武吉，來威，侯士彬，程學科，朱慶廟，李富鑫，王旭

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇 南京 210096；3.鞍鋼股份有限公司煉焦總廠，遼寧 鞍山 114021）

隨著優(yōu)質煉焦煤資源日趨匱乏與大高爐對焦 炭的高質量要求之間的矛盾愈發(fā)凸顯，在保證焦炭質量的前提下，需要不斷優(yōu)化煉焦配煤，改善煉焦煤之間的黏結、成焦特性[1]。煤是一種伴有少量無機礦物的炭質沉積巖，是由不同組分混合而成的不均勻物質。為了使多種煉焦煤干餾后得到的焦炭質量穩(wěn)定，應盡量改善煉焦過程中不同種煤顆粒之間的接觸[2]。由于不同種焦煤在成焦過程中的作用及結焦特性不同，包括煤種活性、惰性組分，顆粒間鑲嵌結構，礦物組成與分布等特征，不同粒度煤與煤顆粒間的結焦過程具有明顯差異。煉焦煤料粒度過大，則顆粒間隙加大且分布不均勻，同時揮發(fā)物析出速度下降，使膠質體不易充滿顆粒間隙，不利于黏結[3]；但粒度過小，煤粉的比表面積增大，惰性組分會吸附更多液相產物，劣化焦炭質量，且活性組分過細會導致軟化熔融過程中氣相產物較易逸出，液相產物減少，弱化煤顆粒間黏結性[4]，同時導致裝煤堆密度明顯降低，焦爐單炭化室產量降低，進而影響焦爐效率。為此，選擇合理的煉焦煤粒度對改善配合煤的黏結性、結焦性，提高焦炭質量和產量具有重要意義。

1 煉焦備煤工藝與配煤粒度的選擇研究

煉焦生產中煤的粒度一般用細度進行表征，即煤粒度小于3 mm的質量占比。一般企業(yè)的煉焦備煤工藝中設有粉碎機，進而控制煉焦配合煤的細度。選擇合理的粉碎、配煤工藝流程有助于優(yōu)化煉焦用煤資源和改善焦炭質量。

1.1 煉焦備煤工藝研究

各種備煤工藝流程中煤的接收、轉運、貯存過程基本相同，區(qū)別在于煤料的粉碎、配合工藝的不同，主要分為先配后粉、先粉后配以及選擇性粉碎工藝。無論是汽運、鐵運還是船舶來煤，一般均由皮帶運送至筒倉或者料場進行臨時存儲。對于硬度大或難粉碎的單種煤，一般利用預粉碎進行單獨粉碎，然后經過配煤、篩分及粉碎工藝送至入煤塔或者搗固車。近年來，我國各鋼鐵企業(yè)主要采取“以鐵定產”生產理念，考慮到工藝設備的投資及運行成本，企業(yè)普遍采用先配后粉和選擇性粉碎工藝。目前煉焦備煤工序的主要工藝流程如圖1所示，煉焦備煤主要工藝流程對比分析如表1所示。

圖1 目前煉焦備煤工序的主要工藝流程Fig.1 Existing Main Process Flow for Coal Preparation Process for Coke Making

表1 煉焦備煤主要工藝流程對比分析Table 1 Comparative Analysis of Main Technological Processes for Coal Preparation Process for Coke Making

由表1可以看出，先粉后配和先配后粉工藝存在局限性，而選擇性粉碎工藝是按照配煤中各單種煤煤巖、硬度的不同，將篩分和破碎結合，可以使含惰性組分多以及大顆粒煤得到充分粉碎。但此工藝對設備、操作水平要求較高，動力消耗相對較大。選擇性粉碎將粒度大的煤進行再次粉碎，理論上認為單種煤篩分粒度大小不同，則所含的煤巖組成也不同，這將直接影響煉焦過程中膠質體的質量和數(shù)量，最終影響焦炭的質量[5]。

1.2 配煤粒度的選擇研究

國內頂裝焦爐配合煤細度一般為70%～80%，而搗固焦爐考慮到煤餅的成型性，配合煤細度一般為85%～93%。宋子奎等[6]以焦炭耐磨強度為評價依據(jù)，利用1.5 kg小型煉焦實驗設備，分別考察＞25 mm，25～10 mm，10～6 mm，6～3 mm，＜3 mm五個粒級的配合煤煉焦，發(fā)現(xiàn)煤顆粒越大，焦炭耐磨強度M10越大，但兩者之間的關系并不是線性的。高立東等[7]利用40 kg小焦爐考察不同配合煤細度對焦炭質量的影響規(guī)律，認為配合煤細度與入爐煤堆密度、焦爐單孔產量負相關，同時細度過大會劣化焦炭質量。實際生產中，膠質體多、結焦性好的肥煤和焦煤應粗粉碎，降低因粉碎過細產生的“破黏、瘦化”效應，而惰性組分多、硬度大的瘦煤和氣煤應細粉碎，使得惰性較多的瘦煤更多地參與氣孔壁的形成，改善焦炭質量，同時應盡量減少小于0.5 mm和大于5 mm[7]的單種煤參與煉焦生產。表2為國內鋼鐵聯(lián)合企業(yè)煉焦備煤粉配工序現(xiàn)狀。

表2 國內鋼鐵聯(lián)合企業(yè)煉焦備煤粉配工序現(xiàn)狀Table 2 Current Status of Pulverized Coal Blending Process for Coke Making in Domestic Iron and Steel Joint Enterprises

2 煤粉粒度對煤焦特性的影響研究

2.1 單種煤粒度對煉焦煤工業(yè)成分的影響

張代林等[8]研究了不同粒級焦煤、肥煤的性質，發(fā)現(xiàn)隨著單種煤粒度的變化，煉焦煤工業(yè)成分變化較大，如圖2所示。

圖2 單種煤粒度與煉焦煤灰分含量的關系Fig.2 Relationship between Particle Size of Individual Coal and Ash Content of Coking Coal

由圖2可以看出，灰分含量隨著煤粉粒度的增大呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，且灰分主要集中在較細（＜0.5 mm）和較大（＞13 mm）粒度范圍內。 一方面，煤的灰分主要來源于煤中礦物質，粒級較小的煤樣含有較多細顆粒鑲嵌礦物，導致粒度最小的煤中灰分含量較高；另一方面，礦物質含量較多的煤樣硬度大，較難破碎，所以粒度較大的煤樣灰分含量增大。根據(jù)不同粒級的工業(yè)分析結果，利用選擇性粉碎工藝可以適當降低小顆粒煤粉占比，進而使得配合煤的灰分分布更加均勻，有助于改善煤料的黏結性能。

宋建新等[9]研究所用的煉焦煤發(fā)現(xiàn)，除1/3焦煤外，焦煤、肥煤、貧瘦煤中的硫主要分布在＜1 mm的粒度范圍內，且隨著煤粉粒度的減小，硫含量呈現(xiàn)升高的趨勢，如圖3所示。硫主要以黃鐵礦物形式存在于灰分中，細粒均勻嵌布在煤中的黃鐵礦中，較難洗選去除，導致粒度越小的煤硫含量越大。

圖3 單種煤粒度與煉焦煤硫含量的關系Fig.3 Relationship between Particle Size of Individual Coal and Sulfur Content of Coking Coal

2.2 單種煤粒度對煉焦煤結焦特性的影響

陳鵬等[10]檢測了四種煉焦煤11個粒度范圍內的黏結指數(shù)G值，各單種煉焦煤黏結指數(shù)隨粒度的變化趨勢如圖4所示。

圖4 不同粒級單種煤黏結指數(shù)G值Fig.4GValue of Caking Indexes for Individual Coal with Different Grades of Particle Size

研究發(fā)現(xiàn)：

（1）隨著粒級的增加，氣煤與氣肥煤的黏結指數(shù)增大，且粒級分別在4～6 mm、3～5 mm時，黏結指數(shù)G值達到最大。從鏡質組的聚集及局部膠質體的生成角度分析，氣煤形成的膠質體相對稀薄，黏結能力較差，不同粒度的氣煤成焦顯微結構均以各向同性和惰性結構為主，但對氣孔的大小及氣孔壁的厚薄存在較大影響。惰性物質的差異性是氣肥煤與氣煤的主要區(qū)別，隨著粒級的增加，氣肥煤會先于氣煤實現(xiàn)鏡質組的聚集與膠質體的生成。

（2）1/3焦煤的細粒狀鑲嵌結構阻礙膠質體的流動。粒級較小時，比表面積大的膠質體消耗高、黏結性弱；而粒級較大時，膠質體本身的黏結性能又不足以浸潤顆粒本身。1/3焦煤黏結指數(shù)G值隨著粒度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。

（3）焦煤的黏結指數(shù)G值呈現(xiàn)先升高后降低、波浪下降的趨勢。焦煤的成焦結構以粗粒鑲嵌為主，膠質體以自身黏結結焦為主，焦煤的成焦性能較為均勻。焦煤破碎后，硬度小、脆度大的鏡質組集中在細顆粒中，隨著粒級增加，鏡質組含量減少，導致膠質體的潤濕作用下降，進而黏結能力降低。若過度粉碎，細顆粒中存在的較高灰分含量也會影響煤的黏結性能，為了避免粒度對焦煤黏結、結焦的不利影響，應盡量減少焦煤在＜0.5 mm 和＞6 mm 粒級煤樣的比例[8]。

瘦煤隨著粉碎粒度的減小，片狀和板狀纖維結構的尺寸單元明顯減小，自黏結強度指數(shù)逐漸增加，粒度減小到一定程度，強度指數(shù)隨粒度的減小維持穩(wěn)定不變[11]。瘦煤與其他煉焦煤結焦時，界面處無明顯反應。瘦煤類高變質程度弱黏結性煉焦煤宜選用細粉碎工藝，利于焦炭質量提高。

肥煤的奧亞膨脹度可以很好的反映出肥煤黏結成焦特性。鮑俊芳等[12]研究了粒度對肥煤膨脹特性的影響規(guī)律，得出粒度在0.5～2 mm粒級的肥煤的膨脹性能較優(yōu)；粒度大于2 mm肥煤的膠質體較厚，活性組分的比表面積小，膠質體受熱膨脹時單位面積上的壓強大，膠質體膜容易破裂；而粒度小于0.5 mm肥煤，由于破碎導致活性成分比表面積增大，膠質體減薄，膠質體受熱膨脹過程中形成的較薄膠質體膜更容易破裂，煤粒被氧化導致了最大膨脹度降低，膨脹溫度區(qū)間減小。白向飛等[13]通過研究粒級主要集中在＜3 mm煤巖特性及其對煉焦煤性質的影響規(guī)律，闡述了黏結指數(shù)、粒度特征、煤巖特征之間的關系，發(fā)現(xiàn)了中等粒級（1.5～0.28 mm）煤黏結指數(shù)高于粗粒（1.5～3 mm）、細粒（＜0.28 mm）級煤的現(xiàn)象。

2.3 單種煤粒度對煉焦煤煤巖特性的影響

陳鵬等[14]研究了不同粒度氣煤對焦炭顯微結構的影響，研究發(fā)現(xiàn)各向同性結構與粗粒鑲嵌結構之間的界面融合反應易使粗粒鑲嵌結構細?；?，界面融合反應程度與氣煤粒度相關，氣煤的粒度越小，界面接觸面積越大，界面融合反應越激烈。氣煤活性成分越高，界面融合細化現(xiàn)象越強。

張代林等[8]測定了不同篩分粒級煤樣的鏡質組、惰質組含量，不同粒級的焦煤和肥煤鏡質組平均最大反射率存在差異，粒級大的焦煤和肥煤其較高。在相同的變質程度煤中，鏡質組硬度小于惰質組，脆度大于惰質組。在破碎過程中，硬度小、脆度大的鏡質組集中在細粒級中，硬度大、脆度小的惰質組集中在粗粒級中。利用坩堝焦試驗發(fā)現(xiàn)，焦煤和肥煤不能過度粉碎，避免降低煤的黏結性和結焦性，從而劣化焦炭質量。宋建新等[9]研究了各煤種的煤巖顯微組分在不同粒度等級中的富集分布變化，發(fā)現(xiàn)它們有共同規(guī)律。不同粒級煤粉的鏡質組含量如圖5所示，可以看出，在＞10 mm的顆粒中鏡質組含量最低，隨粒度的減小，含量逐漸增多。

圖5 不同粒級煤粉的鏡質組含量Fig.5 Content of Vitrinite Group in Pulverized Coal with Different Grades of Particle Size

2.4 煤粉粒度對焦炭質量的影響

不同粒度的煉焦煤顯微組分含量不同，進而導致結焦過程中存在活性組分和惰性組分的接觸及變化差異，影響焦炭的氣孔結構和顯微結構。瘦煤粒度與焦炭質量的關系如圖6所示。

圖6 瘦煤粒度與焦炭質量的關系Fig.6 Relationship between Particle Size of Lean Coal and Coke Quality

由圖6（a）可以看出，將高階瘦煤細粉碎后配煤煉焦，配合煤的結焦性改善，瘦煤粉碎到小于0.2 mm時，配合煤的結焦性最優(yōu)，焦炭冷態(tài)強度最好。瘦煤粒度過低，增大的比表面積強化了活性組分的吸附，進而使膠質體變薄，焦炭氣孔壁變薄，焦炭質量變差[15]。進一步過細粉碎瘦煤煉焦，配合煤的結焦性劣化，焦炭質量變差[16]。瘦煤中的惰質組分含量隨粒度減小而降低，進而導致惰質組作為結焦中心的點減少，骨架支撐作用下降，劣化焦炭質量。同時，粒度過小還會引起能耗的增大，粉塵含量和焦油渣量增多。項茹等[17]為改善焦炭冷強度，將配合煤粒度控制在6 mm以下，避免難破碎的煉焦煤在大顆粒范圍聚集，對焦炭質量不利。因此，應根據(jù)巖相組成，合理利用粉碎工藝控制煤的粒度，使惰性組分細粉碎，活性組分粗粉碎，使每種組分充分發(fā)揮其作用，在提高堆密度的同時，改善煤在煉焦過程中的動態(tài)變化，從而改善焦炭質量。

由圖6（b）可以看出，焦炭的反應性隨高變質程度煤粉粒度的減小而增大，焦炭的反應后強度隨高變質程度煤粉粒度的減小先增大后減小[18]。適當細粉碎高變質程度煤粉，有利于改善焦炭質量，不僅使反應性增大，而且焦炭的反應后強度也提高，這與高反應性高強度焦炭的理念相符。但過細粉碎高變質程度煤粉，焦炭的熱態(tài)性能會明顯惡化。

煤粉粒度對焦炭氣孔率的影響如圖7所示。由圖7可以看出，隨著高變質程度煤粉粒度的減小，焦炭氣孔率降低，但變質程度越高，降幅越小。這是因為，高變質程度煤粉在焦炭中以自身強度較低的破片狀等惰性單元存在[11]。因此，調整高變質程度煤粉的粒度對焦炭氣孔率影響較小。

圖7 煤粉粒度對焦炭氣孔率的影響Fig.7 Effect of Pulverized Coal Particle Size on Coke Porosity

調整高變質程度煤粉的粒度煉焦時，隨著高變質程度煤粉粒度的減小，焦炭的光學組織構成不會發(fā)生明顯變化，但惰性成焦特征會逐漸消失。受粉碎過程中機械力的作用，破片狀等光學組織結構的尺寸大幅度減小，變成粗大粒狀鑲嵌形貌，與強黏結性煤粉的成焦結構鑲嵌在一起[19]，既發(fā)揮了惰性單元作為結焦中心和骨架的作用，也能避免其自身的結構缺陷對焦炭質量的不利影響，有助于提高焦炭的機械強度，使焦炭的結構強度隨高變質程度煤粉粒度的減小而增大。弱黏結性煤粉大多為惰性組分，適當細粉碎后能填充部分大顆粒間的空隙[20]，在煉焦過程中能更好地被液相組分所包覆而參與形成氣孔壁，導致焦炭的氣孔率下降并增加氣孔壁的厚度，使焦炭的結構強度得到改善。

3 結論

（1）目前國內頂裝焦爐備煤工序已開始由先配后粉工藝向選擇性粉碎工藝轉變，選擇性粉碎可以根據(jù)單種煤煤巖、硬度的不同，利用篩分和破碎相結合，使惰性組分多以及大顆粒煤得到充分粉碎，優(yōu)化煉焦過程中膠質體的質量和數(shù)量，最終改善焦炭的質量。隨著優(yōu)質煉焦煤資源日趨匱乏，為使優(yōu)質煉焦煤資源得到充分優(yōu)化利用，煤粉粒度的優(yōu)化選取已經成為煉焦企業(yè)經濟高效配煤的重要研究方向。

（2）煉焦煤粉碎后，灰分主要集中在粒度較小的顆粒中，灰分過于集中不利于煉焦過程中膠質體的流動，進而弱化煉焦煤的黏結性。硫主要集中在小粒度范圍內，主要與煤中的細顆粒礦物質鑲嵌結構和硬度有關，過高的硫分會導致焦爐煤氣和焦炭硫分相應升高，進而影響后續(xù)煤氣脫硫，增大高爐焦比。不同煉焦煤粒度的變化對煉焦煤的結焦性能影響差異較大。一般認為氣煤、瘦煤等惰性組分多、硬度大的煉焦煤應該細粉碎，而焦煤、肥煤等不易過渡粉碎，以免造成煉焦煤的“瘦化”現(xiàn)象，但也有與傳統(tǒng)觀點相悖的研究觀點，這主要與各單位對煉焦煤種的劃分有一定關系。

（3）隨著煉焦煤粒度的逐漸增大，煉焦煤的鏡質組含量逐漸降低，主要是因為硬度小、脆度大的鏡質組集中在細粒級中，硬度大、脆度小的惰質組集中在粗粒級中。所以在煉焦配煤中，應盡量降低煤粉過細或者過粗條件下的粒度分布，綜合考慮煉焦煤粒度對煉焦煤的灰分含量、硫含量、結焦性能、煤巖分布及焦炭質量的影響，最終提出適用于本單位煤質特性的粉碎工藝和配煤控制細度。