基于煉焦煤特性的高反應性焦炭制備研究

劉 洋，王明登，李 超，封一飛，何旭輝，徐國忠，鐘祥云， 白 濱 ，劉 洋，白金鋒

(1.遼寧科技大學 化工學院，遼寧 鞍山 114051；2.中冶焦耐(大連)工程技術有限公司，遼寧 大連 116085)

0 引 言

中國鋼鐵行業碳排放量占全球鋼鐵行業碳排放總量的60%以上，約占全國碳排放總量的15%，鋼鐵長流程工藝體系中的煉鐵工藝CO2排放量占80%左右，以煤、焦炭等長期占據主導地位的高爐部分CO2的排放量占比高達73.6%[1]。焦炭作為現代高爐煉鐵中的重要原料，其質量直接影響高爐的透氣性、透液性、焦比、噴煤比以及鐵水質量，因此要求焦炭同時具有較好的反應性(CRI)和反應后強度(CSR)。

研究表明，焦炭的反應性并非越低越好。ZHAO等[2]通過試驗得出反應性高的焦炭比反應性低的焦炭在高爐塊狀帶表現為壓差與熱儲存區溫度均低、煤氣利用率及礦石還原率均高。吳勝利等[3]通過研究焦炭反應性對高爐塊狀帶含鐵爐料還原的影響，指出適當提高焦炭的反應性能夠明顯改善高爐塊狀帶含鐵爐料的還原條件。王建麗等[4]研究表明，配加高反應性焦炭可促進含鐵爐料的還原，提高進入軟熔帶區域爐料的金屬化率。NAITO[5]發表的研究成果，從高爐操作線上證明了高反應性焦炭可以降低高爐燃料消耗，并從實驗上證明使用高反應性的焦炭可以通過降低熱儲備區的溫度來降低焦比，從而減少CO2的排放。同時，隨著噴煤技術的發展，高爐焦比不斷降低，焦炭在高爐內停留的時間被延長，對焦炭反應后強度的要求越來越高。

綜上所述，在保證焦炭反應后強度的前提下，焦炭反應性的適當提高可有利于提升高爐的生產效率以及減少 CO2氣體的排放，此規律符合煉鐵工業碳消耗和CO2排放的發展趨勢。

焦炭溶損過程其結構的劣化將導致高爐的骨架疏松，在提高焦炭反應性的同時還要保證焦炭的反應后強度，但焦炭CRI和CSR該2個指標一般是負相關的關系[6-7]，此矛盾為高反應性焦炭的制備及在高爐中的應用提出了挑戰。聚類分析是數據挖掘技術[8-9]中1種重要的數學方法，在模式識別、人工智能、圖像處理等領域已顯示其應用價值[10-12]；采用聚類分析中的聚類樹圖可以根據樣品的相似程度將其分為若干類別[13-15]。

以下將聚類分析應用于高反應性焦炭的原料煤優選過程，首先優先使用聚類分析方法對煉焦煤的機械強度和熱性質分別進行聚類分析，然后結合CSR與CRI的比值對各類型煉焦煤進行制備高反應性焦炭的適宜程度進行分類，并對焦炭質量指標進行差異性分析，從而得到適合進行高反應性焦炭制備的煉焦煤；再根據優選結果進行高反應性焦炭的配煤煉焦實驗研究，最終獲得滿足焦炭反應后強度要求的高反應性焦炭和配煤方案。

1 煉焦煤應用性細化分類方法

聚類分析方法通過給定的N個數據樣本，根據相似程度將N個數據樣本分成k個類別，并將煤質指標相似的煉焦煤樣本歸于同一類。針對焦化企業煉焦煤資源的復雜性和多變性，應用聚類分析進行原料煤分類時需考慮煉焦煤和焦炭質量指標的特點，將含有N個煉焦煤數據樣本的數據集C聚成m個子類(C1,C2,…,Cm)，由此獲得煉焦煤應用性細化分類結果。煉焦煤應用性細化分類需確定煉焦煤或焦炭質量指標的標準化、煉焦煤相似性度量、兩類煤之間相似性度量標準及煉焦煤聚類數。

1.1 煉焦煤及焦炭質量指標標準化

研究選用Z-Score標準化方法進行煉焦煤和焦炭質量指標的標準化，轉換函數具體見式(1)。

Z=(X-M)/S

(1)

式中，X為某種煉焦煤或焦炭質量指標;M為所有煉焦煤或焦炭質量指標的均值;S為所有煉焦煤或焦炭質量指標的標準差。

1.2 煉焦煤間相似性度量

在聚類分析中使用煤質或焦炭質量指標之間的距離作為2個煤之間相似性程度的評判標準，距離越小代表2個煤相似程度越高，具體使用的平方歐氏距離公式見式(2)。

(2)

式中，d(x，y)表示2個煉焦煤質量指標值x和y之間的平方歐氏距離;xi和yi分別表示煉焦煤x和y的第i個煤質指標或焦炭質量指標經過標準化處理后的數值。

針對不同類別的兩類煉焦煤中所有兩兩煉焦煤或焦炭質量指標之間距離使用d(x，y)的平均值(Dpq)作為評判標準，研究選用組間連接法，具體見式(3)。

(3)

式中，Gp、Gq分別為不同類別的兩類煉焦煤，各自含np、nq個煉焦煤。

1.3 煉焦煤聚類數的確定

在獲得煉焦煤的聚類分析結果后，此次研究按煤質和焦炭應用性指標對煤應用種類的指標最大值和最小值的差異來確定分類數，指標最大值和最小值的差異需要經過煉焦煤生產實踐的檢驗和驗證。

1.4 聚類分析輔助軟件

對煉焦煤每步聚類分析均需復雜的數學計算，具體計算操作由SPSS軟件輔助完成。在軟件功能界面導入需分類的煉焦煤數據，再在系統聚類分析界面選擇層次指標，具體聚類條件選擇Z-Score數據標準化、平方歐氏距離和組間連接(相似化度量)，輸出聚類分析結果譜系得到聚類分析結果。

2 實驗用煤

實驗研究選用大型鋼鐵企業焦化廠29個煉焦煤，實驗數據見表1。表1中煉焦煤采用40 kg實驗焦爐進行煉焦實驗；焦炭機械強度參照GB/T 2006—2008 使用1/3米庫姆轉鼓檢測；焦炭熱性質采用GB/T 4000—2008進行檢測分析。后續對29個煉焦煤進行細化分類，從中選擇合適的煉焦煤進行2 kg焦爐高反應性焦炭實驗研究。

表1 煉焦煤煤質和40 kg焦爐焦炭質量指標Table 1 Coal property and coke quality in 40 kg coke oven

3 煉焦煤應用性細化分類結果

聚類分析計算過程由SPSS軟件輔助完成。煉焦煤根據焦炭機械強度和熱性質指標進行的聚類分析結果分別如圖1和圖2所示，煉焦煤依據焦炭質量的細化分類結果見表2。

圖1 煉焦煤根據焦炭M40和M10聚類分析譜系Fig.1 Dendrogram of coal cluster analysis based on M40 and M10

表2 煉焦煤焦炭質量細化分類結果Table 2 Refined classification result of coal based on coke quality

圖2 煉焦煤根據焦炭CRI和CSR聚類分析譜系Fig.2 Dendrogram of coal cluster analysis based on CRI and CSR

從圖1和表1可知，第I組煉焦煤有12個，其焦炭的M40、M10分別在77.7%～88.0%、6.7%～9.7%，焦炭機械強度最優，煤種包含焦煤和肥煤；第II組煉焦煤有8個，其焦炭M40、M10分別在71.2%～78.7%、10.7%～12.7%,焦炭機械強度次之,煤種包含氣肥煤、氣煤、1/3焦煤和肥煤;第III組煉焦煤有5個，其焦炭M40、M10分別在68.0%～70.3%、12.0%～16.7%，煤種包含氣肥煤、氣煤、1/3焦煤和焦煤；第IV和第V組各自有1個煉焦煤，焦炭M40和M10分別為77.0%、19.9%和57.3%、11.0%，煤種分別為焦煤和1/3焦煤。

從圖2聚類分析結果譜系并結合表1可看出；

(1) 第I組煉焦煤有1個，其焦炭CRI和CSR分別為71.7%和28.0%，即第I組焦炭反應性最高，但反應后強度較低，為氣肥煤；

(2) 第II組煉焦煤有5個，其焦炭CRI、CSR分別在42.8%～50.2%、27.6%～40.5%，焦炭熱性質次之，煤種包含氣煤和1/3焦煤；

(3) 第III組煉焦煤有1個，其焦炭CRI和CSR分別為36.2%和28.1%，為1/3焦煤；

(4) 第IV組煉焦煤有7個，其焦炭CRI、CSR分別在33.4%～39.2%、39.4%～51.2%，煤種包含氣肥煤、氣煤、肥煤和焦煤；

(5) 第V組煉焦煤有8個，其焦炭CRI、CSR分別在24.4%～28.9%、50.0%～63.2%，煤種包含肥煤和焦煤；

(6)第VI組煉焦煤有5個，其焦炭CRI、CSR分別在14.3%～20.3%、63.5%～75.0%，煤種包含肥煤和焦煤。

總體而言，依據煉焦煤焦炭反應性(CRI)和反應后強度(CSR)分組，第I組～第IV組焦炭的CRI較高、CSR低，可以作為提高焦炭反應性的主要煉焦煤；第V組和第VI組焦炭CRI較低、CSR較好，可以用來改善焦炭反應后強度的輔助煉焦煤。在配煤時應注意保證焦炭的機械強度，此時可選擇依據焦炭M40和M10分組中的第I組和第II組煉焦煤。同時，即使根據焦炭熱性質被分在相同的組，在焦炭反應性接近的情況下，其反應后強度也有一定差異，此時選擇焦炭CSR相對高的煉焦煤對保證焦炭質量有利。因此，研究中將CSR/CRI比值作為煉焦煤選擇的重要參數。

在焦炭反應性接近的情況下，建議選擇焦炭CSR/CRI比值高的煉焦煤，確保在能提高焦炭反應性的同時又可保證焦炭的反應后強度。結合焦炭機械強度分組結果、熱性質指標分組結果以及綜合考慮CSR/CRI比值，可得到6種煉焦煤選擇和配用的等級。

(1) 氣肥煤:無主選，次選XJ，輔助XW；

(2) 氣煤:主選DT，次選JC；

(3) 1/3焦煤:主選LS、DS，次選SY，輔助JX、NS；

(4) 肥煤:主選JZ、XN、HZ，輔助LD、LQ、GZ、ML；

(5) 焦煤:主選WG、XF，次選JY、TQ、DD、LJ、XQ，輔助DY、LH、GY、TL；

(6) 瘦煤:無主選，次選DZ、HL。

4 2 kg焦爐配煤實驗研究

在煉焦煤應用性細化分類基礎上，使用2 kg實驗焦爐進行高反應性焦炭制備的初步配煤實驗研究，2 kg焦爐實驗方案見表3。

表3 2 kg實驗焦爐配煤方案Table 3 Coal blending scheme of 2 kg coke oven %

方案1針對頂裝焦爐設置生產配比，其中編號為DS 的1/3焦煤配入13%、編號為JZ的肥煤配入7%、編號為ML的肥煤配入11%、編號分別為LH、TQ、GY和TL的焦煤合計配入50%、編號為HL的瘦煤配入14%。

方案2～方案9為在盡量保證焦炭反應后強度的條件下有效提高焦炭的反應性而制定的配煤方案。方案2～方案4在方案1的基礎上增加了1/3焦煤比例或配入氣肥煤及氣煤，從而降低瘦煤占比或不配入瘦煤，主選煉焦煤占比分別為60%、14%和30%。

方案5～方案9在前述方案的基礎上，配煤以主選煉焦煤為主，次選和其他煉焦煤為輔，主選煉焦煤占比在85%～90%。

部分配合煤指標和焦炭質量指標分別見表4、表5。1號生產方案的焦炭反應性和反應后強度分別為29.2%和50.5%，在使用煉焦煤與方案1基本一致的情況下，方案2～方案4的焦炭反應性提高，反應后強度有不同程度降低；方案5～方案9在前述方案的基礎上，配煤以主選煉焦煤為主、次選和其他煉焦煤為輔，主選煉焦煤占比在85%～90%，方案5和方案8的焦炭反應性分別提高4.6個百分點和3.9個百分點，焦炭反應后強度也滿足要求；由此可見，通過對煉焦煤焦炭機械強度和熱性質進行分組并結合CSR/CRI進行煉焦煤的選擇來獲得高反應性焦炭的配煤方案具有可行性。

表4 配合煤的煤質指標Table 4 The coal property of blending coal

表5 2 kg實驗焦爐焦炭熱性質Table 5 CRI and CSR of coke in 2 kg coke oven %

5 結 論

將聚類分析應用于高反應性焦炭的原料煤優選過程，首先使用聚類分析方法對煉焦煤的機械強度和熱性質分別進行聚類分析，再結合CSR/CRI比值對各類型煉焦煤制備高反應性焦炭的適宜程度進行分類，從而得到適合進行高反應性焦炭制備的煉焦煤；然后根據選煤結果進行高反應性焦炭的配煤煉焦實驗研究，最終獲得滿足焦炭反應后強度要求的高反應性焦炭和配煤方案,得到的主要結論匯總如下：

(1) 使用聚類分析方法依據煉焦煤焦炭CRI和CSR指標對29個煉焦煤進行分組，第I組～第IV組煉焦煤所得焦炭的CRI較高、CSR較低，可將其作為提高焦炭反應性的主要煉焦煤；第V組和第VI組煉焦煤所得焦炭的CRI較低、CSR較高，可將其用以改善焦炭反應后強度的輔助煉焦煤。

(2) 將煉焦煤所煉焦炭的CSR和CRI比值作為煉焦煤選擇的重要參數，在焦炭反應性接近的情況下選擇焦炭CSR和CRI比值高的煉焦煤，確保在能夠提高焦炭反應性的同時又可保證焦炭的反應后強度。

(3) 依據煉焦煤所煉焦炭的CRI和CSR分組，在配煤時尤其應注意保證焦炭的機械強度，此時可選擇焦炭M40和M10分組中的第I組和第II組煉焦煤。

(4) 結合焦炭機械強度、熱性質指標分組結果以及綜合考慮CSR/CRI比值，得到煉焦煤選擇和配用的等級。29個煉焦煤中比較適合進行高反應性焦炭制備的煉焦煤主要包括編號為DT的氣煤、編號為LS和DS的1/3焦煤、編號為JZ和XN及HZ的肥煤、編號為WG和XF的焦煤等。

(5) 依據煉焦煤分組、選擇和配用等級進行高反應性焦炭對比實驗方案制定，在滿足焦炭反應后強度要求的前提下，使用主選煉焦煤的5號配煤方案、8號配煤方案所得的焦炭反應性較生產方案分別提高4.6個百分點、3.9個百分點。