在焦油沉淀以及污水的生化处理过程中，焦化厂会产生大量焦油渣和剩余活性污泥等有毒有害固体废弃物。随着对环保要求越来越严格，产生的焦化固体废弃物如何在焦化工艺内实现闭路循环和无害化处理，已成为焦化厂亟待解决的环保和生产问题。
我公司共有6座JN60-82型焦炉，焦炭年产量330万吨，每年可产生焦油渣1500 吨, 剩余活性污泥8500吨。2013年1月份开始配用含有焦化固体废弃物的型煤进行配煤炼焦生产，逐步实现了焦化固体废弃物的闭路循环和无害化处理。
1 配煤炼焦中添加焦化固体废弃物的可行性分析
焦油渣自身的黏结性极弱，但在高温下会融化，形成流动性很好的黏稠体，黏结性会迅速提高，可充分浸润并吸附在煤粒表面。因此，焦油渣可作为炼焦配煤黏结剂。在炼焦的热解过程中，由于瘦煤的挥发分低，热解时析出的气体少，产生的液态物能够转化为胶质状态的少，但焦油渣在该过程可形成大量的气体以及胶质体，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，弥补了瘦煤黏结性相对较差的不足。在半焦收缩过程中，焦油渣的挥发分高，收缩量相对较大。而瘦煤的挥发分低，胶质体数量极少，半焦收缩过程平缓，收缩量极低。所以在配合煤炼焦过程中，其中的瘦煤、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。
剩余活性污泥本身含有机物，如蛋白质、脂肪和多糖，具有一定的热值，又有一定的黏结性能，在煤加工成型煤的过程中，可作黏结剂，改善在高温下型煤的内部孔结构，提高型煤的气化反应性，降低灰渣中的残炭，提高碳转化率。剩余污泥既可以作为黏结剂，同时也是疏松剂，使剩余污泥的热值也得到了利用。焦油渣和剩余活性污泥质量分析列于表1。
表1 焦油渣和剩余活性污泥的质量分析（％）
种类 |
工业分析 |
元素分析 |
||||
Mt |
Ad |
Vdaf |
St,d |
C |
H |
|
焦油渣 |
9.06 |
2.15 |
49.41 |
0.73 |
82.64 |
3.54 |
剩余活性污泥 |
85.36 |
4.12 |
53.13 |
1.43 |
25.94 |
6.42 |
由表1可知，焦油渣和剩余活性污泥都是高挥发分、低灰分物质。在配煤炼焦过程中，会增大焦炭的气孔率，不会导致焦炭灰分的明显升高。可见，在配煤炼焦时，适当添加焦化固体废弃物在理论上是可行的。
2 40 kg小焦炉试验
2.1 型煤中焦化固体废弃物配比的确定
根据剩余活性污泥与焦油渣的产量，确定剩余活性污泥与焦油渣先按6:1比例混合。再根据焦化固体废弃物在配煤炼焦反应中的作用机理，确定用稳定供给的山西三给瘦煤与焦化固体废弃物，按质量比6:1配合生产型煤，型煤再与其他煤种按一定比例配煤炼焦。
2.2 试验方法
40 kg小焦炉试验所用的煤种为配合煤是从配煤生产皮带运输机上取得的。40 kg小焦炉的炉温初始温度为800℃，炼焦温度为（1050±10）℃，炼焦时间为17 h，高温焖炉时间为2 h。采用湿法熄焦，焦炭的冷强度及热态性能分别按GB/T 2005-94和GB/T 4000-1996进行测定。
2.3 试验对比方案设计
在基础煤配比相同的条件下，分别用三给瘦煤和型煤进行两组对比试验。加入三给瘦煤和型煤比例分别从3%递增至9%，在不同百分比下进行两炉试验，取平均值，消除试验误差。40 kg小焦炉对比试验方案列于表2。
表2 40 kg小焦炉对比试验方案（％）
三给瘦煤试验（不含固体废弃物） |
型煤试验（含固体废弃物） |
||
基础煤 |
三给瘦煤 |
基础煤 |
型煤 |
97 |
3 |
97 |
3 |
95 |
5 |
95 |
5 |
93 |
7 |
93 |
7 |
91 |
9 |
91 |
9 |
表3 40 kg焦炉的焦炭冷热强度检测结果对比（％）
配比 |
三给瘦煤试验的焦炭 |
型煤试验的焦炭 |
||||||
M40 |
M10 |
CRI |
CSR |
M40 |
M10 |
CRI |
CSR |
|
3 |
83.6 |
11.2 |
27.9 |
56.15 |
87.6 |
8.0 |
26.4 |
55.60 |
5 |
83.0 |
11.8 |
25.1 |
58.30 |
86.6 |
8.6 |
28.1 |
57.25 |
7 |
85.0 |
10.0 |
29.7 |
54.55 |
85.6 |
10.8 |
28.2 |
56.30 |
9 |
86.2 |
9.6 |
28.9 |
53.90 |
83.4 |
11.4 |
30.5 |
51.05 |
2.4 试验结果
在三给瘦煤和型煤所占比例为3%～9%时，40 kg小焦炉对比试验的焦炭冷热强度检测结果列于表3。从表3可知，随着三给瘦煤配入百分比的逐步递增，焦炭的抗碎强度（M40）逐渐升高、耐磨强度（M10）逐渐降低，焦炭冷强度有所改善。焦炭反应性（CRI）呈先降低后升的趋势，反应后强度（CSR）呈先升高后低的趋势。三给瘦煤配入比例在5％时，焦炭的CSR最高为58.30%，焦炭热态性能最好。随着三给瘦煤配比的增加，焦炭的CSR逐渐降低，焦炭的热态性能变差。
当用型煤进行同配比的对比试验时，随着型煤配比的逐步递增，焦炭的M40逐渐降低、M10逐渐升高，焦炭冷强度逐渐变差。焦炭的CRI呈升高变化，焦炭的CSR呈先升高后急剧降低变化。加入型煤的比例同样在5％时，焦炭的CSR最高为57.25%，焦炭热态性能最好。随着加入型煤比例的增加，焦炭的CSR大幅降低，焦炭热态性能变差。
对比两组试验可知，当配比低于7％时、型煤试验焦炭的M40和M10与三给瘦煤试验焦炭的M40和M10相比，M40明显高，M10明显低。型煤焦炭的CSR略低于三给瘦煤试验焦炭的CSR。即型煤试验焦炭的冷强度优于三给瘦煤的试验焦炭，但焦炭热性能稍差。当配比为7％时，型煤试验焦炭的M40和M10与三给瘦煤试验焦炭的M40和M10相比，变化不大。型煤焦炭的CSR甚至优于三给瘦煤试验焦炭的CSR，即二者冷强度基本一致，型煤试验焦炭热性能略好。当加入型煤比例大于7％时，型煤试验焦炭的冷热强度均大幅变差。
由上述分析可知，焦化固体废弃物与三给瘦煤按1:6比例配成型煤，加入型煤比例在不高于7％时，可以改善焦炭的冷强度，但对焦炭热强度影响不大，配煤炼焦是可行的。
3 工业应用
在配煤炼焦生产中，根据焦炭质量的变化情况，加入型煤比例由3％逐步增加至9%，后根据资源供应变化、焦炭质量要求等情况，加入型煤比例控制在7%左右。
当加入型煤比例由3%增至7%时，所得焦炭的M40和M10变化不大；当加入型煤比例大于7%时，所得焦炭M40明显降低、M10明显升高，此时焦炭冷强度变差。从图2可看出，当加入型煤比例由3％增至9％时，所得焦炭的CSR和CRI有所波动。当加入型煤比例在7％时，焦炭的CSR和CRI值分别为68.21%和21.0%，达到正常指标要求（最合理值M40为88.5%, M10 为6.0%，CSR为 68.4%，CRI为21.0%）。
通过两年的生产实践，焦化固体废弃物与三给瘦煤按1:6配制成型煤，在加入型煤比例7%左右时配煤炼焦，对炼出焦炭的冷热态强度影响不大，配煤炼焦是可行的。
4 经济效益
目前在煤场自建的加工设备生产型煤，设备和施工等费用仅为60万元，可实现焦化废弃物全部内部消耗。
焦油渣和剩余活性污泥每年的产量（折成8％计价水分）＝焦油渣年产量×(1－焦油渣水分)/ (1－计价水分)+剩余活性污泥年产量×(1－剩余活性污泥水分)/ (1－计价水分)=1500 ×( 1－9.06%)/(1－8%)+8500×(1－85.36%)/(1－8%)=2835吨。
2013年1月份至2014年12月份，配合煤含税成本平均为1064.81元/t（炼焦煤计价水分为8%）。焦化固体废弃物替代部分配合煤使用，则焦化固体废弃物配煤炼焦的年直接经济效益＝配合煤成本×焦化固体废弃物等量替代值＝1064.81×2835/10000=301.87万元。
生产成本、设备维护、设备折旧等成本每年合计为30万元。此项目经济效益为每年271.87万元。
5 结束语
在保证焦炭质量前提下，科学合理地使用焦化固体废弃物，既解决了工业污染问题，又充分利用资源，节约了炼焦煤原料，降低了生产成本，实现焦化生产过程中的清洁化，提高了企业的循环经济效益其在生产上的成功应用，不仅具有良好的经济效益，更具有显著的社会效益和环保效益。