高硫煤在煉焦配煤中的應(yīng)用實(shí)踐

玄振法，郭會(huì)良，趙 磊，武 康，張 俠

（山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 271100）

1 我國煉焦煤資源狀況

隨著高爐大型化的發(fā)展，對(duì)焦炭的要求也越來越高，低灰、低硫、高強(qiáng)度的焦炭已成為煉鐵和焦化工作者關(guān)注的重點(diǎn)［1］。在我國煉焦煤種類雖然比較齊全，但是分布和產(chǎn)量卻差別較大。其中優(yōu)質(zhì)的強(qiáng)黏結(jié)性主焦煤和肥煤儲(chǔ)量僅占全國煉焦煤總儲(chǔ)量的30%左右［2］。其中有一半以上的肥煤含硫量較高，1/3的焦煤也是高硫煤。

中國煉焦煤占世界總儲(chǔ)量的26.25%，已查明的資源儲(chǔ)量達(dá)2 765 億t，基礎(chǔ)儲(chǔ)量為1 263 億t，而煉焦煤儲(chǔ)量僅占我國煤炭總儲(chǔ)量7.65%，優(yōu)質(zhì)煉焦煤則更少。我國煉焦煤主要為氣煤、焦煤、瘦煤和肥煤，煉焦煤資源不僅比重小，而且品種也不均衡，其中低變質(zhì)的氣煤居多，占全國煉焦煤查明資源儲(chǔ)量的38.4%，其次為焦煤和肥煤，分別占比21.4%、16.9%。強(qiáng)黏結(jié)性的優(yōu)質(zhì)資源稀缺，這就造成在我國焦炭生產(chǎn)過程中焦煤和肥煤比例不足，1/3 焦煤和氣煤過多的狀況。我國煉焦煤行業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，其野蠻式開發(fā)積累的問題開始出現(xiàn)，主要問題有后備煉焦煤資源不足、優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源被過度開發(fā)以及產(chǎn)出存在結(jié)構(gòu)性矛盾等問題。

在《煤炭產(chǎn)品品種和等級(jí)劃分》中，煤炭硫份等級(jí)劃分9 級(jí)以上（含9 級(jí)）的煤（含硫量＞2%）稱為中高硫煤，此煤不適合煉焦使用。中高硫煤資源總量大約占全國煤炭資源總量的9.33%，而山東省的煉焦煤資源主要以低變質(zhì)、高揮發(fā)的氣煤和1/3 焦煤為主，其硫分在0.4%～0.75%。從全國的煉焦煤資源情況和焦炭質(zhì)量要求來看，利用高熱強(qiáng)度、高黏結(jié)的高硫焦煤在煉焦配煤中勢在必行。本研究主要探討如何利用好省內(nèi)低硫的煉焦煤資源，優(yōu)化配煤方案，增加強(qiáng)黏結(jié)性、高硫煉焦煤的配用，以達(dá)到穩(wěn)定焦炭熱強(qiáng)度、控制焦炭硫分和降低煉焦配煤成本的目的。

2 煤中硫的遷移規(guī)律

煤中的硫主要以無機(jī)硫和有機(jī)硫兩種形態(tài)存在，無機(jī)硫的主要形態(tài)是硫化物（大部分以黃鐵礦FeS2硫形態(tài)存在）、硫酸鹽（主要為硫酸鈣和硫酸鐵等）和元素硫（微量）。無機(jī)硫中以硫鐵礦形式存在的硫占絕大部分，并以大塊團(tuán)聚或是非常精細(xì)的小顆粒（直徑0.1～0.6 μm）鑲嵌在煤的大分子結(jié)構(gòu)里。以硫酸鹽形態(tài)存在的硫數(shù)量很少超過煤總量的0.1%，煤種硫分以有機(jī)硫?yàn)橹鳎急冗_(dá)到80%以上。

煤中的有機(jī)硫絕大多數(shù)屬于煤質(zhì)大分子結(jié)構(gòu)的一部分，以橋鍵形式連接煤質(zhì)大分子的各個(gè)環(huán)，與煤的大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)交聯(lián)在一起。煤中的有機(jī)硫約占總硫的1/3～1/2，按其結(jié)構(gòu)可以分為脂肪族硫、芳香族和雜環(huán)族硫三類。包括硫醚（脂肪族或芳基）、硫醇（脂肪族或芳基）、噻吩、環(huán)硫醚等。最主要的幾種有機(jī)硫?yàn)槎讲⑧绶浴⑧绶浴⒅咀辶蛎训取：蚬倌軋F(tuán)的反應(yīng)性與和硫原子相連的取代基結(jié)構(gòu)有關(guān)。硫醇、硫醚比較活潑，在成煤過程中，硫醇依次向硫醚、噻吩結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。

煤在焦?fàn)t中的熱解溫度約為1 000～1 100 ℃，煤中的無機(jī)硫中的硫酸鹽的分解溫度約為1 350℃，所以硫酸鹽硫基本上不分解而進(jìn)入焦碳中，而硫化鐵硫、元素硫和各類有機(jī)硫在800 ℃時(shí)可完全分解，所以硫化鐵硫及各類有機(jī)含硫化合物逐漸分解，一部分以氣體形式釋放，少量冷凝在焦油中，另一部分含硫氣體與在高溫下進(jìn)一步與煤中有機(jī)質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成更穩(wěn)定的有機(jī)硫，從而進(jìn)入焦碳的碳硫復(fù)合體［3］。根據(jù)以上硫元素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，一般煉焦生產(chǎn)中約30%～40%的硫分以氣體的形式逸出，約60%～70%最終固定于焦炭中。

單種煤硫的轉(zhuǎn)化率△S與其揮發(fā)分Vdaf之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 單種煤硫的轉(zhuǎn)化率△S與其揮發(fā)分Vdaf之間的關(guān)系

由圖1可知，隨著揮發(fā)分的增加，由煤到焦硫的轉(zhuǎn)化率是逐漸降低的，這是因?yàn)槊夯仍降停褐兴挠袡C(jī)硫含量越多。而在熱解（煉焦）過程中絕大部分有機(jī)硫以H2S、COS、噻吩等含硫化合物的形式轉(zhuǎn)入煤氣或煤化工產(chǎn)品中。而煤的硫分一般取決于成煤環(huán)境。海陸交替相或淺海相沉積的煤層，煤中的硫含量就比較高。內(nèi)陸環(huán)境或?yàn)I海三角洲平原環(huán)境下形成的煤，硫含量就比較低；有機(jī)硫的含量一般取決于煤化度。因此，在煉焦生產(chǎn)中，除了降低配合煤的硫分外，也可以通過多配一些低煤化度、高揮發(fā)分的氣煤，以降低硫的轉(zhuǎn)化率而降低焦炭的硫分。

3 高硫煤質(zhì)量分析評(píng)估

為了更好地分析高硫煤的理化質(zhì)量和熱性能，通過煤的工業(yè)分析、巖相分析以及小焦?fàn)t試驗(yàn)等分析手段對(duì)不同高硫煤進(jìn)行全面的分析［4］，結(jié)合泰山鋼鐵1 780 m3高爐對(duì)焦炭質(zhì)量的要求，選擇適合的高硫煤加以利用。

3.1 高硫煤的工業(yè)及巖相分析

為篩選符合我廠配合煤需求的高硫以及穩(wěn)定焦炭質(zhì)量的目的，分別選取山西柳林、兌鎮(zhèn)礦區(qū)高硫焦煤、離石礦區(qū)的高硫肥煤以及山東新汶礦區(qū)的高硫氣肥煤進(jìn)行工業(yè)及巖相分析，詳見表1。

表1 高硫煤的工業(yè)分析

從表1可知，柳林和兌鎮(zhèn)高硫煤中反射率區(qū)間1.2%～1.7%占比分別達(dá)到91.80%和91.50%，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.08和0.06，離石高硫煤中反射率區(qū)間0.8%～1.2%達(dá)到94.90%，新汶高硫煤中反射率區(qū)間0.7%～0.9%達(dá)到87.70%，以上4 種煤的鏡質(zhì)組反射率分布圖均呈正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)偏差均＜0.10，說明煤種均為單一煤種。其中兩個(gè)高硫焦煤和高硫肥煤具有黏結(jié)指數(shù)高，膠質(zhì)層指數(shù)大，表明以上煤種具有良好的結(jié)焦性和黏結(jié)性，能夠單獨(dú)煉焦。新汶氣肥煤具有較高的黏結(jié)性，在結(jié)焦過程能夠形成大量的膠質(zhì)體，具備較強(qiáng)的融惰能力。

3.2 高硫焦、肥煤的試驗(yàn)分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證高硫焦煤和高硫肥煤能否替代泰山鋼鐵焦化廠現(xiàn)用的焦煤和肥煤作為配煤的基礎(chǔ)煤種，對(duì)以下三種高硫進(jìn)行小焦?fàn)t試驗(yàn)與現(xiàn)用煤種進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)情況詳見表2。

表2 高硫焦、肥煤與常用煤種小焦?fàn)t試驗(yàn)對(duì)比

從表2中可以看出，新增的高焦煤因具有較高的黏結(jié)性，熱強(qiáng)度要比常用煤的熱強(qiáng)度要高一些，M40和M10的情況基本一致，高硫煤的硫轉(zhuǎn)化率基本上在62%～68%，相對(duì)要好于常用煤的硫轉(zhuǎn)化率。通過表1 和表2 的數(shù)據(jù)來看，以上三種高硫煤都符合配煤煉焦的需求。

3.3 柳林高硫焦煤的小焦?fàn)t情況

柳林高硫焦煤的小焦?fàn)t試驗(yàn)結(jié)果為：焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度77.30%，反應(yīng)性14.70%，M4087.36%，M105.12%，焦炭粒徑＞80 mm 占比43.92%，60～80 mm 占比32.47%，40～60 mm 占比17.83%，＜20 mm占比5.78%。

從以上數(shù)據(jù)可知，柳林高硫焦煤具有較高的熱強(qiáng)度，冷強(qiáng)度，焦炭的粒徑均勻，20、45 倍顯微鏡結(jié)構(gòu)（詳見圖2、3），焦炭結(jié)構(gòu)致密，氣孔分布均勻。通過對(duì)該煤種的一系列的檢測實(shí)驗(yàn)，在煉焦配煤過程中，該焦煤可以起到焦炭骨架的作用，從而提高焦炭機(jī)械強(qiáng)度，是優(yōu)質(zhì)的煉焦原料。

圖2 20倍顯微結(jié)構(gòu)

圖3 45倍顯微結(jié)構(gòu)

3.4 高硫氣肥煤的工業(yè)分析

山東能源翟鎮(zhèn)煤礦高硫氣肥煤的工業(yè)分析情況，詳見表3。

表3 翟鎮(zhèn)氣肥煤工業(yè)分析

從表3中可知，翟鎮(zhèn)氣肥煤的膠質(zhì)體溫度間隔大于100 ℃，具有較好的塑性范圍。通過40 kg 小焦?fàn)t試驗(yàn)，翟鎮(zhèn)氣肥煤硫分的逸出率達(dá)到55%～60%，僅40%左右的硫殘留在焦炭中，高于一般的煤炭熱轉(zhuǎn)化脫硫率，對(duì)焦炭生產(chǎn)是有利的。

4 高硫煤使用情況和實(shí)施效果

在對(duì)高硫煤的工業(yè)分析、巖相分析及小焦?fàn)t試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合泰山鋼鐵焦化廠現(xiàn)有配煤結(jié)構(gòu)及煉焦煤資源的實(shí)際情況，增加省內(nèi)氣煤、省外貧瘦煤的用量，降低優(yōu)質(zhì)焦、肥煤的用量，以達(dá)到滿足1 780 m3高爐對(duì)焦炭質(zhì)量Ad≤12.8%、St.d≤0.85%、CSR≥68.5%、粒徑≥42 mm的要求，降低煉焦配煤成本的目的。為確定高硫煤合理的配比及成本情況，設(shè)定不同的配比方案進(jìn)行小焦?fàn)t試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析詳見表4、5。

表4 高硫煤的不同配加比例 %

表5 不同配比下配合煤及焦炭質(zhì)量

從表4、5 中可以得出，配加30%高揮發(fā)、低硫的氣煤和1/3焦煤時(shí)，配用高黏結(jié)的山西柳林、兌鎮(zhèn)地區(qū)的高硫焦煤10%、翟鎮(zhèn)氣肥煤10%，焦炭的硫分在0.90%左右，M40在87.40%左右，M10在6.20%左右，焦炭CSR 穩(wěn)定在68.5%以上，粒徑大于44 mm，配煤成本下降47～89元。

5 結(jié)語

（1）配加新礦氣肥煤后，焦炭的冷態(tài)數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，其粒度分布保持原有水平且有向好的趨勢，焦炭粒徑從42 mm 提升到42.95 mm，灰分、硫分穩(wěn)定。配加翟鎮(zhèn)氣肥煤前后每噸干煤產(chǎn)煤氣量分別為328 m3和335 m3，配加氣肥煤后噸干煤的煤氣發(fā)生量約增加了7 m3。

（2）高硫煤因具有良好的結(jié)焦性和黏結(jié)性，在結(jié)焦過程能夠形成大量的膠質(zhì)體，具備較強(qiáng)的融惰能力可與省內(nèi)的1/3 焦煤、氣煤等低揮發(fā)煙煤形成互補(bǔ)，提高了低揮發(fā)煙煤的用量，并能生產(chǎn)出滿足高爐需求的焦炭。在穩(wěn)定焦炭質(zhì)量的同時(shí)，配用高硫煤煉焦既節(jié)約了優(yōu)質(zhì)焦肥煤的用量，擴(kuò)大了煉焦煤的使用范圍。同時(shí)，高硫煤配用大大降低了生產(chǎn)成本，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。