朱汝斌，曹 強(qiáng)

(1.國家能源集團(tuán) 煤焦化蒙西公司質(zhì)計中心，內(nèi)蒙古 烏海 016030；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

2022年我國煤炭礦產(chǎn)儲量為2 070.12億t，適合煉焦的強(qiáng)黏結(jié)性肥煤、焦煤占比較低[1]，其在煉焦配煤中的使用比例高達(dá)80%，通過配煤技術(shù)加強(qiáng)對各煤種資源的合理利用可有效緩解供應(yīng)緊張的局面[2]。配合煤中含有較多低變質(zhì)、弱黏結(jié)性煤種時，煉焦時半焦收縮程度增大，焦炭裂紋增加且易于破碎。對入爐煤采取預(yù)處理、搗固煉焦、分級破碎和配入添加劑等措施可提高弱黏結(jié)性煤的配入量[3-4]。通過添加適量的瘦化劑，如無煙煤可降低配合煤的灰分和收縮速度，提升焦炭質(zhì)量[5]。

全國無煙煤累計保有儲量約1 130.79 億t，可采儲量為160 億t，主要分布于山西省和貴州省[6]。無煙煤作為低揮發(fā)分、不黏的高變質(zhì)煤種，不能作為主要煉焦原料僅可作為瘦化劑少量配入[7]。塑性成焦機(jī)理認(rèn)為無煙煤在煉焦過程中無法產(chǎn)生膠質(zhì)體，但通過吸附多余液相可提高煤的熱穩(wěn)定性，添加到配煤中可增加氣孔壁厚度、降低相鄰半焦層間的收縮差和層間應(yīng)力，提高焦炭質(zhì)量[8]。從煤巖學(xué)角度可知，煉焦過程中活性組分起黏結(jié)作用而惰性組分作為骨架存在，通過添加無煙煤可調(diào)節(jié)活惰比，減小膠質(zhì)體固化的收縮梯度從而減少焦炭裂紋[9-10]。表面結(jié)合成焦機(jī)理則認(rèn)為無煙煤等惰性物質(zhì)在煤粒熱解產(chǎn)生的液相中呈接觸黏結(jié)狀，液相固化后保留了惰性粒子的輪廓，高變質(zhì)煤的粉碎粒度決定了焦炭質(zhì)量[11]。綜上所述，目前研究表明無煙煤配煤煉焦存在可行性，但無煙煤粒度對焦炭質(zhì)量的影響機(jī)制暫不明確，無法明確指導(dǎo)無煙煤在配煤煉焦中的應(yīng)用。

鑒于無煙煤的成焦機(jī)理及其應(yīng)用潛力，以下以典型的1/3焦煤和無煙煤為研究對象，配入80%的1/3焦煤并擴(kuò)大無煙煤配入量至20%。分析不同煤種的基礎(chǔ)煤質(zhì)特性、黏結(jié)特性、巖相特征和膠質(zhì)體流變特征[12-14]，通過小焦?fàn)t實驗研究無煙煤粒度對焦炭性質(zhì)、宏觀形貌和粒度分布的影響規(guī)律，進(jìn)一步考察其粉碎粒度的控制范圍以擴(kuò)大煉焦煤的煤種來源，以期提高資源利用效率并實現(xiàn)降本增效。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

分別對單煤和配合煤進(jìn)行煉焦實驗，所用煤種為1/3焦煤和無煙煤。無煙煤被分別粉碎至粒度范圍為<0.5、<1.0、1.0～3.0、3.0～6.0 mm，然后以20%的比例配入進(jìn)行煉焦實驗。

1.2 實驗流程

采用40 kg小焦?fàn)t進(jìn)行5組煉焦配煤實驗,步驟如下:① 煤樣破碎。使用錘式破碎機(jī)破碎煤樣,出料粒徑 ≤ 3 mm;② 煤樣搗固。裝爐水分為(10 ± 0.5)%,堆比重為1.0 ± 0.1;③ 煤樣入爐。裝煤時爐墻溫度在1 200 ℃恒定30 min以上,以0.25 ℃/min的升溫速度加熱至1 300 ℃后,在(1 300 ± 5)℃恒溫4 h,直至出焦,煉焦時間為24 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗煤質(zhì)分析

采用1/3焦煤配入無煙煤進(jìn)行煉焦實驗，其中實驗1使用100%的1/3焦煤，實驗2～5均配入20%的無煙煤，粒度依次為< 0.5、< 1.0、1.0～3.0、3.0～6.0 mm，配合煤的煤質(zhì)分析見表1。

表1 實驗配煤的煤質(zhì)特性分析

由表1可知，1/3焦煤的堆比重為1.01，全水分(Mt)、灰分(Ad)、揮發(fā)分(Vdaf)、全硫(St,d)分別為10.2%、10.61%、34.27%、0.58%,且黏結(jié)指數(shù)(G)為94，膠質(zhì)層最大厚度(Y)為19 mm，由此表明1/3焦煤具有良好的黏結(jié)性。

吉氏流動度可反映煤在干餾時形成膠質(zhì)體的流動性，測定發(fā)現(xiàn)1/3焦煤的初始軟化溫度為394 ℃，最大流動溫度為444 ℃，塑形區(qū)間較寬為91 ℃，最大流動度可達(dá)11 000 dd/min，與肥煤近似，表明1/3焦煤具有良好的塑性和流動性，可以黏結(jié)更多的惰性組分進(jìn)而提升焦炭質(zhì)量。

對比1/3焦煤單煤煉焦，加入無煙煤后，原料煤的堆比重和配合煤的全水均保持穩(wěn)定。配合煤灰分均低于單煤,配入3.0～6.0 mm無煙煤時,其灰分最高為10.46%;配煤后揮發(fā)分顯著降低,但隨著無煙煤粒度增加而略微提升;配合煤中硫含量變化趨勢與揮發(fā)分相似,其隨無煙煤粒度遞增變化較小。

煤種判別可通過圖像法測定煤中鏡質(zhì)組的反射率實現(xiàn)，對實驗煤種進(jìn)行巖相分析并重復(fù)試驗對比，鏡質(zhì)組反射率分布如圖1所示。

圖1 1/3焦煤和無煙煤的煤巖反射率分布

鏡質(zhì)組的最大反射率與煤階成正比,從煙煤到無煙煤依次增加[15-16]。圖1(a)中2次測定鏡質(zhì)組的最大反射率為1.028%和1.038%,隨機(jī)反射率分布區(qū)間為0.80%～1.15%,是典型的1/3焦煤。圖1(b)中2次測定鏡質(zhì)組的最大反射率為3.108%和3.087%,隨機(jī)反射率分布區(qū)間為2.425%～2.975%,區(qū)間范圍較大,屬于典型的無煙煤。

煤中鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組的含量與惰質(zhì)組和礦物質(zhì)含量的比值為活惰比，可用于指導(dǎo)煉焦配煤，是表征煤種煉焦性能的指標(biāo)之一。通過巖相分析發(fā)現(xiàn)，1/3焦煤的活惰比分別為1.63和1.50，實驗無煙煤的活惰比為1.08和1.00。由于1/3焦煤的變質(zhì)程度較低，其中活性物質(zhì)含量較高，在配煤煉焦時可加入無煙煤等含有較多惰性物質(zhì)的煤種改善焦炭的骨架結(jié)構(gòu)，增加其強(qiáng)度[17]。

2.2 煉焦實驗

2.2.1煉焦實驗

將試驗煤樣破碎至小于3.0 mm粒度，送入小焦?fàn)t加熱煉焦。經(jīng)過5組實驗，對產(chǎn)品焦炭進(jìn)行工業(yè)分析見表2。

表2 焦炭的工業(yè)分析與硫含量

固定碳是焦炭的主要組成部分,其含量直接影響焦炭的燃燒性能和熱值。單煤煉焦后固定碳(FCd)為84.54%,配入無煙煤后固定碳略有增加,當(dāng)加入< 0.5 mm 粒度無煙煤,固定碳最高為86.04%?；曳质敲喝紵蟮臍堅?煉焦后絕大部分轉(zhuǎn)入焦炭中,故焦炭中灰分與配合煤中灰分變化趨勢一致,均小于單煤煉焦?；曳质墙固恐械挠泻﹄s質(zhì),其含量越高,焦炭的固定碳越低,發(fā)熱量也就越低。根據(jù)GB/T 1996—2017冶金焦炭標(biāo)準(zhǔn),實驗2、3中焦炭的灰分均達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)(Ad<13.50%)。焦炭揮發(fā)分范圍為1.09%～1.45%,全硫含量較穩(wěn)定為0.44%,滿足一級冶金焦炭標(biāo)準(zhǔn)(St,d/%<0.70)。

出爐焦炭形貌如圖2所示，總體呈銀白色。

圖2 焦炭形貌

圖2(a)～(c)中實驗1～3的焦炭外觀棱角分明、形狀規(guī)則,焦炭面較平整且氣孔均勻緊密。鐵箱正立方向縱裂紋多于橫裂紋,落下時焦炭與地面接觸聲音洪亮,焦塊手感較沉,手持焦炭和地面及鐵箱棱撞擊時震手感明顯,不易碎。出箱后焦炭大塊逐漸減少,焦炭形狀從方形過渡到長方形或條形。

圖2(d)、(e)中實驗4、5的焦炭形貌明顯區(qū)別于前列實驗,棱角逐漸鈍化。實驗4中焦炭面較平整但略顯粗糙,無煙煤顆粒明顯,鐵箱正立方向橫縱裂紋相當(dāng),碰撞時易碎且小焦塊數(shù)量明顯增多。實驗5中,出爐焦炭聲音渾濁,部分焦炭手掰即碎,氣孔緊密但不均勻,其焦炭面粗糙且無煙煤顆粒明顯,小焦塊占比大以致無法進(jìn)行強(qiáng)度實驗。

2.2.2焦炭強(qiáng)度

小焦?fàn)t實驗后對焦炭強(qiáng)度進(jìn)行測定，結(jié)果見表3及如圖3所示。

圖3 焦炭的熱強(qiáng)度和冷強(qiáng)度

表3 小焦?fàn)t實驗后的焦炭強(qiáng)度

焦炭反應(yīng)性(CRI)是指焦炭在使用過程中對所接觸氣體的化學(xué)反應(yīng)能力，其中焦炭與CO2反應(yīng)是高爐中的最主要反應(yīng)，因此該指標(biāo)一般指焦炭在高溫下(1 100 ℃)與CO2反應(yīng)的能力大小。對焦炭進(jìn)行反應(yīng)性測試，測值隨焦炭粒度增加呈上升趨勢，變化范圍為23.7%～30.8%，基本達(dá)到一級冶金焦炭標(biāo)準(zhǔn)(CRI ≤ 30.0%)。實驗1/3焦煤含有約2.11%的Na2O和0.52%的K2O，其能促進(jìn)焦炭中的碳元素發(fā)生碳素溶損反應(yīng)，導(dǎo)致CRI增加，配入粒度< 0.5 mm的無煙煤后，原料煤中堿金屬含量降低，故CRI略有下降，低CRI有利于增加間接還原時間而降低焦比。當(dāng)粒度增加后，焦炭碳素溶損率增加，因無煙煤粒度增加導(dǎo)致焦炭裂紋增大，表面積增加則擴(kuò)大與CO2的接觸面，增強(qiáng)其吸附能力及提高反應(yīng)速率，故焦炭CRI不斷提升[18]。焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度(CSR)則是指焦炭在上述溫度與CO2反應(yīng)一定時間后，用特制的I型小轉(zhuǎn)鼓測得的“剩余”強(qiáng)度。焦炭與CO2反應(yīng)后，氣孔因此發(fā)生變化，但仍需保持一定強(qiáng)度方可繼續(xù)使用，高CSR有利于在高溫條件下保持焦炭的強(qiáng)度和塊度，保障高爐透氣性，一級冶金焦炭標(biāo)準(zhǔn)中CSR ≥ 60.0%。對焦炭進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，CSR呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，單煤煉焦后可達(dá)到64.0%，實驗2中達(dá)到最大值為70.1%，然后不斷降低至54.4%。綜上，無煙煤粒度顯著影響焦炭的熱強(qiáng)度，在0.5 mm以下對焦炭質(zhì)量有提升作用，反之則降低。

焦炭在冶煉高爐中起到料柱骨架的作用，通過轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度表征焦炭質(zhì)量，常分為抗碎強(qiáng)度(M40、M25)和耐磨強(qiáng)度(M10)2個指標(biāo)來表示。焦炭的抗碎強(qiáng)度是指焦炭能抵抗外來沖擊力而不沿結(jié)構(gòu)的裂紋或缺陷處破碎的能力，用M40/M25值表示。焦炭的耐磨強(qiáng)度是指焦炭能抵抗外來摩擦力而不形成碎屑或粉末的能力，用M10值表示。從圖3(b)中可得，抗碎強(qiáng)度M40和M25變化趨勢相同，其中M40變化幅度較大為72.4%～88.4%，在無煙煤粒度<0.5 mm時取得最大值為88.4%，表明配入后焦炭抗碎強(qiáng)度得到明顯提高；同時發(fā)現(xiàn)耐磨強(qiáng)度M10測值先降低后升高，出現(xiàn)極小值為4.8%，表明耐磨強(qiáng)度隨無煙煤粒度提升而降低，但在<1.0 mm范圍內(nèi)均表現(xiàn)出促進(jìn)作用。實驗5由于出爐焦炭塊度小且易碎，無法進(jìn)行強(qiáng)度實驗。相關(guān)研究表明，無煙煤等惰性物質(zhì)的粉碎顆粒較大時，容易在成焦過程中成為裂紋中心，而在合適粒度下可起到晶核作用促進(jìn)焦炭微晶的生長，降低了微孔數(shù)量和孔半徑從而提高焦炭質(zhì)量[7，11]。綜上，配入粒度小于0.5 mm的無煙煤能提高焦炭的熱強(qiáng)度(CRI/CSR)，當(dāng)粒度擴(kuò)展到小于1.0 mm后，焦炭的熱強(qiáng)度不斷降低，均小于使用1/3焦煤單煤煉焦時。當(dāng)無煙煤配入粒度小于1.0 mm時，焦炭的冷強(qiáng)度(M40/M25/M10)均高于單煤煉焦，繼續(xù)提高無煙煤的粒度則焦炭冷強(qiáng)度顯著下降。

2.2.3焦炭粒度分布

焦炭粒度是影響焦炭質(zhì)量的主要原因之一,對出爐焦炭進(jìn)行篩分并統(tǒng)計,各粒度區(qū)段占比見表4。

表4 焦炭篩分粒度分布

當(dāng)1/3焦煤單獨煉焦后，粒度小于 25 mm的焦末含量為3.77%，粒度大于 80 mm的大焦塊含量為14.94%，其粒度主要分布于40～60、60～80 mm區(qū)段內(nèi)，占比分別為36.48%、38.52%。配入無煙煤粒度小于0.5 mm時，大焦塊消失，焦末含量也降低，焦炭粒度減小并主要分布于40～60 mm區(qū)段,其占比為56.82%,而在60～80 mm區(qū)段內(nèi)占比為26.72%。擴(kuò)大無煙煤粒度至<1.0 mm時,生產(chǎn)的焦炭中大焦塊占比低于實驗1,其值為6.14%;并在40～60 mm和60～80 mm區(qū)段內(nèi)均勻分布,大焦塊占比分別為41.71%、41.29%,焦末含量進(jìn)一步降低至2.29%。繼續(xù)增加粒度范圍至1.0～3.0 mm時,實驗4中焦炭篩分粒度分布與實驗1相似,大焦塊含量降低至10.17%,小焦塊和焦末占比增加,分別為11.44%和5.07%,超出冶金焦炭中焦末含量標(biāo)準(zhǔn)(≤5.0%)。配入3.0～6.0 mm的無煙煤共煉焦后，大焦塊消失且隨著粒度區(qū)間減小其相應(yīng)占比逐漸升高，在25～40 mm區(qū)段的占比為31.2%，小于25 mm焦末含量最高為46.7%。

為了改善高爐透氣性，保證氣流合理分布和高爐順行，一般要求焦炭粒度均勻[19]，對不同區(qū)段粒度分布的總結(jié)如圖4所示。

圖4 焦炭篩分區(qū)段粒度分布

配入無煙煤粒度小于3 mm時，焦炭在25～80 mm區(qū)段內(nèi)占比提升，在實驗2～5中依次為97.16%、91.57%和84.76%，均高于實驗1中的81.29%。分析40～80 mm區(qū)段內(nèi)焦炭比例發(fā)現(xiàn)，實驗2、3中占比分別為83.52%和83.00%，高于實驗1的75.00%。計算焦炭的平均粒度，實驗2為52.0 mm，明顯低于實驗1中的61.2 mm，而實驗3、4的平均粒度相似，分別為58.4 mm和57.4 mm，實驗5中則大幅降低至27.5 mm。通常大型高爐焦炭平均粒度為50～60 mm，故無煙煤配入粒度在3.0 mm以下均可滿足高爐運行對粒度的要求，其中0.5 mm以下效果顯著[20]。

通過配入不同粒度無煙煤與1/3焦煤進(jìn)行共煉焦實驗，焦炭質(zhì)量保持穩(wěn)定，灰分和揮發(fā)分進(jìn)一步降低。當(dāng)無煙煤粒度小于0.5 mm時,焦炭的冷熱強(qiáng)度均有所提高,平均粒度明顯減小且分布更集中。

3 結(jié) 論

通過5組40 kg小焦?fàn)t實驗以分析配入不同粒度無煙煤對1/3焦煤煉焦時焦炭質(zhì)量的影響，結(jié)論如下：

(1) 配入無煙煤后，焦炭中的灰分降低、固定碳含量升高，焦炭發(fā)熱量得以提高。

(2) 使用無煙煤進(jìn)行配煤煉焦后，焦炭塊度隨無煙煤粒度減小而增大，表面平整且氣孔均勻緊密；無煙煤粒度大于3 mm時，生產(chǎn)的焦炭易碎且表面粗糙，無煙煤顆粒明顯可見。

(3) 焦炭強(qiáng)度隨無煙煤粒度增加而降低，在小于0.5 mm范圍時焦炭CSR最高為70.1%，M40最高為88.4%。

(4) 無煙煤配入粒度小于3.0 mm時均可滿足高爐運行要求。當(dāng)配入粒度小于0.5 mm時，焦炭平均粒度為52.0 mm，集中分布于40～60 mm，該區(qū)段粒度占比為56.82%，滿足一般大型高爐冶煉要求。