不同粒級的焦煤和肥煤其性質研究

＊張代林 宋巧 錢虎林 張增蘭 徐靖 王帥 張小勇

（1.安徽工業大學煤清潔轉化與高值化利用安徽省重點實驗室 安徽 243032 2.馬鋼煉焦總廠 安徽 243000）

隨著鋼鐵行業的快速發展，高爐大型化和富氧噴吹煤粉技術得到了廣泛應用，以及高爐精料方針的提出[1]，對焦炭的質量尤其是焦炭的熱性質有著更高的要求[2]。影響焦炭質量的因素主要包括煉焦煤性質、煉焦工藝技術和入爐煤的預處理等方面。在優質煉焦煤日益減少的情況下，提高煉焦工藝技術是穩定焦炭質量的重要措施之一。當前全球焦化企業采用比較先進煉焦工藝有干法熄焦、搗固煉焦、配型煤工藝技術以及煤調濕（CMC）技術，主要從裝爐煤水分、裝爐煤粒度、裝爐煤細度、裝爐煤堆密度、熄焦方式以及煉焦時間等方面來提高焦炭質量[3-5]。

煉焦煤各單種煤的粉碎粒級不僅影響裝爐煤的堆密度，而且由于變質程度、成煤年代等不同，使各單種煤的可磨性不同，對入爐煤的細度產生影響，而入爐煤的細度對焦炭的產量和強度影響較大[6]。對于采用先配后粉配煤工藝來說，調節單種煤粒級及粒級分布，科學控制好配合煤細度就顯得尤為重要[7]。單種煤粉碎后，惰質組硬度大，脆度小，主要富集在粗顆粒中，鏡質組硬度小，脆度大，破碎后主要富集在細顆粒中[8]。從煤巖分析角度看，鏡質組在熱解過程中會軟化熔融，產生不揮發性液相物質和揮發性氣相物質。具有黏結性的不揮發性的液相物質，黏結其他的惰性物料生產焦炭，揮發性的氣相物質在成焦后形成焦炭的氣孔。鏡質組粉碎過細會使液相產物減少，軟化熔融過程中氣相產物較易逸出，降低煤粒之間的黏結能力[9]。惰質組在熱解過程中，不生成膠質體，又沒有黏結性，表面會吸附具有黏結性的液相物質。當惰質組粒度較大時，生成焦炭時，容易形成焦炭的裂紋中心，降低焦炭的強度。

焦煤和肥煤作為優質的煉焦煤，調節好焦煤和肥煤的粒級及粒級分布對提高焦炭質量和產量具有重要意義。為了了解焦煤和肥煤的粉碎粒度范圍，這里對不同粒級的肥煤和焦煤進行了工業分析、工藝性質分析和煤巖顯微特征分析，并對不同粒級的焦煤和肥煤所煉坩堝焦進行了熱性質分析。得出焦煤和肥煤的最佳粉碎粒級，為調節焦煤和肥煤的粒級分布，適當降低配合煤的細度，提高焦炭的質量提供了一定理論的依據[10]。

1.試驗

(1)試驗原料

本文選取了某焦化企業常用的幾種焦煤和肥煤作為研究對象，并將其分為五個粒級（＞13mm、13～6mm、6～3mm、3～0.5mm、＜0.5mm）作為試驗煤樣。

(2)試驗方法

①工業分析。按照GB/T 212-2008《煤的工業分析方法》測定的步驟對煤樣的灰分Ad、揮發分Vdaf進行測定。

②煤巖特性分析。按照GB/T 8899-2013《煤的顯微組分組和礦物測定方法》對篩分煤樣進行了煤巖顯微組分的測定。按照GB/T 6948-2008《煤的鏡質體反射率顯微鏡測定方法》對煉焦煤鏡質組平均最大反射率Rmax以及反射率分布進行測定。

③工藝性質分析。黏結指數按照GB/T 5447-2014《煙煤黏結指數測定方法》測定，奧亞膨脹度按照GB/T 5450-2014《煙煤奧阿膨脹計試驗》測定，煙煤膠質層最大厚度按照GB/T 479-2000《煙煤膠質層指數測定方法》測定。

④坩堝焦試驗。取不同篩分煤樣100g放入剛玉坩堝內，在煤樣的上層鋪一層濾紙，隨后將壓塊置于坩堝中央，用石英砂鋪蓋壓塊。用炭化室將煤樣炭化，煉焦溫度制度為從室溫至300℃，升溫速度4～5℃/min，300～750℃內升溫速度3℃/min，750～950℃內升溫速度4～5℃/min，950℃上維持半個小時后[11]，等待降溫后，取出焦炭。

⑤坩堝焦熱性質分析。取20g 3～6mm的干燥焦樣，放入內徑20mm，長度830mm的剛玉管內，用細粒陶瓷粒支撐焦樣，使其處于恒溫區間。從室溫至400℃，20℃/min的升溫速度，到400℃通入N2保護，400℃～1100℃升溫時間為40min，到達1090℃后，就要準備關掉氮氣，通入CO2，到1100℃時，通入CO2，流量速率為0.5L/min，時間為120min。反應時間到后，繼續通入N2保護，待溫度降到400℃后，取出冷卻降溫。把反應后失去的質量占原焦樣質量的百分數作為反應性指標（PRI）。反應后強度是取反應后大于1mm的焦樣，放入直徑25.4mm，長度305mm的管內，同時放入8個直徑12mm的鋼球，并以25r/min的速度轉4min，用1mm的篩子篩分，把篩上物的質量占入鼓焦炭質量的百分數作為反應后強度（PSR）。

2.結果與討論

(1)焦煤和肥煤不同篩分粒級組成

所選幾種焦煤和肥煤的不同篩分粒級組成見表1。

表1 焦煤和肥煤不同篩分粒級組成分布Tab.1 Grain size composition of coking coaI and fat coaI

從表1可以看出，某焦化廠焦煤和肥煤不同篩分粒級組成是不同的，存在差異性。

(2)不同篩分粒級煤樣的工業分析研究

焦煤和肥煤不同篩分粒級煤樣的工業分析見表2。

表2 不同篩分粒級焦煤和肥煤的工業分析測定結果Tab.2 IndustriaI anaIysis resuIts of coking coaI and fat coaI with different grain size

從表2可以看出焦煤和肥煤粒級在適中范圍時，其灰分較低，較細（＜0.5mm）和較大（＞13mm）時其灰分較高；同一種煉焦煤粒級不同，其揮發分略有差異，粒級越大，其揮發分越小。煤的灰分主要來源于煤中礦物質，礦物質包括原生礦物質、次生礦物質和外來礦物質。粒級較小的煤樣含有較多細小顆粒礦物質，導致＜0.5mm的煤灰分較高。含較多礦物質的煤樣其硬度較大，較難破碎，故粒度較大的煤樣其灰分較高。根據不同粒級的工業分析指標結果，減少＜0.5mm粒級煤樣的使用比例，可以降低配合煤的灰分，從而可以降低焦炭的灰分。

(3)不同篩分粒級煤樣的鏡質組反射率分布及鏡質組平均最大反射率研究

表3 不同篩分粒級焦煤的鏡質組反射率分布及鏡質組平均最大反射率測定結果Tab.3 Measurement resuIts of vitrinite refIectance distribution and vitrinite average maximum refIectance of coking coaI with different grain size

表4 不同篩分粒級肥煤的反射率分布及鏡質組平均最大反射率測定結果Tab.4 Measurement resuIts of vitrinite refIectance distribution and vitrinite average maximum refIectance of fat coaI with different grain size

圖1 不同篩分粒級煤樣的鏡質組含量和惰質組含量測定結果Fig.1 ResuIts of determination of vitrinite content and inertite content of coaI with different grain size

從表3及表4可以看出，不同粒級的焦煤和肥煤其鏡質組平均最大值Rmax存在差異，粒級大的焦煤和肥煤其鏡質組平均最大反射率Rmax較高一些。不同粒級的焦煤和肥煤其顯微組分組成存在差異，從圖1可以看出，焦煤和肥煤的粒級＜0.5mm時，惰質組含量最低，鏡質組量最高，并隨著粒度增大，鏡質組含量逐漸降低，惰質組含量逐漸升高。在相同的變質程度煤中，鏡質組硬度小于惰質組，脆度大于惰質組。在破碎過程中，硬度小、脆度大的鏡質組集中在細粒級中，硬度大、脆度小的惰質組集中在粗粒級中。

(4)不同篩分粒級煤樣的工藝性質研究

①不同篩分粒級煤樣的黏結指數測定

不同篩分粒級的焦煤和肥煤其黏結指數G值測定結果如圖2所示。從圖2可以看出，肥煤不同粒級煤樣的黏結指數G值變化幅度不大。焦煤不同粒級煤樣的黏結指數G值存在較大差異，較小粒級煤樣其黏結指數G值較大，隨著粒級增大，G值逐漸減小。主要是由于同一煤種隨著粒度的增加，其鏡質組含量降低，導致其G值變小。由于灰分的含量會對煤的黏結性有影響，焦煤細粒（＜0.5mm）部分灰分含量最高，導致黏結指數G值略有降低。

圖2 不同篩分粒級煤樣的黏結指數測定結果Fig.2 ResuIts of the determination of the caking index of coaI with different grain size

②不同篩分粒級煤樣的奧阿膨脹度研究

表5 不同篩分粒級煤樣的奧阿膨脹度測定結果Tab.5 ResuIts of the determination of Audibert-Arnu diIatation of coaI with different grain size

不同篩分粒級焦煤和肥煤的奧阿膨脹度測定結果如表5所示。從表5可以看出，在當焦煤和肥煤粒級在3-0.5mm時，焦煤和肥煤的奧阿膨脹度b值和總膨脹度（a+b）值最大，粒級較大時，兩種煉焦煤的奧阿膨脹度b值逐漸變小，總膨脹度（a+b）也逐漸減小。這是由于同一種煤中隨著粒度增大，鏡質組含量逐漸降低，導致黏結性指標下降。由于煤的黏結性不僅僅與煤的鏡質組含量相關，還與灰分的含量相關，肥煤在＜0.5mm時，灰分含量最高，所以總膨脹度（a+b）有所下降。

③不同篩分粒級煤樣的膠質層指數研究

不同篩分粒級焦煤和肥煤的膠質層指數測定結果如表6所示。從表6可以看出，隨著粒級的增大，焦煤和肥煤的X值逐漸增大，焦煤的Y值逐漸變小，肥煤Y值略有降低（粒級在＜0.5mm時已經不符合膠質層指數測定國標規定的試驗樣粒度）。從表6可以看出，焦煤在粒級＜0.5mm下膠質層體積曲線呈現之型，粒級＞13mm呈現微波型，主要是由于粒級＜0.5mm相較于粒級＞13mm的揮發分高，黏結性好，透氣性好，積聚的煤氣能很快從半焦裂縫中逸出所致。

(5)不同篩分粒級煤樣的坩堝焦試驗

從圖3可以看出，單種煤單獨煉焦時，焦煤所煉焦炭的粒焦反應性（PRI）較肥煤所煉焦炭的粒焦反應性（PRI）小；焦煤所煉焦炭的粒焦反應后強度（PSR）較肥煤所煉焦炭的粒焦反應后強度（PSR）高。不同粒度焦煤和肥煤在粒級3～0.5mm的粒焦反應性（PRI）最小，粒級＞13mm最大，其于粒度相差無幾，反應后強度（PSR）在粒級3～0.5mm時達到最大，這主要是由于粒級越大，惰質組含量越高，在進行煉焦時，惰質組的粒度較大，不利于與膠質體的混合，且它與活性組分的收縮系數不一樣，較易形成焦炭的裂縫，降低焦炭的熱性質。而粒級＜0.5mm時，鏡質組含量又較高，焦炭的質量依舊很差，這其中的影響因素有很多，主要基于以下幾個方面：粒級＜0.5mm時，灰分含量最高，降低了煤的結焦能力；其次粒度較小時，煤粒比表面積增大，而煤的黏結機理是煤粒間的表面黏結，所以覆蓋煤粒的表面所需的膠質體數量也會大大增加，當結焦過程產生的膠質體不足時，就影響煤的結焦能力；粒級＜0.5mm時，惰質組含量較少，粒度較小，結焦中心點不足，起不到骨架支撐的作用，也會降低焦炭的質量。

圖3 坩堝焦的熱性質與煤粒度的關系Fig.3 The reIationship between the thermaI properties of crucibIe coke and coaI graine size

3.結論

（1）同一煤種不同篩分粒級其灰分存在差異，粒級較小（＜0.5mm）和粒級較大（＞13mm）的煤樣其灰分較高，揮發分隨粒級增大而略有降低。鏡質組含量隨粒級增大而減小，鏡質組平均最大反射率略有增加。

（2）同一煤種不同篩分粒級的黏結性和結焦性指標存在差異，煤樣粒級在3～0.5mm時，焦煤和肥煤的黏結指數G、奧阿膨脹度b值及總膨脹度（a+b）以及Y值達到最大。

（3）同一煤種不同篩分粒級煤樣所煉坩堝焦質量不同，3～0.5mm粒級煤樣所煉坩堝焦其反應性（PRI）最低，坩堝焦反應后強度（PSR）最高。

（4）綜上，煉焦生產時，對于焦煤和肥煤不能過度粉碎，避免降低煤的黏結性和結焦性，從而降低焦炭質量。減少焦煤和肥煤在＜0.5mm和＞6mm粒級煤樣的比例，有利于提高焦炭質量。