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技术干货丨一文讲透煤炭焦化是怎么回事,建议收藏!

发布时间:2020-12-18  作者:恒安

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煤炭焦化又称煤炭高温干馏。以煤为原料,在隔绝空气条件下,加热到1000℃左右,经高温干馏生产焦炭,同时获得煤气、煤焦油并回收其它化工产品的一种煤转化工艺。为保证焦炭质量,选择炼焦用煤的最基本要求是挥发分、粘结性和结焦性;绝大部分炼焦用煤必须经过洗选,以保证尽可能低的灰分、硫分和磷含量。选择炼焦用煤时,还必须注意煤在炼焦过程中的膨胀压力。用低挥发分煤炼焦,由于其胶质体粘度大,容易产生实高膨胀压力,会对焦炉砌体造成损害,需要通过配煤炼焦来解决。

产品和用途

煤经焦化后的产品有焦炭、煤焦油煤气和化学产品3类。
  (1)焦炭。炼焦最重要的产品,大多数国家的焦炭90%以上用于高炉炼铁,其次用于铸造与有色属冶炼工业,少量用于制取碳化钙、二硫化碳、元素磷等。在钢铁联合企业中,焦粉还用作烧结的燃料。焦炭也可作为制备水煤气的原料制取合成用的原料气。
  (2)煤焦油。焦化工业的重要产品,其产量约占装炉煤的3%~4%,其组成极为复杂,多数情况下是由煤焦油工业专门进行分离、提纯后加以利用
(3)煤气和化学产品。氨的回收率约占装炉煤的https://www.titan-biz.com%~https://www.titan-biz.com%,常以硫酸铵、磷酸铵或浓氨水等形式作为最终产品。粗苯回收率约占煤的1%左右。其中苯、甲苯、二甲苯都是有机合成工业的原料。硫及硫氰化合物的回收,不但为了经济效益,也是为了环境保护的需要。经过净化的煤气属中热值煤气,发热量为17500kj/Nm3左右,每吨煤约产炼焦煤气300~400 m3,其质量约占装炉煤的16%~20%,是钢铁联合企业中的重要气体燃料,其主要成分是氢和甲烷,可分离出供化学合成用的氢气和代替天然气的甲烷。

煤焦化工艺

    焦化厂主要生产车间:
备煤车间(煤仓、配煤室、粉碎机室、皮带机运输系统、煤制样室
炼焦车间(煤塔、焦炉、装煤设施、推焦设施、拦焦设施、熄焦塔、筛运焦工段(包括焦台、筛焦楼)
煤气净化车间(冷鼓工段(包括风机房、初冷器、电捕焦油器等设施)
脱氨工段(包括洗氨塔、蒸氨塔、氨分解炉等设施) 
粗苯工段(包括终冷器、洗苯塔、脱苯塔等设施)
公辅设施(废水处理站、供配电系统、给排水系统、综合水泵房、备煤除尘系统、筛运
焦除尘系统、化验室等设施、制冷站)等。

工艺流程图:
一、原料煤的准备
备煤车间的生产任务是给炼焦车间提供数量充足、质量合乎要求的配合煤。其工艺流程为:原料煤→受煤坑→煤场→斗槽→配煤盘→粉碎机→煤塔。
1、煤原料的特性及配煤原则
①气煤 
气煤的煤化程度比长焰煤高,煤的分子结构中侧链多且长,含氧量高。在热解过程中,不仅侧链从缩合芳环上断裂,而且侧链本身又在氧键处断裂,所以生成了较多的胶质体,但黏度小,流动性大,其热稳定性差,容易分解。在生成半焦时,分解出大量的挥发性气体,能够固化的部分较少。当半焦转化成焦炭时,收缩性大,产生了很多裂纹,大部分为纵裂纹,所以焦炭细长易碎。
在配煤中,气煤含量多,将使焦炭块度降低,强度低。但配以适当的气煤,可以增加焦炭的收缩性,便于推焦,又保护了炉体,同时可以得到较多的化学产品。由于中国气煤储存量大,为了合理的利用炼焦煤的资源,在炼焦时应尽量多配气煤。
    ②肥煤
肥煤的煤化程度比气煤高,属于中等变质程度的煤。从分子结构看,肥煤所含的侧链较多,但含氧量少,隔绝空气加热时能产生大量的相对分子质量较大的液态产物,因此,肥煤产生的胶质体数量最多,其最大胶质体厚度可达25mm以上,并具有良好的流动性,且热稳定性也好。肥煤胶质体生成温度为320℃,固化温度为460℃,处于胶质体状态的温度间隔为140℃。如果升温速度为3/min,胶质体的存在时间可达50min,因此决定了肥煤黏结性最强,是中国炼焦煤的基础煤种之一。由于挥发性高,半焦的热分解和热缩聚都比较剧烈,最终收缩量很大,所以生成焦炭的类较多,又深又宽,且多以横裂纹出现,故易碎成小块,耐磨性差,高挥发性的肥煤炼出的焦炭的耐磨强度更差一些。肥煤单独炼焦时,由于胶质体数量多,又有一定的黏结性,膨胀性较大,导致推焦困难。
在配煤中,加入肥煤后,可起到提高黏结性的作用,所以肥煤是炼焦配煤中的重要组分,并为多配入黏结性较差的煤提供了条件。
③焦煤
焦煤的变质程度比肥煤稍高,挥发性比肥煤低,分子结构中大分子侧链比肥煤少,含氧量较低。热分解时产生的液态产物比肥煤少,但热稳定性更高,胶质体数量多,黏性大,固化温度较高,半焦收缩量和收缩速度均较小,所以炼焦出的焦炭不仅耐磨强度高、焦块大、裂纹少,而且抗碎强度也好。就结焦性而言,焦煤是最好的能炼制出高质量焦炭的煤。
配煤时,焦煤的配入量可在较宽的范围内波动,且能获得强度较高的焦炭。所以配入焦煤的目的是增加焦炭的强度。
④瘦煤
瘦煤的煤化程度较高,是低挥发性的中等变质程度的黏结性煤,加热时生成的胶质体少,黏度大。单独炼焦时,能得到块度大、裂纹少、抗碎强度高的焦炭,但焦炭的熔融性很差,焦炭的耐磨性也差。在配煤时配入瘦煤可以提高焦炭的块度,作为炼焦配煤效果较好。
为了保证焦炭的质量,利于生产操作,配煤应遵循以下原则:
①配合煤的性质与本厂的煤料预处理工艺以及炼焦条件相适应,保证炼出的焦炭质量符合规定的技术质量指标,满足用户的需求。
②焦炉生产中,注意不要产生过大的膨胀压力,在结焦末期要有足够的收缩度,避免推焦困难和损坏炉体。
③充分利用本地区的资源,做到运输合理,尽量缩短煤源的平均距离,便于车辆的调配,降低生产成本。
④在尽可能的情况下,适当多配一些高挥发性的煤,以增加化学产品的产率。
⑤在保证煤炭质量的前提下,应多配气煤等弱黏结性煤,尽量少用优质焦煤,努力做到合理利用中国的煤炭资源。
褐煤 褐煤是煤化程度最低的煤,变质程度只比泥炭高,在隔绝空气加热时不产生胶质体,也没有黏结性。不能单独炼成焦炭,但在配煤中加入少量褐煤以增加配煤的挥发分,以取得一定的成果。如果采用特殊的工艺处理,褐煤也可以炼焦,但是工艺复杂。
长焰煤 长焰煤是烟煤中煤化程度最低的煤,变质程度比褐煤高。其含氧量高,高沸点液态产物少,胶质层厚度小于5mm,因此结焦性能很差,在普通焦炉中不能炼出合格的焦炭。若采用压紧、薄装及快速加热的方法等,可在土焦炉中炼制出细长条的焦炭。
配煤时,加入少量长焰煤可起到瘦化作用。但长焰煤的配入量较高时,会使焦炭的耐磨强度降低,特别当配煤中肥煤含量低的时候,焦炭质量会显著变坏,因此在配入长焰煤时要注意对焦炭质量的影响。长焰煤的脆性小,一般难以粉碎,若配入长焰煤时,最好将其单独粉碎,以免影响焦炭质量的均匀性。
2、配煤过程
配煤炼焦的定义
将两种或两种以上的单独煤,均匀地按适当的比例配合,使各种煤之间取长补短,生产出优质焦炭,并能合理利用煤炭资源,增加炼焦化学产品。
配煤原则
以气、肥煤为基础煤种,适当的配入焦炭,使粘结成分、瘦化成分比例适当,并尽量多配高挥发分弱黏结煤。
当需要哪种煤时,用堆取料机通过皮带把煤输送到斗槽里,斗槽里的煤再次通过皮带送向配煤盘按要求进行配煤。焦化厂配煤比一般为:气煤28%,焦煤45%,肥煤18%,瘦煤9%。在进行配煤时,焦化厂采用的是利用核子秤进行衰减,通过信号的转换传到电脑上进行控制的。信号控制流程为:Cs-137→煤料→(衰减)电离室→(惰性气体)电流→放大器、变送单元→称重频率信号、变速信号→电脑系统。
3、煤的粉碎
焦化厂备煤车间的原料煤的精细度为70%~80%,含义为<3mm的煤料占总重量的百分数。在进入粉碎机之前,一部分达到原料煤细度的煤直接由皮带运往煤塔,另一部分未达标的由配煤工段运来的配合煤则先经除铁装置将煤料中的铁件吸净后进入粉碎机,再由皮带运往煤塔。在焦化厂的配煤车间用的是可逆锤式粉碎机,在粉碎机旁还设有除尘装置。
二、炼焦
所谓高温炼焦,就是煤在隔绝空气加热到950-1050℃,经过干燥、热解、熔融、黏结、固化、收缩等过程最终得到焦炭。
1、炼焦生产工艺流程
由备煤车间送来的配合煤装入煤塔,装煤车按作业计划从煤塔取煤,经计量后装入炭化室内。煤料在炭化室内经过一个结焦周期的高温干馏制成焦炭并产生荒煤气。
炭化室内的焦炭成熟后,用推焦车推出,经拦焦车导入熄焦车内,并由电机车牵引熄焦车到熄焦塔内进行熄焦。熄焦后的焦炭卸至凉焦台上,冷却一定时间后送往筛焦工段,经筛分按级别贮存待运。
煤在炭化室干馏过程中产生的荒煤气汇集到炭化室顶部空间,经过上升管、桥管进入集气管。约700℃左右的荒煤气在桥管内被氨水喷洒冷却至90℃左右。荒煤气中的焦油等同时被冷凝下来。煤气和冷凝下来的焦油等同氨水一起经过吸煤气管送入煤气净化车间。
焦炉加热用的焦炉煤气,由外部管道架空引入。焦炉煤气经预热后送到焦炉地下室,通过下喷管把煤气送入燃烧室立火道底部与由废气交换开闭器进入的空气汇合燃烧。燃烧后的废气经过立火道顶部跨越孔进入下降气流的立火道,再经蓄热室,又把废气的部分显热回收后,经过小烟道、废气交换开闭器、分烟道、总烟道、烟囱排入大气。
2、焦炉结构分析
现代焦炉炉体最上部是炉顶,炉顶之下为相间配置的燃烧室和炭化室,炉体下部有蓄热室和连接蓄热室和燃烧室的斜道区,每个蓄热室下部的小烟道通过交换开闭器与烟道连接。烟道设在焦炉基础内或基础两侧,烟道末端通向烟囱。因此焦炉由三室两区组成,即炭化室、燃烧室、蓄热室、斜道区、炉顶区和基础部分。
1)炭化室
炭化室是接受煤料并对装炉煤料隔绝空气进行干馏焦碳的炉室,一般由硅质耐火材料砌筑而成。炭化室位于两侧燃烧室之间,顶部由3-4个加煤孔,并有1-2个导出干馏煤气的上升管,它的两端为内衬耐火材料的铸铁炉门。
2)燃烧室
燃烧室位于炭化室两侧,是煤气燃烧的地方,煤气与空气在其中混合燃烧,产生的热量传给炉墙,间接加热炭化室中煤料,对其进行高温干馏。燃烧室一般用硅砖砌筑。其中成对的隔墙上部有跨越孔,下部取消了边火道的循环孔,防止了短路。立火道底部的两个斜道区出口设置在燃烧室中心线的两侧,
3)蓄热室
蓄热室作用就是利用蓄积废气的热量来预热燃烧所需的空气和贫煤气。燃烧室正下方为主墙,主墙内有垂直砖煤气道,焦炉煤气由地下室煤气与主管经此道送入立火道底部与空气混合燃烧。由于主墙两侧气流导向,中间又有砖煤气道,压差大容易串漏。为使蓄热室长向气流均匀分布,采用扩散式箅子砖,配置不同孔径的扩散或收缩孔型,蓄热室隔墙均用硅砖砌筑,且其内表面衬有黏土砖。
4)斜道区
连接蓄热室和燃烧室的通道为斜道区,它位于蓄热室顶部和燃烧室底部之间,用于导入空气和煤气,并将其分配到每个立火道中,同时排除废气。燃烧室的每个立火道与其相应的斜道相连,当用焦炉煤气加热时,由两个斜道送入空气和导出废气,而焦炉煤气由垂直砖煤气道进入。当用贫煤气加热时,一个斜道送入煤气,另一个斜道送入空气,换向后两个斜道均导出废气。斜道口布置调节砖,在确定斜道断面尺寸时,一般应使斜道口阻力占上升气流斜道总阻力的2/3-3/4;为了保持炉头温度,应使炉头斜道出口断面比中部大50%-60%;斜道口的倾斜角一般不应低于30°,斜道断面逐渐缩小的夹角一般小于7°等等。
3、护炉机械设备
焦炉四大车有:装煤车、推焦车、拦焦车和熄焦车。其中装煤车是在焦炉炉顶上由煤塔取煤并往炭化室装煤的焦炉机械,推焦车的作用是完成启闭机械炉门、推焦、平煤等操作,拦焦车的作用是启闭焦侧炉门将炭化室推出的炉饼通过导焦槽导入熄焦车中以完成出焦操作,熄焦车的作用是用以接受炭化室推出的红焦,并送往熄焦塔通过水喷洒而将其熄灭,然后再把焦炭卸至凉焦台上。
加热煤气供入设备,大型焦炉一般为复热式,可用两种煤气加热,作用是向焦炉输送和调节加压煤气。
荒煤气导出设备包括:上升管、桥管、水封阀、集气管、吸气管、焦油盒以及相应的喷洒氨水系统。其作用为:一是将出炉荒煤气顺利导出,不致因炉门刀边附近煤气压力过高而引起冒烟冒火,但又要保持和控制炭化室在整个结焦过程中为正压;二是将出炉荒煤气适度冷却,不致因温度过高而引起设备变形,阻力升高和鼓风、冷凝的负荷增大,但又要保持焦油和氨水良好的流动性。
4、熄焦、筛焦过程和设备
焦化厂采用的是湿法熄焦,其熄焦系统包括熄焦塔、喷洒装置、水泵、粉焦沉淀池及粉焦抓钩等。熄焦过程为:熄焦车开进熄焦塔时,利用红外线感受器,接收红焦本身射出的红外线而发出讯号电流,经电流放大触发电路启动熄焦水泵,并借助电子定时装置控制熄焦时间。熄焦时大约有20%的水蒸发,未蒸发的水流入粉焦沉淀池,澄清后的水流入清水池循环利用。熄焦后的焦炭卸至凉焦台上,停放30-40min,使其水分蒸发和冷却,个别尚未全部熄灭的红焦,再人工用水补充熄灭。
筛焦按粒度大小将焦炭分为60-80mm、40-60mm25-40mm10-25mm、﹤10mm等级别,主要设备有辊轴筛和共振筛。一般大型焦化厂均设有焦仓和筛焦楼,将大于40mm的焦炭用辊轴筛筛出,经胶带机送往块焦仓。辊轴筛下的焦炭经双层振动筛分成其他三级,分别进入仓库。

三、炼焦化学产品的回收
1、煤气的初冷和焦油的回收
1)荒煤气的主要成分有净焦炉煤气、水蒸气、煤焦油气、苯族烃、氨、萘、硫化氢、其他硫化物、氰化氢等氰化物、吡啶盐等。
回收生产工艺的组成为:焦炉炭化室生成的荒煤气在化学产品回收车间进行冷却、输送、回收煤焦油、氨、硫、苯族烃等化学产品,同时净化煤气。煤气净化车间由冷凝鼓风工段、HPF脱硫工段、硫铵工段、终冷洗苯工段、粗苯蒸馏工段等工段组成,其煤气流程如下:荒煤气→初冷器→电捕焦油器→鼓风机→预冷塔→脱硫塔→喷淋式饱和器→洗终冷塔→洗苯塔→净煤气。
回收炼焦化学产品具有重要的意义。煤在炼焦时,除有75%左右变成焦炭外,还有25%左右生成多种化学产品及煤气。来自焦炉的荒煤气,经冷却和用各种吸收剂处理后,可以提取出煤焦油、氨、萘、硫化氢、氰化氢及粗苯等化学产品,并得到净焦炉煤气,氨可以用于制取硫酸铵和无水氨;煤气中所含的氢可用于制造合成氨、合成甲醇、双氧水、环己烷等,合成氨可进一步制成尿素、硝酸铵和碳酸氢铵等化肥;所含的乙烯可用于制取乙醇和三氯乙烷的原料,硫化氢是生产单斜硫和元素硫的原料,氰化氢可用于制取黄血盐钠或黄血盐钾;粗苯和煤焦油都是很复杂的半成品,经精制加工后,可得到的产品有:二硫化碳、苯、甲苯、三甲苯、古马隆、酚、甲酚和吡啶盐及沥青等,这些产品有广泛的用途,是合成纤维、塑料、染料、合成橡胶、医药、农药、耐辐射材料、耐高温材料以及国防工业的重要原料。          
来自焦炉82℃的荒煤气,与焦油和氨水沿吸煤气管道至气夜分离器,气夜分离后荒煤气由上部出来,进入横管式初冷器分两段冷却。上段用循环水,下段用低温水将煤气冷却到21-22℃。由横管式初冷器下部排出的煤气,进入电捕焦油器,除掉煤气中夹带的焦油,再由鼓风机压送至脱硫工段。
由气液分离器分离下来的焦油和氨水首先进入机械化氨水澄清槽,在此进行氨水、焦油和焦油渣的分离。上部的氨水流入循环氨水中间槽,再由循环氨水泵送到焦炉集气管喷洒冷却煤气,剩余氨水送至剩余氨水槽。澄清槽下部的焦油靠静压流入焦油分离器,进一步进行焦油和焦油渣的沉降分解,焦油用焦油泵送往油库工段焦油贮槽。机械化氨水澄清槽和焦油分离器底部沉降的焦油渣刮至焦油渣车,定期送往煤场,人工掺入炼焦煤中。
进入剩余氨水槽的剩余氨水用剩余氨水泵送入除焦油器,脱除焦油后自流到剩余氨水中间槽,再用剩余氨水中间泵送至硫铵工段剩余蒸氨装置,脱除的焦油自流到地下放空槽。
2、脱硫工段(HPF脱硫法)
煤气→预冷器→脱硫塔→液封槽→(脱硫液)反应槽→再生塔→泡沫塔→(清液)反应槽
鼓风机后的煤气进入预冷塔与塔顶喷洒的循环冷却水逆向接触,被冷至30℃,预冷后的煤气进入脱硫塔,与塔顶喷淋下来的脱硫液逆流接触以吸收煤气中的硫化氢(同时吸收煤气中的氨,以补充脱硫液中的碱源)。脱硫后煤气被送入硫铵工段。
吸收了H2S、HCN的脱硫液自流至反应槽,然后用脱硫液泵送入再生塔,同时自再生塔底部通入压缩空气,使溶液在塔内得到氧化再生。再生后的溶液从塔顶经液位调节器自流回脱硫塔循环使用。
浮于再生塔顶部的硫磺泡沫,利用液位差自流入泡沫槽,硫泡沫经泡沫泵送入熔硫釜中,用中压整齐熔硫,清夜流入反应槽,硫磺装袋外销。
为避免脱硫液盐类积累影响脱硫效果,排出少量废液送往配煤。
3、硫铵工段(喷淋式饱和器生产硫铵)
由脱硫及硫回收工段送来的煤气经预热器进入喷淋式硫铵饱和器上段的喷淋室,在此煤气与循环母液充分接触,使其中氨被母液吸收,然后经硫铵饱和器内的除酸器分离酸雾后送至洗脱苯工段。
在饱和器下部的母液,用母液循环泵连续抽出送至上段进行喷洒,吸收煤气中的氨,并循环搅动母液以改善硫铵的结晶过程。饱和器母液中不断有硫铵结晶生成,用结晶泵将其连同一部分母液送入结晶槽沉降,排放到离心机进行离心分离,滤除母液,得到结晶硫铵。离心分离出来的母液与结晶槽溢流出来的母液一同自流回饱和器。从离心机卸出来的硫铵洁净,由螺旋输送机送至沸腾干燥器。沸腾干燥器所需要的热空气是由送风机将空气送入热风器经蒸汽加热后进行沸腾干燥,干燥后的硫铵进入硫铵储槽,然后由包装磅秤称量、包装送入硫铵仓库。
4、终冷洗苯工段
自硫铵工段来的煤气,进入终冷塔分二段用循环冷却水与煤气逆向接触冷却煤气,将煤气冷到一定温度送至洗苯塔。同时,在终冷塔上段加入一定碱液,进一步脱除煤气中的H2S。下段排出的冷凝液送至氰污水处理工段,上段排出的含碱冷凝液送至硫铵工段蒸氨塔顶。
从终冷塔出来的煤气进入洗苯塔,经贫油洗涤脱除煤气中的粗苯后送往各煤气用户。由粗苯蒸馏工段送来的贫油从洗苯塔的顶部喷洒,与煤气逆向接触吸收煤气中的苯,塔底富油经富油泵送至粗苯蒸馏工段脱苯后循环使用。
5、粗苯蒸馏工段
从终冷洗苯装置送来的富油进入富油槽,然后用富油泵依次送经油汽换热器、贫富油换热器,再经管式炉加热后进入脱苯塔,在此用再生器来的直接蒸汽进行汽提和蒸馏。塔顶逸出的粗苯蒸汽经油汽换热器、粗苯冷凝冷却器后,进入油水分离器。分出的粗苯进入粗苯回流槽,部分用粗苯回流泵送至塔顶作为回流液,其余进入粗苯中间槽,再用粗苯产品泵送至油库。
来源:冶金焦化

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