破碎方式和粒度對低階煤在煉焦配煤中的影響研究

劉瑩瑩

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.煤炭工業節能監測中心，北京 100013)

焦炭在煉鋼過程中起支撐作用，在保持強度的基礎上熱量越高越好[1]。煉焦用煤的煤質特性和煉焦工藝條件是影響焦炭品質的兩大因素。煤料的粉碎是焦化備煤工藝中重要的一環，在配煤煉焦中根據不同煤種的煤質特性控制其粉碎粒度[2]，通過調節煤粒度得到適宜的煤巖組分，改善其黏結性，提高焦炭質量。

1 入爐煤粒度對焦炭強度的影響

1.1 煉焦煤粉碎性能

入爐煤煤質特性是影響煉焦過程及焦炭質量的最主要因素，同時備煤工藝條件也與之有著密切關系。同一種煤的破碎細度不斷增加，焦炭強度先增加后降低；不同煤種的最佳粉碎度取決于煤的黏結性，黏結性越好，與焦炭強度極大值對應的粉碎度越高。對于配煤煉焦而言，確定粉碎粒度的依據是各單種煤的煤質、粉碎特性。為了保持強黏結性煤的黏結性優勢，應對其進行粗粉碎，如配加弱黏煤或不黏煤，細粉碎可以增加其配入量。煤的黏結性不僅取決于煤質特性，亦受煤顆粒大小以及整體粒度分布的影響，因此為得到強度最好的焦炭，須對不同煤種進行粒度和粒度分布的調節，尋找最適宜的細度[3]。

1.2 不同煤種的粒度組成對焦炭強度的影響

煤巖配煤理論將煤的巖相組成分為活性組分和惰性組分[4]。將氣、肥、焦、瘦四種傳統煉焦煤種破碎至不同的粒度，粗粒度優于中、細粒度，說明活性組分多的煤顆粒粒度較大有利于提高黏結性；黏結性較差的氣煤和瘦煤則相反，尤其是瘦煤，表明惰性組分多的煤顆粒細粉碎對煉焦有利，適宜細粉碎[5]。

在煉焦過程中，當惰性組分較多且粗破碎時所得焦炭強度較差，粉碎粒度逐漸減小至小于3 mm時，焦炭強度最好，若繼續粉碎至小于0.5 mm時焦炭強度又明顯下降。如過細粉碎是不利于黏結的。細粉碎有利于活性組分較多的煤料煉焦，所得焦炭強度高，若進一步細粉碎，焦炭強度仍略有提高，雖然過細粉碎會在一定程度上降低黏結性，但與此同時也降低了收縮階段的內應力，減小了龜裂，因此焦炭強度仍有所提高。

1.3 入爐煤的粒度分布原則

備煤工序中如何選擇適宜的粉碎工藝、破碎設備是以入爐煤的粉碎粒度分布最優化為基礎的，為實現粒度分布最優化應遵循以下原則[7]：

1) 入爐煤的細粒化和均勻化。為了保證入爐煤破碎后各組分煤顆粒混合均勻，入爐煤整體粒度組成中大部分顆粒的粒度應小于3 mm。

2) 入爐煤的粉碎。為了避免由于過細粉碎使表面積增大的煤顆粒過度吸附膠質體或者由于小顆粒熱解時內部氣體容易析出減少膠質體的生成導致的黏結性降低，應對入爐煤中黏結性好的煤和活性組分粗粉碎，黏結性差的煤和惰性組分細粉碎，以減少裂紋中心。

3) 控制入爐煤粒度的上、下限。入爐煤一般的破碎粒度下限為0.5 mm，粒度上限與入爐煤堆密度密切相關，一般是隨堆密度的增加而降低。

4) 入爐煤粒度分布的堆密度最大原則。入爐煤中各粒級的含量分布，應保證不同粒度的煤粒可相互填充，以實現入爐煤堆密度最大。通過提高入爐煤的堆密度，改善其黏結性，保證焦炭質量。

2 低階煤備煤處理方式及破碎粒度影響

備煤工藝中的煤粉碎大體分為配合粉碎和分別粉碎兩種工藝[8]，不同煤和配合煤應采用與之相適應的備煤工藝。為此，開展了低階煤備煤處理方式及其粒度影響試驗研究。

2.1 試驗方案設計

結合強黏結性煤粗粉碎要優于細粉碎，本試驗黏結性的基礎煤破碎粒度組成、配煤方案及煉焦工藝條件均不發生變化，主要考慮配入的不同粒度的低階煤，探索低階煤的粒度和破碎方式在煉焦配煤中的影響。本試驗中設計低階煤的粒度組成見表1。

表1 低階煤的粒度組成 %

在確定低階煤的最佳粒度組成后，保持配煤方案及其它煉焦工藝條件不變的前提下，采用配合粉碎的方式進行煉焦試驗，并對兩種備煤方式所得焦炭質量進行對比。

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2.2 破碎粒度對頂裝工藝所得焦炭質量的影響

在頂裝配煤煉焦工藝條件下，考慮到低階煤可能配入量不會太大，低階煤粒度對焦炭質量影響可能較小。因此，設計配煤方案中，低階煤配入量為15%，基礎煤占85%。不同粒度組成的低階煤(表1)與基礎煤配合煉焦，所得焦炭質量見表2、表3。

表2 低階煤配煤煉焦粒度試驗焦炭粒度(頂裝)

表3 低階煤配煤煉焦粒度試驗焦炭基本性質(頂裝)

對焦炭的冷、熱態強度與不同粒度的低階煤作圖。圖1是不同粒度的低階煤對焦炭冷強度的影響，圖2為不同粒度的低階煤對焦炭熱性質的影響。

圖1 不同粒度的低階煤與焦炭機械強度關系

圖2 不同粒度的低階煤與焦炭熱性質關系

由圖1可以看出，隨著低階煤粒度組成逐漸變細，并在低階煤粒度3 mm以下約85%時，焦炭的冷態強度最佳；根據圖2知，隨著低階煤粒度組成逐漸變細，并在低階煤粒度3 mm以下約85%時焦炭熱性質最好。綜合考慮焦炭的冷、熱態強度，可以認為頂裝煉焦工藝下，低階煤粒度3 mm以下約85%時，焦炭質量較好。因此，粒度過細的低階煤配煤煉焦所得焦炭質量較差。

2.3 破碎粒度對搗固工藝所得焦炭質量的影響

在搗固配煤煉焦工藝下，可以適當多配入高揮發分的低階煤。因此，設計配煤方案時，低階煤配比為20%，基礎煤種占80%。同頂裝工藝一樣，基礎煤種粒度組成保持不變，只按表1數據改變低階煤粒度組成配合煉焦，得到的焦炭質量見表4、表5。

表4 低階煤配煤煉焦粒度試驗焦炭粒度(搗固)

表5 低階煤配煤煉焦粒度試驗焦炭基本性質(搗固)

對表中焦炭的冷、熱態強度與不同粒度的低階煤作圖。圖3是不同粒度的低階煤對焦炭冷強度的影響，圖4為不同低階煤粒度對焦炭熱強度的影響。

圖3 不同粒度的低階煤對機械強度影響

圖4 不同粒度的低階煤對熱強度影響

由圖3可知，焦炭的冷態強度隨低階煤粒度組成的變細呈下降趨勢，觀察圖4，焦炭的熱態強度在低階煤粒度3 mm以下約85%時最佳。綜合考慮，說明在搗固工藝條件下，低階煤粒度3 mm以下適宜的配煤煉焦工藝粒度占比約為85%。

2.4 破碎方式對焦炭質量的影響

為研究何種備煤工藝更適合低階煤配煤煉焦，特設計如下試驗。以粒度影響試驗中確定的低階煤最佳粒度配煤方案為對比對象，保持該方案的配比不變，分別在搗固和頂裝兩種煉焦工藝下，進行兩種備煤工藝下的煉焦試驗，所得焦炭質量見表6、表7。

表6 不同備煤工藝下焦炭粒度

表7 不同備煤工藝下焦炭基本性質

從表6和表7中數據可以得到：在頂裝工藝下，兩種備煤工藝相比，分別粉碎所得焦炭的冷態強度稍好，但差別不大；焦炭的CSR配合粉碎下為53.3%，而分別粉碎下為53.8%，兩者的差別在實驗誤差范圍內。綜合分析說明，分別粉碎所得焦炭質量稍好于配合粉碎所得焦炭質量，但兩者差別不顯著。

在搗固工藝下，分別粉碎與配合粉碎相比，焦炭質量稍好一些。綜合考慮，搗固工藝下，分別粉碎所得焦炭質量稍好于配合粉碎所得焦炭質量，但兩者差別亦不顯著。

綜上所述，可以認為“分別粉碎”較“配合粉碎”時所得焦炭質量稍好，說明低階煤配煤煉焦，選擇何種備煤工藝，對焦炭質量影響不大。

3 結 語

基于對煤粉碎特性的分析，無論是入爐煤粒度的分布原則，還是不同煤種的適宜破碎粒度，均是為了保證入爐煤的黏結性最優。

本文選用了6種不同粒度組成的低階煤進行配煤煉焦試驗，分別研究了配加低階煤在兩種不同備煤方式、兩種煉焦工藝下對焦炭質量的影響。通過40 kg焦爐試驗，無論是何種煉焦工藝，分別破碎所得焦炭的質量都略優于配合粉碎，但差距不明顯。無論是頂裝工藝還是搗固工藝，低階煤適宜的配煤煉焦工藝粒度為3 mm以下占比85%左右，所得焦炭的冷、熱態強度最佳，遵循了入爐煤的粒度分布細粒化和均勻化的原則。