搗固焦與頂裝焦的質量差異及其配煤方法比較

任 華 偉

(1.河北中煤旭陽能源有限公司 煤炭研究所，河北 邢臺 054001；2.河北省煤化工工程技術研究中心，河北 邢臺 054001)

0 引 言

我國煤炭資源具有優質煉焦煤資源緊缺的特點，由此決定我國適宜發展搗固煉焦技術[1-2]。2021年全國焦炭產量為4.64億t，搗固焦約占焦炭總產量的60%以上，已投產搗固焦爐超過400座，其中最大爐型為6.78 m。搗固煉焦技術的快速發展可在豐富焦炭產品、節約煉焦煤資源以及降低生產成本等方面起到促進作用，并由此推動我國煉焦技術的進步[3]。

但在實際生產中，由于配入了大比例的弱黏結性煤或高揮發分煤，加上對搗固焦的研究不夠深入，大部分焦化和煉鐵工作者認為搗固焦屬于“劣質品”，其與頂裝焦在實際質量上存在較大差異，很難應用到大型高爐中。因而以下分析對比搗固焦與頂裝焦的質量差異，再延伸到配煤理論、方法的差異分析，由此解釋質量區別的緣由，以促進搗固焦質量改善和配煤技術進步。

1 搗固焦與頂裝焦的質量差異

當釆用相同配煤比時，搗固焦的質量要優于頂裝焦，此由其先進的工藝所決定。但由于配煤質量、生產工藝及裝備水平在實際生產中不盡相同，使各搗固焦產品與同類別頂裝焦在冶金性能或在高爐中的表現有一定差別。較多搗固焦由于塊度小而無法檢測M40，故冷態強度一般用M25和M10表征，M25能達到90%以上，M10在8%以下；頂裝焦普遍塊度較大，可用M40和M10表征冷態強度，M40能達到85%～90%，M10在5%～8%；搗固焦與頂裝焦的冷態強度基本對等。熱態強度方面，搗固焦CSR一般在55%～65%，一些定制的搗固焦或大型高爐用搗固焦CSR能達到65%以上；頂裝焦CSR一般在62%～72%，總體比搗固焦稍高一些。

在焦炭塊度方面，搗固焦總體塊度更加均勻，但大于80 mm的大塊焦較少，平均粒度在43 ～48 mm；而頂裝焦的大塊焦較多，塊度相對較大，平均粒度一般能達到45 mm以上，有的甚至達到50 mm以上[4]。焦炭堆積密度為焦炭視密度與焦塊之間的空隙體積之比。由于焦塊之間的空隙體積之比與平均粒度成反比，搗固焦平均粒度小，其空隙體積之比較大；而搗固焦的視密度又稍大于頂裝焦[5]，故搗固焦的堆積密度大于頂裝焦，可達到(600～650)kg/m3或更高，而頂裝焦的堆積密度為(400～520)kg/m3。因此，針對相同的焦炭批重，搗固焦的體積要比頂裝焦的體積小很多，即相同焦比的搗固焦在高爐內焦窗厚度減小則會影響高爐爐況的透氣性，從而制約其在大型高爐中作用發揮[6]。此外，搗固焦顯氣孔率和總氣孔率明顯低于頂裝焦炭。

個別企業焦炭氣孔率參數見表1。

表1 部分企業焦炭氣孔率參數Table 1 Parameters of coke porosity in some enterprises

由表1可知，搗固焦顯氣孔率平均為36.4%，總氣孔率為40.2%，頂裝焦顯氣孔率平均在41.5%，總氣孔率為49.7%，搗固焦的顯氣孔率、總氣孔率分別比頂裝焦的低5.1%和9.5%。

搗固焦與頂裝焦的微觀形貌分別如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可知，搗固焦以微小孔徑的氣孔為主，氣孔相對獨立，氣孔形狀不規則，存在“扁狀”氣孔，氣孔壁粗糙；頂裝焦炭氣孔孔徑較大，深度較淺，氣孔壁碳基體結構相對致密，微裂紋也很少。

圖1 典型搗固焦微觀形貌Fig.1 Micro-morphology of typical SC-battery coke

圖2 典型頂裝焦微觀形貌Fig.2 Micro-morphology of typical TC-battery coke

針對同類別的焦炭，搗固焦的外觀整體具有細長、裂紋明顯、表面粗糙等特點，頂裝焦的外觀整體具有方塊、表面平整、銀灰更亮等特點。搗固工藝使焦炭氣孔直徑減小、氣孔率降低，進而降低焦炭CRI，但搗固焦的氣孔結構不規則、孔壁薄厚不一等因素導致其在高爐中的不確定性[7-9]。

2 搗固焦與頂裝焦的配煤方法比較

配煤差異和工藝差異是造成搗固焦與頂裝焦質量差異的主要原因，其中配煤差異占主導地位。由于搗固焦技術產生及應用較晚，故現有很多配煤技術均基于頂裝焦工藝，使得部分配煤理論和方法已不能很好地指導搗固焦配煤生產，為此迫使廣大搗固焦企業結合各自的煤源情況、焦炭質量需求等建立不同的搗固焦配煤方法。

2.1 配煤理論和方法的差異

當前應用較多的配煤理論主要涵括三類，分別是膠質層重疊原理、互換性原理和共炭化原理[10-11]。不同配煤理論建立在不同的成焦機理上，因而不同配煤理論的適用對象和場景有所不同，應對其加以區分對待。

互換性配煤原理更適用于搗固焦配煤，即其利用活性組分和惰性組分概念來指導配煤，通過調節不同活性含量煤的比例，使配合煤的活性組分和惰性組分比例達到適宜比例；當活性組分與惰性組分比例達不到適宜比例時，可以添加黏結劑或瘦化劑的辦法加以調整。以此為基礎的配煤方法一般沒有固定的配煤結構，將煤主要分為活性組分為主的煤和惰性組分為主的煤兩大類，控制配合煤活惰比達到要求即可生產出合格焦炭。

頂裝焦配煤主要依據膠質層重疊原理進行配煤，即要求配合煤中各單種煤膠質體的軟化區間、溫度間隔能較好地實現搭接，在煉焦過程中可使配合煤能在較大的溫度范圍內處于塑性狀態，進而改善配合煤的黏結過程，從而保證焦炭的結構均勻[12]。該種以多種煤互相搭配、膠質層彼此重疊的配煤原理，曾長期主導蘇聯和我國的配煤技術。以此為基礎的配煤方法一般是以焦煤、肥煤為主且氣煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤按一定比例配合的常規經驗配煤方法。

2.2 用煤結構及配煤指標的差異

由于搗固焦工藝具有先天優勢，因而若要得到化學成分、強度等指標都不低于頂裝焦的搗固焦，可配入大比例的弱黏結性煤或高揮發分煤，故搗固焦與頂裝焦在用煤結構及配煤指標方面存在明顯的差異，如以焦肥煤比例作為衡量指標，搗固焦的焦肥煤比例一般為20%～45%甚至更低，頂裝焦一般為55%～85%。統計國內搗固焦企業與頂裝焦企業配煤情況，搗固焦與頂裝焦配煤結構、頂裝焦入爐煤質量對比分別見表2、表3。

表2 搗固焦與頂裝焦配煤結構對比Table 2 Comparison of coal blending structures between SC-battery coke and TC-battery coke %

表3 搗固焦與頂裝焦入爐煤質量對比Table 3 Comparison of coal quality between SC-battery coke and TC-battery coke

從表2和表3可看出，搗固焦配煤中一般配入不黏煤、弱黏煤、貧煤，或配入無煙煤[13]，山西個別企業最高配用比例合計達到20%，主要用于降灰、降成本，但存在非黏結顆粒邊界和催化指數高等問題，影響焦炭熱態強度，需增加高流動度氣肥煤及對其預粉碎，從而確保焦炭強度。搗固焦入爐煤揮發分較高，一般在27%～31%；G、Y值控制較低，一般在65～75、11 ～13 mm。頂裝焦用煤結構及配煤指標不僅跟搗固焦有差異，不同爐型之間也存在差異。6 m頂裝焦爐焦肥煤比例一般在55%～65%，高揮發分煤主要是1/3焦煤和氣煤，低揮發分煤主要是瘦煤和貧瘦煤，少部分企業業會配入一些貧煤；入爐煤揮發分適中，一般在25%～28%；G值和Y值中等，一般在75～80和14 ～16 mm。7 m及以上頂裝焦爐對于原料煤質量要求更高，焦肥煤比例一般在70%～85%，再配入10%～20%的1/3焦煤和5%～15%的瘦焦煤或瘦煤，不配入貧瘦煤和貧煤；入爐煤揮發分控制較低，一般在22%～26%；G、Y值控制較高，一般在80～85、15 ～18 mm。另外，搗固焦與頂裝焦在入爐煤水分和硫分上也有一定差異，搗固焦入爐煤水分要求在10.5%～12%，以確保煤餅合格率，不出現塌煤餅情況；頂裝焦入爐煤水分通常可根據各地區煤的水分而定，實際上一般在10%左右。搗固焦入爐煤硫分控制較低，一般在0.75%～0.85%，此由焦炭硫分需求所決定。因為搗固焦產品大部分應用于中小型高爐，而該高爐未配備精脫硫工藝，所以對焦炭硫分控制較嚴格。頂裝焦入爐煤硫分要求不高，一般為0.8%～1.0%，大都用于基本配備有精脫硫工藝的中大型高爐。

全國不同地區焦化企業配煤結構詳見表4。由表4可知，不同區域和不同煤源、不同焦炭產品和不同高爐需求、不同焦爐爐型和不同生產條件等均會導致不同的配煤結構。同樣是5.5 m搗固焦爐，河北、山東和內蒙企業由于不同的煤源致使配煤結構存在較大差異。河北省煤炭資源中的焦煤、肥煤及1/3焦煤相對豐富且其黏結性較高，故可搭配部分弱黏煤和貧煤等；山東省以高揮發分煤資源為主，所以氣煤、1/3焦煤在當地焦化企業配煤結構中占比較高，配合煤揮發分最高達31%；內蒙煤資源以烏海中高硫肥煤、1/3焦和鄂爾多斯不黏煤為主且進口蒙古煤有優勢，但各煤灰中堿金屬含量高，對熱態強度影響大，故焦肥煤比例稍高。再如針對7.63 m搗固焦，由于高爐的需求不同，導致安徽MG焦化和江蘇SG焦化的配煤結構大不相同，安徽MG焦化焦炭供4 700 m3大高爐使用，而江蘇SG焦化焦炭供5 800 m3大高爐使用，所以江蘇SG焦化對焦炭質量要求更高，配煤中焦肥煤比例更高。此外，在同一區域內由于焦爐爐型、熄焦工藝、結焦時間等生產條件不同也會較大程度影響配煤結構，其炭化室越高越寬的焦爐則要求強黏結性煤比例越高；在采用干熄焦工藝的配煤中，焦肥煤比例較濕熄焦低5%以上；較短的長結焦時間可降低焦肥煤比例。總之，每個焦化企業應遵照配煤原則且最大程度使用當地煤資源，確定最佳的生產工藝條件，并根據用戶需求生產合格質量的焦炭產品，實現利潤最大化。

表4 不同地區企業配煤結構對比Table 4 Comparison of coal blending structures of enterprises in different regions %

2.3 配煤優化方向與配煤思路的差異

由于搗固焦企業通常以獨立焦化廠為主且以追求利潤最大化為目標，故配煤優化方向更多傾向于降低配煤成本。因從成本考慮則導致搗固焦在配煤上煤源不固定，其熱態強度易出現波動，因而在企業質量管理中以關注熱態強度指標為主。

頂裝焦企業基本為鋼鐵企業焦化廠，配煤優化方向首先是穩定和提升焦炭質量，保證配比穩定，考慮成本較少。頂裝焦的配煤總體穩定，其熱態強度相對穩定，而焦爐爐溫、出爐計劃等生產工藝條件波動不可避免，對冷態強度的影響較大，致使企業質量管理中以關注冷態強度指標為主。

在配煤思路上兩者也有明顯差異，呈現“兩多兩少”特點。搗固焦配煤應遵循“多肥少焦、多氣少瘦”原則，即多用黏結性強、塑性范圍寬的肥煤，利用其較好的配伍性，可以配用更多低黏結性煤；焦煤雖自身有較好的結焦性和強度，但帶動其他煤的能力有限，無法搭配更多的低黏結性煤。氣煤的揮發分高，但黏結性較強，利用搗固焦工藝增加堆密度，使熱解產生氣體逸出時遇到的阻力增大，在膠質體內的停留時間延遲，氣體中帶自由基的原子團或熱分解的中間產物有更充分的時間相互作用[14-15]，使得氣煤高揮發分的弊端得以克服，此為搗固焦可多配入高揮發分煤的緣由[16]。瘦煤的揮發分性低，也有一定結焦性，但黏結性弱且塑性溫度偏高、范圍偏窄，不能產生較多的膠質體去包融其他煤，總體不及氣煤。

此外，肥煤和氣煤價格低于焦煤和瘦煤，資源量多于焦煤和瘦煤，故搗固焦配煤中應該多使用肥煤和氣煤。頂裝焦煤配煤應以“多焦少肥、多瘦少氣”為原則，因頂裝焦低黏結性煤配用量少，各煤種本身的黏結性和結焦性都不錯，僅需要個別優質的焦煤起骨架作用。

另外，頂裝焦配合煤揮發分控制要求較低，需多配一些低揮發分的煤種，有利于提升焦炭強度和塊度。但無論如何，搗固焦和頂裝焦均需確保配合煤各指標在合理控制范圍內。

3 結 論

(1) 現有行業內生產和銷售的搗固焦冷態強度與頂裝焦持平，雖氣孔率較低、氣孔結構好于頂裝焦，但熱態強度和焦炭塊度低于頂裝焦，在高爐內焦窗厚度減小，總體在大高爐應用中效果不及頂裝焦。搗固焦在未來需走高質路線，以滿足大型高爐更加苛刻的質量需求。

(2) 因區域、煤源、焦炭等級、高爐需求、焦爐爐型等各不相同，搗固焦與頂裝焦之間在配煤原理、思路和方法上存在較大差異，此為造成焦炭質量差異的主要原因。

(3) 廣大搗固焦企業應結合各自的煤源情況以及焦炭質量需求等客觀因素，從而有效建立適合自身的搗固焦配煤結構，并加強搗固配煤技術研究，充分利用搗固焦該先進煉焦技術，實現行業可持續發展。