煤巖學(xué)方法在異常煉焦煤煤質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

張 文 成

(寶山鋼鐵股份有限公司研究院 梅鋼技術(shù)中心，江蘇 南京 210039)

0 引 言

煤巖學(xué)方法中的反射率分布和煤巖顯微組分是研究煉焦煤性能的基礎(chǔ)指標(biāo)之一，其為國際煤分類的關(guān)鍵指標(biāo)以及國外煉焦配煤的關(guān)鍵控制指標(biāo)。在國內(nèi)促使煤巖學(xué)在中國焦化領(lǐng)域得到普及的主要原因是混煤判斷問題[1]，但隨著煉焦煤資源日益復(fù)雜，僅從煤巖反射率分布來判定混煤已不能滿足生產(chǎn)需求。為此需通過深入對(duì)應(yīng)用煤巖學(xué)研究，開展煤巖學(xué)方法在異常煉焦煤煤質(zhì)評(píng)價(jià)中應(yīng)用。

煤巖學(xué)方法與傳統(tǒng)煉焦煤指標(biāo)相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，通過反射率分布和煤巖顯微組分可更多反映煤質(zhì)特性，且不受灰分、硫分等因素影響。煤巖自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展已促進(jìn)煤巖學(xué)方法的應(yīng)用[2-3]。國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)煤巖學(xué)在煉焦煤評(píng)價(jià)中的應(yīng)用進(jìn)行廣泛深入的研究。在煤巖反射率應(yīng)用方面，韓劍[4]利用煤巖分析鑒別單種煤質(zhì)量，由此分析混煤程度及強(qiáng)化煤源的監(jiān)控；何海東[5]應(yīng)用煤巖反射率測(cè)定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了混煤的鑒定和煤質(zhì)異常原因分析；齊洪濤[6]利用鏡質(zhì)組反射率確定單種煤是否為混煤及其混煤程度，對(duì)評(píng)價(jià)和鑒別單種煤質(zhì)量發(fā)揮重要作用；姚伯元[7]針對(duì)商品煤反射率分布圖判別方法中存在的問題進(jìn)行研究，提出新的分類方法，將具有1個(gè)凹口的相同牌號(hào)和相鄰牌號(hào)的混煤均可視為單煤；胡德生[8]利用反射率分布圖提出鏡質(zhì)組黏結(jié)指數(shù)，克服直接使用煤巖鏡質(zhì)組反射率值不能反映出混煤對(duì)煤質(zhì)影響的不足；張文成[9]利用煤巖反射率分布圖提出微強(qiáng)黏比WQN概念，彌補(bǔ)用反射率方差進(jìn)行混煤評(píng)價(jià)的不足；龐克亮[10]根據(jù)鏡質(zhì)組反射率直方分布圖的正態(tài)分布特點(diǎn)優(yōu)化配煤結(jié)構(gòu)，提高焦炭質(zhì)量；JAMES等[11]研究大分子含量和有機(jī)化學(xué)方面的差異，指出單一的反射率指標(biāo)也不能完全確定煤炭等級(jí)。在煤巖顯微組分應(yīng)用方面，楊友輝[12]根據(jù)計(jì)算得到的各煤種加權(quán)活惰比得出配合煤的活惰比，以配合煤的最佳活惰比為準(zhǔn)則，指導(dǎo)配煤并預(yù)測(cè)焦炭質(zhì)量；邊春楊[13]研究認(rèn)為成焦過程中惰質(zhì)組也有著不容忽視的作用，鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組的合理配比及相互作用也決定最終的焦炭質(zhì)量；白向飛[1]認(rèn)為對(duì)于同一煤樣的合適活惰比其實(shí)未有定論，應(yīng)根據(jù)實(shí)際用煤情況而定，生搬硬套“活惰比”概念可能誤導(dǎo)生產(chǎn)；TARA 等[14]研究大分子的結(jié)焦行為，通過比較樣品熱解前后的光學(xué)圖像，認(rèn)為煤的顯微組分對(duì)結(jié)焦行為起到關(guān)鍵作用；王越等[15]研究煤巖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在煤焦異常判定領(lǐng)域如焦炭異常判別、混入焦炭(半焦)甄別、化產(chǎn)油收率高等研究中應(yīng)用。

目前學(xué)者們對(duì)煤巖學(xué)在混煤評(píng)價(jià)方面的研究較多，而對(duì)煉焦混煤從應(yīng)用的角度進(jìn)行分類的研究卻較少，因而煤巖學(xué)方法針對(duì)異常煤判定后可制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，對(duì)于穩(wěn)定焦炭質(zhì)量具有重要意義。以下實(shí)驗(yàn)利用圖像法煤巖分析設(shè)備開展對(duì)不同混煤的巖相特性研究，科學(xué)解讀反射率分布及煤巖學(xué)組分特性，以期為混煤判別與應(yīng)用提供參考，發(fā)揮反射率在科學(xué)配煤中的作用。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品均取自生產(chǎn)樣品9個(gè)，其中焦煤5個(gè)、肥煤2個(gè)、1/3焦煤1個(gè)、蘭炭1個(gè)，樣品的質(zhì)量特性見表1。

1.2 試驗(yàn)方法與設(shè)備

1.2.1儀器設(shè)備

煤巖分析設(shè)備為BRICC-M型全自動(dòng)煤巖分析系統(tǒng)，配置反射偏光顯微鏡ZEISS Imager A2m、Epiplan-Neofluar反差增強(qiáng)型油浸物鏡，數(shù)值孔徑為1.0，顯微鏡總放大倍數(shù)為500倍；另配置在線數(shù)碼相機(jī)加拿大PixeLINK、感光元件CCD芯片、自動(dòng)掃描物臺(tái)BRICC SCAN及控制器，其中芯片尺寸2/3英寸，灰階為16bit。全自動(dòng)煤巖分析系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 BRICC-M型全自動(dòng)煤巖分析系統(tǒng)

1.2.2煤巖反射率自動(dòng)測(cè)定

煤巖反射率自動(dòng)測(cè)定參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 40485—2021煤的鏡質(zhì)體隨機(jī)反射率自動(dòng)測(cè)定-圖像分析法進(jìn)行分析，主要步驟包括圖像采集、反射率測(cè)試2個(gè)部分。

(1)圖像采集。利用ZEISS Imager A2m偏光顯微鏡上部45°分光鏡調(diào)節(jié)反射光進(jìn)入顯微相機(jī)，利用BRICC SCAN電動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)煤巖光片的自動(dòng)移動(dòng)，分別選擇煉焦煤樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集過程實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)焦，采集900幅圖。

(2) 反射率測(cè)試。利用藍(lán)寶石(GBW 13403)、釔鋁石榴石(GBW 13402)及釓鎵石榴石(GBW 13401)3個(gè)反射率測(cè)試一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)得到標(biāo)準(zhǔn)曲線。利用圖像法煤巖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析，得到反射率分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鏡質(zhì)組反射率分析

鏡質(zhì)組反射率測(cè)定實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、科學(xué)化則更有利于煤巖反射率的推廣應(yīng)用。對(duì)采集的900幅圖片自動(dòng)識(shí)別鏡質(zhì)組并測(cè)定反射率，如圖2所示。其中，綠色標(biāo)記點(diǎn)為自動(dòng)識(shí)別的鏡質(zhì)組，可以人工復(fù)檢鏡質(zhì)組組分，若有標(biāo)記錯(cuò)誤則可修改，實(shí)現(xiàn)過程可追溯。另外，采用圖像法可達(dá)到幾十萬個(gè)測(cè)點(diǎn)，得到的反射率分布更具有代表性。

圖2 煤巖鏡質(zhì)組反射率自動(dòng)測(cè)試

2.2 由反射率分布判定混煤

檢測(cè)得到反射率分布，其最主要目的是將其用于判斷是否為混煤，根據(jù)商品煤的煤巖判定標(biāo)準(zhǔn)分為單一煤層煤及多個(gè)凹口混煤等6個(gè)編碼，由于國標(biāo)規(guī)定得較為細(xì)致，因而給實(shí)際應(yīng)用帶來困惑。在煉焦配煤實(shí)際應(yīng)用的角度，混煤主要分為3類，即包括同類煉焦煤混煤、混入低品質(zhì)煉焦煤的混煤和混入非煉焦煤的混煤。

2.2.1同類煉焦煤的混煤

同類煉焦煤的混煤主要常見于同類焦煤的混煤，主要是由于焦煤類的反射率范圍相對(duì)較寬從1.1%～1.6%，為了調(diào)整灰分、硫分，通常將2個(gè)及以上煤層或礦點(diǎn)的煤混洗，不同變質(zhì)程度的焦煤容易形成2個(gè)峰。JM1和JM2的混煤反射率直方圖如圖3、4所示。

圖3 同類焦煤混煤JM1的反射率直方圖

由圖3可知，鏡質(zhì)組反射率方差為0.22，變異系數(shù)為0.16，按國標(biāo)判定為混煤，直方圖中2個(gè)主峰在1.15%和1.45%，反射率為1.33%，小焦?fàn)tDI轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度為83.5%，反應(yīng)后強(qiáng)度為66.1%；由圖4可知，鏡質(zhì)組反射率方差為0.16，變異系數(shù)為0.11，按國標(biāo)判定為混煤，直方圖中2個(gè)主峰值分別在1.25%和1.45%，反射率為1.48%，小焦?fàn)tDI轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度為81.9%，反應(yīng)后強(qiáng)度為68.5%。盡管其2個(gè)峰或方差較大，由于同為焦煤類，其煉焦性能不會(huì)因混煤而劣化太多，因此對(duì)于同類混煤一般為可接受。

2.2.2混入低質(zhì)煉焦煤的混煤

不同類煉焦煤的混煤主要指混入低質(zhì)煉焦煤，此為最常見的混煤方式，如在焦煤中混入1/3焦煤或氣煤，不僅屬于同類煤的混洗問題，有可能為了經(jīng)濟(jì)利益而故意混入。JM3和JM4的混煤反射率直方圖如圖5、6所示。

圖5 混煤JM3反射率分布

由圖5可知，鏡質(zhì)組反射率方差為0.18，變異系數(shù)為0.17，按國標(biāo)判定為混煤，直方圖中2個(gè)主峰在0.85%和1.20%，反射率為1.08%，小焦?fàn)tDI轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度為79.6%，反應(yīng)后強(qiáng)度為62.2%。由圖6可知，鏡質(zhì)組反射率方差為0.18，變異系數(shù)為0.14，按國標(biāo)判定為混煤，直方圖中2個(gè)主峰在0.90%和1.35%，反射率為1.34%，小焦?fàn)tDI轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度為79.5%，反應(yīng)后強(qiáng)度為61.6%。低品質(zhì)煉焦煤2個(gè)峰之間的差別較大，混入反射率在0.7%～0.9%范圍內(nèi)的氣煤或1/3焦煤，此類混煤引起單種煤的煉焦特性下降，在使用過程中宜采取分峰剝離的方式，通過分峰分別計(jì)入不同煤類，保證真正焦煤和肥煤等強(qiáng)黏煤的比例，降低對(duì)焦炭質(zhì)量影響。

2.2.3混入低變質(zhì)煤的混煤

低變質(zhì)煤主要指長(zhǎng)焰煤或不黏煤，在煤巖反射率分布圖中常表現(xiàn)為有拖尾，混入低變質(zhì)煤的混煤反射率分布如圖7、8所示。

由圖7可知，鏡質(zhì)組反射率方差為0.18，變異系數(shù)為0.17，按國標(biāo)判定為混煤；直方圖中2個(gè)主峰在0.50%和1.10%，反射率為1.03%，小焦?fàn)tDI轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度為74.6%，反應(yīng)后強(qiáng)度為48.7%。

由圖8可知，鏡質(zhì)組反射率方差為0.16，變異系數(shù)為0.17，按國標(biāo)判定為混煤；直方圖中2個(gè)主峰在0.55%和0.90%，反射率為0.93%，小焦?fàn)tDI轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度為74.4%，反應(yīng)后強(qiáng)度為50.3%。

圖8 混入低變質(zhì)煤的混煤SJ1之反射率分布

上述混煤中反射率在0.4%～0.6%范圍內(nèi)的低變質(zhì)煤，由于低質(zhì)煤的混入而造成煉焦煤的煉焦特性較差。

該配煤煉焦得到的焦炭有黑點(diǎn)的問題，如圖9所示；在顯微鏡下觀察呈現(xiàn)無反光的惰性成分，如圖10所示。

圖9 低變質(zhì)混煤煉焦后的焦炭表面

圖10 低變質(zhì)混煤煉焦后的焦炭在顯微鏡下的形貌

將該焦炭進(jìn)行反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其中的黑點(diǎn)優(yōu)先發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)后在焦球形成孔洞，造成焦炭反應(yīng)性增加，焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度降低。混入低變質(zhì)煉焦煤的混煤煉焦焦炭反應(yīng)后實(shí)物如圖11所示，由此進(jìn)一步驗(yàn)證孔洞是由無黏結(jié)的大塊長(zhǎng)焰煤引起，此與王越等的研究結(jié)論一致[16]。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)避免混入低變質(zhì)煤，因個(gè)別煤種通常會(huì)引起焦炭質(zhì)量的較大波動(dòng)。

圖11 混入低品質(zhì)煉焦煤的混煤煉焦焦炭反應(yīng)后實(shí)物

2.3 由煤巖顯微組分判定異常煤

2.3.1由鏡質(zhì)組的邊緣龜裂判定煤氧化

JM5為進(jìn)口煉焦煤，由于運(yùn)輸及海關(guān)過程較長(zhǎng)而造成煉焦煤的氧化，其基氏流動(dòng)度或奧亞膨脹度下降。在顯微鏡下觀察鏡質(zhì)組，發(fā)現(xiàn)鏡質(zhì)組的邊緣出現(xiàn)龜裂，如圖12所示。

圖12 煤氧化在顯微鏡下的邊緣龜裂特性

煤的氧化導(dǎo)致煉焦煤黏結(jié)性能下降，引起焦炭冷熱強(qiáng)度波動(dòng)，因而特別針對(duì)周期較長(zhǎng)的進(jìn)口煤，煤的氧化則為更應(yīng)關(guān)注的指標(biāo)之一。

2.3.2由顯微組分特性判定蘭炭的混入

在煉焦煤種混入蘭炭，由于蘭炭的反射率較高，自動(dòng)測(cè)定時(shí)蘭炭常被誤判為絲質(zhì)組，因此煤巖鏡質(zhì)組反射率自動(dòng)分析時(shí)通常不能檢測(cè)出蘭炭。試驗(yàn)選取混入揮發(fā)分為11.36%的蘭炭LT1，其在顯微鏡下的特征如圖13所示。

圖13 蘭炭在顯微鏡下的組分特征

通過觀察蘭炭在顯微鏡下的組分特性，可以判斷出是否有蘭炭。蘭炭在煉焦過程中起到惰性物的作用，直接配入蘭炭會(huì)造成焦炭的質(zhì)量波動(dòng)。另外，在噴吹用無煙煤中混入蘭炭，可以通過煤巖組分對(duì)其進(jìn)行判定，但由于蘭炭的可磨性及燃燒性能并不差，因而適當(dāng)混入蘭炭不會(huì)對(duì)高爐噴吹造成較大的影響。

2.3.3由顯微組分特征判定工業(yè)廢渣的混入

FM2是1種肥煤，煉焦煤各項(xiàng)宏觀指標(biāo)均無異常，小焦?fàn)t試驗(yàn)冷態(tài)強(qiáng)度76.1%正常，但焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度35.2%很低。FM2煤的反射率分布如圖14所示。

圖14 FM2煤的反射率分布

從圖14可看出，F(xiàn)M2煤的鏡質(zhì)組反射率為1.06%，方差為0.12，屬于基本正常。通過觀察顯微鏡組分可發(fā)現(xiàn)非煤組分，如圖15所示。

圖15 工業(yè)廢渣在顯微鏡下的組分特征

由圖15中工業(yè)廢渣在顯微鏡下的組分特征分析可知，在煉焦煤中混入非煤物質(zhì)，該非煤物質(zhì)被界定為工業(yè)廢渣，但由于在自動(dòng)分析中廢渣的光學(xué)特性和鏡質(zhì)組不同而不能檢出。煉焦煤中混入工業(yè)廢渣而造成煉焦配煤的成焦性能降低，焦炭反應(yīng)性增加，焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度降低。通過灰成分分析，其CaO含量高達(dá)8%，其催化指數(shù)MCI達(dá)到7.44，遠(yuǎn)高于其他煉焦煤，進(jìn)一步印證在煉焦煤中已混入工業(yè)廢渣。

3 結(jié) 論

(1)煤巖反射率的應(yīng)用主要用于判定混煤，從煉焦配煤應(yīng)用的角度將混煤分為3類，即同類混煤、混入低質(zhì)煉焦煤和混入低變質(zhì)煤，3類混煤應(yīng)區(qū)別對(duì)待，尤其需避免混入低變質(zhì)非煉焦煤。

(2)煤巖顯微組分是對(duì)煤巖反射率自動(dòng)測(cè)定系統(tǒng)的補(bǔ)充，通過觀察顯微組分特征，可以判斷煉焦煤的氧化、混入蘭炭及混入工業(yè)廢渣等是引起煉焦煤異常的主要原因。

(3)煤巖學(xué)方法是判定煉焦煤異常的主要技術(shù)手段，但煤質(zhì)評(píng)價(jià)也不應(yīng)過度依賴煤巖特性分析。由于煉焦煤形成的復(fù)雜性，針對(duì)煤巖特性較好的煤，其煉焦特性也可能較差，因此應(yīng)更深刻理解煤巖指標(biāo)對(duì)傳統(tǒng)指標(biāo)具有補(bǔ)充作用，而非對(duì)傳統(tǒng)指標(biāo)起到完全替代作用。