焦炭光學組織在煤質評價中的應用研究

徐 丹，曾 濤，黃文良

（重慶鋼鐵（集團）有限責任公司 焦化廠，重慶401258）

1 前言

黏結性是煉焦煤最重要的工藝性質之一，是評價煉焦煤性質的主要指標［1-2］。但是部分變質程度接近或相同的煤，其黏結性有時卻有很大的差異［2］。因難以掌握這些較為特殊的煤的性質，會制約這些煤在配煤煉焦中的使用。當煉焦操作條件相同時，所煉焦炭的光學組織是與原料煤的煤質緊密相關的［3-4］，可以從焦炭光學組織組成來判斷變質程度接近但性質不同的煤之間的差異。因此焦炭光學組織在評價煤質方面有著較為廣泛的應用前景。

本研究主要以煤質較為特殊的青海煤（代號QM）作為研究對象，為綜合評價青海煤的性質，特選取了典型的氣煤（代號D1）、1/3焦煤（代號B4）、肥煤（代號C2）和焦煤（代號A3）作為參照。對各單種煤進行工業分析、煤巖分析、黏結性分析，并測定各單種煤所煉焦炭的冷態機械強度和光學組織組成。主要通過青海煤所煉焦炭光學組織組成來評價、推斷其性質，使其在配煤煉焦中能夠得到合理的使用。

2 煤質分析及煉焦試驗

各單種煤的工業分析按照GB/T 212—2001《煤的工業分析方法》進行；各單種煤的黏結指數（G值）按照GB/T 5447—1997《煙煤黏結指數測定方法》進行測定；各單種煤的膠質層最大厚度（Y值）按照GB/T 479—2000《煙煤膠質層指數測定方法》進行測定；各單種煤的基氏流動度按照GB/T 25213—2010《煤的塑性測定恒力矩吉氏塑性儀法》進行測定。粉煤光片的制作按照GB/T 16773—2008《煤巖分析樣品制備方法》制作。利用HD型全自動顯微光度計測定各單種煤煤樣鏡質組平均最大反射率（Rmax）和鏡質組反射率分布。樣品測定面積1 cm×1 cm，總測定點數1萬點。

單種煤小焦爐煉焦試驗在40 kg試驗焦爐上進行，該試驗焦爐采用電加熱，煤餅兩面受熱，其余加熱面采用石棉板保護。基本尺寸410 mm×560 mm×500 mm。試驗條件：實際裝煤量36 kg（干基），裝爐煤水分10%，裝爐煤細度＜3 mm占85%；裝煤溫度800℃，結焦時間17 h，焦餅溫度950~1 050℃，火道溫度1 150℃；煉焦速度24.1 mm/h。焦炭冷態機械強度包括抗碎強度（M40）和耐磨強度（M10）。焦炭冷態強度按照GB/T 2006—2008《焦炭機械強度的測定方法》進行測定。

粉焦光片的制作按照GB/T 16773—2008《煤巖分析樣品制備方法》制作。焦炭光學組織組成按照YB/T 077—1995進行測定，試驗設備為德國Leica雙目偏反光顯微鏡，白光入射，插入起偏鏡和檢偏鏡，調節起偏鏡與檢偏鏡之間的夾角為90°，形成正交偏光，在正交偏光下插入石膏補償板，選用×50油浸物鏡和×10目鏡，采用計點統計法測定焦炭光學組織。測定時，樣品測定面積1.4 cm×1.4 cm，點行間距400 μm，總測定點數1 200點。

3 結果與討論

3.1 分析結果

各單種煤干燥無灰基揮發分（Vdaf）、Rmax、G值、Y值、最大流動度、塑性溫度區間和所煉焦炭的冷態機械強度測定結果見表1。青海煤和C2肥煤的鏡質組反射率分布如圖1、圖2所示。各單種煤所煉焦炭的光學組織組成的測定結果如表2所示。

3.2 單種煤煤質分析

從表1中分析結果可知，青海煤（QM）、A3、B4、C2和D1煤的鏡質組平均最大反射率分別為1.051%、1.220%、0.835%、1.106%和0.747%。根據文獻［5］提供的煙煤鏡質組平均最大反射率與煤種的對應關系，可判斷青海煤、A3、B4、C2和D1煤分別屬于肥煤、焦煤、1/3焦煤、肥煤和氣煤。因此從煤巖分析結果來看，青海煤不僅Rmax與C2肥煤接近，而且鏡質組反射率分布與C2肥煤也基本一致（見圖1、圖2，青海煤和C2肥煤鏡質組反射率分布中各反射率區間所占比例非常接近）。工業分析結果表明，青海煤Vdaf為31.5%，與C2肥煤也非常接近。但是，青海煤的黏結性與C2肥煤有很大的差距（C2肥煤G值為95，Y值為21.9 mm）。青海煤的流動度（LogMF）遠小于C2肥煤的流動度，且青海煤的塑性溫度區間明顯小于C2肥煤的塑性溫度區間。根據煤炭分類標準（GB/T 5751—2009），青海煤屬于1/3焦煤。

表1 單種煤性質及所煉焦炭質量

圖1 青海煤鏡質組反射率分布

圖2 C2肥煤鏡質組反射率分布

表2 單種煤所煉焦炭光學組織組成 %

從黏結性的測定結果來看，青海煤的黏結指數G值為75，膠質層最大厚度Y值為10 mm，該煤與D1氣煤的黏結性非常接近，但從基氏流動度的測定結果可知，青海煤的最大流動度（LogMF為3.15）大于D1氣煤，說明青海煤熱解過程中膠質體的質量均好于D1氣煤，故青海煤的性質好于D1氣煤。

雖然青海煤的黏結指數G值和膠質層最大厚度Y值明顯較B4煤（1/3焦煤）要差，但是青海煤的流動度和塑性溫度區間與B4煤接近。青海煤變質程度與肥煤接近，但是其黏結性與肥煤有很大差距，這正是青海煤性質較為特殊之處。因此在配煤煉焦中將青海煤視作肥煤或焦煤使用沒有合理依據。故可考慮通過單種煤所煉焦炭的光學組織來評價青海煤的性質。

3.3 單種煤所煉焦炭光學組織及冷態強度分析

由表2可知，A3焦煤和C2肥煤所煉焦炭光學組織中都是以中粒鑲嵌和粗粒鑲嵌組織為主（中粒鑲嵌和粗粒鑲嵌組織之和超過60%），細粒鑲嵌組織的含量都低于10%，基本無各向同性組織。而青海煤所煉焦炭光學組織中，細粒鑲嵌組織含量超過50%，同時還含有約5%的各向同性組織，中粒鑲嵌和粗粒鑲嵌組織的含量極少。以上結果表明，青海煤所煉焦炭的光學組織組成與典型的肥煤和焦煤所煉焦炭的光學組織組成有很大的差異。

為了進一步確認青海煤的性質，表2中同時也列出了B4煤（1/3焦煤）和D1煤（氣煤）所煉焦炭的光學組織組成。B4煤所煉焦炭光學組織中，各向同性和細粒鑲嵌組織的含量與青海煤所煉焦炭的組織接近，但中粒鑲嵌和粗粒鑲嵌含量較青海煤所煉焦炭的要高，而絲炭與破片含量要低。D1煤所煉焦炭光學組織中，各向同性的含量高達39.6%，細粒鑲嵌組織含量為32.9%，中粒和粗粒鑲嵌組織含量之和僅占5%。也就是說，與青海煤所煉焦炭的光學組織組成相比較，D1煤所煉焦炭光學組織中各向同性組織含量較高，細粒鑲嵌組織含量較低。

通過表1中所列單種煤所煉焦炭的冷態機械強度的測定結果可以看出，青海煤所煉焦炭的抗碎強度M40和耐磨強度M10分別為64.0%和12%，均較C2肥煤和A3焦煤所煉焦炭的M40和M10要差；青海煤所煉焦炭的冷態強度略好于1/3焦煤（B4煤）所煉焦炭的冷態強度；在本研究所選單種煤煤樣中，D1氣煤所煉焦炭的冷態強度相對最差。

3.4 青海煤煤質特殊性探析

青海煤所煉焦炭光學組織中絲炭與破片含量為38.5%，說明青海煤中鏡質組含量偏低，而惰質組含量偏高，這可能是由于青海煤在成煤過程中的泥炭化階段，經歷了一定程度的氧化，生成了大量富碳貧氫的惰質組。青海煤中鏡質組的變質程度接近肥煤，但是青海煤的鏡質組活性明顯低于肥煤。這可能由以下兩個方面的原因造成：

1）變質程度接近的鏡質組的活性差異主要與煤的還原程度有關［6］。目前認為，煤的還原程度主要取決于泥炭沼澤中的氧化還原電位，酸堿度和鹽類成分等因素［7］。如成煤植物在氧化還原電位較高并具酸性、少鹽類的弱還原環境下，成煤植物中的有機質傾向于轉變成有結構的貧氫鏡質組，則形成的煤的還原程度較低［7］。在變質程度相同時，還原程度越低，黏結性越差，青海煤可能屬于這種情況。

2）青海煤在成煤過程中的變質階段，可能受到地殼中巖漿的作用，其變質程度在短時間內顯著增加，使其鏡質組反射率與肥煤相當，但是其鏡質組的活性依然達不到肥煤鏡質組的活性。

4 青海煤在配煤煉焦中的使用建議

雖然青海煤鏡質組平均最大反射率與肥煤接近，鏡質組反射率分布也屬于典型的肥煤分布，但是無論從煤的黏結性指標還是單種煤所煉焦炭光學組織組成和焦炭的冷態強度來看，青海煤與肥煤和焦煤的性質均有很大的差距。因此在煉焦生產中把青海煤當做肥煤和焦煤使用時，該煤不能夠起到肥煤和焦煤的作用。雖然青海煤的黏結指數和Y值均與氣煤較接近，但是其流動度、塑性溫度區間和所煉焦炭的光學組織組成、冷態強度均較氣煤要好，故青海煤的性質明顯好于氣煤。由于青海煤所煉焦炭光學組織組成與1/3焦煤更加接近，且青海煤所煉焦炭質量略好于1/3焦煤所煉焦炭質量，因此在配煤煉焦過程中把青海煤當做1/3焦煤使用更為合理。

5 結論

5.1 青海煤變質程度與肥煤接近，但是其黏結性較肥煤要差。

5.2 青海煤所煉焦炭冷態強度較肥煤和焦煤所煉焦炭要差，略好于1/3焦煤所煉焦炭。

5.3 青海煤所煉焦炭光學組織與細粒鑲嵌和絲炭與破片為主，中粒和粗粒鑲嵌含量較少。而肥煤和焦煤所煉焦炭光學組織以中粒和粗粒鑲嵌為主，細粒鑲嵌的含量較少。

5.4 在配煤煉焦中，把青海煤視作1/3焦煤使用更為合理。

［1］ 虞繼舜.煤化學［M］.北京：冶金工業出版社，2000.

［2］ 陳鵬.中國煤炭性質、分類和利用［M］.北京：化學工業出版社2007.

［3］ 姚昭章.煉焦學［M］.北京：冶金工業出版社，1995.

［4］ 何選明.煤化學［M］.北京：冶金工業出版社，2010.

［5］ 李文華，白向飛，楊金和，等.煙煤鏡質組平均最大反射率與煤種之間的關系［J］.煤炭學報，2006，31（3）：342-345.

［6］ 周師庸，趙俊國.煉焦煤性質與高爐焦炭質量［M］.北京：冶金工業出版社，2005.

［7］ 張亞云.應用煤巖學基礎［M］.北京：冶金工業出版社，1990.