吳延銳

(1.山東科技大學經(jīng)管學院，山東 菏澤 274900；2.山東鐵雄新沙能源有限公司，山東 菏澤 274900)

1 概述

搗固煉焦技術(shù)是將配合煤在搗固機內(nèi)搗固成煤餅后，推入炭化室內(nèi)煉焦的技術(shù)。煤料經(jīng)搗固后，由于煤粒間接觸更加緊密，堆密度提高，改善了煤料的結(jié)焦性能和提高了焦炭的機械強度，受到下游用戶的歡迎。配煤工作是焦化企業(yè)確保搗固焦炭質(zhì)量的重心工作。山東鐵雄新沙能源有限公司(以下稱新沙公司)地處山東能源集團煤礦的腹地，周邊擁有優(yōu)質(zhì)的1/3 焦煤、肥煤和氣煤，作為獨立焦化企業(yè)在配煤方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。自2019 年生產(chǎn)以來新沙公司一直致力于煉焦煤和焦炭的研究，經(jīng)過近15 年的經(jīng)驗摸索，通過研究配煤技術(shù)，在提高搗固焦炭強度方面也摸索了一些經(jīng)驗。

2 影響焦炭強度的因素

2.1 灰分

煤的部分灰成分含有鐵、鉀、鈉、鈣、鉀、鍶等氧化性物質(zhì)對焦炭反應性有正反應作用，含量增加時，反應性上升，反應后強度下降，一般通過熒光分析可以參考測定以上金屬含量。

2.2 巖相

配合煤中活性組分與惰性組分比例過高或過低都會對焦炭強度造成影響，配合煤的巖相指標如鏡質(zhì)組最大反射率、反射率分布范圍、標準偏差及分布圖、活惰比也是配煤中的重要參考指標，是否合理對焦炭強度同樣重要。巖相組成不同，焦炭強度差異較大，合理結(jié)構(gòu)框架的設(shè)定，將各種煤排列組合，是配煤過程的指導思想。

2.3 G 值

煤炭G 值是指煤炭的黏結(jié)指數(shù)，該指數(shù)會影響到煉焦過程中焦炭的結(jié)合程度。煤的黏結(jié)性是由膠質(zhì)體的數(shù)量和品質(zhì)決定的，膠質(zhì)體中可液化物質(zhì)多、流動性能好，就能填充焦炭微觀下的顆?？障?，從而發(fā)生黏合作用。因此G 值可以作為單種煤結(jié)焦性的一個初步直觀判斷。如表1 所示。

表1 新沙公司常用煤種G 值區(qū)間分布

2.4 Y 值

煤炭Y 值是指煤的最大膠質(zhì)層厚度，是在實驗過程中用實驗探針測量后加權(quán)平均得到的數(shù)據(jù)，表征煤的膠質(zhì)層數(shù)量、流動性、熱穩(wěn)定性和透氣性，在配煤過程中需要有一定的Y 值才能生產(chǎn)出合格的焦炭。

2.5 X 值

煤的X 值表示最終收縮度，即半焦收縮的程度，一般使用配合煤測定，主要表征在煉焦過程中煤餅變成焦餅收縮的范圍，在實際配煤過程中，必須考慮配合煤的X 值，防止焦餅收縮不夠產(chǎn)生推焦困難的情況，影響煉焦生產(chǎn)。

2.6 水分

配合煤水分變化焦炭熱強度也具有一定的影響。配合煤水分增大會導致配合煤會填充煤餅空間，搗固系數(shù)偏低，焦炭出現(xiàn)生焦，生產(chǎn)出來的焦炭氣孔較多，甚至出現(xiàn)黑頭泡焦，焦炭熱強度降低。而配合煤在實際控制過程中，因來煤水分的不穩(wěn)定使配合煤水分波動較大，煉焦過程又不能及時根據(jù)水分變化對爐溫進行調(diào)整，使焦炭質(zhì)量出現(xiàn)較大波動。

2.7 細度

配合煤細度控制在86%～90%，細度不夠，配合煤摻混不充分，成焦過程不均勻，導致強度低。如果細度偏高高，比表面積增大，活性組分在煉焦過程被煤氣帶走，膠質(zhì)體變少，從而影響焦炭強度。

2.8 結(jié)焦時間

焦炭成熟以后，經(jīng)碳過程化揮發(fā)分降低，焦炭更加緊密，焦炭熱態(tài)強度合格的目的。結(jié)焦時間不夠?qū)е陆固渴湛s或者固化階段沒有完全完成，碳化時間不足，導致焦炭強度受一定影響。

2.9 標準溫度的控制

標準溫度的制定參照焦餅中心溫度的測量結(jié)果，如果標準溫度控制偏低，焦炭的揮發(fā)份不能夠充分揮發(fā)，焦炭內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，膨脹過程不能完全到位，導致出現(xiàn)生焦，影響焦炭強度。

2.10 干熄爐停留時間

目前在干熄焦普及的年代，焦炭在干熄爐的停留時間也是影響焦炭強度的一個方面，在970 ℃以上的溫度下可以加速焦炭的熱分解，使焦炭得到二次熔煉，達到提高強度的目的，而在干熄爐停留的時間也是區(qū)別焦炭強度的一個方面。以山東鐵雄新沙能源有限公司為例：兩座焦爐滿負荷生產(chǎn)停留時間為4.7 h，單座焦爐如一期2#爐生產(chǎn)停留時間為6.6 h[1]。

2.11 配煤準確性

配煤方案的制定是一個重要方面，實際的也是一個重要方面，在實際下煤過程中存在個別配種下多、個別煤種下少的情況，導致焦炭強度出現(xiàn)波動。在新建焦化配煤皮帶秤一般采用核子稱進行計量，計量相對來說比較準確；大部分生產(chǎn)的焦化企業(yè)以電子秤為主，出現(xiàn)零點漂移、K 值漂移導致配煤不準確的情況，時有發(fā)生，這就需要配煤技術(shù)人員將皮帶秤的校準做為保證配煤準確的一項重要工作。

2.12 配煤過程中雜物的添加

在煉焦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一些污泥、焦油渣、余煤、高鹽廢水、雜鹽等物質(zhì)，通過危廢處理會增加較大的處理成本。在焦化生產(chǎn)過程中將雜物加入配煤的做法，是大部分企業(yè)都采取的慣常方式，但是如果添加不合理，會對焦炭強度產(chǎn)生不同程度的影響，也會間接影響配煤成本。雜物的添加需要大量的實驗和實踐數(shù)據(jù)支撐，需不斷摸索添加量經(jīng)驗，規(guī)避對焦炭強度的影響。

3 精準配煤的相關(guān)實驗方法

3.1 G 值測定

制取一定質(zhì)量的試驗煤樣和標準無煙煤，在一定的條件下混合后干餾成焦，計算混合成焦的焦塊的強度，從而反映其煤種的黏結(jié)指數(shù)，以表示試驗煤樣黏結(jié)性、結(jié)焦性、融惰能力。

3.2 Y 值測定

將一定質(zhì)量的煤樣裝入煤杯，以規(guī)定的升溫速度進行單側(cè)加熱，使煤樣形成半焦層期間釋放膠質(zhì)體的最大數(shù)量，為煤炭膠質(zhì)層最大厚度。根據(jù)實驗記錄的體積曲線測得最終收縮度值，其實驗反映煤種的膠質(zhì)體數(shù)量及熱穩(wěn)定性

3.3 奧阿膨脹度(奧亞膨脹度)測定

將試驗煤樣按標準制成一定規(guī)格的煤筆，放在標準口徑的膨脹鋼管內(nèi)，鋼管上面有一根能在管內(nèi)自由上下滑動的膨脹鋼桿。膨脹鋼管放在專用的電爐內(nèi)，以設(shè)置的升溫曲線進行均勻加熱，在加熱過程中記錄膨脹桿的上下滑動距離的曲線。依據(jù)位移曲線得出最大膨脹度b 值，最大收縮度a 值，并根據(jù)曲線判斷出b負值、b 零、僅收縮類別，其實驗反映出煙煤的軟化溫度、硬化溫度、塑性區(qū)間。

3.4 基氏流動度(基式流動度)測定

將一定質(zhì)量的實驗煤樣裝入坩堝，放入金屬浴(提前加熱)，按照標準升溫曲線進行升溫。煤樣受熱后形成膠質(zhì)體，由于阻力降低，坩堝上方的攪拌槳開始旋轉(zhuǎn)，將轉(zhuǎn)速按照分度進行測量得出的數(shù)據(jù)就是煤樣的膠質(zhì)體在流動的狀態(tài)下的最大動角速度，基氏流動度是表征煤在熱解過程中所生成膠質(zhì)體流動性的指標，能夠反映煤炭的可塑性。

3.5 巖相分析

使用一定質(zhì)量的煤樣制取粉煤光片，在反光顯微鏡中放入20 點網(wǎng)格片，根據(jù)各種顯微組分為鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組，依據(jù)在網(wǎng)格交點下的數(shù)量來鑒定顯微煤巖類型、顯微礦化類型和顯微礦質(zhì)類型，用數(shù)點統(tǒng)計每種類型的體積分數(shù)，其實驗反映出煤種的鏡質(zhì)體的反射率從而定性煤種的煤化程度和特性，獲得煤巖測試結(jié)果，對科學配煤具有重要的指導意義，如圖1 所示。

圖1 新沙公司配合煤巖相分布圖

4 煤炭G 值、Y 值在焦炭強度的作用

(1) G 值在結(jié)焦過程起到一個粘結(jié)劑或者是說能夠起到一定的骨架作用，但是不同煤種和巖相中不同正態(tài)分布的的煤起到作用是不完全一樣的，這就需要有一個經(jīng)驗的判斷。

(2)黏結(jié)高的煤并不一定黏結(jié)能力強。如常見的肥煤、1/3 焦煤強黏煤同樣的黏結(jié)經(jīng)過小焦爐試驗后，冷熱強度差異較大。

(3) 相同G 值的主焦煤或瘦煤在配煤煉焦中可能并不能起到骨架作用，反而起到破壞的作用，如青海、新疆、俄羅斯等煤種灰成分堿金屬含量偏高，導致焦炭加劇反應，導致熱強度變差。

(4) 配煤過程中將不同煤種的G 值加權(quán)平均累加后，得到的配合煤G 值是不完全一樣的，其在結(jié)焦過程起到的作用也大相徑庭，通俗的說，如：眾所周知貴州茅臺酒是53°，但在劣質(zhì)作坊勾兌散酒也能達到53°，而他們的釀造工藝、酒曲、菌群是完全不一樣的，單憑酒的度數(shù)是不能判定酒品優(yōu)劣的。

(5) G 值、Y 值在煉焦過程中與強度屬于正向線性相關(guān)性系數(shù)關(guān)系，主焦煤的G 值相關(guān)性系數(shù)最高，但是不同的主焦相關(guān)性系數(shù)也不相同。

5 新沙公司保證焦炭強度的幾點做法

5.1 構(gòu)建科學配煤的結(jié)構(gòu)

新沙公司周邊礦點以1/3 焦、肥煤、氣煤為主，經(jīng)過15年來的經(jīng)驗摸索，逐漸形成了以氣煤、1/3焦為主框架，輔助主焦、貧瘦煤，構(gòu)成現(xiàn)有配煤結(jié)構(gòu)，如表2 所示。由于配煤過程中既要兼顧配煤成本又要兼顧焦炭強度，因此氣煤主要選用山東能源旗下的鮑店、興隆莊、唐口、彭莊、梁寶寺等單一煤種為主，標準方差S≤0.1；1/3 焦選用附近礦點趙樓、郭屯、鹿洼、付村等單一煤種為主，標準方差S≤0.13；主焦采用山西柳林、呂梁一帶高強度主焦煤為主標準方差S≤0.1；貧瘦煤選用山西長治、河南鶴壁一帶貧瘦煤為主，標準方差S≤0.13[2]。

表2 新沙公司常用配煤結(jié)構(gòu)比例范圍

5.2 利用小焦爐試驗進行指導

5.2.1 小焦爐試驗

利用小焦爐試驗結(jié)果，建立主焦煤、瘦焦煤、肥煤、1/3 焦煤單種煤強度臺賬，對配煤方案的選擇進行指導，將經(jīng)驗值逐步數(shù)據(jù)化、規(guī)范化。同時，利用小焦爐對配煤方案進行驗證，根據(jù)小焦爐和焦爐生產(chǎn)線的溫度差異，求同存異，找出預測焦炭強度差異，指導配煤方案的制定。

5.2.2 鐵箱試驗

按照試驗方案將人工配置均勻的配合煤搗固成形，使用標準鐵箱的裝入煤箱，進入碳化室，借助焦爐生產(chǎn)線的溫度環(huán)境進行試驗，通過鐵箱實驗結(jié)果，進行對比，確定最佳配煤方案，保證焦炭的熱態(tài)強度。

5.3 提高皮帶秤的準確性

5.3.1 煤倉形式皮帶秤校正

檢測人員在不影響生產(chǎn)用煤的前提下，將煤倉現(xiàn)有使用下料口逐一檢測，在備煤操作人員的配合下將實驗煤倉開始上煤，當實驗煤倉下煤趨于穩(wěn)定時，從小皮帶秤出口扔一個標記標注，停止皮帶運行，在標記前方用米尺取出10 m，進行稱重計量，利用托盤稱量出皮重和毛重，得出實際重量。

相關(guān)公式如下：

檢測完成后根據(jù)新K 值上煤。

5.3.2 受煤坑形式皮帶秤的校正

檢測人員選出當期配煤比例最大的受煤坑(以1#受煤坑為例)作為基準點，將其余受煤坑全部上滿煤，利用自卸車事先將1#受煤坑使用的煤過磅稱重，將1#受煤坑上滿煤，并記錄上煤的重量。通知中控室開始上煤，比例最大的1#受煤坑，首先清倉下完煤，其余的受煤坑因比例小于1#受煤坑，所以每個受煤坑都有剩余，利用1#受煤坑實際稱重的數(shù)據(jù)除以配煤比，得出模擬單位時間內(nèi)總下煤量，總下煤量乘以各受煤坑的既定比例，得出每個受煤坑的實際數(shù)據(jù)，利用理論數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)的比值就，計算出各個受煤坑的下煤準確率。

相關(guān)公式如下：

檢測完成后根據(jù)新K 值上煤。

以上兩種皮帶校正方式可以指導在實際配煤過程中的準確率，真正做到精準配煤，進一步穩(wěn)定焦炭質(zhì)量。

5.4 高向加熱

5.4.1 看火孔壓力

以5.5 m 搗固焦爐為例，選用單段加熱，火焰高度在1.5 m 左右，經(jīng)常出現(xiàn)底部焦炭過火，上部焦炭生焦的狀況，導致焦炭熱態(tài)指標不均勻。新沙公司經(jīng)過大量的試驗，在保證爐頂空間溫度和燃燒室不出現(xiàn)串漏的情況下，適當提高看火孔壓力5～10 Pa，提高火焰燃燒高度，在分煙道溫度穩(wěn)定可控的前提下，提高了燃燒效率，焦炭反應性和強度指標均出現(xiàn)明顯向好趨勢。

5.4.2 廢氣循環(huán)

投資安裝廢氣循環(huán)系統(tǒng)，使用部分煙道廢氣與燃燒的廢氣進行均勻調(diào)配，實現(xiàn)貧氧燃燒，火焰高度升高，在降低降低燃燒室局部最高溫度的同時，使煤餅上下受熱均勻，在形成焦炭過程更加均勻穩(wěn)定，從而規(guī)避局部焦炭強度偏低的情況。

5.4.3 馳放氣、解吸氣的配入

LNG、甲醇燃燒過程中產(chǎn)生的馳放氣、解吸氣具有熱值低、燃燒火焰長的特點，新沙公司將這部分氣體充分利用，在節(jié)省煤氣的同時，起到助推高向加熱，也為焦炭強度的穩(wěn)定起到了重要作用。

6 配煤過程的指導思路

(1)結(jié)焦過程是活性物質(zhì)按照建房的地基一般，形成縱橫交錯的“鋼筋”，“鋼筋”的粗細和緊密程度決定了生產(chǎn)焦炭的強度?？茖W配煤方案的形成，需要以周邊礦點腹地為主框架，利用經(jīng)驗將地基打好，以保證焦炭熱態(tài)指標的合格。

(2)不同指標的煤需要通過水分、灰分、硫份、揮發(fā)份、G 值、Y 的初步判斷，需要通過巖相分析這面“照妖鏡”來確定煤的變質(zhì)程度和正態(tài)分布進行基本基本判斷，最后都經(jīng)過小焦爐實現(xiàn)和長期的經(jīng)驗積累，進行最終判定。

(3)受外部環(huán)境、皮帶秤附屬設(shè)施、傳感器等因素的影響，傳統(tǒng)的鏈碼校驗的方式，已經(jīng)不能滿足精準配煤對計量準確性的要求，需要根據(jù)具體皮帶秤的結(jié)構(gòu)，選取較為準確的校正方式，提高配煤準確率。

(4)小焦爐實驗是對配煤方案的檢驗，在實際生產(chǎn)過程中，需要充分發(fā)揮小焦爐的作用，為精準配煤方案把住最后一關(guān)。

7 結(jié)語

焦炭強度的影響因素較多，需要在生產(chǎn)過程中不斷摸索。整個煉焦過程也是各種煤相互配伍，相互作用的過程，因此精準配煤是提高搗固型焦炭質(zhì)量的重要措施。新沙公司通過近15 年的堅持不懈，一直致力于煉焦煤和提高焦炭產(chǎn)品質(zhì)量的創(chuàng)新研究，摸索出一系列行之有效的科學方法，在生產(chǎn)實踐中應用獲得較好地成效。