不同產地焦煤的結焦性能差異及原因分析

錢虞峰 張衛華 王小四 閆瑞寧 張德祥

(1.華東理工大學資源與環境工程學院，上海市徐匯區，200237；2.華東理工大學煤氣化及能源化工教育部重點實驗室，上海市徐匯區，200237；3.臨渙焦化股份有限公司，安徽省淮北市，235141)

中國是焦炭大國，不論是從焦炭的生產、消費還是出口，都居于世界首位。近年來焦炭生產量持續增長，但是也出現了焦炭灰分、硫分含量升高、焦炭強度下降等問題，對環境造成的影響也較為惡劣，而煉焦煤質量的好壞直接影響了焦炭的質量，因此選擇優質的煉焦煤是提高焦炭質量的關鍵之一。中國煤炭資源豐富，但是目前開發出來的煤炭比較年輕，變質程度較低，適合煉焦的焦煤及肥煤數量較少，同時市場上經常出現劣質煤混入優質煤造成“混煤”的現象，對焦炭質量造成不良影響，也損害了企業的利益。選用煤巖分析的方法，通過分析煤的顯微組分及鏡質組反射率來鑒定煤種是目前公認的最有效的方法。在配煤煉焦中，由于氣煤、肥煤、焦煤和瘦煤的特性差異比較大，通過鏡質組隨機反射率分布圖來調整各種煤的配比情況也是十分有效的手段，分布圖越趨近于正態分布，幾種煤的適配性就越好，焦炭性能也就越好。

產自不同地區的焦煤質量也存在一定的差異，本文以安徽臨渙焦化廠采購的不同產地的焦煤(DXJ焦煤、BWJ焦煤、HSJ焦煤產自山西的不同煤礦，HKJ焦煤產自安徽)進行配煤煉焦，探究不同的焦煤在配煤中的特性表現及分析造成差異的原因。

1 試驗方法

1.1 實驗室坩堝焦試驗

采用高溫電阻爐進行坩堝焦試驗，選取原料煤樣150 g，試驗終溫設置在1050℃，在300℃停留20 min，在1050℃時停留30 min。將試驗所得全部焦炭參照《冶金焦炭機械強度的測定方法》(GB /T 2006-1994)測定焦炭抗碎強度和耐磨強度(本文定義為M13和M3)，M13和M3分別見式(1)和式(2)：

式中：m1——大于13 mm焦炭的質量，g；

m——焦炭總質量，g；

m2——小于3 mm焦炭的質量，g。

焦炭反應性及反應后強度測定按照國標《焦炭反應性及反應后強度試驗方法》(GB/T 4000-2008)進行，反應性測定從950℃開始，每50℃測定1次，終溫為1200℃并停留30min。用CRI*表示反應性指數，CSR*表示反應后強度。

1.2 煤巖分析

參照《煤的鏡質體反射率顯微鏡測定方法》(GB /T 6948—2008)及《煤的顯微組分組和礦物測定方法》(GB /T 8899—1998)，采用 Zeiss Imager.A2m全自動偏光顯微鏡測定煉焦煤鏡質組平均最大反射率(Rmax)及其顯微成分，利用 HD 型全自動顯微鏡光度計軟件采集相關數據，并擬合得出配煤鏡質組隨機反射率分布圖。

2 試驗結果分析與討論

2.1 單種煤的結焦特性分析

對本文中所采用的7種煤樣(焦煤：BWJ、DXJ、HKJ、HSJ，HLF肥煤、HDQ氣煤、DHS瘦煤)進行工業分析，對單煤所煉制的焦炭進行冷態強度和熱態強度分析，單煤煉焦的特性數據及工業分析表見表1。

表1 單煤煉焦的特性數據及工業分析表 %

由表1可以看出，焦煤在配煤煉焦中是主要的配煤原料，試驗用到的4種焦煤，從成焦率來看，DXJ焦煤、HKJ焦煤和HSJ焦煤的成焦率十分接近，BWJ焦煤由于揮發分含量較低，因此它的成焦率最高，達到了82.36%，相比于其他3種焦煤要高出3%以上；從焦炭冷態強度來看，DXJ焦煤的耐磨強度為2.79%，抗碎強度達到了96.74%，這兩項指標都是2種焦煤中最好的，HKJ焦煤緊隨其后，相對來講，BWJ焦煤的冷態強度要較差一些，尤其是抗碎強度只有93.47%；在評價焦炭的熱態強度時，認為反應性指數CRI*越低且CSR*越高，則焦炭的熱態強度越好，DXJ焦煤的熱態強度是焦煤中最好的，它的CRI*僅為26.91%，CSR*高達83.83%，CRI*與CSR*具有一定的負相關性，焦炭的孔隙越多，導致與CO2的反應點也越多，CRI*也就越高，反應結束后也會造成焦炭的CSR*下降；揮發分是形成焦炭氣孔的內因，HKJ的揮發分含量在焦煤中最高，因此HKJ焦煤的熱態強度是4種焦煤中最差的；4種焦煤中HKJ焦煤的硫含量是最低的，僅為0.56%，而其他3種焦煤的硫含量均在2%以上，屬于高硫焦煤，會造成焦炭硫含量過高，因此在考慮配煤方案時不宜多配。

肥煤是僅次于焦煤的優質煉焦煤，加熱時產生大量膠質體，同時煤氣的產量比較高，因此也會造成氣孔率較高，焦炭的裂紋較多，導致焦炭的冷態強度下降。HLF肥煤的M3達到了8.2%，M13為85.12%，兩項數值都是所有煤樣中最差的，因此要配合氣煤、瘦煤等弱黏結性和低黏結性的煤來提高焦炭的強度。

HDQ氣煤的揮發分含量高，灰分含量低，在配煤中可以起到降灰的作用。該氣煤雖然揮發分的含量高于HLF肥煤，但是由于膠質體含量不如肥煤，因此冷態強度要優于肥煤。HDQ氣煤的CRI*指數偏高，為53.76%，是7種煤樣中最高的，因此對配合煤的CRI*影響最大。

瘦煤的特點是煤化程度比較高，在煉焦時產生的膠質體數量較少，抗碎強度較好但是耐磨強度欠佳。DHS瘦煤的成焦率較高，冷態強度符合瘦煤的基本特性，熱態強度也比較優良，在配煤中適量配入可以提高焦炭的質量，但由于耐磨強度較差，高達7.77%，因此不宜多配。

2.2 配煤煉焦

為了考察不同產地焦煤的配合性，探究不同焦煤在配煤中的特性差異，其他煤種不變，僅改變焦煤的種類，按照氣煤∶肥煤∶瘦煤∶焦煤=30∶25∶15∶30進行配比，共150 g。為了能夠進行綜合比較分析，將單煤與配煤的焦炭的單項特性用柱狀圖來表示，M3和M13對比圖如圖1和圖2所示。

圖1 M3對比圖

由圖1可以看出，HKJ焦煤的變化不大，剩下的3種焦煤的柱形圖升高，說明耐磨強度均有下降，其中DXJ焦煤的程度最為明顯，從原來的2.79%升至為5.26%，甚至超過了HSJ焦煤的5.10%，完全沒有了單煤煉焦時的優勢；由圖2可以看出，HKJ焦煤的抗碎強度變化依舊不大，M13為95.60%，DXJ焦煤的抗碎強度下降的幅度同樣是最大的，從96.74%下降到了94.28%，經過配煤后DXJ焦煤抗碎強度被HKJ焦煤超越，僅排在第二位，HSJ焦煤93.65%排在第三，BWJ焦煤92.95%排在最后。總的來說配煤后的冷態強度屬HKJ焦煤最佳，耐磨強度為3.91%，抗碎強度95.60%；BWJ焦煤在單煤時的冷態強度時最差，經過配煤后依然是4種焦煤中最差的。

圖2 M13對比圖

CRI*和CSR*對比圖如圖3和圖4所示。

圖3 CRI*對比圖

圖4 CSR*對比圖

由圖3和圖4可以看出，由于配合的氣煤與肥煤熱態強度不如焦煤的優良，因此4種煤的熱態強度均有下降。由圖3可以看出，配煤后HSJ焦煤的CRI*性能最優，為42.32%，其次為BWJ焦煤的CRI*，為45.07%，原先CRI*最低的DXJ焦煤從26.91%升至47.41%，僅僅優于HKJ焦煤的CRI*；由圖4可以看出，4種焦煤原本差異比較明顯但經過配煤后CSR*十分接近，BWJ焦煤略有提升，其它3種焦煤都有不同程度的下降，單煤焦炭性能最好的DXJ焦煤的經過配煤后的性能下降幅度最大，說明DXJ焦煤與HLF肥煤、HDQ氣煤、DHS瘦煤配合后的效果不理想。

2.3 CO2反應性分析

焦炭是一種炭質多孔體，溫度在900℃～1300℃時，在高爐中會與CO2反應生成CO，這一反應被稱為溶損反應，溶損反應的速率的大小直接影響焦炭的反應性指數CRI*和反應后強度CSR*，單種焦煤CO2反應性對比圖如圖5所示。

圖5 單種焦煤CO2反應性對比圖

由圖5可以看出，溫度越高焦炭和CO2反應速率增大，導致還原率增大。溫度在950℃時，4種焦煤的還原率差別不大；溫度在1200℃時，HKJ焦煤的還原率是最高的，達到了83.65%，而HSJ焦煤和BWJ焦煤都在60%左右，DXJ焦煤的還原率最低，為42.25%，說明其焦炭的氣孔率及比表面積比較低，焦炭的裂紋較少。

配煤焦炭反應性對比如圖6所示。

由圖6可以看出，配煤煉焦后由于焦煤所占比例僅占30%，因此4種配煤方案的焦炭還原率趨于相近，HKJ焦煤的配合煤還原率仍然是最高的，達到了85.71%，比單煤提高了2.06%。原本還原率比較低的其他幾種焦煤的配合煤還原率提高明顯，都達到了70%以上。雖然HKJ焦煤的單煤還原率很低，但是配合煤的還原率卻沒有之前明顯的優勢。

圖6 配煤焦炭反應性對比

2.4 煤巖組分與Rmax對焦炭質量的影響

煤中的活性組分與惰性組分的含量與比例直接影響了焦炭的質量，因此了解煤的煤巖組分十分有必要。Rmax能夠判斷煤樣的變質程度，而鏡質組隨機反射率分布圖能夠反映變質程度的變化細節，同時能夠鑒定煤樣是否存在混煤的現象。不同焦煤的煤巖組分對比見表3。

表3 不同焦煤的煤巖組分對比

由表3可以看出，BWJ焦煤和DXJ焦煤的活惰比都較高，說明其中鏡質組的含量相對較高，而HKJ焦煤的活惰比最低，只有1.3；Rmax反應了煤的煤化程度，Rmax越高則煤化程度越高，DXJ焦煤的Rmax達到了1.688%，其煤化程度是4種焦煤中最高的，BWJ焦煤其次為1.450，HKJ焦煤和HSJ焦煤的Rmax較低且十分接近。

4種焦煤的煤鏡質組隨機反射率分布圖如圖7所示。

由圖7可以看出，4種煤樣均存在不同程度的混煤現象，DXJ焦煤雖然Rmax值較高，但是其反射率分布較寬，重疊度不高，沒有明顯的峰值，在1.3%、1.5%和1.8%存在明顯的凹口；HKJ焦煤的混煤程度也比較明顯，峰值出現在0.8%和1.2%，但在1.0%、1.2%和1.4%處存在明顯的凹口，由此可以判斷可能是兩種或以上的煤混合而成，因此可能會造成焦炭強度的不穩定性；HSJ焦煤在1.0%之前有個峰值，在1.0%后的峰面積較大，相對來講混煤的情況較少；BWJ焦煤的峰型比較對稱，峰值在1.3%左右，煤化程度較高，凹口較少，基本沒有混煤的現象，使用該煤配煤煉焦的焦炭性質相對比較穩定。

理想的配煤方案的分布圖曲線分布均勻連續，沒有大的凹口。4種配合煤的煤鏡質組隨機反射率分布圖如圖8所示。

圖7 4種焦煤的煤鏡質組隨機反射率分布圖

圖8 4種配合煤的煤鏡質組隨機反射率分布圖

由圖8可以看出，圖(e)的曲線小凹口比較多，峰值主要出現在1.1%～1.2%，但在0.6%和0.8%出現了一個較大的峰值，說明該方案的瘦煤和氣煤比例較高；圖(f)的曲線是最不均勻連續的，這是由于DXJ焦煤的Rmax較高，而肥煤和氣煤屬于中低變質程度的煙煤，其Rmax并不高，氣煤的Rmax一般在0.8%～0.9%之間波動，肥煤Rmax一般在0.9%～1.1%之間波動，因此出現了斷層的現象，由此可以解釋，DXJ焦煤單煤煉焦時，其冷態強度和熱態強度都是4種焦煤中最好的，但是進行配煤煉焦時，其焦炭性能卻不是最好的；圖(g)在0.8%～0.9%處的峰值過高，根據HKJ焦煤的單煤鏡質組分布圖發現，這是由于HKJ煤在該處存在一個峰值的緣故，加上氣煤和肥煤的影響，導致該處的峰值過高，但是整體的連續性還可以，因此雖然HKJ焦煤存在混煤情況，但是配合煤結焦性能卻十分良好；圖(h)的曲線連續性要比圖(g)要差一些，在1.0%和1.3%處有明顯的凹口，但是整體上要比圖(a)和圖(b)的曲線好，因此從配合煤的結焦性能來看，HSJ焦煤配合煤比BWJ焦煤配合煤結焦性能好，跟DXJ焦煤配合煤比要差一些，這是由于HSJ焦煤的單煤焦炭強度不如DXJ焦煤的焦炭強度所致的。

3 結論

從4種焦煤的配合煤結焦性能來比較分析，HKJ焦煤配合煤的冷態強度最好，另外3種焦煤的配合煤耐磨強度都十分相近，耐磨強度由DXJ焦煤、HSJ焦煤、BWJ焦煤依次遞減。綜合熱態強度對比，給出4種焦煤配煤性質從優到劣排序可以為HKJ焦煤最優，HSJ焦煤和DXJ焦煤次之，BWJ焦煤最差。

焦煤的結焦性能會影響其配合煤的結焦性能，但不同的焦煤對其配合煤所產生的的影響大小不同，因此不能僅參考單煤性質來判斷其配合煤的結焦性能，需要配合Rmax與鏡質組隨機反射率分布圖來推斷配合煤的結焦性能。鏡質組隨機反射率分布圖出現明顯凹口時焦炭的性能欠佳，若此時不改變配煤種類，則需要調整配煤的比例來使鏡質組隨機反射率分布圖的曲線達到連續，并使峰值保持在1.2%～1.3%處，可提高焦炭質量。