艾爾加煤的煤巖與煤質(zhì)特性及煉焦配煤關(guān)鍵問(wèn)題分析

王 越，龐克亮，馬銀華，夏 偉，吳昊天，谷致遠(yuǎn)，劉福軍，趙 華

(1.鞍鋼集團(tuán)北京研究院有限公司 北京 102200；2.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營(yíng)口 115007；3.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009)

0 引 言

在我國(guó)煤炭消費(fèi)中，電力、冶金、建材、化工是4個(gè)最主要的消費(fèi)行業(yè)，煉焦用煤的消費(fèi)量約占全部煤炭消費(fèi)總量的15%。隨著“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略的實(shí)施以及全社會(huì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)不同用煤領(lǐng)域的煤炭質(zhì)量提出了更高的要求。煉焦用煤原則上必須使用精煤，對(duì)特定工藝性能指標(biāo)有基本的要求，對(duì)商品煤性質(zhì)和質(zhì)量的要求總體上高于其它行業(yè)用煤。

近年來(lái)，我國(guó)煉焦用煤的生產(chǎn)情況發(fā)生了較大的變化。隨著我國(guó)煉焦煤開采強(qiáng)度不斷增大，煤質(zhì)劣化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，使煉焦精煤的灰分和硫分呈增高趨勢(shì)。優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源相對(duì)緊缺，煉焦煤的供應(yīng)總體上偏緊?；烀喝胂春凸?yīng)的現(xiàn)象比較普遍，煤質(zhì)相對(duì)變差且波動(dòng)較大，給煉焦生產(chǎn)工藝和穩(wěn)定焦炭質(zhì)量帶來(lái)較大的困難。

隨著我國(guó)焦?fàn)t大型化、煉焦工藝及配煤技術(shù)的發(fā)展，焦化企業(yè)普遍對(duì)低灰、低硫、中高變質(zhì)、低反應(yīng)性、強(qiáng)結(jié)焦性的優(yōu)質(zhì)煉焦煤的需求量增大[1]。特別是優(yōu)質(zhì)焦煤、肥煤的資源消耗過(guò)大，已經(jīng)逐漸不能滿足焦化企業(yè)的生產(chǎn)需求，影響焦化穩(wěn)定生產(chǎn)和焦炭質(zhì)量的提高。

此外，《商品煤質(zhì)量管理暫行辦法》以及《商品煤質(zhì)量評(píng)價(jià)與控制技術(shù)指南》等政策和標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺(tái)，對(duì)煤中硫分及其它有害元素的關(guān)注程度日漸提高。

我國(guó)焦化行業(yè)對(duì)優(yōu)質(zhì)煉焦煤需求不斷增長(zhǎng)，但面臨日益嚴(yán)重的優(yōu)質(zhì)煉焦煤短缺和煤質(zhì)下降問(wèn)題。國(guó)外煉焦煤與國(guó)內(nèi)煉焦煤的煤質(zhì)和工藝性能互補(bǔ)性強(qiáng)，從海外進(jìn)口大量?jī)?yōu)質(zhì)煉焦煤，可在一定程度上緩解優(yōu)質(zhì)煉焦煤短缺的問(wèn)題[2]。尤其是俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)煉焦煤資源豐富，煤種齊全，運(yùn)輸距離近，俄羅斯強(qiáng)黏結(jié)性低硫煉焦煤是我國(guó)煉焦配煤的良好補(bǔ)充。目前國(guó)內(nèi)焦化企業(yè)對(duì)該地區(qū)的氣煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤和瘦煤均進(jìn)行了配煤使用。

俄羅斯焦煤的煤質(zhì)穩(wěn)定，具有低灰、低硫的優(yōu)點(diǎn)，與國(guó)內(nèi)高硫肥煤及焦煤具有煤質(zhì)互補(bǔ)性，配煤煉焦時(shí)有利于穩(wěn)定焦炭質(zhì)量，降低焦炭灰分和硫分，提高焦炭平均粒度和抗碎強(qiáng)度[3]，在國(guó)內(nèi)焦化企業(yè)應(yīng)用廣泛[4-5]。在煉焦配煤中使用俄羅斯K10焦煤替代一部分國(guó)內(nèi)焦煤，可以在保持焦炭強(qiáng)度基本穩(wěn)定的情況下，降低配合煤成本[6]。王春華[7]在山西煉焦煤中配入不超過(guò)10%的俄羅斯煉焦煤降低硫分，不僅能保證比較理想的焦炭質(zhì)量，而且代替了稀缺的國(guó)內(nèi)煉焦煤資源。

彭永根等[8]以10%的俄羅斯低硫K10焦煤與10%山西兌鎮(zhèn)高硫焦煤替代20%的優(yōu)質(zhì)焦煤，控制配煤硫分≤0.85%，不僅能保持焦炭冷強(qiáng)度和熱性能穩(wěn)定，而且能顯著降低配煤成本。吳洪義等[9]控制俄羅斯K10焦煤的配入量，保證配煤的黏結(jié)性，焦炭的冷熱強(qiáng)度較好，粒度較大，并能降低配煤成本。

配用少量俄羅斯低硫肥煤，可改善焦炭的硫分。如使用5%的俄羅斯低硫肥煤與山西高硫焦煤配合使用，在保證焦炭質(zhì)量穩(wěn)定的前提下，可降低配煤成本[10]。用俄羅斯肥煤替代部分淮北臨渙肥煤，可降低配煤成本、優(yōu)化配煤結(jié)構(gòu)[11]。在韶鋼4.3 m焦?fàn)t上進(jìn)行俄羅斯低硫肥煤的工業(yè)配煤生產(chǎn)，不僅生產(chǎn)出合格焦炭，而且顯著降低配煤成本[12]。俄羅斯低硫肥煤在7.63 m焦?fàn)t配用比例可達(dá)4%，對(duì)進(jìn)一步提高比例仍需繼續(xù)研究[13]。

俄羅斯南雅庫(kù)特煤田的艾爾加煉焦煤具有鮮明的煤質(zhì)特點(diǎn)，該煉焦煤與國(guó)內(nèi)煉焦煤的成焦特性存在一定的差異，配用效果與國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)煉焦煤相差較遠(yuǎn)[14]。筆者系統(tǒng)分析艾爾加煤的煤巖、煤質(zhì)、黏結(jié)成焦特性以及煤灰化學(xué)特征，對(duì)其煉焦配煤的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析，以期為國(guó)內(nèi)焦化企業(yè)大比例配用該煤提供技術(shù)支撐，對(duì)節(jié)約我國(guó)優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源、降低焦化企業(yè)的生產(chǎn)成本和原料采購(gòu)難度以及保障我國(guó)煤焦行業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展具有重要的實(shí)際意義。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 樣品采集與煤質(zhì)測(cè)試

按照GB/T 475—2008《商品煤樣人工采樣方法》分別從國(guó)內(nèi)某港口采集2種艾爾加原煤和1種精煤，按照GB/T 474—2008《煤樣的制備方法》制備分析煤樣。

按照GB/T 6948—2008《煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測(cè)定方法》以及GB/T 8899—2013《煤的顯微組分組和礦物測(cè)定方法》測(cè)試樣品的煤巖特征。

分別按照GB/T 211—2017《煤中全水分的測(cè)定方法》、GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》、GB/T 214—2007《煤中全硫的測(cè)定方法》、GB/T 215—2003《煤中各種形態(tài)硫的測(cè)定方法》、GB/T 213—2008《煤的發(fā)熱量測(cè)定方法》、GB/T 476—2008《煤中碳和氫的測(cè)定方法》、GB/T 19227—2008《煤中氮的測(cè)定方法》、GB/T 216—2003《煤中磷的測(cè)定方法》、GB/T 3058—2008《煤中砷的測(cè)定方法》、GB/T 3558—2014《煤中氯的測(cè)定方法》、GB/T 4633—2014《煤中氟的測(cè)定方法》、GB/T 16659—2008《煤中汞的測(cè)定方法》、GB/T 2565—2014《煤的可磨性指數(shù)測(cè)定方法 哈德格羅夫法》、GB/T 217—2008《煤的真相對(duì)密度測(cè)定方法》等國(guó)標(biāo)方法測(cè)試樣品的基本煤質(zhì)特征。

分別按照GB/T 5447—2014《煙煤黏結(jié)指數(shù)測(cè)定方法》、GB/T 479—2016 《煙煤膠質(zhì)層指數(shù)測(cè)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(cè)定 恒力矩吉氏塑性儀法》、GB/T 5448—2014《煙煤坩堝膨脹序數(shù)的測(cè)定電加熱法》、GB/T 1341—2007 《煤的格金低溫干餾試驗(yàn)方法》等測(cè)試樣品的多種煉焦特征。

分別按照GB/T 1574—2007 《煤灰成分分析方法》、GB/T 219—2008《煤灰熔融性的測(cè)定方法》測(cè)試樣品的煤灰化學(xué)特征。按照式(1)計(jì)算樣品的堿酸比(Bs)。

Bs=B(Fe2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O+

MnO2)/B(SiO2+Al2O3+TiO2)

(1)

1.2 成焦特性實(shí)驗(yàn)及焦炭分析

按照MT/T 1181—2019 《煉焦煤煉焦試驗(yàn)方法》對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行40 kg試驗(yàn)焦?fàn)t成焦特性實(shí)驗(yàn)，分別按照GB/T 2006—2008《焦炭機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)定方法》以及GB/T 4000—2008《焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度試驗(yàn)方法》測(cè)試樣品的冷態(tài)強(qiáng)度及熱強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 艾爾加煤的煤巖特征分析

表1 艾爾加煤的煤巖特征

2.2 艾爾加煤的煤質(zhì)特性分析

2.2.1基本煤質(zhì)特征

艾爾加煤的基本煤質(zhì)特征見表2。由表2可知，艾爾加煤的煤質(zhì)特征較優(yōu)良，精煤灰分較低，硫分極低，揮發(fā)分高，發(fā)熱量高，哈氏可磨性指數(shù)(HGI)較高。有害微量元素含量低，為特低磷、特低氯、特低砷、特低汞、中低氟含量煤，具有較好的環(huán)保屬性，能滿足我國(guó)煉焦煤進(jìn)口的要求。

表2 艾爾加煤的基本煤質(zhì)特征

2.2.2塑性特征

艾爾加煤的塑性特征見表3。由表3可知，得益于艾爾加煤中超高的鏡質(zhì)組含量，煤的塑性特征極佳。黏結(jié)指數(shù)(GR.I)大于90，為強(qiáng)黏結(jié)性煤；膠質(zhì)層最大厚度(Y)可達(dá)32 mm以上，為優(yōu)質(zhì)肥煤，在煉焦配煤中可以發(fā)揮較好的黏結(jié)作用。吉氏最大流動(dòng)度(MF)可達(dá)42 000 ddpm，可以對(duì)弱黏結(jié)煤顆粒進(jìn)行有效包裹，塑性溫度區(qū)間可達(dá)112～117 ℃，為膠質(zhì)體塑性區(qū)間搭接提供有力的支撐。但奧阿最大膨脹度(b)>300%，在煉焦配煤中應(yīng)控制配入量，避免造成焦塊收縮不足導(dǎo)致難推焦及破壞焦?fàn)t。

表3 艾爾加煤的塑性特征

2.2.3煤灰化學(xué)特征

艾爾加煤的煤灰成分見表4。由表4可知，艾爾加煤中的Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等堿金屬和堿土金屬含量較高，與煤的成煤環(huán)境密切相關(guān)[15]。

表4 艾爾加煤的煤灰成分

原煤1、原煤2以及精煤的堿酸比分別為0.183、0.316和0.158，堿性氧化物含量相對(duì)較高，對(duì)焦炭的溶損反應(yīng)造成一定的不利影響[16]。

艾爾加煤在氧化氣氛及弱還原氣氛中的煤灰熔融性溫度見表5。由表5可知，艾爾加煤在氧化氣氛及弱還原氣氛中的煤灰熔融性溫度均較高，不會(huì)對(duì)煉焦造成不利的影響。

表5 艾爾加煤的煤灰熔融性溫度

2.2.4成焦特性分析

利用40 kg實(shí)驗(yàn)焦?fàn)t進(jìn)成焦特性實(shí)驗(yàn)后，焦炭的質(zhì)量特征見表6。由表6可知，艾爾加單種煤焦炭的冷態(tài)強(qiáng)度指標(biāo)較好，但熱態(tài)強(qiáng)度指標(biāo)較差，焦炭熱反應(yīng)性(CRI)均在50%以上，而反應(yīng)后強(qiáng)度(CSR)均在30%以下。

表6 艾爾加煤制備焦炭的質(zhì)量特征

2.3 煉焦配用艾爾加煤的關(guān)鍵問(wèn)題分析

艾爾加肥煤具有低硫、強(qiáng)黏結(jié)性的特點(diǎn)，是1種較好的配煤煉焦的基礎(chǔ)煤種，可彌補(bǔ)我國(guó)低硫、強(qiáng)黏結(jié)肥煤資源不足，同時(shí)可降低配煤成本和焦炭硫分。但該煤的活性組分含量較高,活惰比異常高,偏離煤巖配煤理論中組分平衡指數(shù)(CBI)區(qū)間[17],如圖1所示。在成焦過(guò)程中,活性組分含量偏高,黏結(jié)性過(guò)剩,造成焦炭氣孔大、孔壁薄(圖2),對(duì)焦炭冷強(qiáng)度和熱性能造成不利影響。

圖1 艾爾加煤在組分平衡指數(shù)(CBI)圖中的位置

圖2 艾爾加煤制備焦炭的光學(xué)組織特征(油浸，正交偏光，1λ檢板，500×)

此外，艾爾加煤還存在堿金屬和堿土金屬含量高，礦物催化指數(shù)高等缺點(diǎn)。此2種因素共同導(dǎo)致艾爾加單種煤煉焦反應(yīng)后強(qiáng)度低的不足。

因此，針對(duì)艾爾加煤活惰比異常高、礦物催化指數(shù)高的問(wèn)題，開展活惰比調(diào)控實(shí)驗(yàn)和煤灰化學(xué)成分調(diào)控實(shí)驗(yàn)研究，制定科學(xué)合理的配煤方案，開展艾爾加煤替代肥煤及1/3焦煤的互換性配煤實(shí)驗(yàn)，并在生產(chǎn)焦?fàn)t上進(jìn)行試生產(chǎn)，為國(guó)內(nèi)焦化企業(yè)大比例配用該煤提供技術(shù)支撐。

3 結(jié) 論

基于俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)的強(qiáng)黏結(jié)性低硫煉焦煤是我國(guó)煉焦配煤的良好補(bǔ)充，其與國(guó)內(nèi)高硫肥煤和焦煤存在成焦特性差異但具有煤質(zhì)互補(bǔ)性，配煤煉焦時(shí)有利于穩(wěn)定焦炭質(zhì)量，因而系統(tǒng)分析南雅庫(kù)特煤田艾爾加煤的煤巖、煤質(zhì)、黏結(jié)成焦特性以及煤灰化學(xué)成分，并對(duì)煉焦配煤的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

(1)按照中國(guó)煤炭分類(GB 5751)，艾爾加煤為典型的肥煤，黏結(jié)性強(qiáng)、膠質(zhì)層厚度大、流動(dòng)性好、膨脹度高，煤的塑性特征極佳，在煉焦配煤中可以發(fā)揮較好的作用。

(2)艾爾加煤的灰分、硫分含量低，有害微量元素含量低，為特低磷、特低氯、特低砷、特低汞、中低氟含量煤，具有較好的環(huán)保屬性，能滿足我國(guó)煉焦煤進(jìn)口的要求。

(3)艾爾加煤中鏡質(zhì)組含量在97%以上，惰質(zhì)組和殼質(zhì)組含量極低，活惰比異常高導(dǎo)致偏離煤巖配煤理論中組分平衡指數(shù)(CBI)區(qū)間，對(duì)焦炭冷強(qiáng)度和熱性能造成不利影響。

(4)艾爾加煤中堿金屬和堿土金屬含量較高，礦物催化指數(shù)高，對(duì)焦炭的溶損反應(yīng)會(huì)造成一定的不利影響。

(5)艾爾加煤制備焦炭的熱反應(yīng)性(CRI)均在50%以上，而反應(yīng)后強(qiáng)度(CSR)均在30%以下，應(yīng)開展活惰比調(diào)控實(shí)驗(yàn)和煤灰化學(xué)成分調(diào)控實(shí)驗(yàn)研究，制定科學(xué)合理的互換性配煤實(shí)驗(yàn)方案，為國(guó)內(nèi)焦化企業(yè)大比例配用該煤提供技術(shù)支撐。