董 海 钟英飞
我国钢铁产业在近10年来经历了快速发展的阶段，钢的产量连续突破年产1亿吨、 2亿吨、3亿吨和4亿吨, 2008年又突破5亿吨。在钢产量连续快速增长的同时，也暴露出一些结构性、技术性、资源供给与环境保护等方面的问题，为今后的健康、持续发展带来了影响。本文拟对以下几个与焦化有关的问题进行探讨。
1 高炉大型化与焦炭质量和炼焦煤资源的关联性
设备大型化在各方面体现的效益是显而易见的，它可以充分采用各种为提高效率、节约能源、降低消耗、延长使用年限的技术，配置高效的污染防治设施来降低对环境的危害，从而在整体上实现高效、低耗、低污染的综合效果。工业发达国家早在上世纪70～80年代就开展了大规模的设备大型化工作，就炼铁高炉来说，已建成的有容积4000m3级的高炉，目前最大的已达到5500m3。
反观我国，在这方面的进程相对滞缓。以1995年宝钢建成的高炉为分界，当时钢铁工业重点企业产铁的18家中，有高炉80座，其中高炉容积≥2000m3的只有9座，其中包括宝钢3座（4063m3的2座、4350m3 1座）；武钢2座（2516m3和3200m3各1座）；鞍钢2座2580m3；首钢1座2100m3；本钢1座2000m3。地方重点企业产铁的40家中，有高炉125座，没有1座≥2000m3的高炉，只有邯钢有1座1260m3，多数为300m3级，也不乏≤100m3的。
自上世纪90年代后期，我国钢铁产业进入迅速发展阶段，高炉大型化的步伐也随之加快，建成了一批2500m3和3000m3级的高炉，其中最大的达到4706m3。到2006年末，≥2000m3的高炉已增加到46座。高炉大型化的进展并未在4700m3上止步，宝钢1号高炉于2008年大修后, 由4063m3扩容为4800m3；新建的首钢京唐钢铁联合有限责任公司的高炉容积为5500 m3（已建成1座）；拟建的湛江钢铁厂，初步设计高炉容积为5700 m3。这几座高炉的容积都堪称世界顶级。高炉大型化进程给我国炼铁的技术面貌造成的变化是显著的，同时也对焦炭质量要求带来严峻的挑战。
众所周知，焦炭在高炉料柱中除提供热源、还原剂和增碳的作用外，还起到其他炉料无法提供的骨架作用，这是使料柱有良好透气性和炉况顺行的重要保证。随着炼铁技术的进步以及减少焦炭消耗的要求，现代炼铁普遍实行高温、大风、富氧、大喷煤的操作工艺。如京唐钢和湛江厂的设计，焦比均定为270kg/t铁，喷煤量220 kg/t铁，这就意味高炉料柱中焦炭所占容积大大缩减；而高炉大型化后，炉身高度增高，料柱中焦炭所承受的各种力也就增大；炉料下降过程中所经受的摩擦和CO2对焦炭气孔壁的侵蚀时间都远大于容积较小的高炉。由此形成一个概念, 认为高炉容积增大后，对焦炭各种性能的要求（如冷强度、热强度等）就会有所提高，其增加的幅度随炉容的增大而增加。
焦炭形成冷强度和热强度——特别是热强度中的反应后强度（CSR）的基础是炼焦配合煤的质量，即粘结性和结焦性能好的肥煤和焦煤的用量配比，这是不会因煤准备和炼焦工艺等而有根本性的改变。所以目前大型高炉用焦的配煤比中，焦、肥煤的比重已超过50%，有的企业高达65%～70%,甚至超过70%。目前，我国炼焦煤在煤炭总储量中不足27%, 即约2700亿吨，而其中探明可采储量仅660亿吨,其中肥煤仅占13%，焦煤仅占17%，并且还有相当部分由于含灰、含硫偏高，难洗选，不宜用于炼焦。除此之外，在地域分布上也很不平均，约45％的肥煤和49％的焦煤均在山西省，这种状况与大型高炉用焦的配煤比中焦、肥煤的用量极不相称。
在宝钢建设之始，为满足4063 m3高炉用焦炭的质量要求，在全国各主要产肥煤和焦煤的煤矿寻找炼焦煤源时，曾因某些优质煤种与原使用企业在供给上有矛盾而引发争议，就足以说明优质焦煤、肥煤在我国不能满足需要的尴尬局面。近年来，由于煤炭行业的努力，表面上看似乎在一定程度上满足了钢铁企业的需要，但这是在超越储量比例开采的结果，对资源的持续、均衡利用是不利的。当然不能排除沿海企业利用国外资源，以缓解国内供应不足的矛盾，如宝钢等一些企业曾长期使用一定数量的进口煤（2008年预计总进口量约为700万吨)。
高炉大型化是技术发展的方向，是提高钢铁产业集中度的重要条件，由此也产生了优质炼焦煤资源供给和高炉大型化对焦炭质量提高的矛盾。上个世纪80年代以来，世界各国和我国技术工作者通过对焦炭在高炉中行径的研究认为：焦炭在高炉中的劣化受到外部因素——机械破坏作用、碳溶反应、液渣、液铁的冲刷作用和溶碳作用、碱金属、高温高速气流冲击、高温热应力等作用，及内部因素——焦炭气孔结构、焦炭显微结构、焦炭含灰、以及近年来采用的富氧喷煤后带入的新因素等多种因素的交叉影响。所以焦炭在高炉中的劣化过程是因不同的冶炼条件而有不同的反映。因此目前表达焦炭质量的冷强度指标——M40、M10以及I20、I10、 DI、热强度指标——CRI（反应性）和CSR（反应后强度），并不能确切评估某特定高炉对焦炭质量的要求。由此提出以下问题：
1) 高炉大型化对焦炭质量的要求不能一刀切，要因不同冶炼条件而有所差别；
2) 高炉大型化要因地制宜，即宜与优质炼焦煤资源供应存在相匹配的关系。不同区域，如沿海、内地或资源丰富地区而有所差别。
3) 目前某些企业使用焦、肥煤高配比生产的焦炭，其相关的冷、热强度，在某种程度上是否存在超出高炉冶炼实际的需要，而造成优质炼焦煤资源浪费的问题需要进行探讨。鉴于近期高炉冶炼主流不会被其他冶炼工艺（设备）所取代，亦即对焦炭的需求不会终止，而优质炼焦煤供应紧张的局面是长期的，而且是越来越严峻，因此建立一个能更确切地反映焦炭质量的指标体系就显得十分紧迫。
4) 建议国家有关部门建立一个真正能体现焦炭在高炉中正确行径、优劣差别的指标，并将其列为重点科研工作。
同时，炼焦行业同仁则需在焦炉炭化室宽度的选择上进行斟酌。纵观世界各国焦炉炭化室宽度，基本都在400～500mm之间，只有德国某些地区采用炭化室宽600mm左右的焦炉。炼焦界把炭化室宽度大于550mm的焦炉称为宽炭化室焦炉。国内外从事炼焦配煤研究工作的人士从炼焦机理的研究中提出，宽炭化室焦炉适合强粘结性（即高质量的肥煤和焦煤在配煤比中占绝对优势）和低挥发分（挥送分22%～25%）配煤，而用粘结性较差的配煤时，其生产的焦炭质量不如常规焦炉，近几年在我国的生产实践过程也得到了证实。
太钢炭化室宽590mm焦炉，配煤中高质量强粘结性肥煤和焦煤比例大于70%，配煤挥发分24％±1%, 焦炭质量的冷、热强度以及其他指标都好。据资料介绍，某公司炭化室宽590mm焦炉和炭化室宽450mm的6m焦炉，用同样配煤，其配煤粘结性较太钢配煤差（肥煤和焦煤在配煤比中为55%～60%，挥发分Vdaf 29％左右，这种配煤也是我国目前顶装焦炉生产用配煤的基本情况），其焦炭的M40、 M10、CRI和CSR指标，炭化室宽590mm和450mm的焦炉二者差别不大。但冶金焦率、块焦和粉焦率等指标，炭化室宽590mm焦炉都远不如450mm的焦炉好，这也是炼焦机理规律的必然， 其对比数据见表1。
表1 不同宽度炭化室的焦炉数据对比（％）
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焦炭指标 |
炭化室宽590mm |
炭化室宽450mm |
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冶金焦率 |
83.3 |
86.6 |
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＞60mm块焦 |
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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干熄焦的焦炭强度 |
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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 |
从表1可看出，对粘结性和结焦性不太强的炼焦配煤来说，不宜采用宽炭化室焦炉，而宜采用炭化室宽度不大于550mm的焦炉。这虽然不能从根本上改变焦炭质量取决于配煤质量的原则，但可以适量减少肥煤和焦煤在炼焦配煤中占有的比例，从合理利用资源和有利于降低生产成本来说是简而易行的举措。
2 关于捣固炼焦的焦炭应用
捣固装煤炼焦能在配合煤中增加弱粘结性、低变质程度的煤和允许在配合煤中扩大惰性煤的配入量，生产出具有一定强度焦炭的工艺。针对我国炼焦煤资源中粘结性好的肥煤贮量不足的状况，使其属于推荐采用的工艺技术。近年来，捣固装煤炼焦在我国有较快发展，焦炉炭化室高度已由过去的2.8m、3.2m、3.8m增加到4.3m、5.5m。 2008年10月又建成了当今国际上最高的6.25m捣固焦炉。捣固焦炉的产能已接近8000万吨，但是在捣固焦的应用上还应注意以下几点。
1) 由于捣固装煤炼焦所产生的焦炭不会改变各种配合煤的显微组成，因此它对高炉内气氛CO2、H2O（气态）侵蚀的抵抗能力受到配入煤种固有的影响（限制）。在捣固焦炭应用比较成功的德国迪林根钢铁厂也是在1800m3高炉使用较长时期后才逐步推广使用到更大的高炉上（初期入炉焦中，捣固焦约占85%～90%)。我国并无在大高炉上使用捣固焦的经验，这应引起捣固焦生产企业和使用企业的关注。
2) 捣固焦强度的提高主要依靠装炉煤堆密度的提高，堆密度可从顶装煤的740 ～760kg/ m3提高到1000kg/ m3以上，可达到1100 kg/ m3或更高。其效果是使焦炭的气孔壁增厚，平均气孔变小，且分布均匀，从而起到降低反应性、提高反应后强度的效果。若为追求这个效果，一味地提高堆密度而加大捣固力，则所产焦炭虽然反应性是降低了，但气孔率过低，在高炉冶炼使用中，可能出现炉缸温度偏低、炉况不顺的现象。因此要根据各自高炉的冶炼条件，选定恰当的捣固强度和煤饼堆密度，以生产出适用的焦炭，而不宜盲目追求低反应性。
3) 由于捣固焦的气孔率和气孔孔径较同样配煤条件下顶装煤所产出的焦炭小，在使用干法熄焦时，若套用顶装焦的工艺参数，就可能出现焦炭熄灭不彻底，甚至暗藏红焦，从而引发烧损排焦设备或运焦皮带的问题。
综合以上问题，在我国大型高炉上推广使用捣固焦还应持谨慎、循序渐进的步骤，宜在高炉容积＜2000 m3的高炉上取得系统的经验后，再考虑向更大容积的高炉推广。
3 独立焦化企业不宜进一步发展
2008年我国焦炭产量初步统计约为3.2亿吨, 扣除土焦约1000万吨、半焦（兰炭）约1100万吨后，传统机焦炉的产量将近3亿吨。在这3亿吨中，钢铁联合企业产量只占30％强，其余均为独立焦化企业生产。而我国焦炭消费的去向，70％左右用于炼铁。因此独立焦化企业在全国焦炭总产量中占有如此高的比重，存在若干弊端。
3.1 售、购焦中产生的问题
1) 钢铁企业向独立焦化企业购焦与钢铁企业自产焦相比较，必然增加焦炭贮存、倒运、运输等作业。焦炭是脆性材料，在储运过程中破损加剧，增加很多小焦块和焦粉，也就是说将稀缺的炼焦煤变成使用价值（价格）相对较低的小焦块和焦粉，造成资源损失、能源浪费和经济损失。
2) 为协调运输（无论铁路或公路）和生产（需求）间的平衡稳定，产焦企业和钢铁企业都必须增加贮焦设施和倒运设施，即增加了土地占用和投资。焦炭在装卸、倒运过程还不可避免地产生扬尘，污染环境。
3.2 独立焦化企业的焦炉煤气利用不合理
独立焦化企业要用自己生产的焦炉煤气加热焦炉，其耗用量约为煤气发生量的45%。焦炉是热工效率优良的工业窑炉，可以使用低热值燃气。钢铁企业中有大量富余的高炉煤气可供焦炉加热用，从而替换出优质、清洁的中热值焦炉煤气供更有价值的利用。近年新建的独立焦化企业，对富余的焦炉煤气利用，多数是采取转化生产甲醇，但以焦炉煤气生产甲醇只是权宜之计，并不是合理、可取的安排。其理由如下：
1) 焦炉煤气的组成中氢占55%～60%，为取得生产甲醇所需的碳源，采用了氧化焦炉煤气中甲烷的办法，这就浪费了有效的资源。而钢铁企业中却有大量优质的碳源，如转炉煤气中含CO在60％左右，高炉煤气中含CO和CO2均在20%～25%，正好可供合成甲醇之需。
2）甲醇生产装置每年要停产检修30天左右，在此期间，独立焦化企业很难寻得消耗焦炉煤气的用户，一般只能采取放散。1座设计焦炭产能200万吨、甲醇产能20万吨的工厂，在甲醇装置停产检修时，放散焦炉煤气量可高达6万m3/h，总放散量约折合2.5万吨标煤。这不仅是极大的浪费，也是对环境的严重污染。
3) 关于甲醇的生产成本。焦炉煤气是生产甲醇的原料，因而焦炉煤气的成本是构成甲醇成本的重要因素。但在焦化厂，焦炭和焦炉煤气的成本是相互分摊的，在焦炭销路好时，可以将焦炉煤气的成本降得很低，显得甲醇有大利可图，但这不能真实地反映出成本情况。
3.3 独立焦化企业难以发挥干熄焦的效益
干熄焦是回收焦炭显热、提高焦炭质量的有效措施，但在独立焦化企业却难以获得好的效益，主要原因如下：
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1) 干熄焦是通过余热锅炉产生蒸汽来回收焦炭的显热。发生的蒸汽在独立焦化企业只能在蒸氨、脱苯工序中消耗掉一部分，其余只能采用冷凝式汽轮机用以发电。该机组运行时由于大量的热量在冷凝器中被循环冷却水带走，因此经济性差。而在钢铁联合企业通常可采用背压式汽轮机，可以将发电后的背压蒸汽输入全公司的蒸汽管网，供其他工厂使用，因此经济性好，节能效果显著。
2) 经过干熄焦装置得到的焦炭不含水分，对焦炭强度指标有所改善，直接用于高炉炼铁有利于提高生产效率，降低焦比。但在独立焦化企业，强度指标的改善难以体现在经济效益上。
3) 当前，经过生化（含脱氮）处理的焦化酚氰废水，基本上仍不符合直接外排入自然水体的要求，在独立焦化企业往往要依靠湿法熄焦来消化其大部或全部。当然可以采用膜处理、反渗透等工艺达到排放标准，但处理的运行成本很高，企业一般难以承受。因此也限制了独立焦化企业设置有效的节能装置——干熄焦。而在钢铁联合企业中，消化酚氰废水的途径就相对容易。
综上所述，继续扩大、发展独立焦化企业的焦炭产能不是方向，特别是在当前独立焦化企业焦炭产能占主流的状况，更应严格掌控，制止独立焦化企业的进一步扩能。
3.4 建议国家出台相关政策
建议国家（含中国钢铁工业协会、中国炼焦行业协会）出台相应政策，鼓励、促进以下进程：
1) 凡钢铁联合企业焦炭产能不能满足炼铁需要的，应适当地改、扩建焦炉，达到内部平衡或适当余富，外供非钢企业。
2) 钢铁企业也可以与有意投资建设焦炭生产企业的资金拥有者，在煤气输送（焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气）、焦炭皮带输送的合理运距范围内联合建厂。互供煤气与焦炭，消纳酚氰废水，以取得最佳的经济效益和社会效益。
4 完善干法熄焦的安全防护措施
近年来，干法熄焦在我国得到快速推广，到2008年末已建成66套装置，年处理焦炭能力达到5936万吨。新建的干法熄焦装置配置有较完善的污染防治设施，特别是对冷焦排出、输送和加工过程所产生粉尘的防治，一般采用加罩、抽风送往布袋除尘器的措施。对所产粉尘的捕集率可达95%以上，经布袋除尘器后排放的气体，含尘浓度小于50mg/m3，这在总体上满足了环境保护的要求，但未捕集的5%粉尘也留下了安全隐患。
干法熄焦排出的冷焦不含任何水分，而温度仍在180～200℃，混焦所含粉尘的量与细度均要超过湿法熄焦的焦炭。因此在排焦、输送和加工过程中所产生的粉尘（≤100μm)，其飞扬能力要远大于湿法熄焦时所产生的同粒径的粉尘，尤其是粒径≤10μm的微尘，在环境标准中称作“可吸入颗粒物、PM10”。在捕集率达到95％的条件下，仍有相当数量的微尘存留在相应工艺设施附近的空间，被进入有关场地的人员吸入而造成伤害。因此必须对干法熄焦系统配置高效除尘设施，制定出严格的捕集率要求，设想≥98%，在使用中加强对除尘设施的检查维护，确保捕集效率。还应配置适当的喷雾加湿设施，以降低扬尘。同时应规定，凡进入相关场地的工作人员，均应佩戴可靠的防护面具，以确保有关人员的人身安全。 |
