典型煉焦混煤特性對焦炭性質的影響研究

王 飛，徐維利，段福彬，左遠鋒，趙 奇，周 琦，王 巖

(1.建龍西林鋼鐵有限公司，黑龍江 伊春 153000； 2.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

根據國家安監局統計，我國煉焦煤資源占世界煉焦煤資源的26%左右，強黏結性的焦煤和肥煤占全球煉焦煤資源的39%，弱黏結性的煉焦煤占比約61%，其余為少數混合煤品種。中國是世界上最大的焦炭生產和使用國，據國家統計局和中國煉焦行業協會統計數據，2021年全國焦炭產量達4.7 億 t 左右，約占全球焦炭總產量的70%[1]。伴隨著優質煉焦煤資源的緊缺和煉焦煤總體價格的上漲，不同單種煤混洗現象日益增加，甚至有的還將低階煤、焦末等配合而成為煉焦煤出售，對煉焦產品質量帶來了較大的負面影響。

受煤化程度和煤巖組成等成因的影響，盡管單種煉焦煤的黏結性和結焦性能接近，但其煉焦工藝性質及成焦顯微結構仍存在較大差異。因此，非單種煉焦煤的煤質特征更為復雜，其對配合煤的煤質、煤巖結構和煤灰組成的影響更大[2]，由此增加穩定焦炭質量的難度，因而在復雜混煤條件下確保焦炭質量是目前研究的熱點。首先應清晰地認識煉焦煤是否為混煤，如對于混煤的判定主要依據GB/T 15591《商品煤混煤類型的判別方法》，標準規定“當鏡質體反射率標準差≤0.10，凹口數為0個時判定為單一煤層煤；當反射率標準差大于0.10，根據不同的凹口數劃分為不同類型的混煤”。但隨著配煤技術的發展，有些混煤的鏡質體反射率分布圖沒有凹口，鏡質體反射率標準差小于0.10，利用該方法就難以分辨該煤樣是否為混煤，所以需要提出1種復雜混煤的判定方法。

煤巖顯微組分含量和煤的變質程度是影響煉焦煤結焦性和黏結性的主要因素，而鏡質體反射率是公認較為理想的變質程度表征指標，再結合煤的分子結構與化學組成可探討煤化作用[3]。但鏡質體反射率與煤種的關系并非一一對應，一些鏡質體反射率指標往往對應多個煤種，不能僅憑鏡質體反射率來判別其種類[4]，應再結合吉氏流動度和煤巖顯微圖像進行綜合分析。另外，一些黏結性指數較接近的煤樣，在焦化過程中膠質體的流動性[5-8]以及膠質體的物理化學變化[9-11]也差別較大。任學延等[12]利用密度法分離出不同變質程度煉焦煤的煤巖顯微組分中的鏡質體，發現不同鏡質體的黏結性及其熔惰能力差異較大。張雪梅等[13]利用模糊集合度量方法，在使用鏡質體反射率分布的基礎上，考慮到活惰比的影響，較為精準地預測了焦炭的冷熱性能。吳曉虎等[14]指出導致焦炭質量波動的關鍵因素是復雜的混煤，通過煤巖學方法可以指導配煤并達到穩定焦炭質量的目的。吉氏流動度的塑性溫度區間和最大流動度等特征指標具備精細化反映黏結特性的差異，靈敏反映煉焦煤氧化程度等獨特優勢，已經逐漸在煤質評價及煉焦配煤生產中得到應用[15]。綜上分析，在煉焦煤市場比較復雜的情況下，應充分重視煤巖學指標和吉氏流動度特征指標。

煉焦配煤技術的核心在于深入認識和科學表征原料煤性質、成因及其對成焦過程和焦炭質量的影響。為了揭示典型煉焦混煤特性及對焦炭性質的影響，分別從黑龍江和山西選擇了數種典型焦煤、氣煤、肥煤、1/3焦煤等作為研究煤樣，利用煤巖學手段研究上述煤樣的顯微組分特征以構建煉焦混煤判定方法，利用吉氏流動度研究煤成焦過程中的流變性特征，并利用80 kg荷重試驗焦爐研究煉焦混煤特性對焦炭質量的影響，綜合評價煉焦混煤的結焦性能，以期為指導煉焦混煤配煤技術提供支撐。

1 實驗部分

1.1 原料

根據研究需要，采取10種典型煤樣作為研究對象。其中，從東北地區采集1種焦煤(1號煤樣)、1種氣煤(2號煤樣)、2種1/3焦煤(3號和4號煤樣)和2種瘦煤(5號和6號煤樣)；從山西省地區采集1種焦煤(7號煤樣)和2種肥煤(8號和9號煤樣)。分別對煤樣進行縮分、破碎、篩分等處理。煤樣的工業分析(按照GB/T 212測定)、元素分析(按照GB/T 476測定)、全硫(按照GB/T 214測定)等基本煤質特性見表1。

表1 煤樣的基本煤質特性Table 1 Basci properties of coal samples

由表1可知，2種焦煤的灰分平均值為11.09%，揮發分平均值為25.49%；2種肥煤的灰分平均值為10.44%，揮發分平均值為25.94%；2種1/3焦煤的平均灰分為9.10%，揮發分平均值為34.37%；2種瘦煤的灰分平均值為10.50%，揮發分平均值為20.31%。按照GB/T 15224.2《煤炭質量分級 第2部分:硫分》的規定，從黑龍江采集的焦煤、2種1/3焦煤、氣煤均屬于特低硫煤，2種瘦煤屬于低硫煤；從山西采集的焦煤和2種肥煤屬于高硫煤。

1.2 80 kg荷重試驗焦爐

此次研究相關的煉焦試驗在80 kg荷重試驗焦爐(KXJL-HZ-D80型)完成，如圖1所示。

圖1 80 kg荷重試驗焦爐Fig.1 80 kg load test coke oven

試驗焦爐通過調節對配煤試樣施加的荷重，從而模擬不同容積生產焦爐的煉焦過程。設置 2 套獨立控制的煤甑升降機構與 1 套可平行移動的加熱爐體，可以連續熱裝方式、交替完成煉焦實驗過程。試驗焦爐的尺寸為3 000 mm×2 400 mm×2 480 mm；煤甑:材質為奧氏體鉻鎳不銹鋼，使用溫度1 100 ℃。

1.3 煉焦實驗方法

(1) 稱取原始配煤樣約100 kg(稱量精度為±10 g)裝入密封容器；

(2) 按照GB/T 211標準測定原始配煤樣水分，根據配煤結構要求配置入爐煤樣；

(3) 將入爐煤樣裝入煤甑內，將料面的表面撥平搗固(密度大時可分層搗固)，電動操作將搗固錘頭放在煤甑內配煤表面上；

(4) 啟動自動搗固按鈕，搗固過程開始運行，當煤餅密度達到規定值時，搗固過程結束，控制搗固錘頭返回上限位；

(5) 將煤甄連接到系統中，開始升溫煉焦，控溫精度為(1 050±1) ℃，待升到目標溫度穩定一定時間后結束煉焦試驗。

1.4 分析表征方法

(1) 煤巖分析:使用BRICC-M型全自動煤巖圖像分析系統(ZEISS Image A2m偏光顯微鏡)測試煤樣的鏡質體反射率和顯微組成，煤巖圖像分析系統如圖2所示。該系統可實現鏡質體自動識別和反射率自動測定，顯微圖像可追溯。測試方法主要依據國家標準GB/T 15588和GB/T 40485，并參照國際煤巖學委員會(ICCP)1994年頒布的新的顯微組分分類方案以及后續對不同組分詳細分類的補充文件。

圖2 BRICC-M型全自動煤巖圖像分析系統Fig.2 BRICC-M fully automatic coal petrology image analysis system

(2) 吉氏流動度特征指標:使用JS1-1型吉氏流動度測定儀測試煤樣的吉氏流動度特征指標，其儀器示意如圖3所示。

圖3 吉氏流動度測定儀Fig.3 Gieseler fluidity determinator

實驗采用吉氏流動度測定儀,升溫精度(3±0.1) ℃/min、控溫范圍在0～800 ℃、分辨率為0.1 ℃、使用溫度≤550 ℃、電機轉速1 000 r/min(max)，無級可調、輸出扭力矩(101.6±5.1)g·cm。測試方法按照GB/T 25213—2010《煤的塑性測定 恒力矩吉氏塑性儀法》執行。

2 結果與討論

2.1 典型煉焦混煤的煤巖特性

利用BRICC-M型全自動煤巖圖像分析系統獲得上述煤樣的鏡質體反射率和反射率標準差，結果見表2。煤樣的鏡質體反射率分布如圖4所示。從表2可知，1號、2號、4號、5號、6號和9號煤樣的反射率標準差均大于0.10，按照國家標準GB/T 15591《商品煤混煤類型的判別方法》可判定上述煤樣均為混煤。如圖4所示，上述煤樣的反射率分布直方圖的形狀均比較復雜，沒有呈現典型的正態分布形狀，且反射率的區間范圍較寬。其中1號煤樣具2個凹口；2號煤樣具1個凹口；4號煤樣混配了貧煤或無煙煤；5號煤樣具1個大凹口；6號煤樣具3個凹口；9號煤樣具2個凹口，分析反射率分布直方圖可知上述煤樣混入的煤種比較雜亂，摻混的煤種涵括褐煤等低變質煤、貧煤或無煙煤；3號、7號和8號該3種煤樣的標準差均小于0.10。

表2 煤樣的煤巖指標Table 2 Coal petrology index of samples

圖4 煤樣的反射率分布直方圖Fig.4 Reflectance distribution histogram of coal sample

上述3種煤樣的反射率分布直方圖如圖5所示。由圖5可知，3號煤樣沒有凹口；7號煤樣的直方圖基本接近正態分布形狀，反射率區間寬度約0.7；8號煤樣的直方圖中有1個凹口。按照GB/T 15591的分類標準，可判定8號煤樣為混煤，3號煤樣和7號煤樣為單一煤層煤樣。但3號煤樣的鏡質體反射率直方圖分布比較異常，未呈現出正態分布曲線，因煤巖測試的總測點數為23 079個，說明該煤樣為混煤。為進一步確認7號煤樣是否為單一煤層煤樣，對該煤樣的煤巖顯微圖像進行深入分析，其顯微圖像如圖6所示，發現顯微圖像中明顯存在2種截然不同的鏡質體，且發現了褐煤等低變質煤特征，綜合分析可判定7號煤樣為混煤。因此，針對目前煉焦煤市場存在混煤現象嚴重的情況，在現行標準基礎上需充分借助煤巖顯微圖像分析判定煤樣性質。

圖5 煤樣的反射率分布直方圖Fig.5 Reflectance distribution histogram of coal sample

圖6 7號煤樣的顯微圖像Fig.6 Microscopic image of coal sample No.7

為準確判定煤樣性質，在上述研究基礎上提出煉焦混煤判定方法，具體步驟如下:① 按照現行標準的要求，測試煤樣鏡質體反射率分布直方圖、鏡質體反射率標準差，可追溯顯微組分圖像。以鏡質體反射率標準差是否大于0.10對煤樣性質進行初步判定，即若標準差大于0.10則可判定該煤樣為混煤；② 當煤樣的反射率標準差≤0.10，如果反射率分布直方圖有1個及以上的凹口或未呈現正態分布形狀，可判定該煤樣為混煤；③ 當煤樣的反射率標準差小于0.10，反射率分布直方圖沒有凹口且呈現正態分布趨勢時，對所述煤樣的顯微組分圖像特征進行識別，主要判斷依據為顯微圖像的顏色特征和形貌紋理特征，若出現異常則可判定為混煤。

2.2 煉焦混煤的黏結特性分析

根據前述研究，此次采集的煤樣均為煉焦混煤。為了研究煉焦混煤對黏結性質和成焦性質的影響，對上述煤樣進行了膠質層、黏結指數、吉氏流動度等分析，結果見表3。

由表3可知，7號、8號和9號煤樣的G值達到96以上，3號煤樣和4號煤樣的G值平均也在90左右。上述典型煉焦混煤的黏結指數均較高，尤其是3號、4號和7號煤樣遠高于全國平均水平。另外，此次實驗研究所采用的典型煉焦混煤的膠質層Y值也較高。從膠質層Y值和黏結指數可知，所選焦煤、肥煤、氣煤和1/3焦煤的黏結性均較強，且相同變質程度的煤樣相差不大。

表3 煤樣的黏結性指標Table 3 Adhesion index of samples

通過分析吉氏流動度特征指標可知，從黑龍江地區采集的焦煤、氣煤、1/3焦煤之最大流動度指標均較低，除了煤炭成因的影響之外，可能與煤樣中摻混較多的低變質煤也有一定關聯。2種焦煤的塑性溫度范圍較窄，1號煤樣和7號煤樣的最大流動度相差近342倍，7號煤樣的塑性溫度區間比1號煤樣寬泛2倍多。8號煤樣和9號煤樣的最大流動度平均值在19 000 ddpm左右，其中8號煤樣的最大流動度為20 172 ddpm，9號煤樣的最大流動度為18 507 ddpm，8號與9號煤樣的最大流動度相差約1.1倍。結合黏結指數分析，2種焦煤、2種肥煤、2種1/3焦煤的黏結指數均處于較窄范圍之內，但其最大流動度卻表現出較大差異。雖相同變質程度煤樣的膠質體黏結性接近，但膠質體的流動性相差較大，將直接影響成焦過程中膠質體的成焦作用，進而影響焦炭的機械強度和熱強度。因此，研究吉氏流動度的塑性溫度區間和最大流動度指標可以精細化反映出相同變質程度煉焦煤在黏結特性方面的差異。

2.3 黑龍江地區煉焦混煤的顯微組成特征

焦炭的性質取決于其微觀性質即焦炭的顯微結構，而決定焦炭顯微結構組成的首要因素是煤的變質程度和煤巖組成，其次是工藝條件。有關煤巖顯微組成對煉焦煤和焦炭性質的影響已有較多研究成果[16-20]，鏡質體提供成焦所需的黏結性，惰質組在成焦過程中不會發生軟化熔融，但可作為成焦核心保證焦炭的強度和塊度，配合煤活惰比的大小與焦炭質量關系密切。

此次研究工作對所采集黑龍江地區典型煉焦混煤的顯微組成進行測定，結果如圖7所示。由圖7可知，所采集黑龍江地區的典型焦煤、瘦煤、1/3焦煤、氣煤的煤巖顯微組分結構特征非常相似，煤樣鏡質組占86.4%～95.0%、惰質組占4.2%～13.0%、殼質組平均含量為0.2%、礦物質含量為0.4%～1.0%。

圖7 黑龍江地區典型煉焦混煤的煤巖顯微組分特征Fig.7 Maceral characteristics of typical coking coal blending in Heilongjiang area

上述煤樣的煤巖顯微組分中絕大部分是鏡質組，惰質組和殼質組的含量非常少，此應與黑龍江省煉焦煤的成煤期和成煤環境有關，其主要成煤地質時代是白堊紀，巖漿作用很弱，大多數煤田未發生過巖漿熱變質作用。張曉晴等[21]指出黑龍江綏濱煤田福興礦區城子河組煤高鏡質體含量歸因于成煤期盆地基底沉降速率相對較快，沼澤面長期處于地下水潛水面之下而具有相對還原的環境。

成焦過程中可以軟化熔融的活性物質與不能軟化熔融的惰性物質之比為活惰比。劉克輝等[22]發現1種特殊焦煤的G值、Y值、工業分析指標等與其他同類焦煤相近甚至更好，但其顯微組分異常(活惰比高達19.2)，造成單種煤煉焦所得焦炭的熱強度低至5.3%。隋月斯等[23]指出將活惰比區間控制在2.9～3.1，可以配入瘦煤和1/3焦煤并不影響焦炭質量。所以，煤中活性組分和活惰比也是影響煉焦煤黏結性和成焦特性的重要因素。根據所采集焦煤、氣煤、1/3焦煤等煤樣的鏡質組、惰質組、殼質組、礦物質含量等，計算可知所采集黑龍江地區的典型煉焦混煤具有較高的活惰比(平均值>6)，預測對煉焦混煤的成焦性和焦炭性能會有較大影響。

2.4 煉焦混煤特性對焦炭性質的影響

針對上述煤樣，利用80 kg荷重試驗焦爐分別開展單種煤的煉焦試驗，所得焦炭的特性指標見表4。

表4 典型焦炭的特征指標Table 4 Characteristic index of typical cokef typical coke

分析表4可得到以下結論:

(1) 不同煤樣單獨煉焦所得焦炭的灰分和揮發分差別不大；

(2) 7號煤樣和9號煤樣所煉焦炭的硫含量較高，其他煤樣所煉焦炭的硫分均較低；

(3) 從焦炭的機械強度分析，焦煤所得焦炭的抗碎強度M40最高，氣煤的M40最小，2種1/3焦煤的M40差別也較大；

(4) 從耐磨強度M10的大小可知， 2號、3號、4號和9號煤樣的耐磨強度較差，焦煤和瘦煤所得焦炭耐磨強度較好；

(5) 從熱強度上分析，5號、7號和9號煤樣的反應后強度CSR均高于60%，而2號、3號和4號煤樣的CSR較低，且相同變質程度的煤樣之間差別較大。

結合表3分析可知，典型煤樣的黏結指數和膠質層Y值比較高且較相近，分析煤樣黏結性指標G值和膠質層Y值并不能準確地預測焦炭的質量，更無法解釋清楚焦炭的機械強度和熱強度存在較大差別的原因。從吉氏流動度特征指標能夠清楚地發現各煤樣之間流動性存在的差異，且各煤樣的活惰比也相差較大。

綜上所述，在預測焦炭質量時需深入分析煤樣的吉氏流動度指標和煤巖顯微組成，且應考慮煉焦混煤對膠質體流動性產生的影響。

3 結 論

(1) 構建基于鏡質體反射率標準差、反射率分布直方圖、顯微組分圖像特征等因素的煉焦混煤判定方法，經過分析可判定所選的典型煉焦煤均為煉焦混煤，且部分混入褐煤等低變質煤、貧煤或無煙煤。

(2) 7號煤樣、8號煤樣和9號煤樣的G值達到96以上，所選焦煤、肥煤、氣煤和1/3焦煤的G值均比較高且比較接近，從黏結指數和膠質層Y值可知上述煉焦混煤黏結性較強。但相同變質程度煉焦混煤的最大流動度差異較大，且各煤種煤樣的膠質體流動性均較差。

(3) 黑龍江地區典型煉焦混煤的顯微組分特征非常相似，其鏡質組含量和活惰比異常高，即鏡質組約占86.4%～95.0%，而惰質組約占4.2%～13.0%。

(4) 通過煉焦試驗可知在預測焦炭質量時需深入分析煤樣的吉氏流動度特征指標、煤巖顯微組成、煉焦混煤特性等對膠質體黏結性和成焦性所產生的影響。