搗固焦炭熱態(tài)強(qiáng)度的影響因素與精準(zhǔn)配煤措施

吳延銳

(1.山東科技大學(xué)經(jīng)管學(xué)院，山東 菏澤 274900；2.山東鐵雄新沙能源有限公司，山東 菏澤 274900)

1 概述

搗固煉焦技術(shù)是將配合煤在搗固機(jī)內(nèi)搗固成煤餅后，推入炭化室內(nèi)煉焦的技術(shù)。煤料經(jīng)搗固后，由于煤粒間接觸更加緊密，堆密度提高，改善了煤料的結(jié)焦性能和提高了焦炭的機(jī)械強(qiáng)度，受到下游用戶的歡迎。配煤工作是焦化企業(yè)確保搗固焦炭質(zhì)量的重心工作。山東鐵雄新沙能源有限公司(以下稱新沙公司)地處山東能源集團(tuán)煤礦的腹地，周邊擁有優(yōu)質(zhì)的1/3 焦煤、肥煤和氣煤，作為獨(dú)立焦化企業(yè)在配煤方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。自2019 年生產(chǎn)以來新沙公司一直致力于煉焦煤和焦炭的研究，經(jīng)過近15 年的經(jīng)驗(yàn)摸索，通過研究配煤技術(shù)，在提高搗固焦炭強(qiáng)度方面也摸索了一些經(jīng)驗(yàn)。

2 影響焦炭強(qiáng)度的因素

2.1 灰分

煤的部分灰成分含有鐵、鉀、鈉、鈣、鉀、鍶等氧化性物質(zhì)對(duì)焦炭反應(yīng)性有正反應(yīng)作用，含量增加時(shí)，反應(yīng)性上升，反應(yīng)后強(qiáng)度下降，一般通過熒光分析可以參考測(cè)定以上金屬含量。

2.2 巖相

配合煤中活性組分與惰性組分比例過高或過低都會(huì)對(duì)焦炭強(qiáng)度造成影響，配合煤的巖相指標(biāo)如鏡質(zhì)組最大反射率、反射率分布范圍、標(biāo)準(zhǔn)偏差及分布圖、活惰比也是配煤中的重要參考指標(biāo)，是否合理對(duì)焦炭強(qiáng)度同樣重要。巖相組成不同，焦炭強(qiáng)度差異較大，合理結(jié)構(gòu)框架的設(shè)定，將各種煤排列組合，是配煤過程的指導(dǎo)思想。

2.3 G 值

煤炭G 值是指煤炭的黏結(jié)指數(shù)，該指數(shù)會(huì)影響到煉焦過程中焦炭的結(jié)合程度。煤的黏結(jié)性是由膠質(zhì)體的數(shù)量和品質(zhì)決定的，膠質(zhì)體中可液化物質(zhì)多、流動(dòng)性能好，就能填充焦炭微觀下的顆?？障?，從而發(fā)生黏合作用。因此G 值可以作為單種煤結(jié)焦性的一個(gè)初步直觀判斷。如表1 所示。

表1 新沙公司常用煤種G 值區(qū)間分布

2.4 Y 值

煤炭Y 值是指煤的最大膠質(zhì)層厚度，是在實(shí)驗(yàn)過程中用實(shí)驗(yàn)探針測(cè)量后加權(quán)平均得到的數(shù)據(jù)，表征煤的膠質(zhì)層數(shù)量、流動(dòng)性、熱穩(wěn)定性和透氣性，在配煤過程中需要有一定的Y 值才能生產(chǎn)出合格的焦炭。

2.5 X 值

煤的X 值表示最終收縮度，即半焦收縮的程度，一般使用配合煤測(cè)定，主要表征在煉焦過程中煤餅變成焦餅收縮的范圍，在實(shí)際配煤過程中，必須考慮配合煤的X 值，防止焦餅收縮不夠產(chǎn)生推焦困難的情況，影響煉焦生產(chǎn)。

2.6 水分

配合煤水分變化焦炭熱強(qiáng)度也具有一定的影響。配合煤水分增大會(huì)導(dǎo)致配合煤會(huì)填充煤餅空間，搗固系數(shù)偏低，焦炭出現(xiàn)生焦，生產(chǎn)出來的焦炭氣孔較多，甚至出現(xiàn)黑頭泡焦，焦炭熱強(qiáng)度降低。而配合煤在實(shí)際控制過程中，因來煤水分的不穩(wěn)定使配合煤水分波動(dòng)較大，煉焦過程又不能及時(shí)根據(jù)水分變化對(duì)爐溫進(jìn)行調(diào)整，使焦炭質(zhì)量出現(xiàn)較大波動(dòng)。

2.7 細(xì)度

配合煤細(xì)度控制在86%～90%，細(xì)度不夠，配合煤摻混不充分，成焦過程不均勻，導(dǎo)致強(qiáng)度低。如果細(xì)度偏高高，比表面積增大，活性組分在煉焦過程被煤氣帶走，膠質(zhì)體變少，從而影響焦炭強(qiáng)度。

2.8 結(jié)焦時(shí)間

焦炭成熟以后，經(jīng)碳過程化揮發(fā)分降低，焦炭更加緊密，焦炭熱態(tài)強(qiáng)度合格的目的。結(jié)焦時(shí)間不夠?qū)е陆固渴湛s或者固化階段沒有完全完成，碳化時(shí)間不足，導(dǎo)致焦炭強(qiáng)度受一定影響。

2.9 標(biāo)準(zhǔn)溫度的控制

標(biāo)準(zhǔn)溫度的制定參照焦餅中心溫度的測(cè)量結(jié)果，如果標(biāo)準(zhǔn)溫度控制偏低，焦炭的揮發(fā)份不能夠充分揮發(fā)，焦炭?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)松散，膨脹過程不能完全到位，導(dǎo)致出現(xiàn)生焦，影響焦炭強(qiáng)度。

2.10 干熄爐停留時(shí)間

目前在干熄焦普及的年代，焦炭在干熄爐的停留時(shí)間也是影響焦炭強(qiáng)度的一個(gè)方面，在970 ℃以上的溫度下可以加速焦炭的熱分解，使焦炭得到二次熔煉，達(dá)到提高強(qiáng)度的目的，而在干熄爐停留的時(shí)間也是區(qū)別焦炭強(qiáng)度的一個(gè)方面。以山東鐵雄新沙能源有限公司為例：兩座焦?fàn)t滿負(fù)荷生產(chǎn)停留時(shí)間為4.7 h，單座焦?fàn)t如一期2#爐生產(chǎn)停留時(shí)間為6.6 h[1]。

2.11 配煤準(zhǔn)確性

配煤方案的制定是一個(gè)重要方面，實(shí)際的也是一個(gè)重要方面，在實(shí)際下煤過程中存在個(gè)別配種下多、個(gè)別煤種下少的情況，導(dǎo)致焦炭強(qiáng)度出現(xiàn)波動(dòng)。在新建焦化配煤皮帶秤一般采用核子稱進(jìn)行計(jì)量，計(jì)量相對(duì)來說比較準(zhǔn)確；大部分生產(chǎn)的焦化企業(yè)以電子秤為主，出現(xiàn)零點(diǎn)漂移、K 值漂移導(dǎo)致配煤不準(zhǔn)確的情況，時(shí)有發(fā)生，這就需要配煤技術(shù)人員將皮帶秤的校準(zhǔn)做為保證配煤準(zhǔn)確的一項(xiàng)重要工作。

2.12 配煤過程中雜物的添加

在煉焦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一些污泥、焦油渣、余煤、高鹽廢水、雜鹽等物質(zhì)，通過危廢處理會(huì)增加較大的處理成本。在焦化生產(chǎn)過程中將雜物加入配煤的做法，是大部分企業(yè)都采取的慣常方式，但是如果添加不合理，會(huì)對(duì)焦炭強(qiáng)度產(chǎn)生不同程度的影響，也會(huì)間接影響配煤成本。雜物的添加需要大量的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐數(shù)據(jù)支撐，需不斷摸索添加量經(jīng)驗(yàn)，規(guī)避對(duì)焦炭強(qiáng)度的影響。

3 精準(zhǔn)配煤的相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法

3.1 G 值測(cè)定

制取一定質(zhì)量的試驗(yàn)煤樣和標(biāo)準(zhǔn)無煙煤，在一定的條件下混合后干餾成焦，計(jì)算混合成焦的焦塊的強(qiáng)度，從而反映其煤種的黏結(jié)指數(shù)，以表示試驗(yàn)煤樣黏結(jié)性、結(jié)焦性、融惰能力。

3.2 Y 值測(cè)定

將一定質(zhì)量的煤樣裝入煤杯，以規(guī)定的升溫速度進(jìn)行單側(cè)加熱，使煤樣形成半焦層期間釋放膠質(zhì)體的最大數(shù)量，為煤炭膠質(zhì)層最大厚度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄的體積曲線測(cè)得最終收縮度值，其實(shí)驗(yàn)反映煤種的膠質(zhì)體數(shù)量及熱穩(wěn)定性

3.3 奧阿膨脹度(奧亞膨脹度)測(cè)定

將試驗(yàn)煤樣按標(biāo)準(zhǔn)制成一定規(guī)格的煤筆，放在標(biāo)準(zhǔn)口徑的膨脹鋼管內(nèi)，鋼管上面有一根能在管內(nèi)自由上下滑動(dòng)的膨脹鋼桿。膨脹鋼管放在專用的電爐內(nèi)，以設(shè)置的升溫曲線進(jìn)行均勻加熱，在加熱過程中記錄膨脹桿的上下滑動(dòng)距離的曲線。依據(jù)位移曲線得出最大膨脹度b 值，最大收縮度a 值，并根據(jù)曲線判斷出b負(fù)值、b 零、僅收縮類別，其實(shí)驗(yàn)反映出煙煤的軟化溫度、硬化溫度、塑性區(qū)間。

3.4 基氏流動(dòng)度(基式流動(dòng)度)測(cè)定

將一定質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)煤樣裝入坩堝，放入金屬浴(提前加熱)，按照標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行升溫。煤樣受熱后形成膠質(zhì)體，由于阻力降低，坩堝上方的攪拌槳開始旋轉(zhuǎn)，將轉(zhuǎn)速按照分度進(jìn)行測(cè)量得出的數(shù)據(jù)就是煤樣的膠質(zhì)體在流動(dòng)的狀態(tài)下的最大動(dòng)角速度，基氏流動(dòng)度是表征煤在熱解過程中所生成膠質(zhì)體流動(dòng)性的指標(biāo)，能夠反映煤炭的可塑性。

3.5 巖相分析

使用一定質(zhì)量的煤樣制取粉煤光片，在反光顯微鏡中放入20 點(diǎn)網(wǎng)格片，根據(jù)各種顯微組分為鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組，依據(jù)在網(wǎng)格交點(diǎn)下的數(shù)量來鑒定顯微煤巖類型、顯微礦化類型和顯微礦質(zhì)類型，用數(shù)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)每種類型的體積分?jǐn)?shù)，其實(shí)驗(yàn)反映出煤種的鏡質(zhì)體的反射率從而定性煤種的煤化程度和特性，獲得煤巖測(cè)試結(jié)果，對(duì)科學(xué)配煤具有重要的指導(dǎo)意義，如圖1 所示。

圖1 新沙公司配合煤巖相分布圖

4 煤炭G 值、Y 值在焦炭強(qiáng)度的作用

(1) G 值在結(jié)焦過程起到一個(gè)粘結(jié)劑或者是說能夠起到一定的骨架作用，但是不同煤種和巖相中不同正態(tài)分布的的煤起到作用是不完全一樣的，這就需要有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的判斷。

(2)黏結(jié)高的煤并不一定黏結(jié)能力強(qiáng)。如常見的肥煤、1/3 焦煤強(qiáng)黏煤同樣的黏結(jié)經(jīng)過小焦?fàn)t試驗(yàn)后，冷熱強(qiáng)度差異較大。

(3) 相同G 值的主焦煤或瘦煤在配煤煉焦中可能并不能起到骨架作用，反而起到破壞的作用，如青海、新疆、俄羅斯等煤種灰成分堿金屬含量偏高，導(dǎo)致焦炭加劇反應(yīng)，導(dǎo)致熱強(qiáng)度變差。

(4) 配煤過程中將不同煤種的G 值加權(quán)平均累加后，得到的配合煤G 值是不完全一樣的，其在結(jié)焦過程起到的作用也大相徑庭，通俗的說，如：眾所周知貴州茅臺(tái)酒是53°，但在劣質(zhì)作坊勾兌散酒也能達(dá)到53°，而他們的釀造工藝、酒曲、菌群是完全不一樣的，單憑酒的度數(shù)是不能判定酒品優(yōu)劣的。

(5) G 值、Y 值在煉焦過程中與強(qiáng)度屬于正向線性相關(guān)性系數(shù)關(guān)系，主焦煤的G 值相關(guān)性系數(shù)最高，但是不同的主焦相關(guān)性系數(shù)也不相同。

5 新沙公司保證焦炭強(qiáng)度的幾點(diǎn)做法

5.1 構(gòu)建科學(xué)配煤的結(jié)構(gòu)

新沙公司周邊礦點(diǎn)以1/3 焦、肥煤、氣煤為主，經(jīng)過15年來的經(jīng)驗(yàn)摸索，逐漸形成了以氣煤、1/3焦為主框架，輔助主焦、貧瘦煤，構(gòu)成現(xiàn)有配煤結(jié)構(gòu)，如表2 所示。由于配煤過程中既要兼顧配煤成本又要兼顧焦炭強(qiáng)度，因此氣煤主要選用山東能源旗下的鮑店、興隆莊、唐口、彭莊、梁寶寺等單一煤種為主，標(biāo)準(zhǔn)方差S≤0.1；1/3 焦選用附近礦點(diǎn)趙樓、郭屯、鹿洼、付村等單一煤種為主，標(biāo)準(zhǔn)方差S≤0.13；主焦采用山西柳林、呂梁一帶高強(qiáng)度主焦煤為主標(biāo)準(zhǔn)方差S≤0.1；貧瘦煤選用山西長(zhǎng)治、河南鶴壁一帶貧瘦煤為主，標(biāo)準(zhǔn)方差S≤0.13[2]。

表2 新沙公司常用配煤結(jié)構(gòu)比例范圍

5.2 利用小焦?fàn)t試驗(yàn)進(jìn)行指導(dǎo)

5.2.1 小焦?fàn)t試驗(yàn)

利用小焦?fàn)t試驗(yàn)結(jié)果，建立主焦煤、瘦焦煤、肥煤、1/3 焦煤?jiǎn)畏N煤強(qiáng)度臺(tái)賬，對(duì)配煤方案的選擇進(jìn)行指導(dǎo)，將經(jīng)驗(yàn)值逐步數(shù)據(jù)化、規(guī)范化。同時(shí)，利用小焦?fàn)t對(duì)配煤方案進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)小焦?fàn)t和焦?fàn)t生產(chǎn)線的溫度差異，求同存異，找出預(yù)測(cè)焦炭強(qiáng)度差異，指導(dǎo)配煤方案的制定。

5.2.2 鐵箱試驗(yàn)

按照試驗(yàn)方案將人工配置均勻的配合煤搗固成形，使用標(biāo)準(zhǔn)鐵箱的裝入煤箱，進(jìn)入碳化室，借助焦?fàn)t生產(chǎn)線的溫度環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，通過鐵箱實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行對(duì)比，確定最佳配煤方案，保證焦炭的熱態(tài)強(qiáng)度。

5.3 提高皮帶秤的準(zhǔn)確性

5.3.1 煤倉(cāng)形式皮帶秤校正

檢測(cè)人員在不影響生產(chǎn)用煤的前提下，將煤倉(cāng)現(xiàn)有使用下料口逐一檢測(cè)，在備煤操作人員的配合下將實(shí)驗(yàn)煤倉(cāng)開始上煤，當(dāng)實(shí)驗(yàn)煤倉(cāng)下煤趨于穩(wěn)定時(shí)，從小皮帶秤出口扔一個(gè)標(biāo)記標(biāo)注，停止皮帶運(yùn)行，在標(biāo)記前方用米尺取出10 m，進(jìn)行稱重計(jì)量，利用托盤稱量出皮重和毛重，得出實(shí)際重量。

相關(guān)公式如下：

檢測(cè)完成后根據(jù)新K 值上煤。

5.3.2 受煤坑形式皮帶秤的校正

檢測(cè)人員選出當(dāng)期配煤比例最大的受煤坑(以1#受煤坑為例)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，將其余受煤坑全部上滿煤，利用自卸車事先將1#受煤坑使用的煤過磅稱重，將1#受煤坑上滿煤，并記錄上煤的重量。通知中控室開始上煤，比例最大的1#受煤坑，首先清倉(cāng)下完煤，其余的受煤坑因比例小于1#受煤坑，所以每個(gè)受煤坑都有剩余，利用1#受煤坑實(shí)際稱重的數(shù)據(jù)除以配煤比，得出模擬單位時(shí)間內(nèi)總下煤量，總下煤量乘以各受煤坑的既定比例，得出每個(gè)受煤坑的實(shí)際數(shù)據(jù)，利用理論數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)的比值就，計(jì)算出各個(gè)受煤坑的下煤準(zhǔn)確率。

相關(guān)公式如下：

檢測(cè)完成后根據(jù)新K 值上煤。

以上兩種皮帶校正方式可以指導(dǎo)在實(shí)際配煤過程中的準(zhǔn)確率，真正做到精準(zhǔn)配煤，進(jìn)一步穩(wěn)定焦炭質(zhì)量。

5.4 高向加熱

5.4.1 看火孔壓力

以5.5 m 搗固焦?fàn)t為例，選用單段加熱，火焰高度在1.5 m 左右，經(jīng)常出現(xiàn)底部焦炭過火，上部焦炭生焦的狀況，導(dǎo)致焦炭熱態(tài)指標(biāo)不均勻。新沙公司經(jīng)過大量的試驗(yàn)，在保證爐頂空間溫度和燃燒室不出現(xiàn)串漏的情況下，適當(dāng)提高看火孔壓力5～10 Pa，提高火焰燃燒高度，在分煙道溫度穩(wěn)定可控的前提下，提高了燃燒效率，焦炭反應(yīng)性和強(qiáng)度指標(biāo)均出現(xiàn)明顯向好趨勢(shì)。

5.4.2 廢氣循環(huán)

投資安裝廢氣循環(huán)系統(tǒng)，使用部分煙道廢氣與燃燒的廢氣進(jìn)行均勻調(diào)配，實(shí)現(xiàn)貧氧燃燒，火焰高度升高，在降低降低燃燒室局部最高溫度的同時(shí)，使煤餅上下受熱均勻，在形成焦炭過程更加均勻穩(wěn)定，從而規(guī)避局部焦炭強(qiáng)度偏低的情況。

5.4.3 馳放氣、解吸氣的配入

LNG、甲醇燃燒過程中產(chǎn)生的馳放氣、解吸氣具有熱值低、燃燒火焰長(zhǎng)的特點(diǎn)，新沙公司將這部分氣體充分利用，在節(jié)省煤氣的同時(shí)，起到助推高向加熱，也為焦炭強(qiáng)度的穩(wěn)定起到了重要作用。

6 配煤過程的指導(dǎo)思路

(1)結(jié)焦過程是活性物質(zhì)按照建房的地基一般，形成縱橫交錯(cuò)的“鋼筋”，“鋼筋”的粗細(xì)和緊密程度決定了生產(chǎn)焦炭的強(qiáng)度?？茖W(xué)配煤方案的形成，需要以周邊礦點(diǎn)腹地為主框架，利用經(jīng)驗(yàn)將地基打好，以保證焦炭熱態(tài)指標(biāo)的合格。

(2)不同指標(biāo)的煤需要通過水分、灰分、硫份、揮發(fā)份、G 值、Y 的初步判斷，需要通過巖相分析這面“照妖鏡”來確定煤的變質(zhì)程度和正態(tài)分布進(jìn)行基本基本判斷，最后都經(jīng)過小焦?fàn)t實(shí)現(xiàn)和長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累，進(jìn)行最終判定。

(3)受外部環(huán)境、皮帶秤附屬設(shè)施、傳感器等因素的影響，傳統(tǒng)的鏈碼校驗(yàn)的方式，已經(jīng)不能滿足精準(zhǔn)配煤對(duì)計(jì)量準(zhǔn)確性的要求，需要根據(jù)具體皮帶秤的結(jié)構(gòu)，選取較為準(zhǔn)確的校正方式，提高配煤準(zhǔn)確率。

(4)小焦?fàn)t實(shí)驗(yàn)是對(duì)配煤方案的檢驗(yàn)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要充分發(fā)揮小焦?fàn)t的作用，為精準(zhǔn)配煤方案把住最后一關(guān)。

7 結(jié)語

焦炭強(qiáng)度的影響因素較多，需要在生產(chǎn)過程中不斷摸索。整個(gè)煉焦過程也是各種煤相互配伍，相互作用的過程，因此精準(zhǔn)配煤是提高搗固型焦炭質(zhì)量的重要措施。新沙公司通過近15 年的堅(jiān)持不懈，一直致力于煉焦煤和提高焦炭產(chǎn)品質(zhì)量的創(chuàng)新研究，摸索出一系列行之有效的科學(xué)方法，在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用獲得較好地成效。