焦化配煤技術研究進展

孟曉輝，顏丙才，薛垂峰，巴合義，樊紅莉，李風海

(1．菏澤學院 化學化工學院，山東 菏澤 274000；2.山東巨銘能源有限公司，山東 菏澤 274900)

優質煉焦煤儲量短缺，而高爐大型化對焦炭質量及穩定性要求進一步提高，對煉焦行業技術提出了嚴重的挑戰。優化煉焦煤配比和添加劑使用成為降低生產成本和獲得優質焦炭的重要發展方向之一[1]。近年來，配煤成為焦化行業關注和研究的焦點，取得了較大的發展。本人擬從焦化配煤原理、粘結劑和瘦化劑三個方面對焦化配煤進行綜述，以期對焦化企業的焦化配煤提供借鑒。

1 焦化配煤原理

焦化配煤原理是焦化生產中指導粘結劑、瘦化劑選擇的基礎。目前焦化廠配煤方案有很多種，但所依據的原理主要有膠質層重疊原理、互換性原理、共炭化原理和催化原理。

1.1 膠質層重疊原理

配煤中各煤種膠質體的軟化區間、溫度間隔能夠較好地搭接。在配合煤煉焦過程中，配煤能夠在較款的溫度范圍內處于塑性狀態，使黏結過程得到改善，從而得到結構均勻的焦炭。“J法”是膠質層重疊原理在焦化配煤中的應用，它以煤與焦相互變化規律為依據，煤的黏結能力測定為基礎，能夠比較準確地對焦炭強度進行預測，是一種簡單、準確、快速、隨機確定配煤方案的技術。

1.2 互換性配煤原理

互換性性原理認為，焦炭質量取決于煉焦煤中的活惰比(活性組分與惰性組分的比)及焦化過程操作條件。單種煤的活性組分的質量取決于其變質程度，而鏡質組最大反射率是反映煤變質程度的最佳指標?；Q性配煤就是以煤巖的鏡質組平均隨機反射率、反射率直方圖和鏡惰比參數為依據來調節主焦煤的活惰比，使配合煤的參數滿足焦化工藝要求，以改善焦炭質量和降低配煤成本。

1.3 共炭化機理

煤中加入非煤粘結劑進行炭化，稱為共炭化。共炭化為弱粘結煤煉焦粘結劑的選用提供了理論依據。也為有機渣油、橡膠類、塑料類、樹脂廢料等參與非煉焦煤煉焦提供了可能性。如Collin 將廢棄塑料與煤焦油瀝青共熱解，將所得殘余物與低階弱黏結煤共焦化，提高了弱粘結煤的結焦性[2]，孫業新等向配合煤中分別添加預處理的 4 種廢塑料進行小焦爐煉焦實驗，發現處理后的廢塑料除聚乙烯外所得焦炭的冷熱態強度均沒有下降，甚至還有所提高[3]。共炭化為解決環境污染提供了新的思路。

1.4 催化配煤原理

向配煤添加催化劑對其改性提高焦炭質量[4]。40 kg焦爐配煤煉焦試驗表明，在配合煤中微量硼化物、稀土添加劑等活性催化劑能夠有效改變焦炭的強度?？赡艿姆磻獧C理為添加物在配煤熱解過程中起到了催化作用，在熱解過程中生成了較多的黏結性膠質體，導致了焦炭強度的改善， 其催化機理有待于進一步的分析。催化配煤非煉焦煤的利用提供了新的思路和研發路徑。

2 粘結劑

2.1 常用粘結劑

在共炭化理論指導下，近年來粘結劑研究的熱點主要集中在焦油瀝青類粘結劑，主要包括瀝青(煤焦油、石油)、石油殘渣、煤焦油、焦油渣等。其中煤瀝青與焦油渣作為焦化工藝副產物，在結構、組成上與煤有著許多相似之處，成為近年來焦化行業粘結劑關注的焦點。近年來隨著環保意識的增強，廢塑料、橡膠類以及焦化固廢活性污泥也成為焦化行業粘結劑研究的熱點之一。

2.2 粘結劑對焦炭質量的影響

向高揮發分的煤中添加粘結劑(如石油瀝青、焦油瀝青、溶劑精制煤、煤熱溶物等)進行共炭化時，這些粘結劑不僅能將煤粘結在一起，而且有助于其產物的各向異性的發展。Stwietlik等分別采用煤焦油瀝青和類瀝青殘渣進行了焦化對比試驗，發現添加煤焦油提高煤的流動性和膨脹度，而類瀝青殘渣只提高了流動性；Fernández等在焦油瀝青、非煉焦煤、廢舊輪胎和兩種煙煤共熱解時，發現在煤塑性階段以前釋放大量揮發物的添加物對煙煤熱塑性能影響顯著[5]。熱溶物用于配煤煉焦可使膠質體的塑性區間延長、流動性增強，從而導致焦炭質量提升[6]。TAKANOHASHI 等對不黏煤、弱黏結煤和強黏結性煤在不同溫度下得到熱溶物的熱塑性進行了分析，發現熱溶物熱塑性很好，且明顯優于其所對應的原煤[7]。

在煉焦過程中，粘結劑不僅起到增加膠質體流動度、改善粘結的作用，而且能夠與煤共炭化，形成界面結合好、呈光學鑲嵌結構的“中間焦炭”， 從而改善焦炭的反應性和強度。Alvarez 等采用不同粒徑分布的石油焦作為添加劑在6t焦爐中進行焦化實驗，發現焦炭孔隙的變化主要取決于添加劑的粒徑和質量分數；Pis 等發現在配煤中石油焦的加入引起了焦炭的微孔體積和反應性降低，并且指出反應性的降低主要來源于微孔體積的降低[8]。孫喜民等把煤焦油瀝青和焦油渣按不同配比進行配煤煉焦。發現粗苯和焦油產率有所提高，焦炭產率有所下降。瀝青使焦炭強度有所改善[9]。諸榮孫等對剩余污泥配煤煉焦的試驗結果進行了分析，發現把不大于8%剩余污泥添加到原配合煤中，所得坩堝焦質量與純配合煤相比沒有出現明顯變化，這提供了原地無害化處理焦化剩余污泥的途徑[10]。

3 瘦化劑

3.1 常用瘦化劑

在焦化工業生產中，常用的瘦化劑主要包括冶金焦粉、石油焦粉和無煙煤。這些瘦化劑配煤煉焦的研究，對保護環境、節約資源和降低成本具有重要的意義。冶金焦粉能夠提高塊焦率和改善焦炭抗碎強度；石油焦粉能夠降低焦炭灰分含量，改善焦炭反應后強度；無煙煤可取代部分瘦煤，能有效降低焦炭反應性和硫含量。近年來蘭炭和廢棄活性炭在作為瘦化劑方面也得到了一定的應用。此外，高爐灰、鐵礦粉、金屬廢渣和轉爐煙塵等含鐵物料也可作為瘦化劑，在煉焦過程中與高揮發分高流動度的煤煉焦后生成鐵焦。含鐵物料不僅增加焦炭塊度和抗碎強度，減少焦炭裂紋，還助于降低煉鐵過程中的能耗[11]。

3.2 瘦化劑對焦炭質量的影響

在配合煤黏結能力富余條件下，將焦粉控制在，添加粒度小于焦粉<0．2 mm，焦炭塊度隨加入量增加呈增大趨勢，其抗碎強度也會隨著略有增加。冶金焦粉中的灰分含量較高，會導致焦炭中灰分的增加，從而對焦炭的質量產生一定的影響，焦粉的配比不宜過大，一般不大于5%[12]。在工業化生產中，陜焦化工有限公司在5.5 m搗固焦爐中添加了3%～5%的焦粉，焦炭質量的改善比較明顯。強粘結性煤中一定量的石油焦粉的添加能減少焦炭的孔隙率和裂紋，降低焦炭的反應性，增加其機械強度、耐磨強度和塊度。但石油焦粉與粘結組分結合時，較大顆粒的結合界面明顯，易形成裂紋，石油焦粉的粒度最好控制在0.5 mm以下[13]。

近年來，較高比例的無煙煤成為無煙煤配煤煉焦的主要研究方向。鮑俊芳等對12%無煙煤配比煉焦時，無煙煤結焦機理和粒度控制進行了研究，發現無煙煤較高比例參與配煤煉焦的最佳粒度為小于0.3 mm[14]〗。 張世東等在40 kg試驗焦爐以高比例無煙煤為進行配煤煉焦試驗，在無煙煤 30%～40% 、焦煤和肥煤 50%～55%配比下，采用搗固煉焦工藝能夠生產出CSR>60%的焦炭[15]。顏科求等研究了廢棄活性炭添加量與粒徑對焦炭質量的影響，結果表明在廢棄活性炭在0.5%～2.0%和粒徑在0.5～1.0 mm 時， 對焦炭的熱態強度和冷態強度不產生影響， 用廢棄活性炭代替瘦煤煉焦具有一定的可行性[16]。

4 展望

目前配煤煉焦技術的發展呈現以下趨勢：(1)指導配煤煉焦的原理取向多元化趨勢。由原來的膠質層重疊原理為主轉向“膠質層重疊原理、共炭化原理和互換性配煤原理”共存。為配煤煉焦過程中添加劑(橡膠、瀝青、有機渣油、焦粉、廢塑料)的選擇提供了理論基礎，促進焦化產業尾料(焦粉、煤焦油瀝青、焦化污泥)的循環綜合利用；(2)配煤種類由“氣、肥、焦、瘦”向無煙煤、低階煤和高硫煤拓展，擴大了煉焦煤的范圍，降低了配煤成本；(3)配煤煉焦廠需求指標的多元化。隨著煤焦油分離提純技術和焦爐煤氣綜合利用技術的進展，在配煤煉焦提高焦炭產量的同時，也要關注焦爐煤氣和煤焦油的產量和質量，使資源分配趨向利益最大化。