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一直以来,为了有效利用煤炭资源,日本钢铁业一直致力于提高资源的应对力、焦炭质量、焦炉生产率以及降低炼焦耗热等为目标的技术研究与开发。所开发的代表性技术之一就是粉煤预压块技术(DAPS,Dry-cleaned and Agglomerated Precompaction System),该技术于1992年在新日铁大分厂开始工业生产。通过采用DAPS工艺,在保持焦炭强度的条件下,弱黏结性煤配比提高约20%。
新日铁开发的此项技术就是通过将粉煤压成块状,在提高焦炭强度的同时,实现抑制入炉时的粉尘量、提高环境清洁度。DAPS工艺是将以前煤炭水分调整到5%-6%之后入炉炼焦的煤调湿工艺(CMC工艺)进一步提高的技术,于1992年在日本大分制铁厂实际应用。通过DAPS工艺实际应用,对煤炭资源的有效利用产生很大的影响,现在这项技术正在持续、顺利的使用。
1 开发粉煤预压块技术的必要性
在炼焦工艺中,CMC工艺是将煤预先干燥后入炉,是以降低炼焦耗热、提高焦炭质量以及焦炉生产率为目标而开发的炼焦技术,已达到工业应用。
CMC工艺是利用焦炉余热,通过将炼焦煤中水分从9%-10%调整到5%-6%,实现1t煤炭炼焦耗热量减少约60-80Mcal的节能效果,但采用CMC工艺后,由于使煤中水分过于减少,在输送以及装入焦炉过程中,煤中的粉煤易逸散挥发,致使作业环境恶化,并易导致设备发生堵塞,并影响副产品焦油的质量。
为了评价从干燥设备向焦炉输送过程中煤炭的发尘性,采用发尘实验装备,调查煤炭水分与发尘强度的关系。实验时将1kg的煤试样装入发尘实验装置后,观察发尘实验装置内浮游的粉煤,直到鼓风机全部吸走为止,测定捕到的煤炭量。
伴随着煤中水分的降低,发尘强度增加。
将水分不同的煤放在显微镜下观察,结果是水分高时煤中粗粒碳上附着粉煤,并且粉煤之间以水做为结合材料形成疑似粒子,所以发尘强度降低。但通过预先干燥处理工艺,疑似粒子崩溃,粉煤单体量增加,发尘强度上升。
由上述可知,在煤干燥入炉炼焦生产过程中,将粉煤加压成型,达到块状形态,对降低其发尘量是非常重要的。
2 DAPS工艺的研究开发
2.1 粉煤成块对煤炭性能、状态的影响
煤炭中粉煤的产生源于矿山开采、选洗煤、运输过程以及焦化厂的粉碎过程。其中,开采、选洗煤或运输过程中产生的粉煤粒子由于与空气接触面积大、接触时间长而被氧化,黏结性降低。而粉碎工艺过程中产生的粉煤粒子,由于直径变小,所以加热时膨胀性降低。
煤炭显微组织成分中,黏结性高的镜煤具有容易粉碎的特性,所以粉煤中黏结性高的镜煤被浓缩。粒径0.3mm以下的粉煤的假比重与膨胀性的关系。由结果可知,粉煤通过高密度成块,可以使粉煤的黏结性恢复。粉煤加压成型后,粉煤黏结性提高,炼焦时煤炭粒子的结合性良好,同时可以抑制粉煤产生的发尘。
2.2 粉煤干燥分级技术
做为煤干燥以及煤分级装置,世界上首次研究在炼焦工艺中采用流化床的干燥分级方式,并开发了约6800t/d规模的流化床高效干燥、分级的设备。
2.3 粉煤成块技术
粉煤造粒法中有造球作业法、制团作业法等,这些方法需要水或粘结剂。本研究采用辊压实机,对粉煤干燥状态下不添加粘结剂的制块方法进行探讨。
通过辊压实机压密成型的压块煤的强度,采用I型滚筒试验机,将压块煤试样旋转60圈后,用1mm的筛子筛分,测出留在筛子上的试样比例。分析煤粒径与压块煤的强度关系的随着煤粒直径的增大,压块煤的强度降低,其原因是煤粒直径变大,煤的压密性变好。与此相反,每个单位容积煤粒接触点减少,以及由于煤粒子内裂缝的产生,粒子间结合力降低等影响,煤粒径0.3mm为界,压块煤的强度变化很大。通过将粒径0.3mm以下的粉煤加压成型,即使不添加粘结剂,也能够制成高强度块煤。
3 DAPS工艺的应用
3.1 DAPS工艺
做为炼焦工艺中新的预处理技术,开发了DAPS工艺。将CMC工艺生产中产生的发尘性高的粉煤在干燥的状态下压成块,提高焦炭强度的同时,抑制发尘,增强环境应对能力。DAPS工艺是通过流化床干燥机,将0.3mm以下的粉煤用旋流器分级,将粉煤用成型机加压成块后,与粗粒煤混合装入焦炉。煤炭中粉煤比例约30%,干燥机能力是284t/h,成型机是辊压实机,设置了辊直径1200mm、辊幅910mm、能力28.4t/h的成型机3台。
DAPS工艺中煤装入密度是0.8t/m3,在焦炉内均匀布料。DAPS工艺通过将粉煤压密成型,抑制发尘性的同时,提高了粉煤的黏结性。
3.2 提高焦炭强度
为评价采用DAPS工艺制造的焦炭强度,采用相同配合煤,进行DAPS工艺与原来工艺制造的焦炭强度指标DI15015(JIS K2151)进行比较,其结果是,DAPS工艺制造的焦炭与CMC工艺制造的焦炭相比,DI15015提高1.5。
3.3 提高焦炭强度的机理
采用DAPS工艺提高焦炭强度的机理如下:
通过提高煤炭装入比重,可降低焦炭气孔率,提高煤粒子间强度。
通过焦炉试验,DAPS工艺制造的焦炭气孔率与CMC工艺的焦炭气孔率相比,由于煤装入比重提高,焦炭气孔率下降约3%。 随着煤炭装入比重的上升,使煤粒子间距离缩短,煤粒之间的结合力增强。
② 由于焦炭的CO2反应性能的降低,提高了CSR。
DAPS工艺制造的焦炭的CSR提高的因素是CRI降低,以及焦炭转鼓强度的提高。采用热天平,测定DAPS工艺制造焦炭的CO2反应性能,其结果是,DAPS焦炭与CMC焦炭相比,反应率低。
通过采用DAPS工艺,焦炭强度在相同的条件下,弱黏性煤的使用比例与湿煤工艺相比,可以提高30%,与CMC工艺相比,可以提高约20%。
3.4 焦炭生产率提高的效果以及节能效果
DAPS工艺中煤装入密度是0.8t/m3,加上由于煤炭中水分降低,干馏时间缩短,与湿煤炼焦操作相比,生产效率提高21%。
DAPS工艺与CMC工艺相比,可以使煤中水分降低,并且由于生产效率高,具有降低炼焦耗热的效果。生产相同量焦炭,1t煤炭炼焦耗热约减少110Mcal,与湿煤操作相比,约节能15%。
4 结束语
DAPS技术从基础研究到投入应用大约经过了13年的历程,于1992年在日本新日铁大分制铁厂投入运用,DAPS工艺可以有效利用煤资源,具有明显的节能效果。
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