不同產(chǎn)地焦煤的結(jié)焦性能差異及原因分析

錢虞峰 張衛(wèi)華 王小四 閆瑞寧 張德祥

(1.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，上海市徐匯區(qū)，200237；2.華東理工大學(xué)煤氣化及能源化工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市徐匯區(qū)，200237；3.臨渙焦化股份有限公司，安徽省淮北市，235141)

中國(guó)是焦炭大國(guó)，不論是從焦炭的生產(chǎn)、消費(fèi)還是出口，都居于世界首位。近年來(lái)焦炭生產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，但是也出現(xiàn)了焦炭灰分、硫分含量升高、焦炭強(qiáng)度下降等問題，對(duì)環(huán)境造成的影響也較為惡劣，而煉焦煤質(zhì)量的好壞直接影響了焦炭的質(zhì)量，因此選擇優(yōu)質(zhì)的煉焦煤是提高焦炭質(zhì)量的關(guān)鍵之一。中國(guó)煤炭資源豐富，但是目前開發(fā)出來(lái)的煤炭比較年輕，變質(zhì)程度較低，適合煉焦的焦煤及肥煤數(shù)量較少，同時(shí)市場(chǎng)上經(jīng)常出現(xiàn)劣質(zhì)煤混入優(yōu)質(zhì)煤造成“混煤”的現(xiàn)象，對(duì)焦炭質(zhì)量造成不良影響，也損害了企業(yè)的利益。選用煤巖分析的方法，通過分析煤的顯微組分及鏡質(zhì)組反射率來(lái)鑒定煤種是目前公認(rèn)的最有效的方法。在配煤煉焦中，由于氣煤、肥煤、焦煤和瘦煤的特性差異比較大，通過鏡質(zhì)組隨機(jī)反射率分布圖來(lái)調(diào)整各種煤的配比情況也是十分有效的手段，分布圖越趨近于正態(tài)分布，幾種煤的適配性就越好，焦炭性能也就越好。

產(chǎn)自不同地區(qū)的焦煤質(zhì)量也存在一定的差異，本文以安徽臨渙焦化廠采購(gòu)的不同產(chǎn)地的焦煤(DXJ焦煤、BWJ焦煤、HSJ焦煤產(chǎn)自山西的不同煤礦，HKJ焦煤產(chǎn)自安徽)進(jìn)行配煤煉焦，探究不同的焦煤在配煤中的特性表現(xiàn)及分析造成差異的原因。

1 試驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)室坩堝焦試驗(yàn)

采用高溫電阻爐進(jìn)行坩堝焦試驗(yàn)，選取原料煤樣150 g，試驗(yàn)終溫設(shè)置在1050℃，在300℃停留20 min，在1050℃時(shí)停留30 min。將試驗(yàn)所得全部焦炭參照《冶金焦炭機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)定方法》(GB /T 2006-1994)測(cè)定焦炭抗碎強(qiáng)度和耐磨強(qiáng)度(本文定義為M13和M3)，M13和M3分別見式(1)和式(2)：

式中：m1——大于13 mm焦炭的質(zhì)量，g；

m——焦炭總質(zhì)量，g；

m2——小于3 mm焦炭的質(zhì)量，g。

焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度測(cè)定按照國(guó)標(biāo)《焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 4000-2008)進(jìn)行，反應(yīng)性測(cè)定從950℃開始，每50℃測(cè)定1次，終溫為1200℃并停留30min。用CRI*表示反應(yīng)性指數(shù)，CSR*表示反應(yīng)后強(qiáng)度。

1.2 煤巖分析

參照《煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測(cè)定方法》(GB /T 6948—2008)及《煤的顯微組分組和礦物測(cè)定方法》(GB /T 8899—1998)，采用 Zeiss Imager.A2m全自動(dòng)偏光顯微鏡測(cè)定煉焦煤鏡質(zhì)組平均最大反射率(Rmax)及其顯微成分，利用 HD 型全自動(dòng)顯微鏡光度計(jì)軟件采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并擬合得出配煤鏡質(zhì)組隨機(jī)反射率分布圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 單種煤的結(jié)焦特性分析

對(duì)本文中所采用的7種煤樣(焦煤：BWJ、DXJ、HKJ、HSJ，HLF肥煤、HDQ氣煤、DHS瘦煤)進(jìn)行工業(yè)分析，對(duì)單煤所煉制的焦炭進(jìn)行冷態(tài)強(qiáng)度和熱態(tài)強(qiáng)度分析，單煤煉焦的特性數(shù)據(jù)及工業(yè)分析表見表1。

表1 單煤煉焦的特性數(shù)據(jù)及工業(yè)分析表 %

由表1可以看出，焦煤在配煤煉焦中是主要的配煤原料，試驗(yàn)用到的4種焦煤，從成焦率來(lái)看，DXJ焦煤、HKJ焦煤和HSJ焦煤的成焦率十分接近，BWJ焦煤由于揮發(fā)分含量較低，因此它的成焦率最高，達(dá)到了82.36%，相比于其他3種焦煤要高出3%以上；從焦炭冷態(tài)強(qiáng)度來(lái)看，DXJ焦煤的耐磨強(qiáng)度為2.79%，抗碎強(qiáng)度達(dá)到了96.74%，這兩項(xiàng)指標(biāo)都是2種焦煤中最好的，HKJ焦煤緊隨其后，相對(duì)來(lái)講，BWJ焦煤的冷態(tài)強(qiáng)度要較差一些，尤其是抗碎強(qiáng)度只有93.47%；在評(píng)價(jià)焦炭的熱態(tài)強(qiáng)度時(shí)，認(rèn)為反應(yīng)性指數(shù)CRI*越低且CSR*越高，則焦炭的熱態(tài)強(qiáng)度越好，DXJ焦煤的熱態(tài)強(qiáng)度是焦煤中最好的，它的CRI*僅為26.91%，CSR*高達(dá)83.83%，CRI*與CSR*具有一定的負(fù)相關(guān)性，焦炭的孔隙越多，導(dǎo)致與CO2的反應(yīng)點(diǎn)也越多，CRI*也就越高，反應(yīng)結(jié)束后也會(huì)造成焦炭的CSR*下降；揮發(fā)分是形成焦炭氣孔的內(nèi)因，HKJ的揮發(fā)分含量在焦煤中最高，因此HKJ焦煤的熱態(tài)強(qiáng)度是4種焦煤中最差的；4種焦煤中HKJ焦煤的硫含量是最低的，僅為0.56%，而其他3種焦煤的硫含量均在2%以上，屬于高硫焦煤，會(huì)造成焦炭硫含量過高，因此在考慮配煤方案時(shí)不宜多配。

肥煤是僅次于焦煤的優(yōu)質(zhì)煉焦煤，加熱時(shí)產(chǎn)生大量膠質(zhì)體，同時(shí)煤氣的產(chǎn)量比較高，因此也會(huì)造成氣孔率較高，焦炭的裂紋較多，導(dǎo)致焦炭的冷態(tài)強(qiáng)度下降。HLF肥煤的M3達(dá)到了8.2%，M13為85.12%，兩項(xiàng)數(shù)值都是所有煤樣中最差的，因此要配合氣煤、瘦煤等弱黏結(jié)性和低黏結(jié)性的煤來(lái)提高焦炭的強(qiáng)度。

HDQ氣煤的揮發(fā)分含量高，灰分含量低，在配煤中可以起到降灰的作用。該氣煤雖然揮發(fā)分的含量高于HLF肥煤，但是由于膠質(zhì)體含量不如肥煤，因此冷態(tài)強(qiáng)度要優(yōu)于肥煤。HDQ氣煤的CRI*指數(shù)偏高，為53.76%，是7種煤樣中最高的，因此對(duì)配合煤的CRI*影響最大。

瘦煤的特點(diǎn)是煤化程度比較高，在煉焦時(shí)產(chǎn)生的膠質(zhì)體數(shù)量較少，抗碎強(qiáng)度較好但是耐磨強(qiáng)度欠佳。DHS瘦煤的成焦率較高，冷態(tài)強(qiáng)度符合瘦煤的基本特性，熱態(tài)強(qiáng)度也比較優(yōu)良，在配煤中適量配入可以提高焦炭的質(zhì)量，但由于耐磨強(qiáng)度較差，高達(dá)7.77%，因此不宜多配。

2.2 配煤煉焦

為了考察不同產(chǎn)地焦煤的配合性，探究不同焦煤在配煤中的特性差異，其他煤種不變，僅改變焦煤的種類，按照氣煤∶肥煤∶瘦煤∶焦煤=30∶25∶15∶30進(jìn)行配比，共150 g。為了能夠進(jìn)行綜合比較分析，將單煤與配煤的焦炭的單項(xiàng)特性用柱狀圖來(lái)表示，M3和M13對(duì)比圖如圖1和圖2所示。

圖1 M3對(duì)比圖

由圖1可以看出，HKJ焦煤的變化不大，剩下的3種焦煤的柱形圖升高，說(shuō)明耐磨強(qiáng)度均有下降，其中DXJ焦煤的程度最為明顯，從原來(lái)的2.79%升至為5.26%，甚至超過了HSJ焦煤的5.10%，完全沒有了單煤煉焦時(shí)的優(yōu)勢(shì)；由圖2可以看出，HKJ焦煤的抗碎強(qiáng)度變化依舊不大，M13為95.60%，DXJ焦煤的抗碎強(qiáng)度下降的幅度同樣是最大的，從96.74%下降到了94.28%，經(jīng)過配煤后DXJ焦煤抗碎強(qiáng)度被HKJ焦煤超越，僅排在第二位，HSJ焦煤93.65%排在第三，BWJ焦煤92.95%排在最后?？偟膩?lái)說(shuō)配煤后的冷態(tài)強(qiáng)度屬HKJ焦煤最佳，耐磨強(qiáng)度為3.91%，抗碎強(qiáng)度95.60%；BWJ焦煤在單煤時(shí)的冷態(tài)強(qiáng)度時(shí)最差，經(jīng)過配煤后依然是4種焦煤中最差的。

圖2 M13對(duì)比圖

CRI*和CSR*對(duì)比圖如圖3和圖4所示。

圖3 CRI*對(duì)比圖

圖4 CSR*對(duì)比圖

由圖3和圖4可以看出，由于配合的氣煤與肥煤熱態(tài)強(qiáng)度不如焦煤的優(yōu)良，因此4種煤的熱態(tài)強(qiáng)度均有下降。由圖3可以看出，配煤后HSJ焦煤的CRI*性能最優(yōu)，為42.32%，其次為BWJ焦煤的CRI*，為45.07%，原先CRI*最低的DXJ焦煤從26.91%升至47.41%，僅僅優(yōu)于HKJ焦煤的CRI*；由圖4可以看出，4種焦煤原本差異比較明顯但經(jīng)過配煤后CSR*十分接近，BWJ焦煤略有提升，其它3種焦煤都有不同程度的下降，單煤焦炭性能最好的DXJ焦煤的經(jīng)過配煤后的性能下降幅度最大，說(shuō)明DXJ焦煤與HLF肥煤、HDQ氣煤、DHS瘦煤配合后的效果不理想。

2.3 CO2反應(yīng)性分析

焦炭是一種炭質(zhì)多孔體，溫度在900℃～1300℃時(shí)，在高爐中會(huì)與CO2反應(yīng)生成CO，這一反應(yīng)被稱為溶損反應(yīng)，溶損反應(yīng)的速率的大小直接影響焦炭的反應(yīng)性指數(shù)CRI*和反應(yīng)后強(qiáng)度CSR*，單種焦煤CO2反應(yīng)性對(duì)比圖如圖5所示。

圖5 單種焦煤CO2反應(yīng)性對(duì)比圖

由圖5可以看出，溫度越高焦炭和CO2反應(yīng)速率增大，導(dǎo)致還原率增大。溫度在950℃時(shí)，4種焦煤的還原率差別不大；溫度在1200℃時(shí)，HKJ焦煤的還原率是最高的，達(dá)到了83.65%，而HSJ焦煤和BWJ焦煤都在60%左右，DXJ焦煤的還原率最低，為42.25%，說(shuō)明其焦炭的氣孔率及比表面積比較低，焦炭的裂紋較少。

配煤焦炭反應(yīng)性對(duì)比如圖6所示。

由圖6可以看出，配煤煉焦后由于焦煤所占比例僅占30%，因此4種配煤方案的焦炭還原率趨于相近，HKJ焦煤的配合煤還原率仍然是最高的，達(dá)到了85.71%，比單煤提高了2.06%。原本還原率比較低的其他幾種焦煤的配合煤還原率提高明顯，都達(dá)到了70%以上。雖然HKJ焦煤的單煤還原率很低，但是配合煤的還原率卻沒有之前明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖6 配煤焦炭反應(yīng)性對(duì)比

2.4 煤巖組分與Rmax對(duì)焦炭質(zhì)量的影響

煤中的活性組分與惰性組分的含量與比例直接影響了焦炭的質(zhì)量，因此了解煤的煤巖組分十分有必要。Rmax能夠判斷煤樣的變質(zhì)程度，而鏡質(zhì)組隨機(jī)反射率分布圖能夠反映變質(zhì)程度的變化細(xì)節(jié)，同時(shí)能夠鑒定煤樣是否存在混煤的現(xiàn)象。不同焦煤的煤巖組分對(duì)比見表3。

表3 不同焦煤的煤巖組分對(duì)比

由表3可以看出，BWJ焦煤和DXJ焦煤的活惰比都較高，說(shuō)明其中鏡質(zhì)組的含量相對(duì)較高，而HKJ焦煤的活惰比最低，只有1.3；Rmax反應(yīng)了煤的煤化程度，Rmax越高則煤化程度越高，DXJ焦煤的Rmax達(dá)到了1.688%，其煤化程度是4種焦煤中最高的，BWJ焦煤其次為1.450，HKJ焦煤和HSJ焦煤的Rmax較低且十分接近。

4種焦煤的煤鏡質(zhì)組隨機(jī)反射率分布圖如圖7所示。

由圖7可以看出，4種煤樣均存在不同程度的混煤現(xiàn)象，DXJ焦煤雖然Rmax值較高，但是其反射率分布較寬，重疊度不高，沒有明顯的峰值，在1.3%、1.5%和1.8%存在明顯的凹口；HKJ焦煤的混煤程度也比較明顯，峰值出現(xiàn)在0.8%和1.2%，但在1.0%、1.2%和1.4%處存在明顯的凹口，由此可以判斷可能是兩種或以上的煤混合而成，因此可能會(huì)造成焦炭強(qiáng)度的不穩(wěn)定性；HSJ焦煤在1.0%之前有個(gè)峰值，在1.0%后的峰面積較大，相對(duì)來(lái)講混煤的情況較少；BWJ焦煤的峰型比較對(duì)稱，峰值在1.3%左右，煤化程度較高，凹口較少，基本沒有混煤的現(xiàn)象，使用該煤配煤煉焦的焦炭性質(zhì)相對(duì)比較穩(wěn)定。

理想的配煤方案的分布圖曲線分布均勻連續(xù)，沒有大的凹口。4種配合煤的煤鏡質(zhì)組隨機(jī)反射率分布圖如圖8所示。

圖7 4種焦煤的煤鏡質(zhì)組隨機(jī)反射率分布圖

圖8 4種配合煤的煤鏡質(zhì)組隨機(jī)反射率分布圖

由圖8可以看出，圖(e)的曲線小凹口比較多，峰值主要出現(xiàn)在1.1%～1.2%，但在0.6%和0.8%出現(xiàn)了一個(gè)較大的峰值，說(shuō)明該方案的瘦煤和氣煤比例較高；圖(f)的曲線是最不均勻連續(xù)的，這是由于DXJ焦煤的Rmax較高，而肥煤和氣煤屬于中低變質(zhì)程度的煙煤，其Rmax并不高，氣煤的Rmax一般在0.8%～0.9%之間波動(dòng)，肥煤Rmax一般在0.9%～1.1%之間波動(dòng)，因此出現(xiàn)了斷層的現(xiàn)象，由此可以解釋，DXJ焦煤?jiǎn)蚊簾捊箷r(shí)，其冷態(tài)強(qiáng)度和熱態(tài)強(qiáng)度都是4種焦煤中最好的，但是進(jìn)行配煤煉焦時(shí)，其焦炭性能卻不是最好的；圖(g)在0.8%～0.9%處的峰值過高，根據(jù)HKJ焦煤的單煤鏡質(zhì)組分布圖發(fā)現(xiàn)，這是由于HKJ煤在該處存在一個(gè)峰值的緣故，加上氣煤和肥煤的影響，導(dǎo)致該處的峰值過高，但是整體的連續(xù)性還可以，因此雖然HKJ焦煤存在混煤情況，但是配合煤結(jié)焦性能卻十分良好；圖(h)的曲線連續(xù)性要比圖(g)要差一些，在1.0%和1.3%處有明顯的凹口，但是整體上要比圖(a)和圖(b)的曲線好，因此從配合煤的結(jié)焦性能來(lái)看，HSJ焦煤配合煤比BWJ焦煤配合煤結(jié)焦性能好，跟DXJ焦煤配合煤比要差一些，這是由于HSJ焦煤的單煤焦炭強(qiáng)度不如DXJ焦煤的焦炭強(qiáng)度所致的。

3 結(jié)論

從4種焦煤的配合煤結(jié)焦性能來(lái)比較分析，HKJ焦煤配合煤的冷態(tài)強(qiáng)度最好，另外3種焦煤的配合煤耐磨強(qiáng)度都十分相近，耐磨強(qiáng)度由DXJ焦煤、HSJ焦煤、BWJ焦煤依次遞減。綜合熱態(tài)強(qiáng)度對(duì)比，給出4種焦煤配煤性質(zhì)從優(yōu)到劣排序可以為HKJ焦煤最優(yōu)，HSJ焦煤和DXJ焦煤次之，BWJ焦煤最差。

焦煤的結(jié)焦性能會(huì)影響其配合煤的結(jié)焦性能，但不同的焦煤對(duì)其配合煤所產(chǎn)生的的影響大小不同，因此不能僅參考單煤性質(zhì)來(lái)判斷其配合煤的結(jié)焦性能，需要配合Rmax與鏡質(zhì)組隨機(jī)反射率分布圖來(lái)推斷配合煤的結(jié)焦性能。鏡質(zhì)組隨機(jī)反射率分布圖出現(xiàn)明顯凹口時(shí)焦炭的性能欠佳，若此時(shí)不改變配煤種類，則需要調(diào)整配煤的比例來(lái)使鏡質(zhì)組隨機(jī)反射率分布圖的曲線達(dá)到連續(xù)，并使峰值保持在1.2%～1.3%處，可提高焦炭質(zhì)量。