配煤煤質對其搗固焦強度的影響研究

樊錦文 杜美利 劉 雷

(西安科技大學化學與化工學院，陜西省西安市，710054)

鋼鐵行業作為我國國民經濟的基礎行業，對宏觀經濟的發展至關重要，為了滿足社會的不斷發展，人們對鋼鐵材料的質量要求也不斷提高，同時對低雜質高強度焦炭的需求也持續增長。配煤煉焦作為一種常用的煉焦技術不僅可以擴大煉焦用煤范圍、緩解我國優質煉焦煤資源緊缺現狀，同時可以提高資源利用效率，因此備受重視。我國配煤工藝及煉焦條件均處于較高且穩定的水平，原料煤性質對焦炭質量的優化仍具有較大的提升空間。

國內外研究者對原料煤性質影響焦炭質量做了大量工作，朱子宗等研究人員通過添加改質劑研究了庫拜煤改質對焦炭冷態強度的影響；張文成等研究人員通過添加廢橡膠研究其對焦炭的基質架構、機械強度的影響；項茹等研究人員研究了配合煤不同粒度組成分布對焦炭冷態強度的影響；王浩研究了配煤中添加生物質對冶金煉焦質量的影響；崔平等研究人員研究了不粘煤、長焰煤、氣煤、肥煤、1/3焦煤、貧瘦煤、無煙煤等煤種對配煤煉焦的影響；Duffy.J J等研究人員認為不同煤階的煤之間的混合程度小，而熔融僅限于顆粒表面，他們通過添加瀝青對共混煤焦化壓力機理進行了研究；Kokonya.S研究了煤與生物質共混物流動性對焦炭質量的影響；Steel. K M等研究人員對熱塑性與焦化壓力產生的關系做了深入研究。

目前，研究原料煤性質對焦炭質量的影響多集中于單一煤種、單一影響因素的分析。本試驗在前人的研究基礎上以黃陵煤、朝川煤為配煤對象進行配煤搗固煉焦試驗。通過調整黃陵煤的配入量調節配合煤煤質參數，利用相關性分析研究配合煤煤質參數對焦炭質量的影響，利用因子分析研究配煤煤質參數之間的內在聯系，為配煤煤質調整提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗樣品

試驗樣品采用黃陵礦區一號煤礦選煤廠洗選精煤(HL-1/2ZN 代表1/2中黏煤)、朝川焦化廠洗選精煤(CHCH-F代表朝川肥煤、CHCH-1/3J代表朝川1/3焦煤、CHCH-J代表朝川焦煤和CHCH-SH代表朝川瘦煤)，樣品基本煤質檢測包括水分(Mad)、灰分(Aad)、揮發分(Vdaf)、全硫含量(St,d)、粘結指數(G)、有機顯微組分含量(鏡質組V、惰質組I、殼質組E)、無機礦物質含量(M)、活性組分含量(AM)以及鏡質體最大平均反射率(Rmax)等影響配煤煉焦質量參數，樣品煤質分析見表1。

表1 樣品煤質分析

1.2 配煤方案

以黃陵1/2中黏煤逐漸替代朝川1/3焦煤和焦煤為思路，共設計了15種不同的配比方案，各方案具體煤種及配比見表2和表3。

表2 黃陵1/2中黏煤替代朝川1/3焦煤試驗方案 %

表3 黃陵1/2中黏煤替代朝川焦煤試驗方案 %

1.3 試驗內容

首先，將各種煤樣按國家標準要求縮分作為試驗原料煤，在空氣中自然干燥，使煤中水分達到平衡，將縮分出來的煤樣破碎至全部通過直徑為3 mm的圓孔篩；其次，依據國家標準方法對配煤煤質進行檢測；然后，搗固裝箱進行煉焦試驗，在室溫下將盛有配合煤樣的鐵箱放入高溫電阻爐中，煉焦試驗升溫曲線如圖1所示；熄焦后，進行焦炭質量檢測，檢測內容包括焦炭抗碎強度(M25)和耐磨強度(M10)，焦炭熱反應性(CRI)、反應后強度(CSR)等；最后，再利用IMB SPSS statistics 21軟件，對配煤煤質參數與焦炭質量參數之間及配煤煤質參數之間進行分析，主要包括相關性分析和因子分析。

圖1 煉焦試驗升溫曲線

2 結果與討論

2.1 配合煤煤質分析

對15種配合煤煤質檢測結果見表4。

由表4可以看出，配合煤的水分分布范圍為0.76%～2.31%，平均值為1.57%；灰分分布范圍為9.96%～10.96%，平均值為10.39%；揮發分分布范圍為24.43%～29.14%，平均值為26.71%；全硫含量分布范圍為0.69%～0.75%，平均值為0.72%；粘結指數分布范圍為47.80～74.80，平均值為61.66%；V分布范圍為42.00%～77.45%，平均值為65.45%；I分布范圍為16.77%～51.50%，平均值為29.64%；E分布范圍為0.44%～2.20%，平均值為1.17%；AM分布范圍為43.00～79.64%，平均值為66.62%；Rmax分布范圍為0.89～1.07%，平均值為1.00%。隨著黃陵1/2中黏煤配入量的增加，配合煤的Mad依次增大、Aad依次減小、St,d依次增大、主要是由于黃陵1/2中黏煤的水分、灰分及硫含量均高于其它煤種。15種配煤煤質指標基本符合煉焦工藝設計技術要求。

2.2 焦炭質量分析

根據冶金焦炭強度國家標準指標對配煤搗固焦強度進行分析，對15種配煤方案的焦炭質量檢測結果見表5。

表4 配煤煤質分析

注：配合煤序號與方案序號相同，僅在方案序號前加P以示區別

由表5可以看出，焦炭J1、J3的M25指標符合國家一級標準，焦炭J11、J12和J13的M25指標符合國家三級級標準，其它10種焦炭的M25指標均符合國家二級標準；焦炭J12、J13的M10指標符合國家二級標準，其它13種焦炭的M10指標均符合國家一級標準；焦炭J1、J2、J3、J7和J8的CRI指標符合國家一級標準，焦炭的J4、J5、J6、J7、J9、J10、J11、J12和J13的CRI指標符合國家二級標準，焦炭的J14和J15的CRI指標接近國家二級標準；焦炭的J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7、J8、J9和J10的CSR指標符合國家一級標準，焦炭的J11、J12、J13、J14和J15的CSR指標符合國家二級級標準。整體上分析，隨著黃陵煤配入量的增加，焦炭M10和CRI指標呈增大趨勢，隨著黃陵煤配入量的增加，焦炭M25和CSI指標呈減小趨勢。綜上分析焦炭J1和焦炭J3各項指標均符合冶金焦炭國家一級標準，焦炭J11、J12和J13符合國家三級級標準，其它10種焦炭各項指標均符合冶金焦炭國家二級標準。

表5 焦炭質量分析

注：焦炭序列號與配合煤相同，僅在焦炭樣品號前加J以示區別

2.3 相關性分析

利用SPSS軟件對配煤煤質參數與焦炭強度參數進行雙變量相關性分析，配煤煤質參數與焦炭強度參數相關性系數表見表6。

一般認為相關系數|r|在0.8～1.0之間是極強相關，0.6～0.8之間是強相關，0.4～0.6 之間是中等程度相關，0.2～0.4之間是弱相關，0.0～0.2則是極弱相關或無相關。10個配煤煤質參數與4個焦炭強度參數兩兩之間做相關性分析共得到40組數據。由表6可以看出，30組數據之間呈強相關性甚至極強相關性， 5組數據之間呈中等相關性，5組數據之間呈弱相關性甚至無相關性。殼質組含量與4種焦炭強度參數均呈極弱相關或無相關，這主要是由于殼質組在煤中的含量極少(15中配煤方案中，殼質組含量最高為2.2%，最小為0.44%，平均含量僅1.17%)造成的影響無法直觀反映出來。其它9種煤質參數與焦炭強度參數均存在一定的相關性。M25與V、I、AM、G之間呈極強相關性，與Mad、Ad、Vdaf、St,d、Rmax呈中等相關性；M10與Mad、Ad、Vdaf、St,d呈中等相關性，與G、V、I、AM、Rmax之間均呈強相關性；CRI與Mad、Ad、Vdaf、St,d、Rmax呈極強相關性，與V、I、AM呈強相關性，與G呈弱相關性，CSR與Mad、Ad、Vdaf、St,d、G、Rmax呈極強相關性，與V、I、AM呈強相關性。

表6 配煤煤質參數與焦炭強度參數相關性系數表

2.4 因子分析

利用SPSS軟件主成分分析方法對配煤煤質參數進行因子分析，借助KMO及Bartlett檢驗方法分析，KMO 和 Bartlett 的檢驗結果見表7。

表7 KMO和Bartlett的檢驗

由表7可以看，在Bartlett 的球形度檢驗中，Sig.值為0.000小于顯著性水平，拒絕原假設；Kaiser-Meyer-Olkin 度量值為0.882，大于0.7，說明適合因子分析。基于特征值大于1抽提因子做碎石圖，碎石圖如圖2所示，解釋的總方差結果見表8。

圖2 碎石圖

由圖2可以看出，只有因子1和因子2初始特征合計值大于1故提取2個因子。

表8 解釋的總方差表

由表8可以看出，因子1初始特征值為7.829，方差貢獻率為86.989%；因子2初始特值為1.019，方差貢獻率為11.318%；且因子1與因子2共同解釋累計值達到98.306%，丟失的信息較少。其余因子特征值均小于1，方差貢獻率極小，包含信息極少。采用方差極大法對因子載荷矩陣實行正交旋轉得到旋轉成份矩陣見表9。

表9 旋轉成份矩陣表

由表9可以看出，G、Vdaf、Mad、Aad、S和Rmax在第1因子有較高載荷，此類煤質參數均與煤的變質程度有一定關系，可解釋為煤的變質程度單位因子，V、I、AM在第2個因子的載荷高，此類因子能夠反映煤的有機顯微組成，可解釋為有機顯微組成單位因子。

3 結論

(1)配合煤屬于低中灰煤、中等揮發分，低硫分、中等粘結性，且與黃陵1/2中黏煤的配入量關系密切；配合煤活性組分分布范圍含為43.00%～79.64%。配煤煤質指標基本符合煉焦工藝設計技術要求。

(2)黃陵1/2中黏煤部分替代朝川焦煤、1/3焦煤煉焦試驗基本可行。在15種配煤方案中，10種焦炭強度指標達到冶金焦炭國家二級標準要求，3種焦炭強度指標達到冶金焦炭國家三級標準，2種焦炭強度指標達到冶金焦炭國家一級標準。

(3)僅殼質組含量與焦炭強度參數均呈極弱相關或無相關、G與CRI呈弱相關性，M25與Mad、Aad、Vdaf、St,d、Rmax呈中等相關性，其余30組煤質參數與焦炭強度均呈強相關性甚至極強相關性。對煤質參數經因子分析得到兩個主因子：第1因子為煤的變質程度單位因子(G、Vdaf、Mad、Aad、S、Rmax)，第2因子為煤的有機顯微組分組成單位因子(V、I、AM)，且此二因子同解釋累計值高達達到98.306%，丟失的信息較少。