董 海 鐘英飛
我國鋼鐵產業(yè)在近10年來經歷了快速發(fā)展的階段，鋼的產量連續(xù)突破年產1億噸、 2億噸、3億噸和4億噸, 2008年又突破5億噸。在鋼產量連續(xù)快速增長的同時，也暴露出一些結構性、技術性、資源供給與環(huán)境保護等方面的問題，為今后的健康、持續(xù)發(fā)展帶來了影響。本文擬對以下幾個與焦化有關的問題進行探討。
1 高爐大型化與焦炭質量和煉焦煤資源的關聯(lián)性
設備大型化在各方面體現(xiàn)的效益是顯而易見的，它可以充分采用各種為提高效率、節(jié)約能源、降低消耗、延長使用年限的技術，配置高效的污染防治設施來降低對環(huán)境的危害，從而在整體上實現(xiàn)高效、低耗、低污染的綜合效果。工業(yè)發(fā)達國家早在上世紀70～80年代就開展了大規(guī)模的設備大型化工作，就煉鐵高爐來說，已建成的有容積4000m3級的高爐，目前最大的已達到5500m3。
反觀我國，在這方面的進程相對滯緩。以1995年寶鋼建成的高爐為分界，當時鋼鐵工業(yè)重點企業(yè)產鐵的18家中，有高爐80座，其中高爐容積≥2000m3的只有9座，其中包括寶鋼3座（4063m3的2座、4350m3 1座）；武鋼2座（2516m3和3200m3各1座）；鞍鋼2座2580m3；首鋼1座2100m3；本鋼1座2000m3。地方重點企業(yè)產鐵的40家中，有高爐125座，沒有1座≥2000m3的高爐，只有邯鋼有1座1260m3，多數(shù)為300m3級，也不乏≤100m3的。
自上世紀90年代后期，我國鋼鐵產業(yè)進入迅速發(fā)展階段，高爐大型化的步伐也隨之加快，建成了一批2500m3和3000m3級的高爐，其中最大的達到4706m3。到2006年末，≥2000m3的高爐已增加到46座。高爐大型化的進展并未在4700m3上止步，寶鋼1號高爐于2008年大修后, 由4063m3擴容為4800m3；新建的首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司的高爐容積為5500 m3（已建成1座）；擬建的湛江鋼鐵廠，初步設計高爐容積為5700 m3。這幾座高爐的容積都堪稱世界頂級。高爐大型化進程給我國煉鐵的技術面貌造成的變化是顯著的，同時也對焦炭質量要求帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。
眾所周知，焦炭在高爐料柱中除提供熱源、還原劑和增碳的作用外，還起到其他爐料無法提供的骨架作用，這是使料柱有良好透氣性和爐況順行的重要保證。隨著煉鐵技術的進步以及減少焦炭消耗的要求，現(xiàn)代煉鐵普遍實行高溫、大風、富氧、大噴煤的操作工藝。如京唐鋼和湛江廠的設計，焦比均定為270kg/t鐵，噴煤量220 kg/t鐵，這就意味高爐料柱中焦炭所占容積大大縮減；而高爐大型化后，爐身高度增高，料柱中焦炭所承受的各種力也就增大；爐料下降過程中所經受的摩擦和CO2對焦炭氣孔壁的侵蝕時間都遠大于容積較小的高爐。由此形成一個概念, 認為高爐容積增大后，對焦炭各種性能的要求（如冷強度、熱強度等）就會有所提高，其增加的幅度隨爐容的增大而增加。
焦炭形成冷強度和熱強度——特別是熱強度中的反應后強度（CSR）的基礎是煉焦配合煤的質量，即粘結性和結焦性能好的肥煤和焦煤的用量配比，這是不會因煤準備和煉焦工藝等而有根本性的改變。所以目前大型高爐用焦的配煤比中，焦、肥煤的比重已超過50%，有的企業(yè)高達65%～70%,甚至超過70%。目前，我國煉焦煤在煤炭總儲量中不足27%, 即約2700億噸，而其中探明可采儲量僅660億噸,其中肥煤僅占13%，焦煤僅占17%，并且還有相當部分由于含灰、含硫偏高，難洗選，不宜用于煉焦。除此之外，在地域分布上也很不平均，約45％的肥煤和49％的焦煤均在山西省，這種狀況與大型高爐用焦的配煤比中焦、肥煤的用量極不相稱。
在寶鋼建設之始，為滿足4063 m3高爐用焦炭的質量要求，在全國各主要產肥煤和焦煤的煤礦尋找煉焦煤源時，曾因某些優(yōu)質煤種與原使用企業(yè)在供給上有矛盾而引發(fā)爭議，就足以說明優(yōu)質焦煤、肥煤在我國不能滿足需要的尷尬局面。近年來，由于煤炭行業(yè)的努力，表面上看似乎在一定程度上滿足了鋼鐵企業(yè)的需要，但這是在超越儲量比例開采的結果，對資源的持續(xù)、均衡利用是不利的。當然不能排除沿海企業(yè)利用國外資源，以緩解國內供應不足的矛盾，如寶鋼等一些企業(yè)曾長期使用一定數(shù)量的進口煤（2008年預計總進口量約為700萬噸)。
高爐大型化是技術發(fā)展的方向，是提高鋼鐵產業(yè)集中度的重要條件，由此也產生了優(yōu)質煉焦煤資源供給和高爐大型化對焦炭質量提高的矛盾。上個世紀80年代以來，世界各國和我國技術工作者通過對焦炭在高爐中行徑的研究認為：焦炭在高爐中的劣化受到外部因素——機械破壞作用、碳溶反應、液渣、液鐵的沖刷作用和溶碳作用、堿金屬、高溫高速氣流沖擊、高溫熱應力等作用，及內部因素——焦炭氣孔結構、焦炭顯微結構、焦炭含灰、以及近年來采用的富氧噴煤后帶入的新因素等多種因素的交叉影響。所以焦炭在高爐中的劣化過程是因不同的冶煉條件而有不同的反映。因此目前表達焦炭質量的冷強度指標——M40、M10以及I20、I10、 DI、熱強度指標——CRI（反應性）和CSR（反應后強度），并不能確切評估某特定高爐對焦炭質量的要求。由此提出以下問題：
1) 高爐大型化對焦炭質量的要求不能一刀切，要因不同冶煉條件而有所差別；
2) 高爐大型化要因地制宜，即宜與優(yōu)質煉焦煤資源供應存在相匹配的關系。不同區(qū)域，如沿海、內地或資源豐富地區(qū)而有所差別。
3) 目前某些企業(yè)使用焦、肥煤高配比生產的焦炭，其相關的冷、熱強度，在某種程度上是否存在超出高爐冶煉實際的需要，而造成優(yōu)質煉焦煤資源浪費的問題需要進行探討。鑒于近期高爐冶煉主流不會被其他冶煉工藝（設備）所取代，亦即對焦炭的需求不會終止，而優(yōu)質煉焦煤供應緊張的局面是長期的，而且是越來越嚴峻，因此建立一個能更確切地反映焦炭質量的指標體系就顯得十分緊迫。
4) 建議國家有關部門建立一個真正能體現(xiàn)焦炭在高爐中正確行徑、優(yōu)劣差別的指標，并將其列為重點科研工作。
同時，煉焦行業(yè)同仁則需在焦爐炭化室寬度的選擇上進行斟酌?？v觀世界各國焦爐炭化室寬度，基本都在400～500mm之間，只有德國某些地區(qū)采用炭化室寬600mm左右的焦爐。煉焦界把炭化室寬度大于550mm的焦爐稱為寬炭化室焦爐。國內外從事煉焦配煤研究工作的人士從煉焦機理的研究中提出，寬炭化室焦爐適合強粘結性（即高質量的肥煤和焦煤在配煤比中占絕對優(yōu)勢）和低揮發(fā)分（揮送分22%～25%）配煤，而用粘結性較差的配煤時，其生產的焦炭質量不如常規(guī)焦爐，近幾年在我國的生產實踐過程也得到了證實。
太鋼炭化室寬590mm焦爐，配煤中高質量強粘結性肥煤和焦煤比例大于70%，配煤揮發(fā)分24％±1%, 焦炭質量的冷、熱強度以及其他指標都好。據資料介紹，某公司炭化室寬590mm焦爐和炭化室寬450mm的6m焦爐，用同樣配煤，其配煤粘結性較太鋼配煤差（肥煤和焦煤在配煤比中為55%～60%，揮發(fā)分Vdaf 29％左右，這種配煤也是我國目前頂裝焦爐生產用配煤的基本情況），其焦炭的M40、 M10、CRI和CSR指標，炭化室寬590mm和450mm的焦爐二者差別不大。但冶金焦率、塊焦和粉焦率等指標，炭化室寬590mm焦爐都遠不如450mm的焦爐好，這也是煉焦機理規(guī)律的必然， 其對比數(shù)據見表1。
表1 不同寬度炭化室的焦爐數(shù)據對比（％）
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焦炭指標 |
炭化室寬590mm |
炭化室寬450mm |
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冶金焦率 |
83.3 |
86.6 |
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＞60mm塊焦 |
67.4 |
82.9 |
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＜20mm碎焦 |
15.9 |
3.6 |
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焦丁和焦粉 |
16.7 |
13.4 |
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干熄焦的焦炭強度 |
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M40 |
90 |
88.9 |
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M10 |
5.7 |
5.9 |
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CRI |
21.6 |
21.0 |
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CSR |
72.2 |
72.2 |
從表1可看出，對粘結性和結焦性不太強的煉焦配煤來說，不宜采用寬炭化室焦爐，而宜采用炭化室寬度不大于550mm的焦爐。這雖然不能從根本上改變焦炭質量取決于配煤質量的原則，但可以適量減少肥煤和焦煤在煉焦配煤中占有的比例，從合理利用資源和有利于降低生產成本來說是簡而易行的舉措。
2 關于搗固煉焦的焦炭應用
搗固裝煤煉焦能在配合煤中增加弱粘結性、低變質程度的煤和允許在配合煤中擴大惰性煤的配入量，生產出具有一定強度焦炭的工藝。針對我國煉焦煤資源中粘結性好的肥煤貯量不足的狀況，使其屬于推薦采用的工藝技術。近年來，搗固裝煤煉焦在我國有較快發(fā)展，焦爐炭化室高度已由過去的2.8m、3.2m、3.8m增加到4.3m、5.5m。 2008年10月又建成了當今國際上最高的6.25m搗固焦爐。搗固焦爐的產能已接近8000萬噸，但是在搗固焦的應用上還應注意以下幾點。
1) 由于搗固裝煤煉焦所產生的焦炭不會改變各種配合煤的顯微組成，因此它對高爐內氣氛CO2、H2O（氣態(tài)）侵蝕的抵抗能力受到配入煤種固有的影響（限制）。在搗固焦炭應用比較成功的德國迪林根鋼鐵廠也是在1800m3高爐使用較長時期后才逐步推廣使用到更大的高爐上（初期入爐焦中，搗固焦約占85%～90%)。我國并無在大高爐上使用搗固焦的經驗，這應引起搗固焦生產企業(yè)和使用企業(yè)的關注。
2) 搗固焦強度的提高主要依靠裝爐煤堆密度的提高，堆密度可從頂裝煤的740 ～760kg/ m3提高到1000kg/ m3以上，可達到1100 kg/ m3或更高。其效果是使焦炭的氣孔壁增厚，平均氣孔變小，且分布均勻，從而起到降低反應性、提高反應后強度的效果。若為追求這個效果，一味地提高堆密度而加大搗固力，則所產焦炭雖然反應性是降低了，但氣孔率過低，在高爐冶煉使用中，可能出現(xiàn)爐缸溫度偏低、爐況不順的現(xiàn)象。因此要根據各自高爐的冶煉條件，選定恰當?shù)膿v固強度和煤餅堆密度，以生產出適用的焦炭，而不宜盲目追求低反應性。
3) 由于搗固焦的氣孔率和氣孔孔徑較同樣配煤條件下頂裝煤所產出的焦炭小，在使用干法熄焦時，若套用頂裝焦的工藝參數(shù)，就可能出現(xiàn)焦炭熄滅不徹底，甚至暗藏紅焦，從而引發(fā)燒損排焦設備或運焦皮帶的問題。
綜合以上問題，在我國大型高爐上推廣使用搗固焦還應持謹慎、循序漸進的步驟，宜在高爐容積＜2000 m3的高爐上取得系統(tǒng)的經驗后，再考慮向更大容積的高爐推廣。
3 獨立焦化企業(yè)不宜進一步發(fā)展
2008年我國焦炭產量初步統(tǒng)計約為3.2億噸, 扣除土焦約1000萬噸、半焦（蘭炭）約1100萬噸后，傳統(tǒng)機焦爐的產量將近3億噸。在這3億噸中，鋼鐵聯(lián)合企業(yè)產量只占30％強，其余均為獨立焦化企業(yè)生產。而我國焦炭消費的去向，70％左右用于煉鐵。因此獨立焦化企業(yè)在全國焦炭總產量中占有如此高的比重，存在若干弊端。
3.1 售、購焦中產生的問題
1) 鋼鐵企業(yè)向獨立焦化企業(yè)購焦與鋼鐵企業(yè)自產焦相比較，必然增加焦炭貯存、倒運、運輸?shù)茸鳂I(yè)。焦炭是脆性材料，在儲運過程中破損加劇，增加很多小焦塊和焦粉，也就是說將稀缺的煉焦煤變成使用價值（價格）相對較低的小焦塊和焦粉，造成資源損失、能源浪費和經濟損失。
2) 為協(xié)調運輸（無論鐵路或公路）和生產（需求）間的平衡穩(wěn)定，產焦企業(yè)和鋼鐵企業(yè)都必須增加貯焦設施和倒運設施，即增加了土地占用和投資。焦炭在裝卸、倒運過程還不可避免地產生揚塵，污染環(huán)境。
3.2 獨立焦化企業(yè)的焦爐煤氣利用不合理
獨立焦化企業(yè)要用自己生產的焦爐煤氣加熱焦爐，其耗用量約為煤氣發(fā)生量的45%。焦爐是熱工效率優(yōu)良的工業(yè)窯爐，可以使用低熱值燃氣。鋼鐵企業(yè)中有大量富余的高爐煤氣可供焦爐加熱用，從而替換出優(yōu)質、清潔的中熱值焦爐煤氣供更有價值的利用。近年新建的獨立焦化企業(yè)，對富余的焦爐煤氣利用，多數(shù)是采取轉化生產甲醇，但以焦爐煤氣生產甲醇只是權宜之計，并不是合理、可取的安排。其理由如下：
1) 焦爐煤氣的組成中氫占55%～60%，為取得生產甲醇所需的碳源，采用了氧化焦爐煤氣中甲烷的辦法，這就浪費了有效的資源。而鋼鐵企業(yè)中卻有大量優(yōu)質的碳源，如轉爐煤氣中含CO在60％左右，高爐煤氣中含CO和CO2均在20%～25%，正好可供合成甲醇之需。
2）甲醇生產裝置每年要停產檢修30天左右，在此期間，獨立焦化企業(yè)很難尋得消耗焦爐煤氣的用戶，一般只能采取放散。1座設計焦炭產能200萬噸、甲醇產能20萬噸的工廠，在甲醇裝置停產檢修時，放散焦爐煤氣量可高達6萬m3/h，總放散量約折合2.5萬噸標煤。這不僅是極大的浪費，也是對環(huán)境的嚴重污染。
3) 關于甲醇的生產成本。焦爐煤氣是生產甲醇的原料，因而焦爐煤氣的成本是構成甲醇成本的重要因素。但在焦化廠，焦炭和焦爐煤氣的成本是相互分攤的，在焦炭銷路好時，可以將焦爐煤氣的成本降得很低，顯得甲醇有大利可圖，但這不能真實地反映出成本情況。
3.3 獨立焦化企業(yè)難以發(fā)揮干熄焦的效益
干熄焦是回收焦炭顯熱、提高焦炭質量的有效措施，但在獨立焦化企業(yè)卻難以獲得好的效益，主要原因如下：
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1) 干熄焦是通過余熱鍋爐產生蒸汽來回收焦炭的顯熱。發(fā)生的蒸汽在獨立焦化企業(yè)只能在蒸氨、脫苯工序中消耗掉一部分，其余只能采用冷凝式汽輪機用以發(fā)電。該機組運行時由于大量的熱量在冷凝器中被循環(huán)冷卻水帶走，因此經濟性差。而在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)通?？刹捎帽硥菏狡啓C，可以將發(fā)電后的背壓蒸汽輸入全公司的蒸汽管網，供其他工廠使用，因此經濟性好，節(jié)能效果顯著。
2) 經過干熄焦裝置得到的焦炭不含水分，對焦炭強度指標有所改善，直接用于高爐煉鐵有利于提高生產效率，降低焦比。但在獨立焦化企業(yè)，強度指標的改善難以體現(xiàn)在經濟效益上。
3) 當前，經過生化（含脫氮）處理的焦化酚氰廢水，基本上仍不符合直接外排入自然水體的要求，在獨立焦化企業(yè)往往要依靠濕法熄焦來消化其大部或全部。當然可以采用膜處理、反滲透等工藝達到排放標準，但處理的運行成本很高，企業(yè)一般難以承受。因此也限制了獨立焦化企業(yè)設置有效的節(jié)能裝置——干熄焦。而在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中，消化酚氰廢水的途徑就相對容易。
綜上所述，繼續(xù)擴大、發(fā)展獨立焦化企業(yè)的焦炭產能不是方向，特別是在當前獨立焦化企業(yè)焦炭產能占主流的狀況，更應嚴格掌控，制止獨立焦化企業(yè)的進一步擴能。
3.4 建議國家出臺相關政策
建議國家（含中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會、中國煉焦行業(yè)協(xié)會）出臺相應政策，鼓勵、促進以下進程：
1) 凡鋼鐵聯(lián)合企業(yè)焦炭產能不能滿足煉鐵需要的，應適當?shù)馗?、擴建焦爐，達到內部平衡或適當余富，外供非鋼企業(yè)。
2) 鋼鐵企業(yè)也可以與有意投資建設焦炭生產企業(yè)的資金擁有者，在煤氣輸送（焦爐煤氣、高爐煤氣、轉爐煤氣）、焦炭皮帶輸送的合理運距范圍內聯(lián)合建廠?；ス┟簹馀c焦炭，消納酚氰廢水，以取得最佳的經濟效益和社會效益。
4 完善干法熄焦的安全防護措施
近年來，干法熄焦在我國得到快速推廣，到2008年末已建成66套裝置，年處理焦炭能力達到5936萬噸。新建的干法熄焦裝置配置有較完善的污染防治設施，特別是對冷焦排出、輸送和加工過程所產生粉塵的防治，一般采用加罩、抽風送往布袋除塵器的措施。對所產粉塵的捕集率可達95%以上，經布袋除塵器后排放的氣體，含塵濃度小于50mg/m3，這在總體上滿足了環(huán)境保護的要求，但未捕集的5%粉塵也留下了安全隱患。
干法熄焦排出的冷焦不含任何水分，而溫度仍在180～200℃，混焦所含粉塵的量與細度均要超過濕法熄焦的焦炭。因此在排焦、輸送和加工過程中所產生的粉塵（≤100μm)，其飛揚能力要遠大于濕法熄焦時所產生的同粒徑的粉塵，尤其是粒徑≤10μm的微塵，在環(huán)境標準中稱作“可吸入顆粒物、PM10”。在捕集率達到95％的條件下，仍有相當數(shù)量的微塵存留在相應工藝設施附近的空間，被進入有關場地的人員吸入而造成傷害。因此必須對干法熄焦系統(tǒng)配置高效除塵設施，制定出嚴格的捕集率要求，設想≥98%，在使用中加強對除塵設施的檢查維護，確保捕集效率。還應配置適當?shù)膰婌F加濕設施，以降低揚塵。同時應規(guī)定，凡進入相關場地的工作人員，均應佩戴可靠的防護面具，以確保有關人員的人身安全。 |
