一种利用危固废焦油渣配加焦粉冶炼焦炭的方法与流程

1.本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种利用危固废焦油渣配加焦粉冶炼焦炭的方法。


背景技术：

2.焦化产业在国民经济占有重要的地位，是煤炭产业主要消耗用户，同时又为钢铁、化工、制药行业等提供优质的冶金焦炭、焦化副产品。在焦油生产工艺过程中大约会产生0.18
‑
0.22％的焦油渣，加上石油焦油渣全国每年焦油渣的总量大约在百万吨。焦油渣是炼焦生产过程中产生的粘稠状、易粘结的废渣，主要是焦粉、粉尘和煤焦油、沥青。焦油渣含有苯，对人的中枢神经系统有麻醉作用，对人的造血系统产生一定的损坏还有苯酚、萘、苯并芘、蒽、咔唑等许多稠环芳香烃物质，具有高致癌性，对人身体会造成巨大伤害。2016年6月14日，国家环境保护部颁布的《国家危险废物名录》中规定“煤气生产行业煤气净化过程中产生的煤焦油渣”，属于危险废物。近年来随着国家环保政策的发力以及炼焦煤市场的影响和焦化行业利润，人们不断采取技术攻关，以焦油渣配入配合煤炼焦，获得良好的社会效益和经济效益。炼焦焦粉是冶金焦炭冶炼过程以及倒运过程中的必然产物，我国作为冶金焦炭生产大国，每年焦粉的产量是巨大的，目前焦粉主要作为钢铁联合企业烧结燃料以及球团内少量配加。
3.我国作为世界钢铁生产及消费大国，冶金焦炭是其生产的基础性的关键原料。同时我国炼焦煤资源相对匮乏，持续的开采宝贵的一次性不可再生能源，必将会有资源枯竭无以为续的时候。不断研究开发扩大炼焦资源，使之持续健康发展，支撑国民经济高质量发展。通过有效手段充分利用生产废弃物使之高效利用，即解决了生产环保问题又能促进生产提升企业经济效益。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种利用危固废焦油渣配加焦粉冶炼焦炭的方法。
5.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
6.一种利用危固废焦油渣配加焦粉冶炼焦炭的方法，包括如下步骤，
7.第一步，焦油渣配加焦粉机理与配煤理论的分析与确定，将焦油渣配加焦粉炼焦理论确定为共炭化原理、互换性原理和胶质层重叠原理综合运用；
8.第二步，结合配煤理论分析研究确定了焦油渣作为改善焦炭质量的粘结剂在配煤炼焦中主要功能作用，其功能作用体现在容积功能、粘结功能和供氢功能；焦粉在配煤炼焦中的主要作用是瘦化剂，提高焦炭的强度及粒度。
9.第三步，全面分析焦油渣的成分，主要分析技术性能指标包括气孔率、固定碳、甲苯不溶物、喹啉不溶物、挥发分、灰分、水分、碳氢比等；
10.第四步，炼焦煤的全面技术质量分析，主要分析指标包括水分、灰分、挥发份、硫
分、粘结指数、胶质层最大厚度、收缩度、基氏流动度、奥亚膨胀度等技术参数；
11.第五步，综合焦油渣、焦粉及炼焦煤的技术性能指标，确定焦油渣及焦粉的配入比例，根据焦油渣配加炼焦理论计算配配合煤的煤活惰比及碳氢比；
12.第六步，开展小焦炉实验为基础的试验，焦炭质量指标的全面分析。
13.与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
14.通过废焦油渣配加焦粉冶炼焦炭的方法，解决了焦油渣配加炼焦在理论上的缺失，确定了焦油渣配加炼焦理论，明确了焦油渣配加炼焦中的以碳氢比和活惰比为核心参数的方法，在保证焦炭质量的前提下配加焦油渣以及焦粉，充分利用炼焦配煤处理焦油渣危废物，为危废物的处理探索最佳的处理方式和处理途径，促进焦化企业生产的绿色、环保、可持续发展，保护生态环境。该专利技术的实施将产生可观的经济效益和练好的社会效益，特别是在国家深入推进绿色发展理念的新时期经济背景下，更具有特殊的作用和意义。
具体实施方式
15.一种利用配煤成焦原理多技术参数确定焦油渣最佳配加比例的方法，包括如下步骤：
16.第一步，焦油渣配加焦粉机理与配煤理论的分析与确定，将焦油渣配加焦粉炼焦理论确定为共炭化原理、互换性原理和胶质层重叠原理综合运用；
17.第二步，结合配煤理论分析研究确定了焦油渣作为改善焦炭质量的粘结剂在配煤炼焦中主要功能作用，其功能作用体现在容积功能、粘结功能和供氢功能；焦粉在配煤炼焦中的主要作用是瘦化剂，提高焦炭的强度及粒度。
18.第三步，全面分析焦油渣的成分，主要分析技术性能指标包括气孔率、固定碳、甲苯不溶物、喹啉不溶物、挥发分、灰分、水分、碳氢比等；
19.第四步，炼焦煤的全面技术质量分析，主要分析指标包括水分、灰分、挥发份、硫分、粘结指数、胶质层最大厚度、收缩度、基氏流动度、奥亚膨胀度等技术参数；
20.第五步，综合焦油渣、焦粉及炼焦煤的技术性能指标，确定焦油渣及焦粉的配入比例，根据焦油渣配加炼焦理论计算配配合煤的煤活惰比及碳氢比；
21.第六步，开展小焦炉实验为基础的试验，焦炭质量指标的全面分析；
22.将通过以下具体实施例详细说明本发明的内容，本领域技术人员应当理解，以下实施例仅用于理解本发明，而不在于限制本发明的内容。
23.实施例：
24.1、配煤理论与焦油渣配入机理的探讨
25.配煤炼焦的成焦机理目前一般总结为三类。第一类以烟煤热解过程中产生气、固、液三相共存的胶质体具有粘结性，能与周围固体煤粒粘附，粘结在一起，这种机理称为塑性成焦机理，第二种是岩相配煤的基本理论，认为结焦过程是活性物质与惰性物质之间的作用，焦炭强度与活性物质的形态与含量有关，又与惰性物质的形态与含量有关。第三种是中间相成焦理论，认为各向异性的物质中间相在煤的热解过程上产生，并随结焦过程熔融、固化。以上三种成焦机理考虑得到三种配煤原理：即共炭化原理、互换性原理和胶质层重叠原理。
26.胶质层重叠原理认为为了保证焦炭结构均匀，改善煤料粘结、结焦过程，提出炼焦
原料各单种煤在热解过程中产生气、固、液三相共存的胶质体转化温度区间的间隔要能够相互有重叠，要延长煤在热解过程中的塑性区间的时间。一般焦油渣在软化熔融的开始温度低于炼焦煤，所以在配合煤中添加焦油渣时，可以有效地拓宽配合煤的塑性区间，而且它的塑性区间和炼焦煤的塑性区间有较大的重叠，可以有效地增加胶质体的产量，使分解的煤粒表面更充分地润湿并充满煤粒的间隙，保证焦炭质量，同时，由于焦油渣来源于炼焦生产其基本成分焦粉和焦油，因此会在一定程度上提高炼焦副产品的产量诸如煤气、焦油等煤化工下游产品。
27.根据煤岩学原理及塑性成焦机理，结焦过程是活性物质与惰性物质之间的作用。烟煤热解过程中煤的粘结能力的大小由活性物质的形态和数量的多少决定的，而焦炭的强度由惰性物质的形成和数量决定的，所以在配煤中为了保证焦炭质量活性物质与惰性物质的形成和数量有一定的配比组合而成。焦油渣在软化熔融状态下粘结性强，所以在配合煤中添加焦油渣时，可以有效地增强活性组分的作用，而惰性组分的强度相对降低。这种情况下，可以加入弱粘煤、不粘煤或瘦煤来有效地增强惰性组分的骨架作用，保证焦炭质量。因此，在配合煤中添加焦油渣进行配煤炼焦，一方面拓宽了配合煤的塑性区间，使胶质体提前出现，胶质体和惰性物质之间有更充分地时间浸润、包裹，最终改善焦炭质量。另一方面，焦油渣和煤具有很大的相似性，在煤的塑性区间也可以产生胶质体，，即在相同的条件下，可以产生更多的胶质体，这样在配合煤中可以加入适量的弱粘煤、不粘煤和纯惰性物质，在保证焦炭质量的前提下扩大炼焦煤源。
28.中间相理论认为烟煤的结焦过程即为中间相的形成过程。按照中间相理论，添加焦油渣配煤炼焦可以在前期产生更多量的各向同性胶质体，然后形成更多的聚合液品，从而使它们在相同空间内有更多的碰撞机会，更容易相互熔并，使母液基质粘度提前增大到小球体不能承受的程度从而形成光学各向异性程度更高的焦炭。
29.2、确定焦油渣在配煤炼焦中的主要功能
30.结合配煤理论焦油渣作为改善焦炭质量的粘结剂在配煤炼焦中主要功能体现为，一是，容积功能，改善粘结剂对煤的熔化作用，改善中间体形成过程，对分子结构的重排有利，能提高煤热解过程的流动功能。二是，粘结功能，焦油渣具有较好的热稳定性，在塑性阶段形成大量稳定的液相，从而改善煤粒间的接触，提高粘结性。三是，供氢功能，焦油渣含有大量的芳香烃物质，主要以碳氢化合物为主要成分，在煤热解过程过程中作为粘结剂的焦油渣提供氢可以与部分含氧官能团结合，能够饱和掉热解过程的游离基，一定程度上降低了低碳网状结构间的交联，提高系统的粘结性，改善中间相的形成过程。
31.3、焦油渣的主要成分分析
32.焦油渣作为配合煤粘结剂在配加过程中要充分了解焦油渣的性质特性，主要性能指标见表1。
33.表1焦油渣性能指标
[0034][0035]
由表1可见，焦油渣中含有大量的固定碳和具有挥发性的多环芳烃，多环芳烃在高温条件下可以燃烧分解为co2和h2o。焦油渣作为粘结剂添加到炼焦煤中可以增加炼焦煤裂
解熔融过程中胶质体的数量，可以适当增加配煤中弱粘结性、不粘结性的炼焦煤，既达到扩大炼焦煤源的目的有综合利用危废物以利于环保。
[0036]
4、试验的可行性分析
[0037]
根据焦油渣的特性，在炼焦的热解过程中，由于焦粉的挥发份低，热解时基本形态没有发生变化，产生的液态物能够转化为胶质状态基本没有，但焦油渣在该过程可形成大量的气体及胶质体，把分子量较大的固态物质包围起来，形成气、液、固三相共存的胶质体，抵消了焦粉无粘结性的缺陷。而在形成半焦过程中，液相膜外表开始固化，中间仍为胶质体，内部为没有变化的瘦煤及胶质体混合物，在半焦壳出现裂纹后流出，这些胶质又发生固化，形成新的半焦层，最后转变为半焦。在半焦收缩的过程中，焦油渣挥发分高，收缩量相对较大，而瘦煤挥发分低，胶质体数量极少，半焦收缩过程平缓，收缩量极低，所以在配煤炼焦过程中，焦粉和焦油渣在成焦的每个过程中，都能互相弥补缺陷，大大降低了对焦炭强度的影响。可见，在配煤炼焦时，适量添加焦油渣及焦粉是可行的。在焦油渣配加炼焦是要充分考虑(1)焦粉起瘦化剂作用，以保证成焦过程中的活性组分及惰性组分比例适当，具有最佳的活惰比，既保证焦炭的块度又要保证焦炭的足够机械强度及热态强度。(2)焦油渣的配加比例要适当，既要保证发挥粘结剂充分地作用，又要防止炼焦煤裂解过程中胶质体数量过大，稀释煤粒，因为焦油渣的软化分解的温度比较低，胶质体比较稀薄，因此配加的比例不宜太大。
[0038]
5、试验方案过程
[0039]
试验采用不断调整配加煤不同性质种类和焦油渣及焦粉配加比例，利用40kg试验焦炉验证焦炭质量的方法，确定最佳配煤技术方案以及最佳焦油渣配加比例。
[0040]
5.1配加单种煤的性质
[0041]
配加单种煤按照炼焦煤大类分析并检测分析性能指标。具体性能指标见表2。
[0042]
表2单种煤性能指标
[0043][0044]
表3单种煤的基氏流动度指标
[0045]
[0046][0047]
5.2配煤技术方案
[0048]
确定主要炼焦煤种后，根据炼焦单种煤性能指标以及焦油渣的性能，尤其是焦油渣的碳氢比和各单种煤的活惰比及基氏流动度指标，确定焦油渣配加比例为2％至6％，以1％为增加梯度。确定不同的技术方案，见表4。
[0049]
表4配给焦油渣配煤技术方案
[0050][0051]
5.3试验焦炉炼焦技术分析
[0052]
使用利用40kg试验焦炉验证，依照技术方案冶炼焦炭，技术性能指标见表5。
[0053]
表5试样焦炭性能指标
[0054] a
d
v
daf
s
t,d
m40m10cricsr＞60mm方案112.871.240.9282.129.7831.2851.6415.76方案212.811.310.9385.629.2729.8453.2118.94方案312.781.290.9286.148.8728.7854.3419.32方案412.641.320.9681.7810.5729.5853.7816.27方案512.721.380.9483.1410.0631.8951.0418.28方案612.681.390.9778.8712.4735.2347.2914.32方案712.591.310.9873.5814.9838.2946.1214.12
[0055]
5.4试验数据分析
[0056]
由表可以看出，在方案中，在配和煤煤质稳定的情况下，逐步增加焦油渣的配入量，炼制的焦炭其块度随焦油渣加入量增加而增加，基本成增大趋势，焦炭的抗碎强度也有所增加。当焦油渣的添加量达到4％时，所得焦炭的耐磨强度与基础方案相比较下降得很多。因此，焦油渣及焦粉的添加量不宜超过4％，宜控制的范围在3
‑
4％之间。
[0057]
从焦炭显微结构分析，由照片可以看出，焦油渣所制焦炭的光学组织较多，这是由于焦油渣中含有焦油、焦粉、及煤粉等多种有机物，这些有机物经过碳化形成多种光学组织结构。焦油渣所制焦炭的光学组织以粒状镶嵌、片状结构和纤维状结构为主，且这些组织结合得较好。焦油渣碳化所得焦炭中存在大量的镶嵌状结构，一方面是焦油渣中原有的焦粒具有这种镶嵌结构，另一方面是逐步碳化过程中，新生成部分中间相小球体，其中反应能力高的分子生成的中间相小球体在未来得及长大时，便被固化下来而形成镶嵌状结构。
[0058]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。