艾爾加煤的煤巖與煤質特性及煉焦配煤關鍵問題分析

2023-11-03 12:34:02龐克亮馬銀華吳昊天谷致遠劉福軍

煤質技術 2023年5期

王越，龐克亮，馬銀華，夏偉，吳昊天，谷致遠，劉福軍，趙華

(1.鞍鋼集團北京研究院有限公司北京 102200；2.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧營口 115007；3.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114009)

0 引言

在我國煤炭消費中，電力、冶金、建材、化工是4個最主要的消費行業，煉焦用煤的消費量約占全部煤炭消費總量的15%。隨著“碳達峰、碳中和”戰略的實施以及全社會環保意識的增強，對不同用煤領域的煤炭質量提出了更高的要求。煉焦用煤原則上必須使用精煤，對特定工藝性能指標有基本的要求，對商品煤性質和質量的要求總體上高于其它行業用煤。

近年來，我國煉焦用煤的生產情況發生了較大的變化。隨著我國煉焦煤開采強度不斷增大，煤質劣化現象比較嚴重，使煉焦精煤的灰分和硫分呈增高趨勢。優質煉焦煤資源相對緊缺，煉焦煤的供應總體上偏緊。混煤入洗和供應的現象比較普遍，煤質相對變差且波動較大，給煉焦生產工藝和穩定焦炭質量帶來較大的困難。

隨著我國焦爐大型化、煉焦工藝及配煤技術的發展，焦化企業普遍對低灰、低硫、中高變質、低反應性、強結焦性的優質煉焦煤的需求量增大[1]。特別是優質焦煤、肥煤的資源消耗過大，已經逐漸不能滿足焦化企業的生產需求，影響焦化穩定生產和焦炭質量的提高。

此外，《商品煤質量管理暫行辦法》以及《商品煤質量評價與控制技術指南》等政策和標準相繼出臺，對煤中硫分及其它有害元素的關注程度日漸提高。

我國焦化行業對優質煉焦煤需求不斷增長，但面臨日益嚴重的優質煉焦煤短缺和煤質下降問題。國外煉焦煤與國內煉焦煤的煤質和工藝性能互補性強，從海外進口大量優質煉焦煤，可在一定程度上緩解優質煉焦煤短缺的問題[2]。尤其是俄羅斯遠東地區煉焦煤資源豐富，煤種齊全，運輸距離近，俄羅斯強黏結性低硫煉焦煤是我國煉焦配煤的良好補充。目前國內焦化企業對該地區的氣煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤和瘦煤均進行了配煤使用。

俄羅斯焦煤的煤質穩定，具有低灰、低硫的優點，與國內高硫肥煤及焦煤具有煤質互補性，配煤煉焦時有利于穩定焦炭質量，降低焦炭灰分和硫分，提高焦炭平均粒度和抗碎強度[3]，在國內焦化企業應用廣泛[4-5]。在煉焦配煤中使用俄羅斯K10焦煤替代一部分國內焦煤，可以在保持焦炭強度基本穩定的情況下，降低配合煤成本[6]。王春華[7]在山西煉焦煤中配入不超過10%的俄羅斯煉焦煤降低硫分，不僅能保證比較理想的焦炭質量，而且代替了稀缺的國內煉焦煤資源。

彭永根等[8]以10%的俄羅斯低硫K10焦煤與10%山西兌鎮高硫焦煤替代20%的優質焦煤，控制配煤硫分≤0.85%，不僅能保持焦炭冷強度和熱性能穩定，而且能顯著降低配煤成本。吳洪義等[9]控制俄羅斯K10焦煤的配入量，保證配煤的黏結性，焦炭的冷熱強度較好，粒度較大，并能降低配煤成本。

配用少量俄羅斯低硫肥煤，可改善焦炭的硫分。如使用5%的俄羅斯低硫肥煤與山西高硫焦煤配合使用，在保證焦炭質量穩定的前提下，可降低配煤成本[10]。用俄羅斯肥煤替代部分淮北臨渙肥煤，可降低配煤成本、優化配煤結構[11]。在韶鋼4.3 m焦爐上進行俄羅斯低硫肥煤的工業配煤生產，不僅生產出合格焦炭，而且顯著降低配煤成本[12]。俄羅斯低硫肥煤在7.63 m焦爐配用比例可達4%，對進一步提高比例仍需繼續研究[13]。

俄羅斯南雅庫特煤田的艾爾加煉焦煤具有鮮明的煤質特點，該煉焦煤與國內煉焦煤的成焦特性存在一定的差異，配用效果與國內優質煉焦煤相差較遠[14]。筆者系統分析艾爾加煤的煤巖、煤質、黏結成焦特性以及煤灰化學特征，對其煉焦配煤的關鍵問題進行分析，以期為國內焦化企業大比例配用該煤提供技術支撐，對節約我國優質煉焦煤資源、降低焦化企業的生產成本和原料采購難度以及保障我國煤焦行業健康、可持續發展具有重要的實際意義。

1 實驗研究

1.1 樣品采集與煤質測試

按照GB/T 475—2008《商品煤樣人工采樣方法》分別從國內某港口采集2種艾爾加原煤和1種精煤，按照GB/T 474—2008《煤樣的制備方法》制備分析煤樣。

按照GB/T 6948—2008《煤的鏡質體反射率顯微鏡測定方法》以及GB/T 8899—2013《煤的顯微組分組和礦物測定方法》測試樣品的煤巖特征。

分別按照GB/T 211—2017《煤中全水分的測定方法》、GB/T 212—2008《煤的工業分析方法》、GB/T 214—2007《煤中全硫的測定方法》、GB/T 215—2003《煤中各種形態硫的測定方法》、GB/T 213—2008《煤的發熱量測定方法》、GB/T 476—2008《煤中碳和氫的測定方法》、GB/T 19227—2008《煤中氮的測定方法》、GB/T 216—2003《煤中磷的測定方法》、GB/T 3058—2008《煤中砷的測定方法》、GB/T 3558—2014《煤中氯的測定方法》、GB/T 4633—2014《煤中氟的測定方法》、GB/T 16659—2008《煤中汞的測定方法》、GB/T 2565—2014《煤的可磨性指數測定方法哈德格羅夫法》、GB/T 217—2008《煤的真相對密度測定方法》等國標方法測試樣品的基本煤質特征。

分別按照GB/T 5447—2014《煙煤黏結指數測定方法》、GB/T 479—2016 《煙煤膠質層指數測定方法》、 GB/T 5450—2014《煙煤奧阿膨脹計試驗》、GB/T 25213—2010《煤的塑性測定恒力矩吉氏塑性儀法》、GB/T 5448—2014《煙煤坩堝膨脹序數的測定電加熱法》、GB/T 1341—2007 《煤的格金低溫干餾試驗方法》等測試樣品的多種煉焦特征。

分別按照GB/T 1574—2007 《煤灰成分分析方法》、GB/T 219—2008《煤灰熔融性的測定方法》測試樣品的煤灰化學特征。按照式(1)計算樣品的堿酸比(Bs)。

Bs=B(Fe2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O+

MnO2)/B(SiO2+Al2O3+TiO2)

(1)

1.2 成焦特性實驗及焦炭分析

按照MT/T 1181—2019 《煉焦煤煉焦試驗方法》對實驗樣品進行40 kg試驗焦爐成焦特性實驗，分別按照GB/T 2006—2008《焦炭機械強度的測定方法》以及GB/T 4000—2008《焦炭反應性及反應后強度試驗方法》測試樣品的冷態強度及熱強度。

2 結果與討論

2.1 艾爾加煤的煤巖特征分析

表1 艾爾加煤的煤巖特征

2.2 艾爾加煤的煤質特性分析

2.2.1基本煤質特征

艾爾加煤的基本煤質特征見表2。由表2可知，艾爾加煤的煤質特征較優良，精煤灰分較低，硫分極低，揮發分高，發熱量高，哈氏可磨性指數(HGI)較高。有害微量元素含量低，為特低磷、特低氯、特低砷、特低汞、中低氟含量煤，具有較好的環保屬性，能滿足我國煉焦煤進口的要求。

表2 艾爾加煤的基本煤質特征

2.2.2塑性特征

艾爾加煤的塑性特征見表3。由表3可知，得益于艾爾加煤中超高的鏡質組含量，煤的塑性特征極佳。黏結指數(GR.I)大于90，為強黏結性煤；膠質層最大厚度(Y)可達32 mm以上，為優質肥煤，在煉焦配煤中可以發揮較好的黏結作用。吉氏最大流動度(MF)可達42 000 ddpm，可以對弱黏結煤顆粒進行有效包裹，塑性溫度區間可達112～117 ℃，為膠質體塑性區間搭接提供有力的支撐。但奧阿最大膨脹度(b)>300%，在煉焦配煤中應控制配入量，避免造成焦塊收縮不足導致難推焦及破壞焦爐。

表3 艾爾加煤的塑性特征

2.2.3煤灰化學特征

艾爾加煤的煤灰成分見表4。由表4可知，艾爾加煤中的Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等堿金屬和堿土金屬含量較高，與煤的成煤環境密切相關[15]。

表4 艾爾加煤的煤灰成分

原煤1、原煤2以及精煤的堿酸比分別為0.183、0.316和0.158，堿性氧化物含量相對較高，對焦炭的溶損反應造成一定的不利影響[16]。

艾爾加煤在氧化氣氛及弱還原氣氛中的煤灰熔融性溫度見表5。由表5可知，艾爾加煤在氧化氣氛及弱還原氣氛中的煤灰熔融性溫度均較高，不會對煉焦造成不利的影響。

表5 艾爾加煤的煤灰熔融性溫度

2.2.4成焦特性分析

利用40 kg實驗焦爐進成焦特性實驗后，焦炭的質量特征見表6。由表6可知，艾爾加單種煤焦炭的冷態強度指標較好，但熱態強度指標較差，焦炭熱反應性(CRI)均在50%以上，而反應后強度(CSR)均在30%以下。

表6 艾爾加煤制備焦炭的質量特征

2.3 煉焦配用艾爾加煤的關鍵問題分析

艾爾加肥煤具有低硫、強黏結性的特點，是1種較好的配煤煉焦的基礎煤種，可彌補我國低硫、強黏結肥煤資源不足，同時可降低配煤成本和焦炭硫分。但該煤的活性組分含量較高,活惰比異常高,偏離煤巖配煤理論中組分平衡指數(CBI)區間[17],如圖1所示。在成焦過程中,活性組分含量偏高,黏結性過剩,造成焦炭氣孔大、孔壁薄(圖2),對焦炭冷強度和熱性能造成不利影響。