貧瘦煤替代瘦煤的搗固煉焦試驗研究

魯 欣，馬 潤，王 巖

(1.河北旭陽能源有限公司，河北 定州 073000；2.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

隨著高爐逐漸向大型化和強化冶煉發(fā)展，焦炭在爐內的停留時間延長，對其質量和穩(wěn)定性要求也進一步提高[1-2]。我國煤炭資源充足，但煉焦煤產量較少。自2016年至2022年，雖我國煉焦煤總產量呈穩(wěn)定增長態(tài)勢，但煉焦煤在原煤總產量中的比重卻呈現(xiàn)下降態(tài)勢。2022年國內煉焦煤產量為4.94 億t，僅占全國煤炭總產量的10.98%，遠低于2016年煉焦煤產量在原煤總產量中的比重(12.78%)。企業(yè)生產成本隨原料價格波動不斷增加，而煤炭質量直接影響焦炭的性質[3-4]。在確保質量的前提下，合理利用煤炭資源、進一步開發(fā)價格較低與煤源較廣的其他煤種進行配煤煉焦已成為我國提高煤炭資源利用效率的重要途徑。經調研發(fā)現(xiàn)，許多研究機構和焦化企業(yè)在圍繞貧瘦煤替代瘦煤進行配煤煉焦方面已開展較多的研究和實驗工作。瘦煤或貧瘦煤單獨煉焦時，膠質體較少，生成的焦炭塊度較大，但易于破碎[5-6]。將其粉碎后配煤煉焦，合理的片狀和纖維結構均勻地分布在其他活性組分形成的粗?；蚣毩ｈ偳督Y構中[7-8]，可作為其他黏結性較好的煉焦煤的結焦中心。與瘦煤類似，配入一定量的貧瘦煤同樣能起瘦化作用，降低配合煤的揮發(fā)分和裝爐煤的半焦收縮系數(shù)，通過減少相鄰半焦層間的收縮差可減少焦炭裂紋并提高焦炭強度[9-10]，同時具備骨架和緩和收縮應力的作用[11-12]。綜上所述，現(xiàn)有的研究主要集中于貧瘦煤配入煉焦時的成焦機理以及對焦炭光學性質等的影響，而對利用貧瘦煤配煤煉焦方法方面的研究較少，無法有效指導工業(yè)生產。

鑒于貧瘦煤的煤質特點及其配煤應用前景，以下以典型的貧瘦煤、瘦煤煤樣為研究對象，系統(tǒng)分析煤質特性、黏結特性、巖相特征和膠質體流變特征等，通過小焦爐實驗分析各單種煤的成焦特性[13]，開展貧瘦煤替代瘦煤的搗固煉焦實驗，研究其對焦炭質量的影響，結合工業(yè)焦爐開展應用性試驗，建立利用貧瘦煤替代瘦煤進行搗固煉焦的配煤煉焦試驗方法，在保證焦炭質量的前提下緩解優(yōu)質煉焦煤資源短缺的壓力，并幫助企業(yè)實現(xiàn)降本增效。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

從某大型焦化企業(yè)采集不同煤種試樣作為研究對象進行煉焦實驗，所用到的煤種包括貧瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤和氣煤。其中包含5種1/3焦煤(1/3JM-1、1/3JM-2、1/3JM-3、1/3JM-4、1/3JM-5)、4種肥煤(FM-1、FM-2、FM-3、FM-4)、3種氣煤(QM-1、QM-2、QM-3)以及焦煤(JM)、貧瘦煤(PS)和瘦煤(SM)各1種。

1.2 實驗流程

采用40 kg小焦爐進行7組煉焦配煤實驗，實驗步驟如下：

(1)煤樣破碎。使用錘式破碎機破碎，出料粒徑為6 mm，試樣細度(<3 mm)為80%～85%。

(2)煤樣搗固。裝爐水分為(10 ± 0.5)%，堆密度為(1.03 ± 0.01)t/m3。

(3)煤樣入爐。裝煤時爐墻溫度在800 ℃恒定30 min以上，以0.25 ℃/min的升溫速度加熱至1 050 ℃后，在(1 050 ± 5)℃恒溫4 h，直至出焦，煉焦時間為22 h。

2 結果與討論

2.1 單一煉焦煤的基礎煤質特性

煤是組成、結構非常復雜且極不均一的混合物，評價煉焦煤質量有工業(yè)分析、煤巖分析、黏結性等眾多指標，可從不同方面對煉焦煤做出評價[14-15]。根據(jù)該企業(yè)制定的企業(yè)煤炭分類標準，對此次試驗所用煤種進行分類見表1。需特殊說明，所選煤樣中的1/3JM-1和1/3JM-2根據(jù)國家標準GB/T 5751《中國煤炭分類》的規(guī)定應屬于氣煤，但由于該2種煤的黏結指數(shù)和膠質層最大厚度的指標較好，該企業(yè)按其企業(yè)標準分類并根據(jù)實際應用將該2種煤作為1/3焦煤進行配煤煉焦。此工作各單一煉焦煤的灰分(約10.00%)較均勻，其中1/3JM-2和QM-1灰分最低為9.00%，F(xiàn)M-1灰分最高為14.20%。氣煤的平均灰分最小為9.56%，肥煤灰分含量最高為10.58%。

表1 單種煉焦煤的煤質特性

揮發(fā)分產率可表征煤的變質程度，揮發(fā)分隨煤化度降低而升高。配煤中氣煤的揮發(fā)分高達37.50%，隨著煤變質程度提高，揮發(fā)分不斷降低，配入的貧瘦煤揮發(fā)分低至14.00%。

煤中硫元素對焦炭和后續(xù)煉鐵質量影響較大，故硫含量是評價煤質的重要指標。實驗的貧瘦煤、瘦煤、焦煤、氣煤均為低硫煤，其中貧瘦煤硫含量(0.39%)較低，1/3焦煤和氣煤硫含量相近，分別為0.81%和0.60%；而肥煤屬于中硫煤，硫含量為1.37%。

煉焦煤的黏結性與焦炭質量成正比，常用指標包括黏結指數(shù)(G)和膠質層最大厚度(Y)[16]，其與揮發(fā)分含量關系如圖1所示。膠質層最大厚度與黏結指數(shù)呈正相關，G隨著Y的增大而增大，且均隨揮發(fā)分降低而逐漸降低。瘦煤和QM-2為中等偏強黏結煤，G<65，焦煤、肥煤、1/3焦煤和其他氣煤均為強黏結煤，G>65。貧瘦煤受熱后只能產生少量膠質體，黏結性和結焦性相對較差，即Y=0、G=15，不適合單獨煉焦。

吉氏流動度反映煤在干餾時形成膠質體的黏度，其為表征煤塑性的核心指標之一，可用于指導煉焦配煤[17]。對實驗的單煤進行流動度測定，參數(shù)見表2。測定數(shù)據(jù)分析如圖2所示，其初始軟化溫度區(qū)間為389～483 ℃，焦煤的初始軟化溫度最低即為389 ℃，瘦煤的初始軟化溫度最高為483 ℃，肥煤和1/3焦煤的軟化溫度相近(分別為405.7、403 ℃)，氣煤的軟化溫度(416.3 ℃)較高。

圖2 單種煤吉氏流動度特征溫度分布

表2 單種煤的吉氏流動度特征參數(shù)

吉氏流動度的最大流動度溫度與煉焦煤的變質程度呈現(xiàn)良好的相關性，在一定范圍內可反映煉焦煤的變質程度，其中氣煤和1/3焦煤的最大流動溫度較低，分別為449.3 ℃和447.4 ℃；瘦煤的最大流動溫度最高，其值為483 ℃。不同煤種的固化溫度不同，氣煤、1/3焦煤的固化溫度分別為472.6、484.2 ℃；焦煤、瘦煤和肥煤的固化溫度較一致，分別為511、504 ℃。

肥煤的平均塑性范圍為98 ℃，焦煤和1/3焦煤的平均塑性略低(分別為80、81.2 ℃)，氣煤的平均塑性范圍為56.3 ℃，瘦煤的平均塑性(21 ℃)最低。配煤中單煤的最大流動度變化較大，其中貧瘦煤流動度最低為0，F(xiàn)M-3的流動度最大為38 000。以煤種區(qū)分時，肥煤的最大流動度平均值最高為19 000，其次1/3焦煤為10 860，焦煤和氣煤分別為950和238.6。煉焦煤軟化熔融產生的塑性體可以將惰質組分包裹、黏結，流動性越大，塑性體發(fā)展越好，可以黏結更多的惰質組分。

從流動度參數(shù)分析，肥煤和1/3焦煤具有良好的流動性能，所使用的焦煤和氣煤流動性能較差，故配入肥煤和1/3焦煤有助于增強煉焦煤的流動性和塑性，提高配煤煉焦的焦炭質量。

通過圖像法測定不同煤中鏡質組的反射率，可進行煤種判別和混煤鑒定[18]。對實驗煤種進行巖相分析，鏡質組的反射率結果見表3。鏡質組的最大反射率與煤階成正比，從氣煤到貧瘦煤依次增加，其反射率均值分別為0.772%、0.841%、1.096%、1.351%、1.711%和1.856%，與最大流動溫度(Tmax)也呈正相關。

表3 單種煤的反射率分布

隨著煤化程度加深,隨機反射率值不斷增加[19-20]。氣煤鏡質組的隨機反射率范圍為0～1.2,在0.5～0.8的占比超過90%; 1/3焦煤的隨機反射率范圍為0～1.2,在0.5～0.9的占比超過80%;肥煤的隨機反射率范圍為0.5～1.5,在0.65～1.5的占比超過90%;焦煤的隨機反射率范圍較寬(0.65～1.9),主要分布于0.9～1.5區(qū)間內;瘦煤和貧瘦煤的隨機反射率分布范圍為1.2～1.9和1.2～2.5,其主要分布區(qū)間分別為1.2～1.7和1.5～1.9。

2.2 煉焦實驗

2.2.1單煤煉焦實驗

焦炭反應后強度(CSR)是指反應后的焦炭在機械力和熱應力作用下抵抗碎裂和磨損的能力[21]，單煤煉焦時，CSR見表4。焦煤和肥煤煉焦后焦炭的反應后強度滿足冶金一級焦標準(CSR >60%)，其中肥煤的煉焦性能更好，其CSR為62%。1/3焦煤煉焦時，焦炭CSR為43.75%，滿足冶金準一級焦標準(CSR >40%)。氣煤加熱煉焦時產生較多的揮發(fā)分且膠質體的熱穩(wěn)定性較差、易于分解，所生成的焦炭因收縮而產生較多的縱裂紋，反應后強度較低，其值為28.3%。瘦煤和貧瘦煤均屬于高變質、低揮發(fā)分、弱黏結性的煙煤，瘦煤單獨煉焦時所生成的焦炭熔融性差、易于破碎、反應后強度較??；貧瘦煤的結焦性能比典型的瘦煤差，煉焦生成的焦粉較多[22]，即貧瘦煤不適宜單獨煉焦,因而其需與其他煤種配合后用于煉焦。

表4 單煤煉焦實驗結果

2.2.240kg小焦爐實驗

小焦爐實驗共7組，實驗方案見表5。以實驗-1為基準，配入5%的貧煤和30%的貧瘦煤煉焦，后6組實驗以貧瘦煤替代瘦煤，含量分別為30%、33%和35%。以實驗-1、2、5為小組分析，2-1對比：去掉瘦煤后，增加3%的貧瘦煤和4%的肥煤，減少2%的1/3焦煤，焦炭的CSR降低至39.7%；5-1對比：去掉瘦煤后，增加5%的貧瘦煤和21%的1/3焦煤，減少11%的肥煤和10%的氣煤，焦炭的CSR提升至43.6%；5-2對比：無瘦煤時，增加2%的貧瘦煤和23%的1/3焦煤，減少15%的肥煤和10%的氣煤，焦炭的CSR提升至43.6%。分析可知，減少肥煤和氣煤的含量，同時增加焦煤含量能提高焦炭的反應后強度。

表5 40 kg小焦爐實驗

以實驗-1、3、4為小組分析，3-1對比：去掉瘦煤后，不改變貧瘦煤含量，增加17%的焦煤，減少8%的肥煤和4%的1/3焦煤，焦炭的CSR增加至42.1%；4-1對比：去掉瘦煤后，不改變貧瘦煤含量，增加10%的焦煤，減少5%的1/3焦煤，焦炭的CSR增加至42.4%；4-3對比：無瘦煤且不改變貧瘦煤含量時，增加8 %的肥煤，減少1 %的1/3焦煤和7 %的焦煤，焦炭的CSR增加至42.4%。分析可知，使用的肥煤、1/3焦煤和焦煤在煉焦時可互為補充，其中肥煤煉焦效果略強于1/3焦煤和焦煤。

實驗6-1對比：去掉瘦煤后，增加5%的貧瘦煤、21%的1/3焦煤和10%的焦煤，減少21%的肥煤和10%的氣煤，焦炭CSR提升至45.9%；7-1對比：去掉瘦煤后，增加5%的貧瘦煤、11%的1/3焦煤和10%的焦煤，減少21%的肥煤，焦炭CSR降低至38.9%。分析可知，當肥煤和1/3焦煤互補后，增加焦煤同時減少氣煤含量可顯著提升焦炭的反應后強度；而肥煤、1/3焦煤和焦煤互補后，增加5%的貧瘦煤顯著降低焦炭的反應后強度。

以實驗-5、6、7為小組分析，6-5對比：去掉瘦煤后，不改變貧瘦煤含量，增加10%的焦煤，減少10%的肥煤，焦炭的CSR提升至45.9%；7-5對比：去掉瘦煤后，不改變貧瘦煤含量，增加10%的焦煤和氣煤，減少10%的肥煤和1/3焦煤，焦炭的CSR值降低至38.9%；7-6對比：去掉瘦煤后，不改變貧瘦煤含量，增加10%的氣煤，減少10%的1/3焦煤，焦炭的CSR降低至38.9%。分析可得，瘦煤為0%且貧瘦煤含量穩(wěn)定時，利用焦煤替換肥煤成效顯著，但減少1/3焦煤同時增加氣煤會顯著降低焦炭的質量。

綜上所述，煉焦時肥煤、1/3焦煤和焦煤可互補，其中肥煤加入后焦炭質量更好；貧瘦煤或氣煤增加均可降低焦炭的反應后強度(<40%)。

2.2.3大焦爐的單孔爐實驗

在上述小焦爐實驗研究的基礎上，利用某大型焦化企業(yè)單孔裝煤量45 t大焦爐進行了3組工業(yè)性實驗，配煤方案見表6，焦炭質量均滿足冶金一級焦標準(CSR >60%)。

表6 裝煤量45 t的單孔爐實驗

實驗2-3對比：增加15%的貧瘦煤、20%的焦煤和15%的1/3焦煤，同時減少30 %的肥煤和20%的氣煤，焦炭的CSR提升至65.9%。

1-3對比：增加5%的貧瘦煤、20%的焦煤和15%的1/3焦煤，減少20%的肥煤和20%的氣煤，焦炭的CSR提升至70.7%。

1-2對比：減少10 %的貧瘦煤，增加10%的肥煤，焦炭的CSR提升至70.7%。

結果表明，在無瘦煤情況下，使用焦煤、肥煤和1/3焦煤互補或減少氣煤或減少貧瘦煤均可提升焦炭的反應后強度，CSR >65%。

通過單煤煉焦、40 kg小焦爐實驗和工業(yè)驗證試驗，驗證了貧瘦煤替代瘦煤進行配煤煉焦的可行性，生產的焦炭質量滿足一級冶金焦標準(CSR >60%)，貧瘦煤配入量可增加至50%，而通過配入肥煤還可進一步提高焦炭的反應后強度。

3 結 論

基于貧瘦煤不適合單獨煉焦，以典型的貧瘦煤、瘦煤等煉焦煤資源為研究對象并利用單煤成焦試驗、配合煤小焦爐試驗和工業(yè)焦爐驗證等展開煉焦方法研究。通過7組40 kg小焦爐和3組45 t單孔爐實驗，對利用貧瘦煤取代瘦煤在實際配煤煉焦生產中的可行性以及對焦炭質量的影響進行分析，得出如下結論：

(1)瘦煤和貧瘦煤是高變質的煙煤，黏結性和結焦性均較弱且貧瘦煤性質更差，煉焦后的焦炭強度低，僅適合配煤煉焦使用。

(2)小焦爐實驗中，配入35%貧瘦煤、45 %焦煤或1/3焦煤和10 %氣煤時，焦炭質量突出，反應后強度最高為45.9%，達到小焦爐實驗準一級冶金焦標準。

(3)45 t單孔爐試驗中，配入50%貧瘦煤、50%焦煤或1/3焦煤共煉焦時，焦炭CSR為65.9%；加入10%肥煤等量替換貧瘦煤后，焦炭CSR提升至70.7%。