張世東，陸啟均，劉國斌，馬 巖，徐秀麗，孟慶波

（1.中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院有限公司，遼寧 鞍山 114044；2.淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001）

引 言

淮南礦區(qū)位于安徽省中北部，是我國重要的煉焦煤產(chǎn)區(qū)?；茨厦禾锍擅河谑慷B紀(jì)，可開采煤層組為二疊系山西組、下石盒子組和上石盒子組（下段）含煤巖系，其中A、B、C 組為主要開采煤組，可采煤層為13～19 層[1]。礦區(qū)資源豐富，煤質(zhì)好，以氣煤和1/3 焦煤為主，所產(chǎn)1/3 焦煤硫分低、黏結(jié)性能好，是優(yōu)質(zhì)的配煤煉焦原料[2-3]。

1/3 焦煤是介于焦煤、肥煤和氣煤三類煤之間的過渡煤種，是一種中等或較高揮發(fā)分的較強(qiáng)黏結(jié)性能的煤種。不同地區(qū)、不同礦點(diǎn)的1/3 焦煤的煤質(zhì)特性及煉焦性質(zhì)差異很大。有些1/3 焦煤的變質(zhì)程度偏高，結(jié)焦性較好，其煤質(zhì)特性接近焦煤。有些1/3 焦煤的膠質(zhì)體流動(dòng)性能較強(qiáng)，煤質(zhì)特性接近肥煤。有些1/3 焦煤變質(zhì)程度偏低，黏結(jié)性能偏低，煤質(zhì)特性接近氣煤。張偉林[4]研究表明，利用寧夏地區(qū)的強(qiáng)黏結(jié)性1/3 焦煤替代部分寧夏地區(qū)主焦煤進(jìn)行煉焦生產(chǎn)是可行的，生產(chǎn)的焦炭可滿足2 500 m3高爐冶煉需求。項(xiàng)茹等[5]研究表明，貴州1/3 焦煤流動(dòng)度較高、膨脹度高，在配煤煉焦中按照肥煤使用，可充分發(fā)揮其流變膨脹特性，從而穩(wěn)定焦炭質(zhì)量。宋子逵等[6]研究表明，山東地區(qū)部分礦點(diǎn)的1/3 焦煤揮發(fā)分偏高、變質(zhì)程度偏低、顯微結(jié)構(gòu)中同性組分含量較高，性質(zhì)接近于氣煤。馬巖等[7]對(duì)我國安徽、山東、黑龍江、內(nèi)蒙古、河北、山西等省份的1/3 焦煤進(jìn)行了對(duì)比分析，表明不同地區(qū)1/3 焦煤性質(zhì)差異較大；淮南礦業(yè)1/3 焦煤具有低灰、低硫、結(jié)焦性好的特點(diǎn)，可合理利用來改善配煤結(jié)構(gòu)。因此，在配煤煉焦時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)、不同礦點(diǎn)的1/3 焦煤特性來區(qū)分使用。本文重點(diǎn)分析了安徽淮南礦業(yè)典型1/3 焦煤特性及其在頂裝焦?fàn)t和搗固焦?fàn)t企業(yè)的生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)踐。

1 淮南礦業(yè)1/3 焦煤特性分析與評(píng)價(jià)

1.1淮南礦業(yè)精煤資源儲(chǔ)量

淮河能源控股集團(tuán)為樹立商品煤品牌、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、推進(jìn)產(chǎn)品升級(jí)，將淮南礦業(yè)煉焦煤注冊了“淮河一號(hào)”“淮河二號(hào)”“淮河三號(hào)”三個(gè)精煤品牌商標(biāo)，實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)利用淮南礦業(yè)煤資源，精煤年產(chǎn)量平均約680 萬t。各系列精煤產(chǎn)品資源儲(chǔ)量及可采年限見表1。

表1 淮南礦業(yè)系列精煤產(chǎn)品資源儲(chǔ)量及可采年限

1.2淮南礦業(yè)精煤煤質(zhì)及煉焦特性

3 種精煤產(chǎn)品的工業(yè)分析、全硫及黏結(jié)性能的測定均按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，煤質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)分析檢測結(jié)果見表2。將3 種精煤產(chǎn)品按照《煉焦試驗(yàn)用小焦?fàn)t技術(shù)規(guī)范》[8]分別開展單種煤40 kg 側(cè)開式試驗(yàn)焦?fàn)t煉焦試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：入爐煤干基質(zhì)量43 kg，粉碎細(xì)度（82±2）%，干基堆密度750 kg/m3，結(jié)焦時(shí)間15.5 h，焦餅中心溫度930 ℃～950 ℃。采用濕熄焦，用1/4 米庫姆轉(zhuǎn)鼓測定焦炭機(jī)械強(qiáng)度，焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，單種煤煉焦所得焦炭質(zhì)量結(jié)果見表3。

表2 3 種精煤產(chǎn)品煤質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)

表3 40 kg 試驗(yàn)焦?fàn)t所得焦炭質(zhì)量 %

1.3淮南礦業(yè)精煤評(píng)價(jià)

1.3.1 淮河一號(hào)的分析與評(píng)價(jià)

淮河一號(hào)灰分為9.21%，揮發(fā)分為35.51%，硫分為0.33%，黏結(jié)指數(shù)G 值為92，膠質(zhì)層最大厚度Y 值為23.0 mm。根據(jù)GB/T 5751—2009《中國煤炭分類》，淮河一號(hào)Y 值未達(dá)到肥煤大于25.0 mm 的要求，因此將其劃分為1/3 焦煤。但其膠質(zhì)層體積曲線（見圖1）呈現(xiàn)出“之山混合型”，前期呈現(xiàn)小幅度的“山”型，隨后呈現(xiàn)出反復(fù)膨脹和收縮的“之”型，膠質(zhì)體性質(zhì)具有一定的肥煤特性。

圖1 淮河一號(hào)的膠質(zhì)層體積曲線

由表2、表3 可知，淮河一號(hào)的基氏最大流動(dòng)度αmax可達(dá)到31 253 ddpm，奧阿膨脹度b 值為108%，流動(dòng)度和膨脹度較高，軟固化溫度區(qū)間寬。與文獻(xiàn)[4-7]中的1/3 焦煤對(duì)比，其黏結(jié)性能、流變性和膨脹性質(zhì)量指標(biāo)均優(yōu)于山西、山東、河南、四川、寧夏等地的1/3 焦煤，其性質(zhì)接近肥煤特性。單種煤煉焦所得焦炭具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和熱態(tài)性能，CSR 達(dá)到60.0%。因此，淮河一號(hào)為中灰、低硫、強(qiáng)黏結(jié)性、具有較好煉焦特性的優(yōu)質(zhì)1/3 焦煤，兼具肥煤的特征。

1.3.2 淮河二號(hào)的分析與評(píng)價(jià)

淮河二號(hào)灰分為9.36%，揮發(fā)分為37.82%，硫分0.38%，G 值為86，Y 值為17.0 mm。根據(jù)GB/T 5751—2009，淮河二號(hào)揮發(fā)分大于37.0%，將其劃分為氣煤。但其膠質(zhì)層體積曲線（見圖2）呈現(xiàn)出“之字型”，這種膠質(zhì)體性質(zhì)不同于氣煤，通常氣煤的膠質(zhì)層曲線呈現(xiàn)出“微波型”或“平滑下降型”。

圖2 淮河二號(hào)的膠質(zhì)層體積曲線

由表2、表3 可知，淮河二號(hào)的αmax為8 196 ddpm，b 值為55%，膠質(zhì)體流動(dòng)性較好。單種煤煉焦所得焦炭具有較好的機(jī)械強(qiáng)度，M40達(dá)到83.8%，熱性質(zhì)適中，CSR 為45.9%?；春佣?hào)的質(zhì)量指標(biāo)優(yōu)于一般氣煤，可達(dá)到1/3 焦煤的質(zhì)量水平。因此，淮河二號(hào)為中灰、低硫、強(qiáng)黏結(jié)性的氣煤，其膠質(zhì)體特性、流動(dòng)性和煉焦性能較好，具有1/3 焦煤的特征，可作為1/3 焦煤使用。

1.3.3 淮河三號(hào)的分析與評(píng)價(jià)

淮河三號(hào)灰分為6.20%，揮發(fā)分為36.77%，硫分為0.38%，G 值為82，Y 值為16.0 mm。根據(jù)GB/T 5751—2009，淮河三號(hào)劃分為1/3 焦煤?；春尤?hào)膠質(zhì)體性質(zhì)與淮河二號(hào)相似，其膠質(zhì)層體積曲線（見圖3）呈現(xiàn)出“之字型”。

圖3 淮河三號(hào)的膠質(zhì)層體積曲線

由表2、表3 可知，淮河三號(hào)的αmax為2 904 ddpm，b 值為19%，膠質(zhì)體流動(dòng)性適中。單種煤煉焦所得焦炭M40為75.5%，CSR 為43.9%，其煉焦特性略低于淮河二號(hào)?；春尤?hào)各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)中最大的優(yōu)點(diǎn)是灰分低，這種低灰特性在國內(nèi)1/3 焦煤中較為少見，文獻(xiàn)[4-7]中不同地區(qū)的1/3 焦煤灰分普遍在7.0%～11.0%。因此，淮河三號(hào)為低灰、低硫、強(qiáng)黏結(jié)性的1/3 焦煤，在使用過程中可起到降低配合煤灰分的作用。

2 淮南礦業(yè)1/3 焦煤在焦化企業(yè)的應(yīng)用實(shí)踐

隨著我國優(yōu)質(zhì)焦煤、肥煤等資源的供應(yīng)緊缺程度加劇，1/3 焦煤的需求量逐漸增大。淮南礦業(yè)典型的3種1/3 焦煤各具特點(diǎn)，已經(jīng)在安徽、江西、江蘇、湖北、浙江等省份的焦化企業(yè)使用，在不同的配煤結(jié)構(gòu)下，可實(shí)現(xiàn)合理配用。

2.1淮河一號(hào)在搗固焦?fàn)t替代肥煤的應(yīng)用實(shí)踐

在某焦化企業(yè)4.3 m 搗固焦?fàn)t的生產(chǎn)實(shí)踐中，肥煤資源的供應(yīng)量緊缺、運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)且價(jià)格較高。為了保證煤場庫存肥煤的均衡使用，需開發(fā)肥煤的可替代性煤源，以保證焦炭質(zhì)量的穩(wěn)定。經(jīng)研究比對(duì)，決定利用地域性優(yōu)勢，選擇運(yùn)輸距離較近的淮南礦業(yè)1/3焦煤以替代部分肥煤使用。肥煤和淮河一號(hào)1/3 焦煤的單種煤質(zhì)量指標(biāo)見表4，單種煤40 kg 試驗(yàn)焦?fàn)t煉焦后的焦炭光學(xué)組織和熱態(tài)性質(zhì)見表5。

表4 單種煤質(zhì)量指標(biāo)

表5 單種煤煉焦所得焦炭的光學(xué)組織和熱態(tài)性質(zhì) %

由表4 可知，淮河一號(hào)1/3 焦煤灰分與肥煤接近；揮發(fā)分為34.45%，比肥煤高4.21 個(gè)百分點(diǎn)；硫分為0.36%，低于肥煤；Y 值為22.0 mm，略低于肥煤；αmax高于肥煤?；春右惶?hào)1/3 焦煤的黏結(jié)性能與肥煤指標(biāo)較為接近，膠質(zhì)體數(shù)量較多，且流動(dòng)性較好，在一定程度上具有可替代肥煤的特點(diǎn)。由表5 可以看出，單種煤煉焦所得焦炭光學(xué)組織中，淮河一號(hào)1/3 焦煤與肥煤均以中粒鑲嵌結(jié)構(gòu)為主。對(duì)于中等變質(zhì)程度的煉焦煤，所煉焦炭光學(xué)組織結(jié)構(gòu)呈細(xì)粒鑲嵌結(jié)構(gòu)向粗粒鑲嵌結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，提高焦炭中粒鑲嵌、粗粒鑲嵌、不完全纖維狀、完全纖維狀與基礎(chǔ)各向異性組織結(jié)構(gòu)含量可提高焦炭質(zhì)量[9]。兩者在焦炭光學(xué)結(jié)構(gòu)和熱態(tài)性質(zhì)上也具有一定的相似性和替代性。

利用淮河一號(hào)1/3 焦煤開展替代肥煤的煉焦生產(chǎn)實(shí)踐，分別以3%和7%的比例進(jìn)行替代，配煤方案見表6。配合煤質(zhì)量指標(biāo)及焦炭質(zhì)量指標(biāo)見表7。

表6 配煤方案（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表7 配合煤質(zhì)量指標(biāo)及焦炭質(zhì)量指標(biāo)

由表7 可知，替代一方案和替代二方案分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%和7%的淮河一號(hào)1/3 焦煤替代肥煤，配合煤和焦炭的灰分、硫分均比基礎(chǔ)方案有所下降，主要原因?yàn)?/3 焦煤比肥煤灰分、硫分低。替代一方案的焦炭質(zhì)量M40達(dá)到85.6%、CSR 達(dá)到67.1%，均略高于基礎(chǔ)方案的焦炭質(zhì)量，主要原因是淮河一號(hào)1/3 焦煤所得焦炭的光學(xué)組織以中粒鑲嵌結(jié)構(gòu)為主，鑲嵌結(jié)構(gòu)對(duì)焦炭的溶損反應(yīng)可起到抑制作用，對(duì)焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度具有一定的貢獻(xiàn)。替代二方案淮河一號(hào)1/3 焦煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%，配合煤的揮發(fā)分有所提高，G 值和Y 值略有下降。揮發(fā)分偏高使得焦炭產(chǎn)生的裂紋增多，而黏結(jié)性有所下降使得焦炭的抗碎強(qiáng)度和反應(yīng)后強(qiáng)度出現(xiàn)略微下降，但仍可達(dá)到企業(yè)的目標(biāo)焦炭質(zhì)量要求。

因此，淮河一號(hào)1/3 焦煤作為優(yōu)質(zhì)1/3 焦煤資源，在配煤煉焦生產(chǎn)中可以部分替代肥煤使用，替代質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～7%，具有降灰和降硫的作用，可穩(wěn)定焦炭質(zhì)量，節(jié)約優(yōu)質(zhì)的肥煤資源。

2.2淮河二號(hào)在搗固焦?fàn)t中作為1/3 焦煤的應(yīng)用實(shí)踐

搗固煉焦是一種以提高入爐煤餅堆密度的方式進(jìn)行高溫干餾的煉焦技術(shù)，通過這種方式可配入較多的高揮發(fā)分煤或弱黏結(jié)性煤。在某焦化企業(yè)4.3 m 搗固焦?fàn)t的生產(chǎn)實(shí)踐中，使用了淮南礦業(yè)淮河二號(hào)和山東氣煤。單種煤質(zhì)量指標(biāo)見表8，單種煤40 kg 試驗(yàn)焦?fàn)t煉焦后的焦炭光學(xué)組織和熱態(tài)性質(zhì)見表9。

由表8 可知，淮河二號(hào)和山東氣煤的揮發(fā)分＞37.0%，G 值＞65，Y 值≤25.0 mm，兩者均劃分為氣煤，但兩種煤的黏結(jié)性能指標(biāo)和單種煤煉焦所得焦炭質(zhì)量有較大的差異?；春佣?hào)的G 值、Y 值和αmax均高于山東氣煤，表明淮河二號(hào)的膠質(zhì)體數(shù)量較多且流動(dòng)性較好，黏結(jié)性能優(yōu)于山東氣煤。由表9 可知，淮河二號(hào)煉焦所得焦炭的光學(xué)組織以中粒鑲嵌結(jié)構(gòu)為主，含有少量的絲質(zhì)及破片，表明其變質(zhì)程度偏高，惰性成分含量低，焦炭CSR 達(dá)到45.9%。山東氣煤焦炭光學(xué)組織以各向同性和絲質(zhì)及破片結(jié)構(gòu)為主，表明其變質(zhì)程度偏低，惰性成分含量高，焦炭CSR 偏低，為28.8%。兩種煤從分類上均為氣煤，但性質(zhì)差異較大，在生產(chǎn)應(yīng)用中將淮河二號(hào)作為1/3 焦煤使用，將山東氣煤作為氣煤使用。

在4.3 m 搗固焦?fàn)t生產(chǎn)實(shí)踐中，配煤方案、配合煤質(zhì)量指標(biāo)及焦炭質(zhì)量指標(biāo)見表6、表7 中的基礎(chǔ)方案。在基礎(chǔ)方案的配煤結(jié)構(gòu)中，配入大量高揮發(fā)分的淮河二號(hào)（1/3 焦煤）和山東氣煤（氣煤），兩者總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39%；其中，淮河二號(hào)配入質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到25%，配入質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%的山東氣煤起到降低配合煤灰分、硫分及配合煤成本的作用。所得焦炭M40可達(dá)到85.3%，CSR 可達(dá)到66.7%?？梢钥闯?，淮河二號(hào)揮發(fā)分偏高、黏結(jié)性能較好，對(duì)焦炭熱態(tài)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較好，在配合煤中可以起到補(bǔ)充黏結(jié)性和流動(dòng)性的作用，有利于穩(wěn)定焦炭質(zhì)量，在搗固焦?fàn)t中可作為主力1/3 焦煤大比例配用。

2.3淮河三號(hào)生產(chǎn)高品質(zhì)低灰低硫焦炭的應(yīng)用實(shí)踐

高品質(zhì)焦炭不僅應(yīng)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較好的反應(yīng)后強(qiáng)度，還需具備低灰、低硫特性。高爐煉鐵過程中，焦炭灰分增加，使造渣所需的熔劑增加，焦比升高；焦炭中硫分每增加0.1%，焦比升高約1.2%～2.0%，產(chǎn)量降低2%以上，因此要求焦炭灰分和硫分越低越好[10]。在煉焦過程中，煤中的灰分幾乎全部轉(zhuǎn)入到焦炭中，大部分硫也轉(zhuǎn)入到焦炭中，因此選擇低灰、低硫的配煤煉焦煤種對(duì)于生產(chǎn)高品質(zhì)低灰低硫焦炭至關(guān)重要。

在某焦化企業(yè)6 m 頂裝焦?fàn)t的生產(chǎn)實(shí)踐中，使用淮河三號(hào)1/3 焦煤來降低配合煤灰分和硫分，生產(chǎn)低灰低硫焦炭。配煤方案見表10，配合煤質(zhì)量指標(biāo)及焦炭質(zhì)量指標(biāo)見表11。

表10 配煤方案（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表11 配合煤質(zhì)量指標(biāo)及焦炭質(zhì)量指標(biāo)

由表10 可以看出，在日常焦的方案中，配煤結(jié)構(gòu)中以1/3 焦煤為主，且淮河一號(hào)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，可作為主力1/3 焦煤使用。在生產(chǎn)低灰焦的方案中，配煤結(jié)構(gòu)中大量使用了具有低灰、低硫特點(diǎn)的淮河三號(hào)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%，且搭配了淮河一號(hào)1/3 焦煤，兩者質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到41%。低灰焦方案的配合煤灰分為8.98%、硫分為0.65%，焦炭灰分為11.90%、硫分為0.60%，明顯低于日常焦方案的灰分和硫分，且焦炭的M40和CSR 均略高于日常焦方案。生產(chǎn)的低灰低硫焦炭質(zhì)量指標(biāo)可以達(dá)到GB 50427—2015《高爐煉鐵工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中4 000 m3以上高爐用頂裝焦炭質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)。

3 結(jié) 論

3.1淮河一號(hào)為優(yōu)質(zhì)1/3 焦煤，在頂裝焦?fàn)t中可作為主力1/3 焦煤大比例配入使用，配入質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到30%?；春右惶?hào)煤質(zhì)特征兼具肥煤特性，可在搗固焦?fàn)t中部分替代肥煤使用，替代質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～7%，焦炭質(zhì)量穩(wěn)定，可節(jié)約我國優(yōu)質(zhì)肥煤資源。

3.2利用搗固焦?fàn)t可配入較多高揮發(fā)分煤的工藝技術(shù)特點(diǎn)，淮河二號(hào)可以在搗固焦?fàn)t中作為主力1/3 焦煤配用，配入質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)25%。

3.3淮河三號(hào)為低灰低硫1/3 焦煤，在頂裝焦?fàn)t和搗固焦?fàn)t中可起到降灰、降硫作用?？膳淙胭|(zhì)量分?jǐn)?shù)26%的淮河三號(hào)生產(chǎn)出灰分≤12.0%、硫分≤0.60%的高品質(zhì)低灰低硫焦炭。可根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)焦炭灰分和硫分要求，選擇合適的配入量。

3.4淮南礦區(qū)為我國中部地區(qū)重要的煉焦煤產(chǎn)區(qū)，主要生產(chǎn)1/3 焦煤產(chǎn)品，其供應(yīng)可覆蓋我國中部、東部沿海等地區(qū)焦化企業(yè)。生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用案例可供焦化企業(yè)參考借鑒，焦化企業(yè)可結(jié)合自身煤源情況合理利用，以實(shí)現(xiàn)煤資源的高效利用。