燃料,还可用于焦炭生产用原料。
(来自 中国钢铁新闻网)

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