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先进耐材是焦炉技术进步的基石 
(发布日期:2017-6-19 17:36:21)
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  针对从21世纪初开始的焦炭供应不足的问题,专家提出21世纪高效与环保型超级焦炉应实现下列目标:将炼焦利用劣质煤的比例从20%提高到50%,将焦炉生产效率提高3倍,使炼焦过程产生的NOx减少30%,实现无烟无尘密闭生产,节省能源20%。这一目标的实现,与焦炉用耐火材料的生产和应用密切相关。4月13日~14日,在安徽举办的第二十届耐火材料应用与发展技术研讨会上,参会代表们就焦炉用耐材技术展开了交流。此次会议由冀、鲁、豫、辽、晋、京六省(市)金属学会共同主办,安徽省金属学会、河北省金属学会耐火材料学委会协办,冶金信息装备网承办。



  耐材应用影响焦炉技术进步

  在现代炼焦生产中,焦炉呈现以下特点:一是体积大,重量大,寿命长;二是单体焦炉耐材用量大,是已知高温炉窑用耐材比例最高的炉型,占整体焦炉重量的80%以上;炼焦工序能耗在钢铁工业能耗的占比达到13%~15%。因此,焦炉的技术进步离不开耐材的技术进步。 

  出席会议的耐材专家表示,焦炉日常维护的耐火材料按种类、成分和用途可分为:硅砖,以鳞石英为主晶相,用于砌筑焦炉的硅质耐火制品,亦用于修补炉墙;堇青石炉门砖,由堇青石烧制而成,亦用于修补炉门;灌浆料,主要成分为磷酸+黏土料+水,用于炉顶密封;陶瓷纤维绳,主要成分为硅酸铝,用于炉墙堵漏;901泥浆,主要成分为黏土+水,用于浇筑炉盖;石棉毡,主要成分为石棉,用于焦炉环保堵漏;高温橡胶板,主要成分为耐高温橡胶,用于修补炉门。 

  从两个方面把握耐材技术方向

  据介绍,目前焦炉耐材的选择基本采用以下标准:炭化室/燃烧室侧壁,炼焦过程有水分排出,不宜用易水化的耐火材料,目前世界各国几乎全部选用硅质耐材。炭化室底部,具有相同的热膨胀率,承受煤和焦炭等较大的重量和推焦过程摩擦作用,应选用高强度和耐磨损的耐材。炭化室顶部,受其上面的覆盖层和装煤车的静、动负荷作用,也应选用高强度和耐磨损的耐材。炭化室炉门内衬和炭化室两端的炉头,由于炉门经常开启,温度由1000℃左右骤然降到500℃以下,宜采用抗热震性较好、荷重软化温度较高的高铝质耐材。斜烟道区,不与煤和焦炭接触,工作温度较燃烧室稍低,宜选用硅质耐材。蓄热室两侧边墙,冷热交替温差较大,宜采用优质黏土砖。蓄热室格子砖,非承重结构,应有较高蓄热能力和抗热震性,应采用黏土砖。

  针对耐材应用中的问题,专家们经过讨论,认为:炭化室炉门目前常用封釉炉门砖,炉门容易粘附重质焦油,难以清理,炉门容易破损,目前宝武集团宝钢、武钢等大型钢铁企业都采用大块浇筑炉门砖,清理难度大大降低。炭化室/燃烧室侧壁都采用硅砖,受热膨胀,推焦时受损严重,容易造成炉墙穿漏,不但影响焦炭质量,而且严重影响焦炉寿命,增加焦炉维护时间和费用。该部位可采用零膨胀硅砖,大幅降低热膨胀压力,且致密度更高,不易造成炉墙穿漏。
 
  会议认为,焦炉耐材总体发展呈现个性定制,高纯度化、致密化、精密化,含碳耐火材料的普及化,氧化物和非氧化物材料的复合化,不定形化等特征。其技术发展的方向,一方面从选矿提纯与均化上考虑,另一方面则从如何使用低品位原料制备铝硅系耐火材料考虑。

  焦炉耐材的节能减排潜力巨大

  目前,焦炉的常规耐材配置情况如下:硅质材料用于炉顶、炉底、斜道、蓄热室、加热墙、装煤孔、观火孔,黏土砖用于炉顶、蓄热室、装煤孔、观火孔,堇青石、莫来石、红柱石、硅线石用于炉门。

  整座焦炉用硅质材料占耐材用量的比例超过60%,焦炉的寿命及运行质量与硅质材料的质量密切相关。焦炉用硅砖的产品标准也有如下变化:20世纪80年代初引进的是日本JIS标准,21世纪初引进的是德国DIN标准,21世纪第二个10年采用的是宝钢标准。

  可见,多年来,我国的焦炉技术得到不断提升。但在耐材技术方面仍然沿用传统耐材,只是标准在提高,特别是在焦炉的节能环保方面,耐材没有发挥出应有的技术潜力。 

  为了满足21世纪大型焦炉的发展要求,国内产、学、研、用各部门联合研制出高致密硅砖、复合材料预制件、硅砖表面复合陶瓷材料、炉底用新材料、同质同相硅质火泥、热修补用电熔(低膨胀)硅砖,以及焦炉热维护新技术等耐火新材料及新技术,并得到广泛而有效的应用。

  例如,新型焦炉耐材高致密硅砖的强度是普通硅砖的1.5倍左右。其气孔率低、热导率比传统焦炉硅砖可提高20%以上,可降低焦炉燃料消耗,减少NOx等污染物排放量,节能环保。在同一条件下,使用高致密硅砖能有效提高焦炉的生产能力。国内运用纳米技术,使得硅砖产品在提高砖体密度、导热能力、抗磨损性能的同时,保留了硅质材料的基本性能。究其原因,这是因为纳米级矿化剂的分散性能远优于传统矿化剂。它的应用使耐材主晶相和基质结合更紧密,降低了产品气孔率,同时提高了产品同质性。

  这种高致密硅砖在国内大型钢企焦炉的实际应用结果显示,在相同的工况下,使用高致密硅砖的焦炉比使用传统硅砖的焦炉有更好的节能效果。按照结焦时间22小时、年生产时间8760小时测算,50孔×4的高致密硅砖焦炉较传统硅砖焦炉每年可节约1.24亿立方米的混合煤气,折合标煤为20682吨,节能效果显著。

  在相同的工况条件下,普通硅砖改用高致密硅砖时,在一个周期内,其传递到炭化室内的热量应相同,改变的只是燃烧室内火道的温度。因此,当高致密硅砖的热导率为2.33(w/m·k)时,燃烧室内火焰温度可降46℃。由此可知,高致密硅砖的使用从理论上确实可以降低燃烧室火焰的温度,有利于降低燃料消耗,从而起到节能减排的效果。

  另外,在保证炭化室内温度不变的情况下,用高致密硅砖砌筑的燃烧室内的火焰温度可以更低一些;降低火道温度,有利于降低NOx浓度。在结焦时间相同的条件下,高致密硅砖焦炉的NOx排放量低于传统硅砖焦炉。按照每燃烧1吨标煤排放7千克NOx计算,企业1座年产247万吨焦炭的高致密硅砖焦炉与传统硅砖焦炉相比,每年可减少NOx排放430吨,减排效果显著。 

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