华东理工大学20 13 —20 14 学年第 2 学期 《 过程系统工程 》课程论文 2014.4
摘要：炼焦指炼焦煤在隔绝空气条件下加热到1000℃左右（高温干馏），通过热分解和结焦产生焦炭、焦炉煤气和炼焦化学产品的工艺过程，生产过程分为洗煤、配煤、炼焦和产品处理等工序。如果在工艺过程中优化配煤结构，对炼焦废弃物进行循环利用，则可以提高焦煤利用率，保护环境，变废为宝，降低生产成本，同时提高焦炭质量。 关键词：炼焦，优化，节能
1 研究背景
中国煤炭资源比较丰富，但炼焦煤资源却相当贫乏，根据勘探的储量，可以用于炼焦的煤只有178Gt 。为了合理的利用煤炭资源，节约优质炼焦煤，生产出符合质量要求的焦炭，对优化炼焦配煤技术提出了更高的要求，配煤技术涉及煤的多项工艺性质。结焦特性和灰分，硫分，挥发分的配合性质以及煤的成焦机理等[1]。此外，炼焦生产过程中，高温焦炉煤气中高沸点的有机化合物在集气管或初冷器冷却的条件下冷凝形成煤焦油，与此同时煤气中夹带的煤粉、粉焦等也混杂在煤焦油中形成大小不等的块状物，这些块状物统称为焦油渣，一般焦油渣占炼焦干煤的0.15％～0.20％，焦油车间对煤焦油深加工后的残渣产生沥青[2], 通过对焦油渣、沥青混合物进行回配炼焦煤，可提高炼焦废弃物的循环利用。
因此，如果在配煤过程以及废弃物的排放过程中进行优化，不但可以对煤炭资源进行合理的利用，同时也能够获得更好的经济效益和环境效益，解决资源利用和废渣污染的问题。
2 主要内容 2.1炼焦工艺流程
现代焦炭生产过程分为洗煤、配煤、炼焦和产品处理等工序。 （1）洗煤
原煤在炼焦之前，先进行洗选。目的是降低煤中所含的灰分和去除其他杂质。 （2）配煤
将各种结焦性能不同的煤按一定比例配合炼焦。目的是在保证焦炭质量的前提下，扩大炼焦用煤的使用范围，合理地利用国家资源，并尽可能地多得到一些化工产品。 （3）炼焦
将配合好的煤装入炼焦炉的炭化室，在隔绝空气的条件下通过两侧燃烧室加热干馏，经过一定时间，最后形成焦炭。炭化室内成焦过程如图1所示。
图1 结焦过程示意图
（4）炼焦的产品处理
将炉内推出的红热焦炭送去熄焦塔熄火，然后进行破碎、筛分、分级、获得不同粒度的焦炭产品，分别送往高炉及烧结等用户。熄焦方法有干法和湿法两种。 湿法熄焦是把红热焦炭运至熄焦塔，用高压水喷淋60～90s 。
干法熄焦是将红热的焦炭放入熄焦室内，用惰性气体循环回收焦炭的物理热，时间为2～4h 。
在炼焦过程中还会产生炼焦煤气及多种化学产品。焦炉煤气是烧结、炼焦、炼铁、炼钢和轧钢生产的主要燃料。
2.2炼焦优化配煤
焦炭的用途不同，所要求的控制指标不同，主要的控制指标有焦炭灰分、硫分、挥发分和焦炭强度。焦炭的各种性质主要取决于生产焦炭的配合煤料的性质和炼焦工艺，在工业生产中，由于炼焦工艺参数都已比较固定，只具有次要的影响。原料煤的性质和配合就成为决定焦炭质量的主要因素。因此，可根据焦炭的控制指标，计算出配合煤的各项指标，然后再计算出原料煤的配比。
2.2.1灰分
炼焦过程中，煤的灰分全部转入焦炭，煤的灰分过高，会导致配煤成本高、优质炼焦煤资源不能得到合理利用[3]。配合煤灰分和焦炭灰分的关系可用下式表示：
A d 配合煤= KAd 焦炭
配合煤灰分来自原料煤灰分：
n
A d 配合煤=∑XiAdi
i =1
A d 配合煤——配合煤干基灰分，%； A d 焦炭——焦炭干基灰分，%； K ——焦率，K =0.74-0.76； X i ——第i 种原料煤的配煤比； A di ——第i 种原料煤的灰分，%； n ——参配煤数。
2.2.2硫分
焦炭中的硫分是有害成分， 因此必须根据对焦炭硫分的要求， 严格控制配合煤的硫分。配合煤硫分与焦炭硫分的关系为：
K
S t 配合煤=S t 焦炭
△S
配合煤硫分来自原料煤的硫分：
S t 配合煤=∑XiSti
i =1
n
S t 配合煤——配合煤全硫分，%；
S t 焦炭——焦炭全硫分，%； K ——全焦率；
△S ——炼焦过程中转入焦炭的硫的质量比 ， X i ——第i 种原料煤的配煤比； S ti ——第i 种原料煤的硫分，%。
2.2.3挥发分和粘结性
焦炭的强度主要取决于煤的结焦性，而煤的结焦性又受煤化度和煤的粘结性这两个因素所制约，因此可控制配合煤挥发分和粘结指数，以满足焦炭的强度要求。
配合煤挥发分来自原料煤挥发分：
K
=1.0-1.2； △S
V daf 配合煤=∑Xi (Vdaf ) i
i =1
n
V daf 配合煤——配合煤干燥无灰基挥发分； X i ——第i 种原料煤的配比；
V （daf ）i ——第i 种原料煤的干燥无灰基挥发分，%。 配合煤的粘结性也可近似看作原料煤粘结性的加和：
G=∑XiGi
i =1
n
G ——配合煤的粘结指数，G=65-80 G i ——原料煤的粘结指数
由于配合煤水分、细度、散密度等控制指标受作业条件的影响，因此在优化配料计算中不加以考虑。
2.2.4算法选择———穷举法[1]
穷举法的基本思路是以各种原料煤的配比上下限作为约束条件，选取一定的步长，求出满足约束条件的所有解，然后求出符合生产要求的最佳配煤方案。由于穷举法遍历了所有可能的结果，结果是准确可靠的。
2.2.5结果分析
以配入6种煤为例，原始数据如表1所示。由穷举法所计算出的最佳配煤方案及原配煤方案列于表2。
表1 原料煤原始输入数据及配合煤和焦炭控制指标
煤种 1 2 3 4 5 6 配合煤 焦炭
A(%) 11.24 10.4 10.5 9.42 9.96 9.20
V(%) 24.92 30.26 31.19 32.14 12.86 20.86 20-30
S(%) 0.81 0.44 0.36 0.50 0.57 0.32
G 75.67 72.33 75.33 67.67 68.00 78.00 65-80
表2 配煤方案（%）
X(mm) Y(mm) 26.27 43 34 38.00 43.50 30.00
50.50 16.67 20.67 16.67 17.35 12.50
成本配煤上配煤下
（元） 限（%） 限（%） 233.62 242.33 261.23 185.36 208.71 223.00
18 5 5 10 5 30
20 15 15 30 15 36
算法
煤种 穷举法 原算法
18 20
5 8
5 8
30 24
12 10
30 24
214.78 219.26
1
2
3
4
5
6
成本（元/t）
从表2可以看出，采用单纯形法计算出的配煤方案成本最低，算法计算出的配煤方案的成本比原算法的成本低，每吨煤可节省成本4.48元，每年按用煤100万吨计，则年节约成本400多万元，经济效果显著。此外穷举法可给出几组成本相近的配比，供生产实际选择，因此，结合生产成本、焦炭质量和配煤资源，对企业来讲，更具有实用价值。
2.3炼焦废弃物利用
2.3.1焦油渣、沥青回配炼焦煤试验
表3 焦油渣、沥青成分分析[4] %
项目 焦油渣 沥青
水分 2.8
灰分 6.25 0.795
表4 单种煤成分分析
煤种 天府 1/3焦煤 干坝子 南桐 印尼 团坝
A ad /% 12.08 11.20 11.66 13.06 7.36 11.52
V ad /% 20.32 31.12 20.51 22.93 26.43 32.72
S/% 1.46 0.75 2.61 1.70 1.64 0.75
M ad /% 1.02 1.00 0.54 0.68 1.44 1.28
挥发分 35.28 66.5
硫 0.66 0.47
固定碳 61.03 >60
由表3、表4对比可看出，焦油渣、沥青的灰分和硫分含量低于任何一种炼焦单种煤的灰分和硫分，挥发分却高于任何一种炼焦单种煤的挥发分，通过配合煤指标对比分析，焦油渣、沥青配入炼焦煤中，能够有效降低配合煤灰、硫含量，但配合煤的挥发分上升，固定碳含量下降。焦油渣、沥青的挥发分高于最高一种单种煤的挥发分，主要原因是焦油渣、沥青含有部分焦油，使焦油渣、沥青挥发分显著升高[5]。
图3 配合煤质量指标
图4焦炭冷态强度
随焦油渣、沥青比例配入的增加，配合煤灰分、硫分呈下降趋势，挥发分呈上升趋势，当配入比例0~4%时，随着焦油渣配入比例的增多，焦炭灰、硫和挥发分变化趋势明显，当配入比例为2%时，焦炭冷强度指标（M40、M10）和热强度（反应性和反应后强度）基本持平，当配入>4%时，焦炭冷强度和热强度指标下降幅度明显增大。通过焦油渣配煤炼焦试验，试验结论为：
1）焦油渣以煤粉为主，低灰低硫、高挥发分低固定碳，从焦油渣的组成和指标分析，焦油渣回配炼焦是可行的。焦油渣回配炼焦比例以2%~4%最佳，焦炭质量稳定，最高不超过4%。
2）超过4%时焦炭质量明显变差，配入比例越大，焦炭固定碳越低，焦炭冷热强度越差。
但由于焦油渣和沥青的特殊性，焦油渣与沥青直接上皮带易粘结在皮带运输 机及皮带托辊上，皮带损坏严重，不到3个月皮带完全损坏就不能使用。焦油渣
与沥青回配煤炼焦需解决焦油渣、沥青与配合煤混匀的问题。为此，借鉴型煤炼焦工艺的原理，将焦油渣和沥青作为添加剂制成型煤回配到炼焦煤中炼焦。焦油 渣、沥青制型煤回配炼焦工艺见图5。
2.3.2工艺流程
从原配煤工艺的H124皮带机头溜槽取出部分配合煤入M1皮带，来自渣池的焦油渣、沥青通过提升机加入M2皮带上与煤一起进入搅拌机、搅拌均匀的焦油渣、沥青煤通过M3皮带进入成型机压成型，成型的煤球通过M4皮带再返回H125皮带通过原配煤系统入煤塔装炉炼焦。
图5 沥青制型煤回配炼焦工艺
3 结论
炼焦配煤是一项工程量大且烦琐的工作，选择最优的配煤方案，有助于煤炭资源的合理利用及优质炼焦煤的节约。运用文中穷举法所得的配煤方案和实际生产中的配煤相比，每年可节约成本400多万元，经济效果显著，因此，配煤优化为炼焦工艺的优化提供了更多可能性。
另一方面，通过改进借鉴型煤炼焦工艺，实现了焦油渣与沥青回配炼焦的设想，实现了焦化废渣的零排放，较好的解决了焦油渣资源利用和废渣污染难题，取得了可观的经济效益、社会效益和环境效益，也为炼焦工艺的优化开辟了一条新的途径。
参考文献
[1]金会心，张金柱. 炼焦优化配料计算[J]. 贵州工业大学学报, 2004, 33(6):9-12；
[2]刘志成. 焦油渣与沥青回配炼焦煤的利用与研究[J]．能源研究与管理, 2013,(2):89—91； [3]蒋善勇，张凯，裴建宇，刘炯天. 炼焦煤优化利用的实践[J]．广东化工，2012，6(39)：117； [4]尹维权，李庆奎. 焦油渣回收利用的研究与应用[J]．酒钢科技，2007(S1)：118—123； [5]孙喜民，徐君，孙秀环等．低温煤焦油沥青及焦油渣配煤炼焦实验研究[J]．冶金能源，2007(5)：37—41．
华东理工大学20 13 —20 14 学年第 2 学期 《 过程系统工程 》课程论文 2014.4
摘要：炼焦指炼焦煤在隔绝空气条件下加热到1000℃左右（高温干馏），通过热分解和结焦产生焦炭、焦炉煤气和炼焦化学产品的工艺过程，生产过程分为洗煤、配煤、炼焦和产品处理等工序。如果在工艺过程中优化配煤结构，对炼焦废弃物进行循环利用，则可以提高焦煤利用率，保护环境，变废为宝，降低生产成本，同时提高焦炭质量。 关键词：炼焦，优化，节能
1 研究背景
中国煤炭资源比较丰富，但炼焦煤资源却相当贫乏，根据勘探的储量，可以用于炼焦的煤只有178Gt 。为了合理的利用煤炭资源，节约优质炼焦煤，生产出符合质量要求的焦炭，对优化炼焦配煤技术提出了更高的要求，配煤技术涉及煤的多项工艺性质。结焦特性和灰分，硫分，挥发分的配合性质以及煤的成焦机理等[1]。此外，炼焦生产过程中，高温焦炉煤气中高沸点的有机化合物在集气管或初冷器冷却的条件下冷凝形成煤焦油，与此同时煤气中夹带的煤粉、粉焦等也混杂在煤焦油中形成大小不等的块状物，这些块状物统称为焦油渣，一般焦油渣占炼焦干煤的0.15％～0.20％，焦油车间对煤焦油深加工后的残渣产生沥青[2], 通过对焦油渣、沥青混合物进行回配炼焦煤，可提高炼焦废弃物的循环利用。
因此，如果在配煤过程以及废弃物的排放过程中进行优化，不但可以对煤炭资源进行合理的利用，同时也能够获得更好的经济效益和环境效益，解决资源利用和废渣污染的问题。
2 主要内容 2.1炼焦工艺流程
现代焦炭生产过程分为洗煤、配煤、炼焦和产品处理等工序。 （1）洗煤
原煤在炼焦之前，先进行洗选。目的是降低煤中所含的灰分和去除其他杂质。 （2）配煤
将各种结焦性能不同的煤按一定比例配合炼焦。目的是在保证焦炭质量的前提下，扩大炼焦用煤的使用范围，合理地利用国家资源，并尽可能地多得到一些化工产品。 （3）炼焦
将配合好的煤装入炼焦炉的炭化室，在隔绝空气的条件下通过两侧燃烧室加热干馏，经过一定时间，最后形成焦炭。炭化室内成焦过程如图1所示。
图1 结焦过程示意图
（4）炼焦的产品处理
将炉内推出的红热焦炭送去熄焦塔熄火，然后进行破碎、筛分、分级、获得不同粒度的焦炭产品，分别送往高炉及烧结等用户。熄焦方法有干法和湿法两种。 湿法熄焦是把红热焦炭运至熄焦塔，用高压水喷淋60～90s 。
干法熄焦是将红热的焦炭放入熄焦室内，用惰性气体循环回收焦炭的物理热，时间为2～4h 。
在炼焦过程中还会产生炼焦煤气及多种化学产品。焦炉煤气是烧结、炼焦、炼铁、炼钢和轧钢生产的主要燃料。
2.2炼焦优化配煤
焦炭的用途不同，所要求的控制指标不同，主要的控制指标有焦炭灰分、硫分、挥发分和焦炭强度。焦炭的各种性质主要取决于生产焦炭的配合煤料的性质和炼焦工艺，在工业生产中，由于炼焦工艺参数都已比较固定，只具有次要的影响。原料煤的性质和配合就成为决定焦炭质量的主要因素。因此，可根据焦炭的控制指标，计算出配合煤的各项指标，然后再计算出原料煤的配比。
2.2.1灰分
炼焦过程中，煤的灰分全部转入焦炭，煤的灰分过高，会导致配煤成本高、优质炼焦煤资源不能得到合理利用[3]。配合煤灰分和焦炭灰分的关系可用下式表示：
A d 配合煤= KAd 焦炭
配合煤灰分来自原料煤灰分：
n
A d 配合煤=∑XiAdi
i =1
A d 配合煤——配合煤干基灰分，%； A d 焦炭——焦炭干基灰分，%； K ——焦率，K =0.74-0.76； X i ——第i 种原料煤的配煤比； A di ——第i 种原料煤的灰分，%； n ——参配煤数。
2.2.2硫分
焦炭中的硫分是有害成分， 因此必须根据对焦炭硫分的要求， 严格控制配合煤的硫分。配合煤硫分与焦炭硫分的关系为：
K
S t 配合煤=S t 焦炭
△S
配合煤硫分来自原料煤的硫分：
S t 配合煤=∑XiSti
i =1
n
S t 配合煤——配合煤全硫分，%；
S t 焦炭——焦炭全硫分，%； K ——全焦率；
△S ——炼焦过程中转入焦炭的硫的质量比 ， X i ——第i 种原料煤的配煤比； S ti ——第i 种原料煤的硫分，%。
2.2.3挥发分和粘结性
焦炭的强度主要取决于煤的结焦性，而煤的结焦性又受煤化度和煤的粘结性这两个因素所制约，因此可控制配合煤挥发分和粘结指数，以满足焦炭的强度要求。
配合煤挥发分来自原料煤挥发分：
K
=1.0-1.2； △S
V daf 配合煤=∑Xi (Vdaf ) i
i =1
n
V daf 配合煤——配合煤干燥无灰基挥发分； X i ——第i 种原料煤的配比；
V （daf ）i ——第i 种原料煤的干燥无灰基挥发分，%。 配合煤的粘结性也可近似看作原料煤粘结性的加和：
G=∑XiGi
i =1
n
G ——配合煤的粘结指数，G=65-80 G i ——原料煤的粘结指数
由于配合煤水分、细度、散密度等控制指标受作业条件的影响，因此在优化配料计算中不加以考虑。
2.2.4算法选择———穷举法[1]
穷举法的基本思路是以各种原料煤的配比上下限作为约束条件，选取一定的步长，求出满足约束条件的所有解，然后求出符合生产要求的最佳配煤方案。由于穷举法遍历了所有可能的结果，结果是准确可靠的。
2.2.5结果分析
以配入6种煤为例，原始数据如表1所示。由穷举法所计算出的最佳配煤方案及原配煤方案列于表2。
表1 原料煤原始输入数据及配合煤和焦炭控制指标
煤种 1 2 3 4 5 6 配合煤 焦炭
A(%) 11.24 10.4 10.5 9.42 9.96 9.20
V(%) 24.92 30.26 31.19 32.14 12.86 20.86 20-30
S(%) 0.81 0.44 0.36 0.50 0.57 0.32
G 75.67 72.33 75.33 67.67 68.00 78.00 65-80
表2 配煤方案（%）
X(mm) Y(mm) 26.27 43 34 38.00 43.50 30.00
50.50 16.67 20.67 16.67 17.35 12.50
成本配煤上配煤下
（元） 限（%） 限（%） 233.62 242.33 261.23 185.36 208.71 223.00
18 5 5 10 5 30
20 15 15 30 15 36
算法
煤种 穷举法 原算法
18 20
5 8
5 8
30 24
12 10
30 24
214.78 219.26
1
2
3
4
5
6
成本（元/t）
从表2可以看出，采用单纯形法计算出的配煤方案成本最低，算法计算出的配煤方案的成本比原算法的成本低，每吨煤可节省成本4.48元，每年按用煤100万吨计，则年节约成本400多万元，经济效果显著。此外穷举法可给出几组成本相近的配比，供生产实际选择，因此，结合生产成本、焦炭质量和配煤资源，对企业来讲，更具有实用价值。
2.3炼焦废弃物利用
2.3.1焦油渣、沥青回配炼焦煤试验
表3 焦油渣、沥青成分分析[4] %
项目 焦油渣 沥青
水分 2.8
灰分 6.25 0.795
表4 单种煤成分分析
煤种 天府 1/3焦煤 干坝子 南桐 印尼 团坝
A ad /% 12.08 11.20 11.66 13.06 7.36 11.52
V ad /% 20.32 31.12 20.51 22.93 26.43 32.72
S/% 1.46 0.75 2.61 1.70 1.64 0.75
M ad /% 1.02 1.00 0.54 0.68 1.44 1.28
挥发分 35.28 66.5
硫 0.66 0.47
固定碳 61.03 >60
由表3、表4对比可看出，焦油渣、沥青的灰分和硫分含量低于任何一种炼焦单种煤的灰分和硫分，挥发分却高于任何一种炼焦单种煤的挥发分，通过配合煤指标对比分析，焦油渣、沥青配入炼焦煤中，能够有效降低配合煤灰、硫含量，但配合煤的挥发分上升，固定碳含量下降。焦油渣、沥青的挥发分高于最高一种单种煤的挥发分，主要原因是焦油渣、沥青含有部分焦油，使焦油渣、沥青挥发分显著升高[5]。
图3 配合煤质量指标
图4焦炭冷态强度
随焦油渣、沥青比例配入的增加，配合煤灰分、硫分呈下降趋势，挥发分呈上升趋势，当配入比例0~4%时，随着焦油渣配入比例的增多，焦炭灰、硫和挥发分变化趋势明显，当配入比例为2%时，焦炭冷强度指标（M40、M10）和热强度（反应性和反应后强度）基本持平，当配入>4%时，焦炭冷强度和热强度指标下降幅度明显增大。通过焦油渣配煤炼焦试验，试验结论为：
1）焦油渣以煤粉为主，低灰低硫、高挥发分低固定碳，从焦油渣的组成和指标分析，焦油渣回配炼焦是可行的。焦油渣回配炼焦比例以2%~4%最佳，焦炭质量稳定，最高不超过4%。
2）超过4%时焦炭质量明显变差，配入比例越大，焦炭固定碳越低，焦炭冷热强度越差。
但由于焦油渣和沥青的特殊性，焦油渣与沥青直接上皮带易粘结在皮带运输 机及皮带托辊上，皮带损坏严重，不到3个月皮带完全损坏就不能使用。焦油渣
与沥青回配煤炼焦需解决焦油渣、沥青与配合煤混匀的问题。为此，借鉴型煤炼焦工艺的原理，将焦油渣和沥青作为添加剂制成型煤回配到炼焦煤中炼焦。焦油 渣、沥青制型煤回配炼焦工艺见图5。
2.3.2工艺流程
从原配煤工艺的H124皮带机头溜槽取出部分配合煤入M1皮带，来自渣池的焦油渣、沥青通过提升机加入M2皮带上与煤一起进入搅拌机、搅拌均匀的焦油渣、沥青煤通过M3皮带进入成型机压成型，成型的煤球通过M4皮带再返回H125皮带通过原配煤系统入煤塔装炉炼焦。
图5 沥青制型煤回配炼焦工艺
3 结论
炼焦配煤是一项工程量大且烦琐的工作，选择最优的配煤方案，有助于煤炭资源的合理利用及优质炼焦煤的节约。运用文中穷举法所得的配煤方案和实际生产中的配煤相比，每年可节约成本400多万元，经济效果显著，因此，配煤优化为炼焦工艺的优化提供了更多可能性。
另一方面，通过改进借鉴型煤炼焦工艺，实现了焦油渣与沥青回配炼焦的设想，实现了焦化废渣的零排放，较好的解决了焦油渣资源利用和废渣污染难题，取得了可观的经济效益、社会效益和环境效益，也为炼焦工艺的优化开辟了一条新的途径。
参考文献
[1]金会心，张金柱. 炼焦优化配料计算[J]. 贵州工业大学学报, 2004, 33(6):9-12；
[2]刘志成. 焦油渣与沥青回配炼焦煤的利用与研究[J]．能源研究与管理, 2013,(2):89—91； [3]蒋善勇，张凯，裴建宇，刘炯天. 炼焦煤优化利用的实践[J]．广东化工，2012，6(39)：117； [4]尹维权，李庆奎. 焦油渣回收利用的研究与应用[J]．酒钢科技，2007(S1)：118—123； [5]孙喜民，徐君，孙秀环等．低温煤焦油沥青及焦油渣配煤炼焦实验研究[J]．冶金能源，2007(5)：37—41．