甘秀石 1，王旭 1，高薇 1，杜慶海 1，張明明 2
（1. 鞍鋼股份有限公司煉焦總廠，遼寧 鞍山 114021； 2. 鞍鋼化學科技有限公司，遼
寧 鞍山 114021）
摘要：闡述了焦炭固體廢棄物與配合煤共炭化原理的應用，分析了焦化固體廢棄物配煤煉焦的可行性，提出焦化固體廢棄物焦回配備煤技術，實現(xiàn)焦化工藝內的閉路循環(huán)、野無害化冶處理和野資源化冶利用的基本思路。同時，重點介紹了四種典型焦化固廢的應用，并對焦化固廢配煤煉焦需關注的問題進行了剖析，對焦化行業(yè)節(jié)能減排具有較大借鑒意義。
關鍵詞：焦化固體廢棄物；配煤煉焦；共炭化；焦炭質量
中國是世界主要焦炭生產及消費大國， 截至2016 年年底，中國焦炭產量達到 44 912 萬 t（實際總產能達到 6.87 億 t），約占世界焦炭產量 70%以上。焦化生產過程中產生大量焦油渣、剩余活性污泥、固廢樹脂和除塵粉等固體廢棄物，其中部分屬于危險廢棄物。按照焦炭生產線年產量為 100 萬 t估算，每年可產生焦油渣 500 t，含水剩余活性污泥 2 500 t，其它盡管因工藝不同，固廢種類有所不同，但共同點是都有大量危險廢棄物產生?！吨腥A人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》中明確規(guī)定院產生工業(yè)固體廢物的單位應當建立、健全污染環(huán)境防治責任制度，采取防治工業(yè)固體廢物污染環(huán)境的措施。企業(yè)事業(yè)單位應當合理選擇和利用原材料、能源和其他資源，采用先進生產工藝和設備，減少工業(yè)固體廢物產生量，降低工業(yè)固體廢物危害性。因此，焦化固體廢棄物如何無害化處理，已成為焦化廠亟待解決的環(huán)保和生產問題[1]。
1 焦化固廢配煤煉焦可行性分析
焦化固體廢棄物無害化處理的主要路徑是在焦化工藝內實現(xiàn)閉路循環(huán)?，F(xiàn)有固廢處理技術主要通過焚燒、填埋堯物化等手段袁采用減量、徹底的形狀改變或與環(huán)境徹底隔離等方式， 以避免對環(huán)境造成危害。由于焦化工藝中配煤煉焦工藝具備上述的物料流、隔離、高溫等相似條件，因此具備應用的可行性[2]。
焦化固廢配煤煉焦可行性的最直接理論支撐就是共炭化原理。煤中加入非煤粘結劑進行炭化，稱為共炭化。共炭化研究為在采用低變質程度弱粘結煤煉焦時選用合適的粘結劑提供了理論依據(jù)[3]，也為將有機渣油﹑塑料類﹑橡膠類﹑瀝青等與煤共炭化提供了可能性，且為解決當前世界環(huán)境污染問題做出了很大貢獻。
Collin 在 400 ℃下將廢塑料與煤焦油瀝青共熱解，收集熱解油和氣體產物，反應所得殘余物與弱粘結煤共焦化能提高其結焦性；烏克蘭研究者利用配煤同塑脂廢料共焦化，由于芳香結構的有機物對配煤結焦性具有良好影響，所得焦炭強度提高，并獲得貴重化學產品。 同時，中國焦化企業(yè)近年來將大量焦化固廢應用在焦化生產實踐中，也更有力證明了焦化固廢配煤煉焦的可行性[4]。
2 焦化固廢配煤煉焦典型應用案例分析
焦化固廢種類較多，成分因原料、工藝等有較大差別，選取有共性、差異性較小的四種典型焦化固廢進行應用分析。
2.1 焦化固廢焦油渣配煤煉焦應用
2.1.1 焦化固廢焦油渣適應性分析
焦油渣自身的黏結性極弱， 但在高溫下會融化，形成流動性很好的黏稠體，黏結性迅速提高，可充分浸潤并吸附在煤粒表面。因此，焦油渣可作為煉焦配煤黏結劑。在配合煤煉焦過程中，瘦煤堯焦油渣在成焦的每個過程中，都能互相彌補缺陷，大大降低對焦炭強度的影響。
對鞍鋼煉焦總廠的焦化固廢焦油渣進行常規(guī)工業(yè)分析和元素分析，結果見表 1。
從表 1 可見，焦化固廢焦油渣主要成分為碳，具有高揮發(fā)分、低灰分，全硫與中等含硫煤相當。在配煤煉焦過程中，不會導致焦炭灰分、硫分的明顯升高。在煉焦的熱解過程中，由于瘦煤的揮發(fā)分低，析出的氣體少，因此產生的液態(tài)物能夠轉化為膠質狀態(tài)的少；而焦油渣在該過程中可形成大量的氣體以及膠質體，把分子量較大的固態(tài)物質包圍起來，形成氣、液、固三相共存的膠質體，彌補了瘦煤黏結性相對較差的不足。在半焦收縮過程中，焦油渣的揮發(fā)分高，收縮量相對較大；而瘦煤的揮發(fā)分低，膠質體數(shù)量極少，半焦收縮過程平緩，收縮量極低，與共炭化理論較為吻合，具有可行性。
2.1.2 焦化固廢焦油渣應用試驗
根據(jù)焦化固廢焦油渣的產量及粘結性質，用穩(wěn)定供給的山西瘦煤 A 與焦化固廢焦油渣按 6:1比例混合成型煤[5]，型煤再與其他煤種按一定比例配煤煉焦。試驗采用 40 kg 小焦爐，試驗所用煤種為配合煤，由配煤生產皮帶運輸機上取得。 40 kg 小焦爐的初始爐溫為 800 ℃，煉焦溫度為（1 050±10） ℃，煉焦時間為 17 h，高溫燜爐時間為 2 h。 采用濕法熄焦，焦炭的冷強度及熱態(tài)性能分別按GB/T 2006-2008 和 GB/T 4000-2008 進行測定。在基礎煤配比相同的條件下，分別用瘦煤 A 和型煤進行對比試驗。加入瘦煤 A 和型煤比例分別從3%遞增至 9%，每個百分比進行兩爐試驗，試驗結果取平均值，消除試驗誤差。瘦煤 A 配煤和含焦化固廢焦油渣型煤配煤對比試驗方案見表 2[6]。
對試驗所得焦炭進行相關質量檢測。在瘦煤A 和型煤所占比例為 3%~9%時，瘦煤 A 配煤和含焦化固廢焦油渣型煤配煤的焦炭冷熱強度對比見表 3。 從表 3 可見，隨著瘦煤 A 配入百分比的逐步遞增，焦炭的抗碎強度（M40）逐漸升高、耐磨強度（M10）逐漸降低，焦炭冷強度有所改善；焦炭反應性（CRI）先降低后升高袁反應后強度（CSR）先升高后降低。瘦煤 A 配入比例為 5%時，焦炭的CSR最高為 58.30%，焦炭熱態(tài)性能最好；在瘦煤 A 配入比例大于 5%時，隨著瘦煤 A 配比的增加，焦炭的逐漸降低，焦炭的熱態(tài)性能變差。當用型煤進行同配比的對比試驗時，隨著型煤配比的逐步遞增袁焦炭的M40 逐漸降低，M 10 逐漸升高，焦炭冷強度逐漸變差；焦炭的CRI升高，CSR先升高后急劇降低。在型煤的配入比例為 5%時，焦炭的最高為 57.25%，焦炭CSR熱態(tài)性能最好；在型煤配入比例大于 5%時，隨著型煤配比的增加，焦炭的CSR大幅降低，焦炭熱態(tài)性能變差。
對比兩組試驗可知，當配比低于 7%時，與瘦煤 A 試驗焦炭相比，型煤試驗焦炭的M40 明顯高，M10 明顯低，CSR略低， 即型煤試驗焦炭的冷強度優(yōu)于瘦煤 A 的試驗焦炭，但焦炭熱性能稍差。當配比為 7%時，與瘦煤 A 試驗焦炭相比，型煤試驗焦炭的M40 和 M10 變化不大，CSR較優(yōu)，即二者冷強度基本一致，型煤試驗焦炭熱性能略好。當加入型煤比例大于 7%時，型煤試驗焦炭的冷熱強度均大幅變差。
2.1.3 焦化固廢焦油渣應用結論
在配煤煉焦生產中，根據(jù)焦炭質量的變化情況，加入型煤比例由 3%逐步增加至 9%，后根據(jù)資源供應變化堯焦炭質量要求等情況，加入型煤比例控制在 7%左右。通過近一年的生產實踐得出，在焦化固體廢棄物與瘦煤 A 按 1:6 配制成型煤，型煤配比為 7%左右時配煤煉焦，對所得焦炭的冷熱態(tài)強度影響不大，配煤煉焦是可行的[7]。
2.2 焦化固廢剩余活性污泥配煤煉焦應用
2.2.1 焦化固廢剩余活性污泥適應性分析
焦化固廢剩余活性污泥本身含有機物，如蛋白質、脂肪和多糖，具有一定的熱值，又有一定的黏結性能，在煤加工成型煤的過程中，可作黏結劑，改善在高溫下型煤的內部孔結構，提高型煤的氣化反應性，降低灰渣中的殘?zhí)?，提高碳轉化率。剩余污泥既可以作為黏結劑，也可作為疏松劑，使剩余污泥的熱值也得到利用。
對鞍鋼焦化固廢剩余活性污泥進行常規(guī)工業(yè)分析和元素分析，結果見表 4。從表 4 可見，焦化固廢剩余活性污泥主要含水，是高揮發(fā)分、低灰分物質。在配煤煉焦過程中，會增大焦炭的氣孔率，不會導致焦炭灰分的明顯升高，但灰成分中主要是鐵等對煉焦有害的雜質[6]?？梢?，在配煤煉焦時，適當添加焦化固廢剩余活性污泥在理論上是可行的。
2.2.2 焦化固廢剩余活性污泥應用試驗
試驗用煉焦配合煤，污泥采自生產線 A、生產線 B，配比為各 50%。 試驗 1 為配合煤基礎試驗，試驗 2 采用焦化固廢剩余活性污泥配入煉焦煤比例 1.5%，試驗 3 采用焦化固廢剩余活性污泥配入煉焦煤比例 3.0%。 試驗用 40 kg 小焦爐，采用側裝，控制堆密度為 0.75。 40 kg 小焦爐的煉焦溫度為（1 050±10） ℃，煉焦時間為 17 h，高溫燜爐時間為 2 h。采用濕法熄焦，焦炭的冷強度及熱態(tài)性能分別按 GB/T 2006-2008 和 GB/T 4000-2008 進行測定。 分別對試驗 1、2、3 進行兩組測試，取平均值，試驗結果見表5。
從表 5 可見， 生產配煤配入污泥 1.5%、3.0%后， 焦炭灰分升高；焦炭冷強度M40 分別降低1.0%、2.6%，10 分別升高 1.7%、2.7%；焦炭熱強度分別降低 28.9%、31%。
2.2.3 焦化固廢剩余活性污泥應用結論
焦化固廢剩余活性污泥對焦炭質量有一定影響，不適合大比例配入配合煤中煉焦，實踐中對其加入工藝進行嚴格控制，保證其連續(xù)有效少量配入，并混合均勻，達到不影響焦炭質量的要求。
2.3 焦化固廢離子交換樹脂配煤煉焦應用
2.3.1 焦化固廢離子交換樹脂適應性分析
焦化干熄焦水處理產生的離子交換樹脂被列為國家危險廢物，收錄于國家危險廢物名錄中，廢物代碼 900-015-13，是一種含離子交換基團功能的高分子聚合物，應用時為顆粒狀，在水處理過程中吸附了大量重金屬、酸堿，原采用掩埋處理，具有長期的潛在危險， 一旦進入環(huán)境將造成嚴重污染[8]。 對焦化固廢離子交換樹脂進行工業(yè)分析、全硫等化檢驗分析，結果見表 6。 對焦化固廢離子交換樹脂進行灰成分分析，結果見表 7。
從表 6、7 可見，樹脂具有低灰、低硫、高揮發(fā)分的特點，在殘留灰分中，F(xiàn)e2O3 和 SiO2 共占 78.48%， 是灰分的主要成分，具備少量配入備煤條件。由于此固廢不是由煉焦化學工藝產生，對其重金屬的含量進行檢測袁結果見表 8。從表 8 可見， 焦化固廢離子交換樹脂的重金屬含量符合環(huán)保技術要求。
2.3.2 焦化固廢離子交換樹脂應用試驗
試驗用煉焦配合煤，調整配煤結構，試驗 1 為配合煤基礎試驗；試驗 2 采用焦化固廢離子交換樹脂配入煉焦煤比例 0.1%，試驗 3 采用焦化固廢離子交換樹脂配入煉焦煤比例 0.3%。 試驗用200 kg 小焦爐，共 6 爐試驗。200 kg 小焦爐的煉焦溫度為（1 050±10）℃，煉焦時間為 16 h。采用干法熄焦，焦炭冷強度及熱態(tài)性能分別按 GB/T2006-2008 和 GB/T 4000-2008 進行測定。焦化固廢離子交換樹脂調整配煤結構試驗方案見表 9，焦化固廢離子交換樹脂調整配煤結構方案配合煤質量見表 10。
焦化固廢離子交換樹脂配煤與常規(guī)配煤的焦炭冷熱強度對比見表 11。
從表 11 可見，調整配煤比后袁當加入 0.1%樹脂時，M 40 提高 1%， M10 升高0.7%，CRI 基本持平，下降 1.7%，焦炭總體質量下滑不明顯。 但與配合煤基礎實驗相比，當加入0.3%樹脂時，M40 下降 1.8%，M 10 升高 0.9%，CRI升高 0.9%， CSR下降 2.7%，焦炭質量下滑明顯。
2.3.3 焦化固廢離子交換樹脂應用結論
焦化固廢離子交換樹脂含有對焦炭質量起到劣化作用的物質，使用固廢離子交換樹脂回配煉焦，當回配比例不超過 0.1%時，對焦炭質量影響不大；當回配比例超過 0.1%，對焦炭質量影響加大，焦炭質量明顯下降。調整配煤結構對焦化固廢離子交換樹脂在煉焦中所起的劣化作用影響不大，且將大幅度提高配煤成本。
2.4 焦化固廢除塵焦粉配煤煉焦應用
2.4.1 焦化固廢除塵焦粉適應性分析
根據(jù)焦化固廢除塵焦粉產生的工藝，選取 2 種有代表性的除塵灰。焦化固廢除塵焦粉的工業(yè)分析、全硫分析結果見表 12，焦化固廢除塵焦粉的粒級分布分別見表 13。
從表 12、表 13 可見，推焦裝煤混合除塵焦粉灰分 11.65%，揮發(fā)分 11.73%，硫分 0.93%；其粒度組成，<0.1 mm 占 36.44%，<0.7 mm 占 96.02%；干熄焦一、二次混合除塵焦粉灰分 12.58%，揮發(fā)分1.01%，硫分 0.78%；其粒度組成，<0.1 mm 占18.05%，<0.7 mm 占 88.93%。焦化固廢除塵焦粉灰分與煉焦用煤接近，<0.1 mm 粉末的含量偏低，適合在工藝上改造。
2.4.2 焦化固廢除塵焦粉應用試驗
試驗用煉焦配合煤、焦化固廢推焦裝煤混合除塵焦粉。試驗 1 為配合煤基礎試驗；試驗 2 采用焦化固廢推焦裝煤混合除塵焦粉配入煉焦煤比例1%，試驗 3 采用焦化固廢推焦裝煤混合除塵焦粉配入煉焦煤比例 2%。試驗用 200 kg 小焦爐，共 6 爐試驗[9]。200 kg 小焦爐的煉焦溫度為（1 050±10） ℃，煉焦時間為 16 h。采用干法熄焦，焦炭的冷強度及熱態(tài)性能分別按 GB/T 2006-2008 和 GB/T 4000- 2008 進行測定，試驗結果見表 14、表 15。
從配煤試驗結果看，添加 1%、2%除塵灰代替瘦煤后，配合煤灰分、揮發(fā)分略有上升，Y值、G值 變化不大。
從表 15 可見， 配入 1%、2%的推焦裝煤除塵焦粉，焦炭 M40 分別下降 1.7%和 2.2%， M10 分別升高 0.3%和 1.4%，CSR均有小幅下滑。
2.4.3 焦化固廢除塵焦粉的應用結論
焦化固廢除塵焦粉含有對焦炭質量起劣化作用的物質，回配比例對焦炭質量影響較大，焦炭質量明顯下降。調整配煤結構對焦化固廢除塵焦粉在煉焦中所起的劣化作用有一定控制作用，但配煤成本將有所提高。
3 焦化固廢配煤煉焦需要關注的問題
3.1 與其它配煤原理結合問題
膠質層重疊原理要求配合煤中各單種煤膠質體的軟化區(qū)間和溫度間隔能較好地搭接， 以使配合煤在煉焦過程中能在較大的溫度范圍內處于塑性狀態(tài)，從而改善粘結過程，并保證焦炭的結構均勻。焦化固廢的加入要辨明添加物是野添加劑煤冶還是野填充劑煤冶，用簡易野優(yōu)選法冶確定配煤比，定出配入方案[4]。
如在焦化固廢除塵樹脂的回配中，就要充分考慮此問題，選擇替代煤化度較高的煉焦煤種（如瘦煤），并與之充分混勻，發(fā)揮好填充作用。
3.2 焦炭的質量影響問題
焦炭質量取決于煉焦煤中的活性組分、惰性組分含量及煉焦操作條件。單種煤的變質程度決定其活性組分的質量，鏡質組平均組最大反射率是反映單種煤的變質程度的最佳指標。 同樣焦化固廢的加入必須考慮互換性配煤原理[10]，當配煤有較強粘結性時，加入一定量焦化固廢除塵焦粉有利于焦炭質量提高，回配 3%~5% 的焦化固廢除塵焦粉代替瘦煤煉焦，技術上是可行的，但在同樣煤質情況下，如果不添加粘結劑，為保證焦炭質量，焦化固廢焦粉的細度至關重要[4]。
3.3 利用過程無害化問題
在焦化污染防治原則層面，明確野無害化冶是野資源化冶的前提，提高相應的焦化固廢綜合利用過程和產品的污染防治要求，防止二次污染，確保野資源化冶過程和產品的野無害化冶。如焦化固廢焦油渣的配入就要考慮與原料煤一定比例結合，經過混合、攪拌、壓制成球，提高混配過程中的環(huán)保等級。
3.4 處理過程經濟化問題
從環(huán)保產業(yè)市場來看，我國野三廢冶治理行業(yè)治理投資占環(huán)保產業(yè)整體投入比重不足， 焦化固廢的利用不能野只循環(huán)，不經濟、再生資源貴過原生資源冶，要適度考慮利用成本。 如焦化固廢剩余活性污泥的配入就是考慮原有處理過程的成本因素，在不影響產品品質的情況下，適當配入原料煤中較為經濟合理。
4 結論
（1）在保證焦炭質量前提下， 充分利用焦化固廢與配合煤的共炭化理論，科學合理地使用焦化固廢，能夠實現(xiàn)焦化生產過程中的清潔化，提高了企業(yè)的循環(huán)經濟效益。
（2） 可將焦化固體廢棄物與瘦煤 A 按 1:6 配制成型煤，按 7%比例配入型煤煉焦，對焦炭質量影響不大。
（3） 焦化固廢剩余活性污泥對焦炭質量有一定影響袁不適合大比例配入配合煤中煉焦袁但可通 過嚴格控制比例袁保證其連續(xù)有效少量配入袁并混 合均勻袁達到不影響焦炭質量的要求遙
（4） 焦化固廢焦粉含有對焦炭質量起到劣作用的物質，可通過調整配煤結構對固廢除塵焦粉在煉焦中所起的劣化作用進行一定控制，但配煤成本將有所提高。
（5） 使用焦化固廢離子交換樹脂回配煉焦， 當回配比例不超過 0.1%時，對焦炭質量影響不大；當回配比例超過 0.1%，對焦炭質量影響加大，焦炭質量明顯下降。調整配煤結構對焦化固廢離子交換樹脂在煉焦中所起的劣化作用影響不大，且將大幅度提高配煤成本。
（6） 利用焦化固廢配煤煉焦開辟了焦化固體廢棄物循環(huán)利用的新途徑，輻射全國同行業(yè)，可降低社會環(huán)保治理壓力，對焦化行業(yè)節(jié)能減排具有較大借鑒意義。
（7） 焦化固廢配煤煉焦技術的應用，有利于保護處于緊缺狀態(tài)的國內優(yōu)質煉焦煤資源， 有利于資源的可持續(xù)利用，具有顯著的社會效益。
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