不同區域氣煤對焦炭質量的影響研究

李 揚，徐宏程，任 梵

(1.云南曲煤焦化實業發展有限公司，云南 曲靖 655338；2.云南省化學化工學會，云南 昆明 650228)

未來焦化行業的發展主要是精細化管理與成本之間的競爭，原料煤占焦化企業總成本的80%左右。我國煉焦煤的經濟可采儲量不高，僅占全國煤炭查明儲量的27.10%，主要分布在華北地區。但煉焦原煤產量幾乎占全國原煤產量的一半，且多集中在山西和華東地區，煉焦煤中焦煤和肥煤的可選性又普遍較低，洗精煤儲量和產量中1/3焦煤和氣煤過多[1]。合理的利用氣煤資源，降低配煤成本，對焦化企業具有重要的意義。氣煤在煉焦配煤過程中，主要起增大焦餅收縮及提高煤氣產率的作用，但其結焦性能差，配用過程稍有不慎極易造成焦炭質量下降。如何選擇合適的氣煤，成為當前獨立焦化配煤技術應用的關鍵。

云南曲煤焦化實業發展有限公司地處云南曲靖，煉焦配煤以西南地區資源為主。現有3座 4.3 m 和4座 5.5 m 搗固焦爐，305萬t/a焦炭生產能力，對焦爐煤氣進行深加工，年產30萬t甲醇。由于生產甲醇、保證焦炭質量以及成焦率的需要，對焦爐煤氣產氣量有一定的控制要求。

本文選取4種不同地區的氣煤，通過對其工業分析、膠質層指數、煤巖反射率分析、基式流動度、煤灰成分分析，并利用 40 kg 小焦爐實驗進行配煤煉焦實驗，配比方案中均配入10%的氣煤，對不同氣煤配煤煉焦后焦炭的熱態性能進行綜合分析比較，研究了氣煤在配煤煉焦中的差異性，并根據試驗結果指導實際生產。

1 試驗內容

1.1 試驗原料

選取不同地區的4種氣煤，分別進行工業分析、煤巖反射率分析、基式流動度、膠質層指數、煤灰成分等分析，并進行配煤煉焦試驗。根據試驗結果焦炭的熱態性能，對氣煤配煤煉焦進行綜合分析比較。

1.2 試驗儀器及方法

全自動工分儀5E-MAG6700(采用GB/T 212-2008)、膠質層指數測定儀FDK-1(采用GB/T 479-2016)、全自動煤巖圖像分析儀BRICC-M(采用GB/T 40485-2021)、基式流動度測定儀JS1-1(采用GB/T 25213-2010)、焦炭反應性及反應后強度測定儀KF-2008H(采用GB/T 4000-2017)。

針對4種氣煤進行配煤煉焦試驗，利用環保荷重試驗焦爐KXJL-HZ-40，結合本地1/3焦煤、25#焦煤及瘦煤，分別配入10%的氣煤進行小焦爐結焦試驗，并對小焦爐焦炭進行分析化驗。

2 結果與討論

2.1 單種煤分析化驗結果

2.1.1 氣煤的工業分析

采用全自動工分儀，按照GB/T 479-2016對4種氣煤分析，結果見表1。

表1 氣煤工業指標分析結果

氣煤2灰分最高；氣煤3、氣煤4揮發份40%左右，較另兩種氣煤高；黏結指數氣煤3最高；最終收縮度氣煤1、氣煤2接近，氣煤4收縮度最小；最大膠質層厚度4種氣煤基本一致。

2.1.2 氣煤煤灰成分分析

煤灰成分中的礦物質對焦炭反應性的影響主要表現在礦物催化方面，即在高爐環境中產生碳溶損反應。影響焦炭反應性的礦物質可以分為堿金屬、堿土金屬和過渡金屬[2]。

楊俊和等通過添加礦物質的可溶鹽吸附到焦炭表面，以添加方式負載氧化物對焦炭溶損反應的作用規律為基礎，運用非線性規劃求解的方法，建立了礦物質對焦炭溶損反應性的綜合作用指標MCI[3]。

式中Ad為煤的干基灰分，Vd為煤的干基揮發份。

胡德生運用逐步回歸分析，建立了灰催化指數對焦炭熱態性能預測模型[4]，可見灰催化指數與焦炭CRI和CSR有良好的相關性。

4種氣煤煤灰成分及MCI見表2。

表2 煤灰成分分析/%

表2中，MCI最大的是氣煤1，對碳溶損反應催化作用最強，最小的是氣煤4，對碳溶損反應催化作用最弱。

2.1.3 基式流動度分析

采用基式流動度測定儀，按照GB/T 25213-2010進行基式流動度相關指標分析，結果見表3。

表3 基氏流動度分析

基式流動度的特征指標表征的是膠質層的質量。由表3可以看出，氣煤2塑性區間 65 ℃，4種氣煤中最寬，與其他煤種能較好的重疊，且最大流動度數值也是最大；氣煤3次之，塑性區間 53 ℃；氣煤1與氣煤4最大流動度數值相同，塑性區間氣煤1較氣煤4寬。

2.1.4 煤巖反射率分析

4種氣煤的鏡質組反射率采用全自動煤巖圖像分析儀BRICC-M，按照GB/T 40485-2021測試，其分布圖見圖1。

圖1 4種氣煤反射率分布圖

根據反射率分布圖，四種氣煤鏡質組反射率數據統計見表4。

表4 氣煤反射率分析

由圖1及表4可以看出，氣煤2煤化程度最高，氣煤4煤化程度最低，其煤質最為年輕；氣煤4反射率區間最大，離散度最大。

2.2 小焦爐試驗

利用 40 kg 環保型荷重試驗焦爐，對以上4種氣煤分別進行配煤煉焦試驗，配合煤對應命名為配1#、配2#、配3#、配4#。4種配煤方案均以1/3焦煤、25#焦煤為基礎煤，配入10%的氣煤和適當比例的瘦煤，配比情況統計如表5所示：

表5 配煤方案及質量分析

搗固密度為1.0，電腦設定控溫程序，煉焦終溫1000±50 ℃。出焦后采用自然降溫冷卻，所得焦炭采用焦炭反應性及反應后強度測定儀KF-2008H，按照GB/T 4000-2017測定反應后強度(CSR)和反應性(CRI)，來表征焦炭熱態性能。焦炭質量分析結果見表6。

表6 焦炭質量分析

從表6可以看出，4種方案所得焦炭均達到二級焦指標標準，熱態性能指標達到一級焦標準。配3#方案焦炭機械強度最好，配2#方案焦炭熱態性能最好。

綜合表1～表6的數據，焦炭質量最好的配比，所使用的氣煤變質程度最高、塑性區間最寬，其礦物質催化指數MCI小于氣煤4；使用氣煤4的焦炭熱態指標最差，變質程度最低，塑性區間最窄。

氣煤的成焦結構以細粒鑲嵌和各項同性為主，膠質體質量不高、黏結能力不足，生產中使用過多會造成焦炭質量的大幅下降[5]。結合小焦爐試驗結果，變質程度高、膠質層質量好的氣煤，對焦炭質量的劣化影響小于低變質程度氣煤，且氣煤灰成分中堿金屬、堿土金屬對碳溶損反應催化作用帶來的影響小于其變質程度對焦炭質量的影響。

3 搗固煉焦配入氣煤的應用

3.1 實際生產配煤方案選擇

在 40 kg 小焦爐試驗的基礎上，綜合其他因素，使用氣煤3制定了生產配比。根據焦炭熱態指標及配合煤其他分析指標，在搗固焦爐實際生產配比上做了適當調整，增加了較氣煤2收縮更大的氣煤。見表7。：

表7 實際搗固生產配比

實際生產執行配比配合煤分析結果見表8。

表8 生產配比方案配煤分析

搗固焦爐焦炭質量分析見表9。

表9 搗固焦爐焦炭質量分析

由上表焦炭質量結果可以看出，該配比方案可以生產出合格的二級焦，各項指標均能滿足要求。

3.2 配入氣煤的經濟及社會效益分析

在我公司實際生產基礎上，增加了氣煤的配入量，提高配合煤揮發份，帶來了焦爐煤氣和化產品收率的進一步增加。降低了優質煉焦煤的配入量及改善難推焦的問題，在原有配煤成本的基礎上，進一步優化配煤成本10～15元/t，拓寬市場，對于企業經濟效益明顯。同時節約了優質煉焦煤的使用，而且盡可能高效合理利用煤炭資源，創造了良好的社會效益。

4 結論

1)不同產地的氣煤，其基礎特征指標存在不同的差異。在 40 kg 小焦爐配煤煉焦試驗中配入10%，焦炭質量均能滿足生產需求。

2)通過小焦爐試驗結果分析表明，氣煤對焦炭質量的影響，主要是變質程度及基式流動度指標，堿金屬及堿土金屬等對焦炭質量的影響略顯其次。幾種因素具體影響權重需要進一步的試驗研究。

3)企業應根據自身實際情況，選擇合適的氣煤，在保證質量的前提下，達到最優的配比，對企業降本增效、延長焦爐壽命等意義重大。