千樹塔礦區(qū)長焰煤配煤煉焦對焦炭質(zhì)量的影響研究

史 曉 亮

(山西金巖能源科技有限公司 質(zhì)檢中心，山西 呂梁 032300)

0 引 言

我國煉焦煤資源日益匱乏[1]，尤其2021年煤價(jià)整體居高不下，因而將某些非煉焦用煤配入煉焦已是常態(tài)。在保障焦炭質(zhì)量的前提下，既要降低配煤成本且還需增加化產(chǎn)品回收率，合理采用非煉焦煤進(jìn)行配煤煉焦已成為必然趨勢[2-3]。

長焰煤是變質(zhì)程度最低的1種煙煤，其煤化程度僅高于褐煤，黏結(jié)性弱，一般不結(jié)焦，主要作為動力和化工用煤。大部分焦化廠利用其低硫、低灰、高揮發(fā)分且價(jià)格相對低廉的特性，將其配入煉焦具有經(jīng)濟(jì)效益。配用一定比例的長焰煤可基本保證焦炭的熱態(tài)強(qiáng)度要求，同時(shí)可緩解煉焦煤資源不足的問題，有效降低煉焦配煤成本[4-5]。

榆林千樹塔礦區(qū)面積約8.655 8 km2，可采長焰煤儲量為73.07 Mt，服務(wù)年限為45.1 a，主要可采煤層為3號煤層，煤層厚度較大，煤層厚度為9.75 m～11.21 m，平均厚度10.61 m，賦存穩(wěn)定，水文地質(zhì)條件及構(gòu)造簡單[6]。研究千樹塔礦區(qū)長焰煤的特性以及根據(jù)配入比例的不同以確定千樹塔長焰煤配煤煉焦對焦炭質(zhì)量的影響，此舉具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 樣品采集與試驗(yàn)

1.1 長焰煤及主焦煤的采樣與分析

按照GB/T 475—2008《商品煤樣人工采取方法》，在同興昌選煤廠采集陜西榆林千樹塔礦區(qū)長焰煤,在盛淵選煤廠采集山西呂梁黃家溝礦區(qū)主焦煤的精煤樣品作為試驗(yàn)樣品。按照GB/T 40485—2021《煤的鏡質(zhì)體隨機(jī)反射率自動測定圖像分析法》、GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》、GB/T 214—2007《煤中全硫的測定方法》、GB/T 1574—2007《煤灰成分分析方法》、GB/T 5447—2014《煙煤黏結(jié)指數(shù)測定方法》、GB/T 479—2016《煙煤膠質(zhì)層指數(shù)測定方法》、GB/T 5450—2014《煙煤奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)》、GB/T 25213—2010《煤的塑性測定恒力矩吉氏塑性儀法》對長焰煤和主焦煤樣品進(jìn)行煤巖分析、工業(yè)分析、全硫、煤灰成分、黏結(jié)指數(shù)、膠質(zhì)層指數(shù)、奧亞膨脹度、吉氏流動度等測試。

1.2 單種煤及配煤煉焦方案

采用黃家溝焦煤和千樹塔長焰煤進(jìn)行配煤，其小焦?fàn)t煉焦試驗(yàn)3種配煤方案如下:①方案1:黃家溝焦煤與千樹塔長焰煤配比為9∶1；②方案2:黃家溝焦煤與千樹塔長焰煤配比為8∶2;③方案3:黃家溝焦煤與千樹塔長焰煤煤配比為7∶3。 對千樹塔長焰煤與黃家溝主焦煤按GB/T 474—2008《煤樣的制備方法》分別進(jìn)行制樣。首先將采集的樣品鋪在鐵板上，使其自然烘干，然后全部通過3 mm圓孔篩，篩上物用錘式破碎機(jī)進(jìn)行破碎。破碎程度控制指標(biāo)為長焰煤細(xì)度92%、主焦煤細(xì)度88%。破碎后的精煤經(jīng)堆錐四分法縮分，分別裝入塑料袋，封口存放等待試驗(yàn)。

配煤煉焦樣品的制備:按照上述3種方案，分別采取相應(yīng)質(zhì)量的長焰煤和主焦煤，2種煤均勻混合后進(jìn)行工業(yè)分析；添加10 kg自來水，混合均勻后檢測煤樣水分，使其達(dá)到9.0%左右;以頂裝方式裝入預(yù)升溫度為800 ℃的100 kg試驗(yàn)焦?fàn)t，煉焦時(shí)間24 h。

1.3 小焦?fàn)t試驗(yàn)

采用ZKJL-100-4C型100 kg電加熱試驗(yàn)焦?fàn)t進(jìn)行煉焦試驗(yàn)。該試驗(yàn)焦?fàn)t采用碳化硅磚，碳化室的長、寬、高分別為580 mm、450 mm、800 mm，碳化室有效尺寸為550 mm×450 mm×800 mm。碳化室兩側(cè)分設(shè)1個加熱火道，每個加熱火道可獨(dú)立控溫，預(yù)升溫度達(dá)到800 ℃時(shí)將試驗(yàn)樣品裝入碳化室，開始啟動煉焦程序，煉焦時(shí)間、煉焦終溫分別為24 h、1 050 ℃，焦餅中心溫度達(dá)到950 ℃，產(chǎn)生的荒煤氣由碳化室頂部上升管排出。成熟后的焦炭由推焦機(jī)推至熄焦車內(nèi)，經(jīng)熄焦(水熄)后，按照GB/T 2001—2013《焦炭工業(yè)分析測定方法》、GB/T 4000—2017《焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行焦炭工業(yè)分析、機(jī)械強(qiáng)度、反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 原料煤煤質(zhì)特征

千樹塔長焰煤和黃家溝焦煤的煤質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果見表1、表2。

由表1和表2可見，千樹塔長焰煤屬于低硫、低灰、低黏結(jié)、高揮發(fā)分的低變質(zhì)煙煤，其膠質(zhì)體數(shù)量少，黏結(jié)指數(shù)為16，膠質(zhì)層最大厚度為0，結(jié)焦性極差。千樹塔煤灰成分中堿性物質(zhì)含量偏高、酸性物質(zhì)含量偏低。黃家溝礦區(qū)焦煤屬于中硫、中灰、中等揮發(fā)分、中高黏結(jié)的中等變質(zhì)煙煤，其膠質(zhì)體數(shù)量較多，質(zhì)量較好，灰成分中堿性物質(zhì)含量偏低、酸性物質(zhì)含量偏高，具有良好的結(jié)焦性[7-8]。

表1 千樹塔長焰煤與黃家溝焦煤的煤質(zhì)特征Table 1 The coal quality characteristics of qianshuta long flame coal and Huangjiagou coking coal

表2 千樹塔長焰煤與黃家溝焦煤的灰成分測試結(jié)果Table 2 Test results of ash composition of Qianshuta long flame coal and Huangjiagou coking coal

千樹塔長焰煤和黃家溝焦煤均為單一煤類[9-10]，其煤巖分析如圖1、圖2所示。

圖1 千樹塔長焰煤的鏡質(zhì)體反射率分布Fig.1 Vitrinite reflectance distribution of Qianshuta long flame coal

圖2 黃家溝焦煤的鏡質(zhì)體反射率分布Fig.2 The vitrinite reflectance distribution of Huangjiagou coking coal

2.2 配煤煤質(zhì)分析

千樹塔長焰煤和黃家溝焦煤的配合煤煤質(zhì)分析結(jié)果見表3和表4。

表3 不同方案配煤工業(yè)分析及黏結(jié)性指標(biāo)測試結(jié)果Table 3 The industrial analysis of different coal blending schemes and test results of cohesion index

表4 不同方案配煤煤灰成分測試結(jié)果Table 4 Test results of coal ash composition in different blending schemes

從表3和表4可看出，隨著長焰煤比例的增加，配合煤的硫分、灰分、黏結(jié)指數(shù)、Y值、基氏流動度、奧阿膨脹度逐漸降低，揮發(fā)分、X值逐漸增高。其煤灰成分中堿性物質(zhì)含量逐漸增加、酸性物質(zhì)含量逐漸減少。

2.3 試驗(yàn)焦炭質(zhì)量分析

將黃家溝焦煤、方案1、方案2、方案3分別在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)焦?fàn)t煉焦實(shí)驗(yàn)，各試驗(yàn)所煉焦炭全部用自來水均勻熄滅，焦炭質(zhì)量分析結(jié)果見表5。

表5 黃家溝焦煤試驗(yàn)的焦炭分析結(jié)果Table 5 The analysis results of Huangjiagou coking coal test

3 討 論

3.1 長焰煤配煤煉焦對成焦率的影響

成焦率是煤經(jīng)干餾轉(zhuǎn)為焦炭的百分率，主要取決于煤質(zhì)[11]。以下方案的裝煤干基總量均為100 kg，通過對焦炭進(jìn)行稱量并換算為干基以計(jì)算不同試驗(yàn)條件下千樹塔長焰煤配煤煉焦的成焦率。黃家溝焦煤、方案1、方案2、方案3的焦炭干基總量(kg)分別為80.02、77.19、73.32、71.16，其相應(yīng)方案的成焦率分別為80.02%、77.19%、73.32%、71.16%。千樹塔長焰煤不同添加量對成焦率的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，隨著千樹塔長焰煤比例的增加，成焦率呈下降趨勢。

圖3 千樹塔長焰煤添加量對成焦率的影響Fig.3 The influence of the coking rate to the amount of Qianshuta long flame coal added

3.2 長焰煤配煤煉焦對焦炭質(zhì)量的影響

千樹塔長焰煤變質(zhì)程度低，含氧量高，熱分解產(chǎn)物的分子量小，液態(tài)產(chǎn)物很少，黏結(jié)性極弱，結(jié)焦性差。黃家溝焦煤結(jié)膠質(zhì)體流動度高、黏結(jié)性和結(jié)焦性好，煤灰成分中堿金屬含量適中[12-15]，單煤煉制焦炭強(qiáng)度高[16]。 通過試驗(yàn)表明，隨著千樹塔長焰煤在主焦煤中配入量的增加，焦炭的硫分(St,d)、灰分(Ad)、反應(yīng)后強(qiáng)度(CSR)、抗碎強(qiáng)度(M25)均有不同程度的下降，耐磨強(qiáng)度(M10)變差，其影響關(guān)系如圖4所示。

圖4 千樹塔長焰煤添加量對焦炭質(zhì)量的影響Fig.4 Effect of amount of Qianshuta long flame coal to coke quality

4 結(jié) 語

采用榆林千樹塔礦區(qū)長焰煤和呂梁黃家溝主焦煤，將長焰煤以10%、20%、30%分別配入主焦煤中進(jìn)行100 kg小焦?fàn)t試驗(yàn)，對單煤及配合煤進(jìn)行工業(yè)分析、黏結(jié)性指標(biāo)分析、灰成分分析，對所煉焦炭進(jìn)行工業(yè)分析、反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度分析。通過對千樹塔礦區(qū)長焰煤配煤煉焦對焦炭質(zhì)量影響的試驗(yàn)結(jié)果分析，得出以下結(jié)論:

(1)千樹塔長焰煤的灰分、硫分低，可降低與黃家溝焦煤煉焦配煤所得焦炭的灰分和硫分。

(2)千樹塔長焰煤揮發(fā)分高、結(jié)焦性差、煤灰成分中堿金屬含量偏高， 一般情況下在煉焦配煤中長焰煤的配入量宜在10%～20%，可基本保證焦炭的成焦率和反應(yīng)后強(qiáng)度要求并有效降低配煤成本，具體配入量根據(jù)各煤種的結(jié)焦特性進(jìn)行控制。

(3)利用千樹塔長焰煤配煤煉焦具有明顯的優(yōu)勢,既可緩解煉焦煤資源不足的壓力,還能促進(jìn)礦區(qū)煤炭資源的有效利用。