常見煉焦煤種性能評價①

張明星， 杜 屏

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院， 江蘇 張家港 215625)

引 言

煉焦煤包括氣煤、氣肥煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧瘦煤及過渡煤種1/3焦煤等。我國煉焦煤資源占世界煉焦煤總量的13%左右，其中大部分是氣煤和1/3焦煤，占比45%；肥煤和焦煤僅有35%左右，其中還包括氣肥煤，這說明焦肥煤屬于稀缺資源。同時，由于我國高爐的大型化，對入爐焦炭質量要求越來越高[1-2]，使焦化廠不斷增加焦肥煤比例來提高焦炭質量。由此可見，對煉焦煤種特別是對優質焦肥煤的合理評價和使用是今后需要重點關注的方向。

1 常見煉焦煤種

現階段國內鋼廠煉焦煤來源主要包括長協采購、國內市場采購及國外采購三部分。長協采購主要用以長期穩定焦炭質量，國內市場采購和國外采購量隨市場價格而波動。國外采購主要以澳大利亞昆士蘭州煤炭資源為主。如表1所示為國內某鋼廠常見17種煉焦煤。

表1 常見煤種

2 煉焦煤基本性質

基氏流動度的測定采用美國普瑞6100型塑性儀。Ts為開始軟化溫度，即攪拌槳第一次達到1 ddpm時的溫度，Tf為最后流動溫度，即攪拌槳最后一次達到1 ddpm時的溫度；塑性區間是這兩者之間的差值Tf-Ts。

單種煤焦炭采用40 kg側裝小焦爐煉焦，入爐煤干基質量41 kg，堆密度0.75 t/m3，入爐煤水分10%，結焦時間18 h，出爐焦餅中心溫度960 ℃左右。

2.1 肥煤

2.1.1 工業分析

肥煤工業分析如表2所示。

表2 肥煤工業分析

4個肥煤均屬中高灰煤，肥煤1屬于中硫煤，肥煤4屬于中高硫煤，其他為低硫煤。肥煤1變質程度相對較高，屬中等揮發分煙煤，其他肥煤屬中高揮發分煙煤。

2.1.2 鏡質組反射率及煤巖組成

肥煤鏡質組反射率和煤巖組成如表3所示。

表3 肥煤鏡質組反射率和煤巖組成

肥煤鏡質組平均最大反射率區間為0.9～1.2，4個肥煤鏡質組反射率滿足肥煤特征。方差S在0.1～0.2之間，屬簡單混煤[3-5]，即原煤采洗加工過程中出現的少量混雜，非刻意混配。肥煤1和肥煤2鏡質組含量相對較高，肥煤3和肥煤4惰質組含量相對較高[6]。

2.1.3 熱塑性及黏結性

肥煤工藝性質如表4所示。4個肥煤G值(黏結指數)都很高，屬特強黏煤，膠質層最大厚度Y偏低，沒有達到肥煤標準(大于25 mm)。肥煤2的基氏流動度MF最大，肥煤4的基氏流動度MF最低且塑性區間比其他肥煤低15 ℃左右。

表4 肥煤工藝性質

2.1.4 結焦性

肥煤制焦炭顯微組分由各向同性，細粒鑲嵌，粗粒鑲嵌和絲炭及破片組成，如表5所示。其中各向同性，細粒鑲嵌和粗粒鑲嵌等組織由鏡質組高溫干餾時經軟化、熔融，形成膠質體，膠質體中產生中間相小球，小球吸收周圍液相不斷長大，小球表面張力無法維持其形態使其破裂分散等階段，最終固化殘留在焦炭中，形成各種顯微組分[7]。絲炭及破片由煤中的惰性組分經少量變形產生[8]。

表5 肥煤單種煤焦炭質量

肥煤1和肥煤2的鏡質組含量相比肥煤3和肥煤4高出10%左右，對應焦炭顯微組分中，前者粗粒鑲嵌明顯高于后者。肥煤3和肥煤4惰質組含量高于肥煤1和肥煤2，使其對應焦炭顯微組分中絲炭及破片含量高于肥煤1和肥煤2。焦炭機械強度和熱性質很大程度上取決于其顯微組分[9]，粗粒鑲嵌內的石墨碳按層狀排列，各光學單元之間彼此咬合，組織致密，微孔小，含量高的焦炭相應質量較好。絲炭及破片在顯微鏡下可以觀察到大量孔洞，組織不夠致密，含量高使焦炭質量下降。肥煤1和肥煤2對應焦炭粗粒鑲嵌大于70%，焦炭機械強度和熱性質好。肥煤3和肥煤4對應焦炭絲炭及破片平均高出前者10%，焦炭質量尤其是熱性質下降明顯。

如圖1所示為肥煤2的粗粒鑲嵌組織，如圖2所示為肥煤3的絲炭及破片組織。絲炭及破片中含有大量孔洞，相比之下粗粒鑲嵌組織比較致密，有利于提高焦炭質量。圖1中右側可見兩個氣孔的合并瞬間，肥煤2基氏流動度大，膠質體表面張力有助于促進氣孔形成球形并相互碰撞合并，兩個氣孔球形度都很高。由于球形氣孔與不規則氣孔相比不容易產生應力集中，所以球形氣孔多的焦炭質量較好。

圖1 肥煤2粗粒鑲嵌組織 圖2 肥煤3絲炭及破片

2.2 焦 煤

2.2.1 工業分析

焦煤工業分析如表6所示。

表6 焦煤工業分析

進口焦煤硫含量普遍較低，進口焦煤2屬特低硫煤，進口焦煤1屬低硫煤，焦煤6屬中硫煤，其余屬中高硫煤。焦煤6屬中灰煤，其他焦煤屬中高灰煤。6個焦煤均屬中等揮發分煙煤。

2.2.2 鏡質組反射率及煤巖組成

焦煤鏡質組反射率和煤巖組成如表7所示。焦煤鏡質組平均最大反射率區間為1.2～1.5，焦煤6鏡質組反射率偏高，其它焦煤在區間內。進口焦煤1是單一煤層煤，進口焦煤2、焦煤3、焦煤4、焦煤6屬簡單混煤，焦煤5為具1個凹口的混煤。焦煤鏡質組含量高，幾乎都在60%以上。

表7 焦煤鏡質組反射率和煤巖組成

2.2.3 熱塑性及黏結性

焦煤工藝性質如表8所示。6個焦煤的G值(黏結指數)較高，最大膠質層厚度Y適中，基氏流動度MF差距不大。進口焦煤的塑性區間低于國內焦煤10 ℃左右，進口焦煤1的膠質體開始軟化溫度比其他焦煤高出近20 ℃。

表8 焦煤工藝性質

2.2.4 結焦性

焦煤制焦炭顯微組分由各向同性，細粒鑲嵌，粗粒鑲嵌，纖維及片狀，絲炭及破片組成，如表9所示。與肥煤制焦炭相比，顯微組分中出現少量纖維及片狀組織。纖維及片狀組織各向異性程度大，石墨碳層面排列較鑲嵌組織整齊，致密性更高，其機械強度優于鑲嵌組織。但與此同時，由于其光學單元尺寸大，溶損反應產生的裂紋很容易擴展貫穿其組織，使其熱性質下降。相比，鑲嵌結構由大量小尺寸致密組織構成，溶損反應產生的裂紋容易走向分叉、終止而很難發展并貫穿整個組織，所以鑲嵌結構特別是粗粒鑲嵌熱性質優于纖維及片狀。經上分析，焦煤制焦炭整體機械強度稍優于肥煤制焦炭而熱性質與之相當，可能與焦炭中含有少量纖維及片狀組織有關。

如圖3所示為進口焦煤1的絲炭及破片組織，如圖4所示為焦煤6的粗粒鑲嵌組織。雖然進口焦煤1絲炭及破片含量高，但其尺寸小，均勻地鑲嵌于其他組織之中[10]。對比圖2和圖3可以發現，進口焦煤1的絲炭及破片尺寸明顯比肥煤3小。圖4中焦煤6粗粒鑲嵌組織發展好，部分已經發展成纖維結構，其粗粒尺寸明顯大于圖1中肥煤2的粗粒結構。

表9 焦煤單種煤焦炭質量

圖3進口焦煤1絲炭及破片 圖4 焦煤6粗粒鑲嵌組織

2.3 1/3焦煤

2.3.1 工業分析

1/3焦煤工業分析如表10所示。4個1/3焦煤都是低硫、中高揮發分煙煤，1/3焦煤1近似于特低硫煤且屬低灰煤，其他屬中灰煤。

表10 1/3焦煤工業分析

2.3.2 鏡質組反射率及煤巖組成

1/3焦煤鏡質組反射率和煤巖組成如表11所示。1/3焦煤鏡質組平均最大反射率區間為0.8～0.9。1/3焦煤3鏡質組變質程度偏高，其他1/3焦

表11 1/3焦煤鏡質組反射率和煤巖組成

煤在區間上限。方差在0.1～0.2之間，屬簡單混煤。與焦煤和肥煤相比，1/3焦煤鏡質組含量低，穩定組含量高。

2.3.3 熱塑性及黏結性

1/3焦煤工藝性質如表12所示。4個1/3焦煤G值，Y值均適中，屬中黏煤。1/3焦煤1的基氏流動度MF最大，塑性區間最寬，1/3焦煤4基氏流動度MF及塑性區間均較低。4個1/3焦煤的膠質體開始軟化溫度差距只有3 ℃，非常接近。

表12 1/3焦煤工藝性質

2.3.4 結焦性

1/3焦煤制焦炭含有大量各向同性和細粒鑲嵌。各向同性由無定形碳隨機無規律排列，微孔大，致密性差，焦炭質量較鑲嵌組織差。又因細粒鑲嵌組織性能不如粗粒鑲嵌組織，1/3焦煤制焦炭機械強度和熱性質整體低于焦肥煤制焦炭。具體如表13所示。

表13 1/3焦煤單種煤焦炭質量

2.4 瘦焦煤及瘦煤

2.4.1 工業分析

瘦焦煤及瘦煤工業分析如表14所示。3個瘦焦煤均為低揮發分煙煤。瘦焦煤1為中硫、低灰煤，瘦焦煤2為特低硫、中高灰煤，瘦煤3為中高硫、中灰煤。

表14 瘦焦煤及瘦煤工業分析

2.4.2 鏡質組反射率及煤巖組成

瘦焦煤及瘦煤鏡質組反射率和煤巖組成如表15所示。瘦焦煤鏡質組平均最大反射率在1.5～1.7，瘦煤在1.7～1.9。瘦焦煤1和瘦焦煤2鏡質組反射率滿足典型瘦焦煤特征，瘦煤3偏向于貧煤。瘦焦煤1為單一煤層煤，其它屬簡單混煤。瘦焦煤及瘦煤鏡質組含量高于焦煤，是鏡質組含量最高煤種，瘦焦煤2鏡質組含量接近80%。

表15 瘦焦煤及瘦煤鏡質組反射率和煤巖組成

2.4.3 熱塑性及黏結性

瘦焦煤及瘦煤工藝性質如表16所示。2個瘦焦煤性質相近，瘦焦煤2黏結性略好于瘦焦煤1。瘦煤3黏結性接近于貧瘦煤。瘦煤3進行基氏流動度實驗時，膠質體沒有流動性。

表16 瘦焦煤及瘦煤工藝性質

2.4.4 結焦性

與其他煤制焦炭相比，瘦焦煤制焦炭含有大量纖維及片狀組織。根據上面的分析，纖維及片狀組織機械強度好而熱性質稍差，和瘦焦煤1和瘦焦煤2結焦性吻合。瘦煤3偏貧瘦煤，無法單獨煉焦，沒有結焦性數據。具體如表17所示。

表17 瘦焦煤及瘦煤單種煤焦炭質量

3 煉焦煤性能評價

3.1 肥 煤

肥煤膠質體熱塑性和黏結性明顯優于其他煤種，在配合煤中的作用是增加膠質體數量，擴大膠質體的塑性區間，提高流動度以及增強活性組分對惰性組分的黏結能力。

肥煤1和肥煤2的G值高，塑性區間適中，單種煤焦炭粗粒鑲嵌組織大于70%，應劃分為A類肥煤[11]。肥煤3單種煤焦炭質量稍差，劃分為B類肥煤。肥煤4單種煤焦炭質量和肥煤3相近，但塑性區間偏低，劃分為C類肥煤。

3.2 焦 煤

焦煤單種煤焦炭機械強度優于其他煤種，熱性質與肥煤相近。

焦煤6在國內焦煤中硫含量較低，G值高，塑性區間和流動性好，單種煤焦炭粗粒鑲嵌組織大于70%且含大量大尺寸粗粒鑲嵌組織，劃分為A類焦煤。進口焦煤1，進口焦煤2，焦煤5單種煤焦炭質量略低，進口焦煤1和進口焦煤2塑性區間低，焦煤5硫含量最大，這3個煤種劃為B類焦煤。焦煤3和焦煤4單種煤焦炭熱性質明顯不如其它煤種，劃為C類焦煤。

3.3 1/3 焦煤

1/3焦煤資源豐富，低灰低硫，從資源合理利用角度考慮，應該多配用該類煤種。

1/3焦煤1在同類煤中灰分、硫分較低，塑性區間和流動性較好，單種煤焦炭細粒鑲嵌組織大于50%，焦炭質量好于其他以各向同性組織為主的1/3焦煤，屬A類1/3焦煤。1/3焦煤2單種煤焦炭質量稍差，劃為B類1/3焦煤。1/3焦煤3單種煤焦炭M40低，1/3焦煤4塑性區間和流動性差，可劃為C類1/3焦煤。

3.4 瘦焦煤及瘦煤

瘦焦煤和瘦煤黏結性低，瘦煤3的G值只有12，該類煤的配用應綜合考慮配合煤的黏結性能，視情況調節。

2個瘦焦煤指標相近，瘦焦煤1單種煤焦炭質量優于瘦焦煤2，劃為A類瘦焦煤，瘦焦煤2劃為B類瘦焦煤。瘦煤3變質程度高，各項指標均不如瘦焦煤1和瘦焦煤2，劃為C類瘦煤。

4 結束語

(1)該鋼廠煉焦煤灰分偏高，多配1/3焦煤有利于焦炭降灰、降硫，同時由于其煤種黏結性普遍較強，可以多配加瘦焦煤和瘦煤。

(2)優質焦肥煤單種煤焦炭顯微組分粗粒鑲嵌組織大于70%，優質1/3焦煤應含有大量細粒鑲嵌組織。

(3)基氏流動度大的肥煤產生的氣孔球形度好，應力集中小，焦炭質量好。進口焦煤雖然單種煤焦炭顯微組分中絲炭及破片組織含量高，但由于其尺寸小，分布均勻，焦炭質量也較好。