對日本SCOPE21煉焦工藝的評價
胡德生（寶鋼公司）
1 SCOPE21煉焦工藝的研究情況
從20世紀(jì)50年代開始，世界各國大力研究開發(fā)新的煉焦工藝。日本曾計(jì)劃21世紀(jì)初用型焦工藝替代室式焦?fàn)t，在上世紀(jì)70年代末至80年代初進(jìn)行大規(guī)模的試驗(yàn)后，建立了日產(chǎn)200噸型焦的半工業(yè)試驗(yàn)裝置，所生產(chǎn)的6000噸型焦在4000立方米高爐上進(jìn)行了煉鐵試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，現(xiàn)代大容積高爐最多只能用20%～30％的型焦替代傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的焦炭，使日本放棄了將型焦工藝替代傳統(tǒng)煉焦工藝的想法，進(jìn)而又提出了SCOPE21計(jì)劃。
SCOPE21是“面向21世紀(jì)的高效生產(chǎn)與環(huán)保的超級焦?fàn)t”，即Super Coke Oven for Productivity and Environment enhancement toward the 21st century的英文縮寫。此項(xiàng)目在日本政府資助下，由日本鐵鋼聯(lián)盟（JISF）和日本煤炭利用中心（CCUJ）合作進(jìn)行了長達(dá)10年（1994～2003年）的研究，累計(jì)投入約100億日元。
SCOPE21工藝的技術(shù)要點(diǎn)如下：第一，采用流化床干燥段與氣流床預(yù)熱段組成煤料快速加熱系統(tǒng)，使煤料預(yù)熱至350～400℃后裝爐；第二，細(xì)煤粉熱壓成形后與預(yù)熱后的粗粒煤混合后裝爐；第三，預(yù)熱煤在焦?fàn)t內(nèi)快速中溫干餾至750～850℃；第四，中溫炭化后的焦炭密閉輸送到干熄焦的預(yù)存段被加熱至1000℃，實(shí)現(xiàn)中溫焦炭的高溫改質(zhì)。
SCOPE21工藝從1994年開始試驗(yàn)研究，在1994年至2000年期間，主要開展了關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)和研究，主要任務(wù)是試驗(yàn)煤的干燥、加熱、分級技術(shù)、快速預(yù)熱對煤的改質(zhì)效果以及焦?fàn)t本體的構(gòu)造、焦?fàn)t加熱均勻性、高生產(chǎn)率、低排放的爐體構(gòu)造等方面的內(nèi)容。其中煤預(yù)處理的小型試驗(yàn)在1998年10月至2000年3月期間完成。在此基礎(chǔ)上，他們建立了半工業(yè)化的試驗(yàn)裝置，于2002年3月至2003年3月期間進(jìn)行了半工業(yè)試驗(yàn)。半工業(yè)試驗(yàn)裝置的煤預(yù)處理能力為實(shí)際規(guī)模的1/20，焦?fàn)t為單炭化室，炭化室的高度和寬度與實(shí)爐相同，長度為實(shí)爐的一半。
圖1 SCOPE21煉焦工藝示意圖
2 SCOPE21煉焦工藝的主要特點(diǎn)
根據(jù)日本公開發(fā)表的文獻(xiàn)介紹，SCOPE21煉焦工藝具有以下特點(diǎn)：
（1）煤炭資源的有效利用。通過煤的快速預(yù)熱和粉煤熱壓成形技術(shù)，提高入爐煤在炭化室內(nèi)的堆積密度，從而提高焦炭質(zhì)量，或在保持焦炭質(zhì)量不變的前提下，提高配煤中弱粘結(jié)性煤的配比。上述措施可使配煤中弱粘結(jié)性煤的比率提高到50%，而在傳統(tǒng)工藝中其用量僅為20%。 在半工業(yè)試驗(yàn)中，配合煤中強(qiáng)粘結(jié)性煤和弱粘結(jié)性煤各占50%，焦炭冷強(qiáng)度為84.8%,較常規(guī)工藝的82.3％提高了2.5個百分點(diǎn)。
（2）高生產(chǎn)率。通過預(yù)熱煤裝爐、減薄焦?fàn)t的爐墻、使用高導(dǎo)熱性爐墻磚、降低出焦溫度等措施，可以縮短焦?fàn)t的結(jié)焦時間，提高焦?fàn)t的生產(chǎn)率。在半工業(yè)試驗(yàn)中，當(dāng)入爐煤的溫度為330℃、焦?fàn)t爐溫為1250℃、出焦溫度小于900℃時，結(jié)焦時間為7.4 h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)焦?fàn)t的17.5 h，并且產(chǎn)能也是常規(guī)焦?fàn)t的2.4倍。
（3）節(jié)能。通過把入爐煤預(yù)熱到較高溫度，從而提高了開始炭化的溫度，并降低了煉焦終溫，使出焦溫度降低，同時回收煤氣以及氣體出口處排出廢氣的顯熱，可以提高熱量利用效率，從而降低煉焦的能量消耗。在半工業(yè)試驗(yàn)中，SCOPE21工藝與常規(guī)工藝相比，能耗可降低21%。
（4）環(huán)保。在SCOPE21工藝流程中，煤和焦都在密閉的系統(tǒng)中輸送，并對焦?fàn)t本體和煉焦過程也采取了防泄漏措施，防止焦?fàn)t煤氣泄漏，提高了環(huán)保質(zhì)量。通過對焦?fàn)t加熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可降低廢氣中NOx的含量。
（5）經(jīng)濟(jì)性。焦?fàn)t生產(chǎn)率的提高，可以同比例減少焦?fàn)t炭化室的孔數(shù)，從而降低設(shè)備費(fèi)用。另外，提高非、弱粘結(jié)性煤的使用比率，加上節(jié)能的效果，可以降低焦炭的制造成本。在半工業(yè)試驗(yàn)中，SCOPE21工藝與常規(guī)工藝相比，設(shè)備費(fèi)降低16％，焦炭成本下降18%。
3 效果評價
通過對日本公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析后，可以看出，SCOPE21煉焦工藝總體上具有提高焦?fàn)t生產(chǎn)率、改善焦炭質(zhì)量、降低能源消耗、減少環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在以下幾個方面的問題：
（1）煤預(yù)熱的安全性和可靠性。在煤的快速加熱、貯存和裝爐過程中，其安全性是關(guān)鍵之一，處理不當(dāng)就會發(fā)生煤粉爆炸事故，世界各國都曾進(jìn)行過煤預(yù)熱煉焦工藝的開發(fā)，最終未能應(yīng)用至工業(yè)生產(chǎn)，就是因?yàn)轭A(yù)熱、貯存和裝爐過程中涉及安全的關(guān)鍵技術(shù)未能解決。SCOPE21工藝與此前研究的煤預(yù)熱裝爐工藝相比，其裝爐煤的溫度還更高（以前的煤預(yù)熱工藝裝爐煤溫度為150～200℃ ,SCOPE21工藝裝爐煤的溫度為350～400℃)，不能不讓人擔(dān)心其安全性。另外，預(yù)熱煤采用的是管道輸送，煤與管壁的摩擦帶來了設(shè)備使用的可靠性問題，一旦管壁破損不僅會帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染，而且檢修也十分困難。
（2）煤的熱成型。根據(jù)型焦開發(fā)過程的經(jīng)驗(yàn)，煤預(yù)熱到350～400℃后成型，無粘結(jié)劑熱壓成型過程的脫模十分困難，型煤的強(qiáng)度也比較差，提高裝煤堆密度的效果下降。另外，350～400℃的熱煤裝入炭化室后很快會產(chǎn)生煤氣，對裝爐煤產(chǎn)生向上的浮力，這對提高裝爐煤的堆密度也不利。
（3）焦?fàn)t的壽命縮短。由于縮短了結(jié)焦時間，焦?fàn)t的生產(chǎn)率有所提高，單孔炭化室的出焦次數(shù)將同比增加。加上出焦溫度降低，使焦炭未完全成熟，焦餅收縮不良，推焦時焦餅與炭化室側(cè)面的摩擦力大大提高，必然要增大推焦動力。以上兩方面的因素將使得SCOPE21工藝的焦?fàn)t壽命要比傳統(tǒng)工藝的焦?fàn)t短很多。
（4）提高弱粘結(jié)性煤的比例有限。根據(jù)文獻(xiàn)公布的試驗(yàn)結(jié)果，同樣的配煤用SCOPE21工藝所煉制的焦炭冷強(qiáng)度比傳統(tǒng)煉焦工藝僅提高2.5個百分點(diǎn)，但是，焦炭熱強(qiáng)度并未改善，還不如高炭化室大容積焦?fàn)t的改善效果。由于不同國家對弱粘結(jié)性煤的定義不同，且弱粘結(jié)性煤的范圍很廣、差異很大，配煤中弱粘結(jié)性煤的配比高低并不能代表配合煤質(zhì)量。從目前發(fā)表的資料顯示，其所謂配入50%弱粘結(jié)性煤的配合煤質(zhì)量是：最大流動度logMF為1.97～2.2,膨脹性TD為42～51。而我國寶鋼2005年生產(chǎn)的配煤質(zhì)量是：最大流動度logMF為2.06～3.49，平均為2.9,膨脹性TD為13～70，平均為34.2。綜合分析表明，試驗(yàn)配合煤的膨脹性（TD)比寶鋼2005年的生產(chǎn)配合煤好，試驗(yàn)配合煤的最大流動度（logMF )比寶鋼2005年的生產(chǎn)配煤略差，試驗(yàn)所用的配合煤質(zhì)量與寶鋼生產(chǎn)配煤的質(zhì)量差異并不十分顯著。因此，寶鋼在目前配煤的基礎(chǔ)上大幅度提高弱粘結(jié)性煤比例，用這種工藝是無法獲得同樣質(zhì)量的焦炭，或者說寶鋼目前的配煤用此工藝生產(chǎn)的焦炭，質(zhì)量不會有顯著提高。根據(jù)寶鋼多年的科研和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在獲得寶鋼目前焦炭實(shí)物質(zhì)量的條件下，此工藝最多只能多用弱粘結(jié)性煤3%～5%，并不能大幅度提高。如果大幅度提高弱粘結(jié)性煤的比例，即使焦炭冷強(qiáng)度下降不多，焦炭的熱強(qiáng)度也將大幅下降，但大容積高爐大噴吹煤粉操作時，焦炭的熱強(qiáng)度比冷強(qiáng)度更為重要，型焦在大高爐中最多只能用30％的原因就在于此。
（5）工藝無實(shí)質(zhì)性突破，經(jīng)濟(jì)性值得商榷。SCOPE21工藝從本質(zhì)上來說就是將原來在焦?fàn)t炭化室內(nèi)進(jìn)行的煉焦過程部分轉(zhuǎn)移到爐外進(jìn)行，結(jié)合一些改善焦炭質(zhì)量以及環(huán)保方面的技術(shù)措施，從而達(dá)到提高焦?fàn)t生產(chǎn)率、優(yōu)化焦炭質(zhì)量、消除環(huán)境污染的目的。但歸根結(jié)底，SCOPE21工藝只是對傳統(tǒng)煉焦工藝的改進(jìn)和提高，沒有脫離傳統(tǒng)室式焦?fàn)t、高溫干餾煉焦的實(shí)質(zhì)。SCOPE21工藝未能簡化煉焦流程，操作難度反而提高。煤預(yù)熱、熱成型技術(shù)以及350～400℃煤的貯存、運(yùn)輸和裝爐工藝均十分復(fù)雜。干熄焦要將低于900℃的焦炭再加熱到l000℃，工藝也比目前的干熄焦設(shè)備復(fù)雜。焦?fàn)t本體的炭化室的孔數(shù)雖然減少了，但全爐組每晝夜的出焦次數(shù)并沒有變化，只是成倍地增加了單孔炭化室的操作強(qiáng)度。這樣就對焦?fàn)t設(shè)備和耐火材料提出了相當(dāng)高的要求，而且焦?fàn)t設(shè)備的壽命將隨著生產(chǎn)率的提高而同比例降低。綜合上述因素，相關(guān)文獻(xiàn)宣稱的經(jīng)濟(jì)性值得商榷。
綜上所述，SCOPE21工藝存在的問題可以概括如下：提高非煉焦煤和弱粘結(jié)性煤使用比例的效果并不顯著，相同的配煤所制得焦炭的冷強(qiáng)度僅比傳統(tǒng)工藝提高2.5個百分點(diǎn)，焦炭的熱性能無變化；雖然生產(chǎn)效率提高了，但是焦?fàn)t的壽命將縮短，因此總投資成本并不能下降；煤預(yù)處理投資成本的大幅度提高使煉焦的操作成本提高，難度也提高，且還有很多關(guān)鍵技術(shù)未解決。
日本的SCOPE21煉焦工藝雖有不足之處，但也不可否認(rèn)，該工藝為未來煉焦技術(shù)的發(fā)展提供了借鑒?？山梃b點(diǎn)有三：一是資源的靈活性。新型焦?fàn)t必須接受非、弱粘結(jié)煤，這在傳統(tǒng)焦?fàn)t中不能使用得很多。二是成本的競爭性。生產(chǎn)率高，成本競爭力要高。三是對環(huán)境友好。新型焦?fàn)t必須滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)（NOx、SO2、CO2)和勞動條件（粉塵、煙氣、氣味）。在21世紀(jì)，高爐法仍將是重要的煉鐵技術(shù)，我們相信環(huán)保、節(jié)能的煉焦技術(shù)將進(jìn)一步完善，并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，為世界鋼鐵業(yè)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。
