龐克亮，王超

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼集團北京研究院有限公司，北京102200）

中國是焦炭的生產和消耗大國，我國焦炭產能已達到世界焦炭產能的60%，2018年我國焦炭總產量為43 820萬t，同比增長0.8%，其中鋼鐵聯(lián)合企業(yè)焦化廠同比增長0.37%，為11 109萬t，其他焦化企業(yè)同比增長 0.92%，達 32 711萬 t[1]。 截止到2016年，我國高爐爐容在4 000 m3以上的已達 22座，其中 5 000 m3以上的也已有 5座[2]。 隨著高爐大型化發(fā)展及噴吹技術的應用，高爐對焦炭質量的要求日益提高，焦炭在煉鐵中的骨架作用越來越明顯[3]。

截至2016年，全國煉焦煤資源探明儲量為3 073億t，約占世界煉焦煤總量的23%，占全國煤炭總量的19%，其中具有可開采價值的煉焦煤資源量僅為395億t，占比煉焦煤儲量的12.9%?？梢钥闯鑫覈鵁捊姑嘿Y源相對匱乏，這其中又以低變質的氣煤占比最大，煉焦主力煤種強黏結性肥煤和焦煤非常短缺。我國有限的煉焦煤資源制約了焦炭質量的提升，且與高爐對焦炭質量的需求相矛盾，向煉焦及煉鐵工作者提出了挑戰(zhàn)。

入爐煤特性和煉焦工藝是影響焦炭質量因素的主要方面。入爐煤對焦炭強度的影響因素主要包括水分、灰分、硫分、細度、黏結性和結焦性等指標。此外，搗固、配型煤、煤調濕等預處理工藝及干熄焦等對焦炭質量也有重要影響。隨著煤巖配煤等新型配煤技術的應用，焦炭質量有了明顯提升[4-7]，而在焦爐型式及入爐煤性質確定的條件下，煉焦煤的預處理及煉焦工藝對焦炭質量的改善有重要作用，且理論和生產實踐都表明，入爐煤堆密度對焦炭強度的影響直接、明顯。

1 入爐煤堆密度對焦炭性能的影響

焦爐炭化室內單位體積能夠容納的入爐煤質量即為入爐煤堆密度。試驗及應用實踐表明，隨著入爐煤堆密度增大，入爐煤顆粒之間的接觸變得緊密，會使入爐煤熱解氣相產物向外逸出的阻力變大，從而提高入爐煤黏結性和結焦性，提升制備焦炭的氣孔性能，提高焦炭機械強度，降低焦炭各向同性結構的含量，降低焦炭反應性。因此，入爐煤堆密度的增大對改善焦炭質量作用明顯[8-9]。此外，通過提高裝爐堆密度還有助于增加不黏煤和弱黏煤的使用量。

1.1 入爐煤堆密度對焦炭質量的影響

1.1.1 入爐煤堆密度對焦炭顯氣孔率的影響

通過進行不同堆密度條件下的煉焦試驗，考察焦炭顯氣孔率隨入爐煤堆密度的變化情況，結果如圖1所示。

圖1 入爐煤堆密度與焦炭顯氣孔率關系

由圖1可以看出，增大入爐煤堆密度，焦炭的顯氣孔率降低。在堆密度由0.7 t/m3提高至0.9 t/m3過程中，焦炭顯氣孔率的降低較慢，在堆密度由0.9 t/m3提高至1.2 t/m3過程中，焦炭顯氣孔率加速下降趨勢明顯。這是由于入爐煤堆密度較低時，煤料自重力不足以抑制膨脹壓力，料層表現(xiàn)為膨脹，焦炭顯氣孔率高。而隨著焦爐大型化的發(fā)展，料層高度已達7.0 m以上，煤料自重能夠克服膨脹壓力，從而降低了焦炭顯氣孔率。

1.1.2 入爐煤堆密度對焦炭抗碎強度及耐磨強度的影響

通過進行不同堆密度條件下的煉焦試驗，考察焦炭的抗碎強度（M40）及耐磨強度（M10）隨入爐煤堆密度的變化情況，結果如圖2所示。

圖2 入爐煤堆密度與焦炭抗碎強度、耐磨強度的關系

由圖2可以看出，增大入爐煤堆密度，焦炭抗碎強度得到提高，耐磨強度有所降低。這是由于增大入爐煤堆密度，煉焦加熱過程中析出的膠質體能促使煤顆粒更好地結合，使煤微觀活性組分及惰性組分更好地發(fā)生界面結合，從而提高焦炭結構穩(wěn)定性，表現(xiàn)為焦炭冷態(tài)強度指標的提高。

1.1.3 入爐煤堆密度對焦炭反應性及反應后強度的影響

通過進行不同堆密度條件下的煉焦試驗，考察焦炭反應性（CRI）及反應后強度（CSR）隨入爐煤堆密度的變化情況，結果如圖3所示。

圖3 入爐煤堆密度與焦炭反應性、反應后強度的關系

由圖3可以看出，增大入爐煤堆密度，焦炭反應性指標表現(xiàn)為先降低后增高趨勢。當堆密度達到0.85～0.95 t/m3左右時，焦炭反應性達到最低點。入爐煤堆密度提高過程中，由于前期膨脹壓力作用相對顯著，焦炭氣孔相對較大，而隨著堆密度增大，焦炭顯氣孔率逐漸降低，焦炭平均孔徑及比表面積受入爐煤料自重作用也逐漸變小，焦炭反應性降低；而后期入爐煤堆密度增加到一定程度時，煤膨脹壓力會受堆密度抑制，影響氣相產物擴散，擾動小氣孔融并，使焦炭顯氣孔率變小但比表面積增大，焦炭的反應性增大。受增大入爐煤堆密度作用影響，焦炭反應后強度指標的變化與反應性存在相反走勢。

1.2 入爐煤堆密度影響焦炭質量的作用機理

在煉焦過程中，煉焦煤受熱軟化，在達到塑性狀態(tài)階段時，對焦炭氣孔的作用最大，隨入爐煤堆密度的提高，煤顆粒之間距離變小，煉焦熱解時的氣相產物的擴散難度增加，表現(xiàn)為煉焦煤熱解膨脹壓力增大，煤顆粒間緊湊的同時，所需的黏結組分由于相對量的減少而變得相對充足，煤顆粒界面的結合更加牢固[10]，煤顆粒的接觸面積也隨之增大，從而使得所制備的焦炭氣孔量少、徑小、壁厚，改善了焦炭的強度。同時，提高入爐煤堆密度使膨脹壓力增大，有利于熱解產物小分子之間的聚合反應，促進煤顆粒表面黏結和界面反應，可得到分子大小較好的穩(wěn)定性生成物，進而直接增大膠質體的液相產物產生量，改善煉焦煤的塑性狀態(tài)，提高入爐煤的黏結性能，促進焦炭強度性能的提高。從焦炭氣孔結構形成及演變角度看，增大入爐煤堆密度促使煤熱解過程中氣相產物的逸出阻力增大，增加了膠質體熱解氣相產物停留時間，使塑性狀態(tài)膠質體在演變固化過程中就能夠積聚更多熱解氣相產物，從而使焦炭的氣孔率和比表面積均減小，而由此帶來的結果就是焦炭的反應性的降低。因此，在一定范圍內增大入爐煤堆密度，對提高焦炭冷熱態(tài)強度質量及氣孔等性質指標的作用效果明顯。

2 入爐煤堆密度的主要影響因素

2.1 入爐煤水分

入爐煤水分對入爐煤堆密度的影響較大，具體如圖4所示。在入爐煤水分為6%～7%時，入爐煤堆密度達到最低。水分小于6%時，水分越低堆密度越大，水分大于7%時，堆密度隨水分含量提高而增大，此時水分的提高對煤顆粒之間的相對移動起到了較好的潤滑作用。但單純提高入爐煤水分會導致結焦時間增加、煉焦耗熱量增大，對煉焦生產不利。研究表明，入爐煤水分提高1%，會使結焦時間增加20 min，因此水分對焦炭生產效率和產量影響明顯，應保持穩(wěn)定在一定范圍，不能過高。此外，煉焦煤水分過高，雖然會使煉焦化學副產物增加，但實際入爐煤量低，焦炭質量和焦炭產量也會受到影響。

圖4 入爐煤水分對入爐煤堆密度的影響

現(xiàn)階段，由于存在市場來煤水分偏高和煉焦生產單位氣候環(huán)境潮濕等問題，入爐煤水分控制方向主要以降低入爐煤的水分為主。降低入爐煤水分，能夠抑制因煤中水的表面張力對煤顆粒之間相互接觸的影響，促進煤顆粒的滑動，從而增大入爐煤堆密度，降低炭化室內縱向入爐煤堆密度的差異，弱化入爐煤堆密度差異對焦炭質量不均勻的影響。

當前煤調濕預處理技術對降低入爐煤水分、提高入爐煤堆密度效果明顯，得到了較為廣泛的認可和應用。焦爐熱廢氣因相對濕度低、含氧量少，有利于煉焦煤干燥功能安全高效地實現(xiàn)，符合煤調濕技術未來發(fā)展趨勢。煤調濕技術發(fā)展的重點在于開發(fā)出有效調控水分的核心設備及智能化控制系統(tǒng)，有效解決好細顆粒煤的過干燥問題，協(xié)調管理好煙道氣的使用量，保證煤調濕處理與和焦爐生產直接的協(xié)調和穩(wěn)定，對煤調濕過程中的煤塵環(huán)保問題完善處理，避免發(fā)生二次污染[11]。

然而，從煤調濕技術的原理和發(fā)展趨勢看，該技術在國內外眾多企業(yè)的應用中表現(xiàn)出了一定的問題，仍有待妥善解決，如煤塵量大幅度增加，加速了焦爐相關部位的石墨生成，化學副產物中含渣量增大等。同時，煤調濕裝備的開發(fā)使用還面臨需配置一定數(shù)量的固定崗位人員的問題。此外，從投資和收益看，煤調濕技術的使用能夠減少加熱用煤氣量、提高焦炭產量、增加弱黏煤用量，同時考慮電、蒸汽、水和氮氣等消耗，綜合計算得出，煤調濕項目投資年收益率為8%～12%，回收期較長。煤調濕技術的使用前提是入爐煤水分對穩(wěn)定生產有明顯影響，因此各企業(yè)應根據(jù)自身實際需求情況選擇使用。如在南方，有很多鋼鐵聯(lián)合企業(yè)及焦化廠確實存在入爐煤水分較大，造成煉焦煤黏結，對入爐煤煉焦影響大的情況，有必要穩(wěn)定合理控制水分；而在北方，尤其是東北地區(qū)，煉焦生產單位的煉焦煤水分含量一般相對較低，調濕的幅度較低，由于煤調濕工藝設備投資大，相對成本回收期更長，煤調濕工藝可以作為儲備技術進行研發(fā)[12]。

2.2 入爐煤細度

入爐煤細度是指在煉焦入爐煤時所使用的配合煤煤粒級小于3 mm的入爐煤質量所占入爐煤整體質量的百分比例。由于煉焦煤的成煤條件不同，其可磨性不同，煉焦煤的細度存在差異，而在配合煤粉碎過程中，勢必會造成相同粉碎條件下的粉碎粒徑不同，形成了可量化的細度指標概念用于指導煉焦煤預處理。入爐煤細度對煉焦生產影響明顯，直接影響多項煤焦指標，尤其是入爐煤堆密度，從而使焦爐產焦量和焦炭強度受影響。當入爐煤細度小時，會加劇裝爐時煤顆粒間的偏析，煤顆粒混合不均勻，表現(xiàn)為焦炭內部結構不均；而當入爐煤細度大時，首先會增加粉碎機動力消耗，其次會增大入爐煤塵，使生產操作環(huán)境惡化，影響環(huán)保達標，甚至有可能出現(xiàn)黏結性煤“破黏”現(xiàn)象，造成焦炭質量下滑。入爐煤細度對入爐煤堆密度的影響如圖5所示。

圖5 入爐煤細度對入爐煤堆密度的影響

由圖5可以看出，在入爐煤細度由60%增大到85%過程中，入爐堆密度呈逐漸下降走勢。細度低時，入爐煤的顆粒較大，特別配合煤中黏結性差的煤種的粒度較大，導致配合煤各組分均勻性降低，加劇入爐煤偏析的可能性，從而使煉焦過程中各組分的煤顆粒相互作用效果變差，最終劣化焦炭結構，使焦炭質量變差；而細度高時，配合煤中的0.2～0.5 mm粒級的煤顆粒比例增大，導致煤粒比表面積增大，同等條件下的煤熱解液相產物量不能滿足煤粒相互作用需要。而且細度低時煤粒熱解的氣相產物逸出阻力小，導致熱解氣相產物中的游離氫與大分子自由基的作用時間縮短，中等分子量的液相產物的生成量少，降低了煤料的黏結性。同時，細度過低，會造成入爐煤堆密度小，入爐煤煉焦加熱過程中的熔融程度低，所制備的焦炭孔隙多，最終導致焦炭變差。此外，入爐煤細度較大時，煤顆粒在受熱過程中一次裂解的氫原子因與煤分解產物進行反應，生成甲烷和不飽和碳氫化合物而基本在煤粒內部消耗完畢，因此所得焦爐煤氣中氫含量低，但最終所得焦油等產品量會因總揮發(fā)分產量高而多于入爐煤細度低時?？傮w看來，入爐煤細度對煉焦生產的影響十分復雜，各焦炭及化產品生產單位應該根據(jù)自身工藝、設備及焦炭產品質量指標要求，合理調控入爐煤細度，以提高生產水平。

在實際入爐煤煉焦生產中，焦煤、肥煤的膠質體多、結焦性好，應適度粗粉碎，如果細度過低，會造成煤質破黏，導致焦肥煤自瘦化。而瘦煤、氣煤煤種本身硬度大，適合細粉碎。瘦煤的結焦性差，在煉焦加熱過程中，顆粒大的瘦煤會增加焦炭內部裂紋中心的形成，劣化焦炭質量，而較小顆?？蓞⑴c所得焦炭氣孔壁的生成，提高氣孔壁厚度，改善焦炭質量。但瘦煤顆粒也不宜過細，否則會使煤粒的比表面積增大，消耗過多揮發(fā)分液相，影響焦炭質量，特別會降低耐磨強度。此外，如果入爐煤細度過低，會導致粉碎所需動力消耗過大，粉塵過多，焦油渣量也大。通過以上分析來看，各焦化生產單位應根據(jù)自身實際情況，合理控制入爐煤細度，而且應注意盡可能有效控制5 mm以上的大粒煤絕對量[12]。當前，國內各鋼鐵聯(lián)合企業(yè)及獨立焦化廠因煉焦工藝、設備及煉焦用煤等的不同，對入爐煤細度控制差別較大，如首鋼京唐通過降低入爐煤細度提高7.63 m焦爐入爐煤堆密度，使焦炭冷熱強度基本維持不變，而單孔入爐煤量提高1.25 t，年增入爐煤量10.54萬t，平均塊度僅降低1.1 mm，還能夠減少推焦冒煙，環(huán)保效果較好[13]。

當前，國內焦化生產企業(yè)多應用先配后粉工藝，對配合煤細度及焦炭質量控制較為不利，相對而言，煉焦煤采用先粉后配或增加預篩分等方法將對煉焦生產更為有利，是有價值且具可行性的煉焦煤預處理發(fā)展方向，值得眾多焦化生產單位思考。

2.3 物理壓實

物理壓實是通過機械外力作用于入爐煤，從而提高入爐煤堆密度，達到提高焦炭質量、拓展煉焦煤資源、處理廢物等實際效果。物理壓實直接使煤粒間的間隙減小，減少單位煤粒量相互作用所需煉焦熱解液相產物量，實現(xiàn)以較少的熱解液相產物在煤粒表面上均勻分布，使煤粒之間的界面結合更為牢固的目標。物理壓實煤預處理技術主要有配型煤、搗固兩種。因物理壓實對入爐煤堆密度、焦炭質量的提高作用明顯，因此對增加弱黏煤和非煉焦煤的使用具有較好的容納性，對拓展煤源、節(jié)省優(yōu)質煉焦煤資源具有極佳效果。

2.3.1 配型煤煉焦

配型煤煉焦就是將部分煉焦入爐煤在裝入焦爐前，通過機械作用力將其擠壓成型，然后與散煤按一定比例（一般以不超過30%為宜）混合裝入焦爐的煉焦一種煉焦方式。常規(guī)頂裝焦爐的入爐煤堆密度為0.7 t/m3左右，而型煤的堆密度為1.1～1.2 t/m3。在焦爐爐體容量固定的條件下，型煤配入后，炭化室內煤料的整體堆密度得到提高，能夠使煤料的黏結組分和非黏結組分結合更加緊密，使煉焦煤的結焦性能得到改善[14]。型煤配比與入爐煤堆密度關系如圖6所示。由圖6可以看出，在型煤配比為0～40%時，提高型煤配比，入爐煤堆密度提高，從而有助于提高焦炭強度，型煤配比每提高10%，入爐煤堆密度提高約0.5%；當配比為40%左右時，堆密度基本達到最大值；配比超過40%后，入爐煤堆密度反而降低。這是因為型煤配比超過40%繼續(xù)增大后，散煤煤粉不能夠有效填補型煤造成的空隙，降低了入爐煤堆密度，從而導致焦炭質量降低。型煤配比的使用主要需要考慮配型煤的焦炭質量滿足情況、型煤制備裝置的投資帶來的生產成本增加及工藝設備損耗可控等因素。因此，型煤配比主要作用不是為提高入爐煤堆密度，而是在于改善配合煤煉焦性能和改善焦炭質量。

圖6 型煤配比與入爐煤堆密度關系

2.3.2 搗固煉焦

搗固煉焦就是把入爐煤整體搗固成一塊體積略小于炭化室的煤餅，側裝入炭化室內的一種煉焦方式。搗固處理后入爐煤堆密度能夠由0.7 t/m3提高到0.9～1.2 t/m3。入爐煤搗固后，相對于頂裝散煤，能明顯提高入爐煤堆密度，明顯減少單位煤粒量相互作用所需煉焦熱解液相產物量，使煤粒表面上的熱解液相產物均勻分布，進而使煤粒之間的界面結合更為牢固。由于搗固后煤粒間空隙減小，熱解生成氣相產物逸出難度增大，入爐煤膨脹壓力增大，有利于煤熱解產物的縮合，可以使熱解中間產物的作用更充分、生成物更穩(wěn)定，顯著提高結焦性能，改善焦炭質量。搗固煉焦的使用效果對入爐煤的可搗性有較高要求。不同入爐煤方式下的煉焦指標統(tǒng)計結果[15]如表1所示。

表1 不同入爐煤方式下的煉焦指標統(tǒng)計結果

在一定的配煤方案和加熱制度下，與頂裝煉焦相比，搗固煉焦對焦炭氣孔壁作用明顯，可以使氣孔壁厚度增加，明顯改善焦炭耐磨強度指標；同時，由于搗固入爐煤堆密度大，增大了煉焦過程中的半焦收縮和焦炭收縮應力，造成焦炭裂紋多，導致?lián)v固煉焦制備的焦炭粒度略低于頂裝煉焦，此問題刻通過調節(jié)配煤解決。此外，搗固煉焦能夠增大入爐煤堆密度，改善結焦性能，是提高焦炭質量有效方法，在保證焦炭質量的同時增加高揮發(fā)分煤、弱黏結性煤的使用，節(jié)約優(yōu)質煉焦煤資源，從而降低生產成本，其中節(jié)約優(yōu)質煉焦煤資源是其顯著技術作用。

將搗固煉焦與煤預熱復合使用，就是將煤預熱能夠縮短結焦時間的作用植入到搗固煉焦中，使其應用于搗固煉焦的高揮發(fā)分煤、弱黏結性煤使用中，這種聯(lián)合工藝能夠最大化實現(xiàn)經濟效益與社會效益的共生放大，是值得焦化生產單位關注的新的煉焦技術發(fā)展的方向。

2.3.3 頂裝煤壓實

裝爐煤壓實煉焦主要應用對象為頂裝焦爐，以物理壓實方法，借助機械加壓裝置，通過頂裝焦爐爐頂裝煤孔，對炭化室內的煉焦配合煤進行壓實處理，在生產時間允許的情況下，通過多反復的壓實-補煤-平煤-壓實操作達到增大入爐煤堆密度、提高焦炭質量和產量的最終目標。頂入爐煤壓實煉焦工藝技術以提高入爐煤堆密度為出發(fā)點，借鑒了搗固工藝對改善焦炭質量的作用機理，深化了平煤操作，通過煤壓實工藝，可有效增大焦爐入爐煤堆密度，改善原料煤結焦過程中的黏結性能，改善焦炭質量，提高單位工序焦炭產量，降低煉焦生產成本，進而節(jié)約資源、不污染環(huán)境，促進焦化企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[16-24]。

3 提高入爐煤堆密度的發(fā)展方向

（1）增大入爐煤堆密度，能夠使焦炭氣孔特性、焦炭冷熱態(tài)強度指標發(fā)生明顯的規(guī)律性改善。因此，增大入爐煤堆密度是提升焦炭強度的有效措施。

（2）當前國內焦化生產企業(yè)多應用先配后粉工藝，但相對而言，采用先粉后配及增加預篩分等工藝則更為有利，是煉焦煤預處理有價值和可行性的發(fā)展方向，值得各焦化生產單位思考。

（3）配型煤煉焦預處理技術對煉焦煤黏結性具有較好的改善效果，對焦炭質量、產量調控作用顯著，搗固煉焦與煤預熱聯(lián)合工藝能夠實現(xiàn)經濟效益與社會效益的有機結合。物理壓實提高入爐煤堆密度是煉焦新技術發(fā)展的重要方向。

（4）頂裝煤壓實煉焦工藝技術通過增大焦爐入爐煤堆密度能夠達到良好的增產提質效果，提高煉焦過程中入爐煤黏結性能，提升焦炭質量，增加單位工序焦炭產量，是增加焦炭產量和提高焦炭質量的重要技術研究方向。

4 結語

當前，面對高爐大型化的發(fā)展普及和煉焦煤資源儲量不足的現(xiàn)實，提高焦炭質量和拓展煉焦煤資源范圍是焦化行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題。為了解決這個問題，一方面要深化對煉焦煤特性的認知，掌握煉焦過程的具體變化，另一方面要完善焦炭在高爐中的行為模擬與性能評價，通過深入基礎研究，開展一系列的自主創(chuàng)新與技術集成，實現(xiàn)煤焦化技術生產的智能化、智慧化工業(yè)應用示范，持續(xù)推進煤焦化技術的進步提升，具有切實的技術及經濟價值。而提高入爐煤堆密度是焦炭質量提升和煉焦煤資源拓展的一個較為理想的焦化工業(yè)應用技術研究切入點，具有實際可操作性。降低入爐煤水分、提高入爐煤細度及外加物理壓實作用等方法是增大入爐煤堆密度的有效措施，對提高焦炭質量及產量效果明顯，值得在以后的技術工作中持續(xù)關注。同時，需深入對搗固機械大型化瓶頸問題，搗固煤餅的坍塌控制、低水分入爐煤煙塵污染及相應的化產品回收問題，無黏結劑型煤強度問題等進行技術研究，使之滿足高爐大型化發(fā)展條件下的焦炭質量需求，符合國家的節(jié)能減排政策導向要求，做到生產、環(huán)境和資源的可持續(xù)發(fā)展。