对日本SCOPE21炼焦工艺的评价
胡德生（宝钢公司）
1 SCOPE21炼焦工艺的研究情况
从20世纪50年代开始，世界各国大力研究开发新的炼焦工艺。日本曾计划21世纪初用型焦工艺替代室式焦炉，在上世纪70年代末至80年代初进行大规模的试验后，建立了日产200吨型焦的半工业试验装置，所生产的6000吨型焦在4000立方米高炉上进行了炼铁试验。试验结果表明，现代大容积高炉最多只能用20%～30％的型焦替代传统方法生产的焦炭，使日本放弃了将型焦工艺替代传统炼焦工艺的想法，进而又提出了SCOPE21计划。
SCOPE21是“面向21世纪的高效生产与环保的超级焦炉”，即Super Coke Oven for Productivity and Environment enhancement toward the 21st century的英文缩写。此项目在日本政府资助下，由日本铁钢联盟（JISF）和日本煤炭利用中心（CCUJ）合作进行了长达10年（1994～2003年）的研究，累计投入约100亿日元。
SCOPE21工艺的技术要点如下：第一，采用流化床干燥段与气流床预热段组成煤料快速加热系统，使煤料预热至350～400℃后装炉；第二，细煤粉热压成形后与预热后的粗粒煤混合后装炉；第三，预热煤在焦炉内快速中温干馏至750～850℃；第四，中温炭化后的焦炭密闭输送到干熄焦的预存段被加热至1000℃，实现中温焦炭的高温改质。
SCOPE21工艺从1994年开始试验研究，在1994年至2000年期间，主要开展了关键技术的开发和研究，主要任务是试验煤的干燥、加热、分级技术、快速预热对煤的改质效果以及焦炉本体的构造、焦炉加热均匀性、高生产率、低排放的炉体构造等方面的内容。其中煤预处理的小型试验在1998年10月至2000年3月期间完成。在此基础上，他们建立了半工业化的试验装置，于2002年3月至2003年3月期间进行了半工业试验。半工业试验装置的煤预处理能力为实际规模的1/20，焦炉为单炭化室，炭化室的高度和宽度与实炉相同，长度为实炉的一半。
图1 SCOPE21炼焦工艺示意图
2 SCOPE21炼焦工艺的主要特点
根据日本公开发表的文献介绍，SCOPE21炼焦工艺具有以下特点：
（1）煤炭资源的有效利用。通过煤的快速预热和粉煤热压成形技术，提高入炉煤在炭化室内的堆积密度，从而提高焦炭质量，或在保持焦炭质量不变的前提下，提高配煤中弱粘结性煤的配比。上述措施可使配煤中弱粘结性煤的比率提高到50%，而在传统工艺中其用量仅为20%。 在半工业试验中，配合煤中强粘结性煤和弱粘结性煤各占50%，焦炭冷强度为84.8%,较常规工艺的82.3％提高了2.5个百分点。
（2）高生产率。通过预热煤装炉、减薄焦炉的炉墙、使用高导热性炉墙砖、降低出焦温度等措施，可以缩短焦炉的结焦时间，提高焦炉的生产率。在半工业试验中，当入炉煤的温度为330℃、焦炉炉温为1250℃、出焦温度小于900℃时，结焦时间为7.4 h，远远低于常规焦炉的17.5 h，并且产能也是常规焦炉的2.4倍。
（3）节能。通过把入炉煤预热到较高温度，从而提高了开始炭化的温度，并降低了炼焦终温，使出焦温度降低，同时回收煤气以及气体出口处排出废气的显热，可以提高热量利用效率，从而降低炼焦的能量消耗。在半工业试验中，SCOPE21工艺与常规工艺相比，能耗可降低21%。
（4）环保。在SCOPE21工艺流程中，煤和焦都在密闭的系统中输送，并对焦炉本体和炼焦过程也采取了防泄漏措施，防止焦炉煤气泄漏，提高了环保质量。通过对焦炉加热系统的优化设计，可降低废气中NOx的含量。
（5）经济性。焦炉生产率的提高，可以同比例减少焦炉炭化室的孔数，从而降低设备费用。另外，提高非、弱粘结性煤的使用比率，加上节能的效果，可以降低焦炭的制造成本。在半工业试验中，SCOPE21工艺与常规工艺相比，设备费降低16％，焦炭成本下降18%。
3 效果评价
通过对日本公开发表的相关文献进行分析后，可以看出，SCOPE21炼焦工艺总体上具有提高焦炉生产率、改善焦炭质量、降低能源消耗、减少环境污染等优点，但仍存在以下几个方面的问题：
（1）煤预热的安全性和可靠性。在煤的快速加热、贮存和装炉过程中，其安全性是关键之一，处理不当就会发生煤粉爆炸事故，世界各国都曾进行过煤预热炼焦工艺的开发，最终未能应用至工业生产，就是因为预热、贮存和装炉过程中涉及安全的关键技术未能解决。SCOPE21工艺与此前研究的煤预热装炉工艺相比，其装炉煤的温度还更高（以前的煤预热工艺装炉煤温度为150～200℃ ,SCOPE21工艺装炉煤的温度为350～400℃)，不能不让人担心其安全性。另外，预热煤采用的是管道输送，煤与管壁的摩擦带来了设备使用的可靠性问题，一旦管壁破损不仅会带来严重的环境污染，而且检修也十分困难。
（2）煤的热成型。根据型焦开发过程的经验，煤预热到350～400℃后成型，无粘结剂热压成型过程的脱模十分困难，型煤的强度也比较差，提高装煤堆密度的效果下降。另外，350～400℃的热煤装入炭化室后很快会产生煤气，对装炉煤产生向上的浮力，这对提高装炉煤的堆密度也不利。
（3）焦炉的寿命缩短。由于缩短了结焦时间，焦炉的生产率有所提高，单孔炭化室的出焦次数将同比增加。加上出焦温度降低，使焦炭未完全成熟，焦饼收缩不良，推焦时焦饼与炭化室侧面的摩擦力大大提高，必然要增大推焦动力。以上两方面的因素将使得SCOPE21工艺的焦炉寿命要比传统工艺的焦炉短很多。
（4）提高弱粘结性煤的比例有限。根据文献公布的试验结果，同样的配煤用SCOPE21工艺所炼制的焦炭冷强度比传统炼焦工艺仅提高2.5个百分点，但是，焦炭热强度并未改善，还不如高炭化室大容积焦炉的改善效果。由于不同国家对弱粘结性煤的定义不同，且弱粘结性煤的范围很广、差异很大，配煤中弱粘结性煤的配比高低并不能代表配合煤质量。从目前发表的资料显示，其所谓配入50%弱粘结性煤的配合煤质量是：最大流动度logMF为1.97～2.2,膨胀性TD为42～51。而我国宝钢2005年生产的配煤质量是：最大流动度logMF为2.06～3.49，平均为2.9,膨胀性TD为13～70，平均为34.2。综合分析表明，试验配合煤的膨胀性（TD)比宝钢2005年的生产配合煤好，试验配合煤的最大流动度（logMF )比宝钢2005年的生产配煤略差，试验所用的配合煤质量与宝钢生产配煤的质量差异并不十分显著。因此，宝钢在目前配煤的基础上大幅度提高弱粘结性煤比例，用这种工艺是无法获得同样质量的焦炭，或者说宝钢目前的配煤用此工艺生产的焦炭，质量不会有显著提高。根据宝钢多年的科研和生产经验，在获得宝钢目前焦炭实物质量的条件下，此工艺最多只能多用弱粘结性煤3%～5%，并不能大幅度提高。如果大幅度提高弱粘结性煤的比例，即使焦炭冷强度下降不多，焦炭的热强度也将大幅下降，但大容积高炉大喷吹煤粉操作时，焦炭的热强度比冷强度更为重要，型焦在大高炉中最多只能用30％的原因就在于此。
（5）工艺无实质性突破，经济性值得商榷。SCOPE21工艺从本质上来说就是将原来在焦炉炭化室内进行的炼焦过程部分转移到炉外进行，结合一些改善焦炭质量以及环保方面的技术措施，从而达到提高焦炉生产率、优化焦炭质量、消除环境污染的目的。但归根结底，SCOPE21工艺只是对传统炼焦工艺的改进和提高，没有脱离传统室式焦炉、高温干馏炼焦的实质。SCOPE21工艺未能简化炼焦流程，操作难度反而提高。煤预热、热成型技术以及350～400℃煤的贮存、运输和装炉工艺均十分复杂。干熄焦要将低于900℃的焦炭再加热到l000℃，工艺也比目前的干熄焦设备复杂。焦炉本体的炭化室的孔数虽然减少了，但全炉组每昼夜的出焦次数并没有变化，只是成倍地增加了单孔炭化室的操作强度。这样就对焦炉设备和耐火材料提出了相当高的要求，而且焦炉设备的寿命将随着生产率的提高而同比例降低。综合上述因素，相关文献宣称的经济性值得商榷。
综上所述，SCOPE21工艺存在的问题可以概括如下：提高非炼焦煤和弱粘结性煤使用比例的效果并不显著，相同的配煤所制得焦炭的冷强度仅比传统工艺提高2.5个百分点，焦炭的热性能无变化；虽然生产效率提高了，但是焦炉的寿命将缩短，因此总投资成本并不能下降；煤预处理投资成本的大幅度提高使炼焦的操作成本提高，难度也提高，且还有很多关键技术未解决。
日本的SCOPE21炼焦工艺虽有不足之处，但也不可否认，该工艺为未来炼焦技术的发展提供了借鉴。可借鉴点有三：一是资源的灵活性。新型焦炉必须接受非、弱粘结煤，这在传统焦炉中不能使用得很多。二是成本的竞争性。生产率高，成本竞争力要高。三是对环境友好。新型焦炉必须满足日益严格的环保法规（NOx、SO2、CO2)和劳动条件（粉尘、烟气、气味）。在21世纪，高炉法仍将是重要的炼铁技术，我们相信环保、节能的炼焦技术将进一步完善，并实现商业化生产，为世界钢铁业发展作出贡献。
