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摘 要：SCOPE21工艺能够改变热风性质、中低温出焦并快速实现加热预处理，从而实现炼焦配煤资源利用率的提高，扩大原煤的粘结性能。在确保焦炭炼焦质量的基础上，实现焦炉生产效率的有效提高。利用燃烧条件的改进和焦炉燃烧结构的控制，能够大大降低焦炉的环境负荷，有助于低NO燃烧目标的实现。
关键词：SCOPE21工艺 炼焦 新技术
炼焦为转化原煤过程中的一种主要途径，随着近年来国际经济趋势的逐渐改善，以及我国国内经济的日渐回暖，我国的铸造、化肥和钢铁等工业企业生产过程中对于焦炭的需求量也呈现出了逐年上升的趋势。但是，在我国现有的焦炭生产技术水平之下，炼焦工业要实现进一步发展也会面临极大的困难。只有进一步提高我国焦炭生产企业的积水水平，才有助于焦炭生产量的进一步提高，并实现资源利用面扩大，污染减少，以及能耗降低等节能环保目标的实现，从而为我国经济的可持续发展提供物质基础[1]。
很长时间以来，尽管国际炼焦技术实现了快速的发展，然而，工艺过程和基本方法仍然较为传统，也就是在耐火材料砌筑的焦炉中加入特定量水分的原煤，在温度达到1000℃以上后，经过干馏处理后，原煤能够转化为焦炭[2]。在焦炉内处理原煤的具体过程包括：第一，升温、脱水；第二，形成胶质体、熔融、热解；第三，形成半焦；第四，焦炭稳定形成后，排出赤热焦炭，通过干法或湿法进行熄焦处理，并得到最终的成品焦[3]。氮这一生产过程存在下述问题：首先，对于生产环境要求较高。长时间的干馏处理会导致NOx生成以及烟气泄漏等问题，且湿法息焦也会造成较为严重的水资源和空气污染。其次，成本高、能源消耗大。再次，质量和能力限制较大。最后，资源限制较大，主要表现为焦煤资源分布不均匀，且资料储备量日渐减少[4]。
一、SCOPE21 简介
SCOPE21工艺流程主要包括下述几个环节：第一，低NOx燃烧。经过燃烧条件的改善，以及燃烧室结构的调整，达成低 NOx燃烧的目标。第二，质量的改进。焦饼中低温出炉后，通过高温气体对焦炭进行加热处理，实现其质量的提高，并利用干法熄焦。第三，中低温出焦。粗粒煤快速加热后，与粉煤相互混合，同时装入焦炉，一般情况下，应将出焦温度控制在750至850℃上下。第四，快速加热和原煤干燥处理。利用流动床提高原煤温度，并在200至300℃条件下进行干燥分级脱水处理。粉煤和粗粒煤分级完成后，分别在相应的气流加热塔内将温度快速提高为330至380℃，并通过塔内气流将其分离出加热塔[5]。
SCOPE21工艺的主要成果：第一，短时间的加热处理会消耗较大的电力资源，但是，随着干馏时间的减少，炉内干馏所消耗的气体燃烧量也会实现明显的降低，因此，该工艺与传统工艺相比，能够实现能源消耗量20%左右的降低。第二，调整炉压、控制燃气、改造燃烧室结构以及密闭输送高温煤等措施的应用能够显著降低环境的负荷，避免NOx生成和气体泄露[6]。第三，受到燃烧条件调整、焦炉构造改进、低温出焦和预热处理等因素的影响，干馏时间也将会从17.5h减少到7.5h。第四，快速加热处理原煤，有助于煤粘结性的提高，尽管不粘煤与弱粘煤配煤量有所提高，但通过SCOPE21工艺所得焦炭的质量仍然优于传统工艺[7]。
二、SCOPE21技术核心
1.快速预处理加热提高原煤粘结性
SCOPE21工艺通过两段法实施煤料装炉前的预加热处理。需通过流化床首先对原煤实施分级和干燥处理，利用模拟计算和实验观察，保证对加热气流进行合理控制，从而在分级处理的基础上，将煤料温度提高至200至300℃左右。其次，同时快速加热处理分级完成的煤粉和粗粒煤，使其温度提高到330至380℃之间。根据水泥生产程序中的熟料加热系统进行快速加热，特别应注重气流塔加热方式的选择。按照平均煤粒温度、热气差值、出口处煤粒间温度差以及加热速度等目标，尝试多种加热塔方式。最后选择了一种直筒式加热塔的处理方式。鉴于快速加热煤炭前，其温度差值在100至200℃之间，因而煤炭粒子表面与内部之间的温差较小。选择1600mm高、40mm×200mm断面的模拟气流塔，利用高速摄像机对塔内煤炭粒子的运行轨迹实施可视性观察，观察结果表明，塔内运动过程中，直径大于0.3mm粗粒相互之间的影响基本可以不进行考虑，并将其视为单个粒子进行处理。直径小于0.3mm的煤粉，在进入模拟气流塔后，表现为高密度的粒子群，并可视为单个粒子进行处理。选择25m有效高度、100mm直径的试验塔实施快速加热处理，利用这一试验过程所获得的数据进行数学模型的编制，模拟计算2400mm直径的工业塔和900mm直径的放大试验塔[8]。
2.环境负荷的降低
将底部燃烧室的空气入口和燃气入口相对位置的直线布置，变为错口布置，进而将燃烧室内的空气和燃气改为混合和扩散状态。试验结果证实，NOx的浓度会逐渐由268ppm下降为100ppm，其主要原因在于，与直线布置相比，燃烧室底部改为错口布置后，其中的空气和燃气均能有效扩散，因而混合度较小，能够对上升至上段过程中局部过燃现象的发生率产生抑制作用。试验结果表明，高度方向上的NOx发生量和温度差均直接取决于空气的输送量。在燃烧室壁温度达到1250℃的情况下，将40%的空气量送入炉底后，高度方向上的NOx发生量和温度差异能够达到最小值。将20%至50%的空气送入量炉底后，同样能够达到设定的目标值。同时，高度方向上NOx浓度的降低和均匀加热都会直接受到废气循环的积极影响。虽然在前文所述的试验中会完全关闭EGR孔，但高度方向上的NOx浓度和温度差仍处于目标值范围内，然而，受到实际生产过程中各种干扰因素的影响，有必要对EGR孔进行相应的设置。通常情况下，越高的燃烧室温度，所产生的NOx量也就越高。试验结果证实，对于SCOPE21工艺的燃烧结构来说，即便燃烧室壁温度提高至1250℃，其所产生的NOx浓度也仍然低于100ppm的目标控制值。
3.焦炭改质和低温出焦
尽管煤炭结焦反应的起始温度为650℃，并在温度达到900℃前完成，然而，因为焦炉处理为一个炉壁自然向煤饼内部传递热度的过程，因此，为了提高焦炭的成熟度，通常需要经过特定的巩固过程，并保证在焦饼中心温度提高至1000至1050℃之间时出焦。SCOPE21工艺的应用能够明显降低出焦的温度，缩短炭化室内干馏时间，然而，焦炭品质也必然会受到一定程度的影响，且出焦质量不均衡。SCOPE21工艺在常规炼焦技术的基础上，新加入了直接热气再加热技术，也就是将直接高温热气加热设施直接加入干式熄焦容器内。试验结果证实，热气吹入法与空气吹入法都能够达到不改变焦炭块度、焦炭反应性降低、焦炭强度提高等基本目标。同时，因为表层焦炭也会参与燃烧过程，且燃烧所形成的H2O与CO2也会参与焦炭气化反应过程，这就会大大降低焦炭的品质和质量。相反，吹入热气法有助于均匀再加热目标的实现，能够缩小焦炭之间的品质差异。焦炭700℃出炉后，在持续30min使用980℃的热气进行加热，同样能够获得1000℃出炉焦炭的品质。
参考文献
[1]有马孝.SCOPE21炼焦工艺下的焦炭强度和粒度[J].鞍钢技术，2005，1（3）：50-51
[2]朱久发.国外炼焦新技术的开发[J].武钢技术，2005，43（6）：47-48
[3]周智霖，杨卫东，韩灵生等.光纤内存映射网在液压AGC改造工程中的应用[J].自动化博览，2003，1（4） 61-62
[4]胡德胜.对日本SCOPE21炼焦工艺的评价[J].中国冶金报，2008，10（7）：1-3
[5]廖建国.心意到炼焦技术（SCOPE21）的开发[J].中国冶金，2005，15（3）：11-13
[6]齐女画，李丽琴，王凯，陆永斌.21世纪炼焦新技术——SCOPE21工艺[J].煤化工，2005，6（12）：15-17
[7]黄定国，朱瑞，王文华.面向21实际的高效环保型炼焦新技术[J].洁净煤技术，2006，12（4）：79--81
关键词：SCOPE21工艺 炼焦 新技术
炼焦为转化原煤过程中的一种主要途径，随着近年来国际经济趋势的逐渐改善，以及我国国内经济的日渐回暖，我国的铸造、化肥和钢铁等工业企业生产过程中对于焦炭的需求量也呈现出了逐年上升的趋势。但是，在我国现有的焦炭生产技术水平之下，炼焦工业要实现进一步发展也会面临极大的困难。只有进一步提高我国焦炭生产企业的积水水平，才有助于焦炭生产量的进一步提高，并实现资源利用面扩大，污染减少，以及能耗降低等节能环保目标的实现，从而为我国经济的可持续发展提供物质基础[1]。
很长时间以来，尽管国际炼焦技术实现了快速的发展，然而，工艺过程和基本方法仍然较为传统，也就是在耐火材料砌筑的焦炉中加入特定量水分的原煤，在温度达到1000℃以上后，经过干馏处理后，原煤能够转化为焦炭[2]。在焦炉内处理原煤的具体过程包括：第一，升温、脱水；第二，形成胶质体、熔融、热解；第三，形成半焦；第四，焦炭稳定形成后，排出赤热焦炭，通过干法或湿法进行熄焦处理，并得到最终的成品焦[3]。氮这一生产过程存在下述问题：首先，对于生产环境要求较高。长时间的干馏处理会导致NOx生成以及烟气泄漏等问题，且湿法息焦也会造成较为严重的水资源和空气污染。其次，成本高、能源消耗大。再次，质量和能力限制较大。最后，资源限制较大，主要表现为焦煤资源分布不均匀，且资料储备量日渐减少[4]。
一、SCOPE21 简介
SCOPE21工艺流程主要包括下述几个环节：第一，低NOx燃烧。经过燃烧条件的改善，以及燃烧室结构的调整，达成低 NOx燃烧的目标。第二，质量的改进。焦饼中低温出炉后，通过高温气体对焦炭进行加热处理，实现其质量的提高，并利用干法熄焦。第三，中低温出焦。粗粒煤快速加热后，与粉煤相互混合，同时装入焦炉，一般情况下，应将出焦温度控制在750至850℃上下。第四，快速加热和原煤干燥处理。利用流动床提高原煤温度，并在200至300℃条件下进行干燥分级脱水处理。粉煤和粗粒煤分级完成后，分别在相应的气流加热塔内将温度快速提高为330至380℃，并通过塔内气流将其分离出加热塔[5]。
SCOPE21工艺的主要成果：第一，短时间的加热处理会消耗较大的电力资源，但是，随着干馏时间的减少，炉内干馏所消耗的气体燃烧量也会实现明显的降低，因此，该工艺与传统工艺相比，能够实现能源消耗量20%左右的降低。第二，调整炉压、控制燃气、改造燃烧室结构以及密闭输送高温煤等措施的应用能够显著降低环境的负荷，避免NOx生成和气体泄露[6]。第三，受到燃烧条件调整、焦炉构造改进、低温出焦和预热处理等因素的影响，干馏时间也将会从17.5h减少到7.5h。第四，快速加热处理原煤，有助于煤粘结性的提高，尽管不粘煤与弱粘煤配煤量有所提高，但通过SCOPE21工艺所得焦炭的质量仍然优于传统工艺[7]。
二、SCOPE21技术核心
1.快速预处理加热提高原煤粘结性
SCOPE21工艺通过两段法实施煤料装炉前的预加热处理。需通过流化床首先对原煤实施分级和干燥处理，利用模拟计算和实验观察，保证对加热气流进行合理控制，从而在分级处理的基础上，将煤料温度提高至200至300℃左右。其次，同时快速加热处理分级完成的煤粉和粗粒煤，使其温度提高到330至380℃之间。根据水泥生产程序中的熟料加热系统进行快速加热，特别应注重气流塔加热方式的选择。按照平均煤粒温度、热气差值、出口处煤粒间温度差以及加热速度等目标，尝试多种加热塔方式。最后选择了一种直筒式加热塔的处理方式。鉴于快速加热煤炭前，其温度差值在100至200℃之间，因而煤炭粒子表面与内部之间的温差较小。选择1600mm高、40mm×200mm断面的模拟气流塔，利用高速摄像机对塔内煤炭粒子的运行轨迹实施可视性观察，观察结果表明，塔内运动过程中，直径大于0.3mm粗粒相互之间的影响基本可以不进行考虑，并将其视为单个粒子进行处理。直径小于0.3mm的煤粉，在进入模拟气流塔后，表现为高密度的粒子群，并可视为单个粒子进行处理。选择25m有效高度、100mm直径的试验塔实施快速加热处理，利用这一试验过程所获得的数据进行数学模型的编制，模拟计算2400mm直径的工业塔和900mm直径的放大试验塔[8]。
2.环境负荷的降低
将底部燃烧室的空气入口和燃气入口相对位置的直线布置，变为错口布置，进而将燃烧室内的空气和燃气改为混合和扩散状态。试验结果证实，NOx的浓度会逐渐由268ppm下降为100ppm，其主要原因在于，与直线布置相比，燃烧室底部改为错口布置后，其中的空气和燃气均能有效扩散，因而混合度较小，能够对上升至上段过程中局部过燃现象的发生率产生抑制作用。试验结果表明，高度方向上的NOx发生量和温度差均直接取决于空气的输送量。在燃烧室壁温度达到1250℃的情况下，将40%的空气量送入炉底后，高度方向上的NOx发生量和温度差异能够达到最小值。将20%至50%的空气送入量炉底后，同样能够达到设定的目标值。同时，高度方向上NOx浓度的降低和均匀加热都会直接受到废气循环的积极影响。虽然在前文所述的试验中会完全关闭EGR孔，但高度方向上的NOx浓度和温度差仍处于目标值范围内，然而，受到实际生产过程中各种干扰因素的影响，有必要对EGR孔进行相应的设置。通常情况下，越高的燃烧室温度，所产生的NOx量也就越高。试验结果证实，对于SCOPE21工艺的燃烧结构来说，即便燃烧室壁温度提高至1250℃，其所产生的NOx浓度也仍然低于100ppm的目标控制值。
3.焦炭改质和低温出焦
尽管煤炭结焦反应的起始温度为650℃，并在温度达到900℃前完成，然而，因为焦炉处理为一个炉壁自然向煤饼内部传递热度的过程，因此，为了提高焦炭的成熟度，通常需要经过特定的巩固过程，并保证在焦饼中心温度提高至1000至1050℃之间时出焦。SCOPE21工艺的应用能够明显降低出焦的温度，缩短炭化室内干馏时间，然而，焦炭品质也必然会受到一定程度的影响，且出焦质量不均衡。SCOPE21工艺在常规炼焦技术的基础上，新加入了直接热气再加热技术，也就是将直接高温热气加热设施直接加入干式熄焦容器内。试验结果证实，热气吹入法与空气吹入法都能够达到不改变焦炭块度、焦炭反应性降低、焦炭强度提高等基本目标。同时，因为表层焦炭也会参与燃烧过程，且燃烧所形成的H2O与CO2也会参与焦炭气化反应过程，这就会大大降低焦炭的品质和质量。相反，吹入热气法有助于均匀再加热目标的实现，能够缩小焦炭之间的品质差异。焦炭700℃出炉后，在持续30min使用980℃的热气进行加热，同样能够获得1000℃出炉焦炭的品质。
参考文献
[1]有马孝.SCOPE21炼焦工艺下的焦炭强度和粒度[J].鞍钢技术，2005，1（3）：50-51
[2]朱久发.国外炼焦新技术的开发[J].武钢技术，2005，43（6）：47-48
[3]周智霖，杨卫东，韩灵生等.光纤内存映射网在液压AGC改造工程中的应用[J].自动化博览，2003，1（4） 61-62
[4]胡德胜.对日本SCOPE21炼焦工艺的评价[J].中国冶金报，2008，10（7）：1-3
[5]廖建国.心意到炼焦技术（SCOPE21）的开发[J].中国冶金，2005，15（3）：11-13
[6]齐女画，李丽琴，王凯，陆永斌.21世纪炼焦新技术——SCOPE21工艺[J].煤化工，2005，6（12）：15-17
[7]黄定国，朱瑞，王文华.面向21实际的高效环保型炼焦新技术[J].洁净煤技术，2006，12（4）：79--81