煤的镜质组反射率及其分布图在配煤炼焦中的应用

2019-07-23供稿隋月斯王刚刘波SUIYuesiWANGGangLIUBo

金属世界 2019年4期

供稿|隋月斯，王刚，刘波 / SUI Yue-si, WANG Gang, LIU Bo

内容导读

利用煤岩原理及技术指导配煤炼焦越来越受到焦化企业的关注和认可。相较于传统煤质分析方法，在对入厂单种煤来煤混配情况判别上，煤的镜质组反射率及其分布图分析方法具有更加直观、高效、快速等优点，可以更好的监控和管理来煤质量。通过镜质组反射率分布图方法还可以针对焦炭质量下降的配煤方案进行优化、调整配比，配煤方案的反射率分布图凹口越少、越接近正态分布，焦炭质量可以得到提高，优化后的方案2#比方案1#的CSR提高5.35%。在保证焦炭质量的前提下，各煤种的反射率分布图重叠良好，适当降低分布图中心高度，可以多配入瘦煤和三分之一焦煤，降低焦、肥煤比例，从而降低配煤炼焦成本。

为了满足高炉大型化及强化冶炼对焦炭质量越来越高的要求，很多焦化厂需要配入更多的优质炼焦煤，而优质炼焦煤属于稀缺资源，成本居高不下。为了缓解炼焦成本与优质炼焦煤供应日趋紧张的矛盾，焦化厂一方面需要不断优化、升级炼焦工艺，另一方面则需深入研究炼焦煤特性，使优质炼焦煤利用效率最大化。由于煤的多样性及成因复杂性，造成了煤在使用过程中表现出的性质千差万别，煤岩分析方法针对煤的微观结构和组成，可以非常有效地控制来煤质量和分析、指导配煤炼焦。焦炭质量与其显微结构息息相关，决定焦炭显微结构的主要是煤的内在因素、变质程度和煤岩组成，还有加工条件[1]。煤的镜质组反射率和显微组成是决定煤性质的内因，而焦化生产中评价煤质的主要指标仅为煤性质的外在表征[2]。煤的镜质组反射率，其测定结果中平均最大反射率Rmax是目前国际上公认标志煤的变质程度最佳的一个指标[3]。平均最大反射率Rmax越大，对应煤变质程度越高。煤的镜质组反射率分布图可以通过反射率在不同区间的频度分布来更全面、直观地表征炼焦煤结焦性质，配合煤中不同单种煤的镜质组反射率分布范围重叠程度越合理，分布图表现越平滑、越趋近于正态分布，煤种间在高温反应时适配性就越好，配煤效果以及焦炭质量越好[4-6]。

实验方法

实验原料

实验煤样分为单种煤和配合煤，均采自焦化厂实际生产用煤。

煤的镜质组反射率及其分布图测定

采用GB/T 6948—2008煤的镜质体反射率显微镜测定方法测定，设备为德国蔡司全自动煤岩检测仪。煤的鉴定采用GB/T 15591—2013商品煤混煤类型的判别方法。

焦炭热强度测定

采用40 kg小焦炉实验，焦饼中心温度1020℃，装煤炉墙温度800℃，出焦炉墙温度1050℃，结焦时间20 h。焦炭热强度采用GB/T 4000—2008焦炭反应性及反应后强度试验方法测定。

实验结果及分析

来煤质量控制

来煤质量，即单种煤的质量是配煤炼焦的基础，配煤方案的有效实施是建立在单种煤性质确定的前提下，一旦单种煤煤质失真，则起不到在配煤炼焦中所应该起的作用，造成配煤方案偏离。有的洗煤厂或供煤企业在供应单种煤时为了追求利润，将多种低廉煤混配后作为单种煤出售，在对这种来煤进行传统工艺指标检测时，检测结果变化不大不易发现混配问题。或者同一开采矿区，开采到不同变质程度煤层时不加以区分混合导致煤质波动情况出现。因此，焦化厂必须建立来煤质量管控机制以保证配煤方案的行之有效和焦炭质量稳定。

对于同一煤种不同煤组，有的来煤是国矿或进口，其煤质比较稳定。有的来煤是地矿，需要关注其反射率的波动及分布图是否出现凹口情况。在实际生产监控过程中，有的焦煤，比如进口焦煤的Rmax数值稳定、方差小，对应分布图变化很小，判定为单一煤层煤，其性质稳定，见图1(每个月取1个试样，图1为3个月试样的分布图)和表1(煤镜质组反射率测定表)。然而，有的焦煤煤质出现波动时，用传统的工艺指标检测时不易察觉，通过分析其镜质组分布图则能明显看出，见图2(每个月取1个试样，图示为3个月试样的分布图)、表1、表2(焦一焦煤3个试样对应工艺指标表)和表3(焦一焦煤3个试样对应反射率区间统计表)。其中反射率分布图横坐标为反射率R，纵坐标为出现频度 f。

图1 进口焦煤镜质组反射率分布图

表1 煤镜质组反射率测定表

图2 焦一组焦煤镜质组反射率分布图

由表1、图2和表3可以看出，在对焦煤一组煤的检测过程中，传统煤质工艺指标变化不明显。对应Rmax的波动不大，但是从镜质组反射率分布图可以看出有明显变化。焦一煤是按单种煤配煤，通过镜质组反射率测定后，焦一1#与焦一2#试样判定为带1个凹口的混煤，其中焦一1#与焦一2#凹口均出现在1.4～1.5区间，主峰值在1.2～1.4间，次峰值出现在1.5～1.6间，方差分别为0.145和0.144，这有可能是由变质程度相近的煤混配而成，1.4～1.5区间属于主焦煤区间，煤在此区间分布比例有所减少，容易对焦炭质量产生不良影响。焦一1#煤样含有部分高变质程度煤(反射率在1.7～1.9间)。使用焦一1#或焦一2#煤在配煤过程中会造成主焦煤区间分布减少、高变质程度区域有所增加的影响，如果其他煤种在此凹口区域没有互补则可以造成配合煤镜质组反射率分布图出现凹口情况，进而影响焦炭质量，这需要引起足够关注，并结合配合煤的反射率分布图加以监督和管控。焦一3#试样则恢复正常，方差与类型判别均与煤种煤组归类条件符合。采用煤的镜质组反射率及其分布图分析方法具有传统煤质分析方法无法比拟的优势，能够高效、快速的分辨来煤混配情况。

配煤方案分析及完善

针对实际产生中焦炭质量出现波动的状况，可以通过煤岩方法对配煤方案进行分析，结合40 kg小焦炉实验重新完善方案配比，提高并稳定焦炭质量。方案1#是对应焦炭质量出现下降时的配煤比例，方案2#是利用煤岩原理进行优化的配煤比例，对应的镜质组反射率及分布图见图3、图4，镜质组反射率测定指标见表4，不同方案的反射率区间统计见表5。

由煤岩原理可知，煤在高温缩聚结焦过程中，不同单种煤的胶质体温度区间不同，经过混合配煤后的镜质组反射率分布图的凹口越少，图形叠加越平滑；分布直方图越接近正态分布，则胶质体温度区间连续、重合状况越好。加大煤颗粒之间的接触时间，反应界面生成更加良好，最终焦炭质量越高。从图3可以看出原配煤方案1#出现较大凹口，破坏了分布图连续性，有两个主峰，峰值分别在0.9～1.2和1.5～1.7区间，凹口在1.2～1.5区间，凹口位置正好是主焦煤区域，会降低配煤结焦性。在炼焦过程中出现凹口胶质体温度区间不连续、煤粒成焦界面结合不好，容易产生较大裂纹，这些都是造成焦炭质量下降主要原因。方案2#是通过严格监测入厂单种煤混配程度，确保单种煤质量，同时提高主焦煤区域煤种比例，适当降低高变质程度煤种比例，使分布图接近正态分布，对应的的分布图见图4，40 kg实验焦炉实验测定结果见表6。方案2#对比方案1#，焦炭的冷、热强度均有明显提升，M40提高2.31%，焦炭反应后强度CSR提高5.35%。

表2 焦一组焦煤对应工艺指标

表3 反射率区间统计表

图3 1#配合煤镜质组反射率分布图

图4 2#配合煤镜质组反射率分布图

表4 镜质组反射率测定表

降低配煤成本方案研究

方案2#焦炭质量虽然得到有效提高，但是需要多配入主焦煤，主焦煤属于稀缺煤种，与肥煤价格都较高，这就会增加配煤成本。为此，在保证焦炭质量的前提下，按照镜质组反射率分布图各煤种叠加充分、不出现较大凹口、尽量呈正态分布的原则，拟调整配煤比例，适当提高价格偏低的三分之一焦煤和瘦煤的配入比例，并进行40 kg实验焦炉试验。各方案对应分布图见图5～图8，不同方案的反射率区间统计见表5，焦炭质量检测结果见表6，配合煤工艺指标见表7。

表5 五个方案的反射率区间统计表

表6 焦炭冷、热强度对比表

图5 3#配合煤镜质组反射率分布图

图6 4#配合煤镜质组反射率分布图

图7 5#配合煤镜质组反射率分布图

图8 6#配合煤镜质组反射率分布图

方案3#是在方案2#的基础上保持肥煤比例不变，降低主焦煤(1.2～1.5区间)配入量，适当配入瘦焦煤(1.5～1.7区间)，并增加三分之一焦煤(0.8～1.2区间)，图形接近正态分布，Rmax为1.316，比方案2#增加0.039，从煤质分析上可以看到方案3#的G值变化不大，Y值有所减少，表明随着三分之一焦煤和瘦焦煤比例提高，胶质体含量有所下降，焦炭热强度CSR对比方案2#有所增加。

方案4#是在方案2#的基础上保持焦煤比例不变，降低肥煤比例，提高了瘦煤(1.7～2.0区间)和三分之一焦煤比例，图形接近正态分布，Rmax为1.426，比方案2#增加0.149，总体平均变质程度有所增加，G值升高，Y值有所减少，CSR在五组配比中最好，比方案2#提高了3.87%。

方案5#、方案6#都是在方案3#、方案4#的基础上，进一步提高瘦煤、三分之一焦煤比例，降低焦、肥煤比例，并且保证分布图各煤种重叠良好，不出现较大凹口，方案6#的焦煤煤组煤比方案5#焦煤偏瘦。由于降低了中变质程度的主焦煤配入比例，镜质组反射率分布图中心高度也随之降低，方案5#、方案6#的Rmax分别为1.415、1.404，均高于方案2#的Rmax，总体平均变质程度有所增加。对比方案2#，方案5#、方案6#的G值有所降低，Y值减少，CSR分别为57.02%和56.44%，虽然没有方案4#高，但均比方案2#高，这说明进一步提高瘦煤和三分之一焦煤比例的方案5#和方案6#，充分利用了焦煤、肥煤的优质结焦性和黏结性，在结焦过程中煤种间适配性良好，反应完全，界面结合情况较好，仍然可以得到较好的焦炭质量。因此，借助镜质组反射率分布图优化配煤方法、参照工艺指标，可以在保证焦炭质量的前提下达到降低焦肥煤比例的目的。