淮南矿业1/3 焦煤在焦化企业配煤炼焦的应用实践

张世东，陆启均，刘国斌，马 岩，徐秀丽，孟庆波

（1.中钢集团鞍山热能研究院有限公司，辽宁 鞍山 114044；2.淮南矿业（集团）有限责任公司，安徽 淮南 232001）

引 言

淮南矿区位于安徽省中北部，是我国重要的炼焦煤产区。淮南煤田成煤于石炭二叠纪，可开采煤层组为二叠系山西组、下石盒子组和上石盒子组（下段）含煤岩系，其中A、B、C 组为主要开采煤组，可采煤层为13～19 层[1]。矿区资源丰富，煤质好，以气煤和1/3 焦煤为主，所产1/3 焦煤硫分低、黏结性能好，是优质的配煤炼焦原料[2-3]。

1/3 焦煤是介于焦煤、肥煤和气煤三类煤之间的过渡煤种，是一种中等或较高挥发分的较强黏结性能的煤种。不同地区、不同矿点的1/3 焦煤的煤质特性及炼焦性质差异很大。有些1/3 焦煤的变质程度偏高，结焦性较好，其煤质特性接近焦煤。有些1/3 焦煤的胶质体流动性能较强，煤质特性接近肥煤。有些1/3 焦煤变质程度偏低，黏结性能偏低，煤质特性接近气煤。张伟林[4]研究表明，利用宁夏地区的强黏结性1/3 焦煤替代部分宁夏地区主焦煤进行炼焦生产是可行的，生产的焦炭可满足2 500 m3高炉冶炼需求。项茹等[5]研究表明，贵州1/3 焦煤流动度较高、膨胀度高，在配煤炼焦中按照肥煤使用，可充分发挥其流变膨胀特性，从而稳定焦炭质量。宋子逵等[6]研究表明，山东地区部分矿点的1/3 焦煤挥发分偏高、变质程度偏低、显微结构中同性组分含量较高，性质接近于气煤。马岩等[7]对我国安徽、山东、黑龙江、内蒙古、河北、山西等省份的1/3 焦煤进行了对比分析，表明不同地区1/3 焦煤性质差异较大；淮南矿业1/3 焦煤具有低灰、低硫、结焦性好的特点，可合理利用来改善配煤结构。因此，在配煤炼焦时，应根据不同地区、不同矿点的1/3 焦煤特性来区分使用。本文重点分析了安徽淮南矿业典型1/3 焦煤特性及其在顶装焦炉和捣固焦炉企业的生产应用实践。

1 淮南矿业1/3 焦煤特性分析与评价

1.1淮南矿业精煤资源储量

淮河能源控股集团为树立商品煤品牌、稳定产品质量、推进产品升级，将淮南矿业炼焦煤注册了“淮河一号”“淮河二号”“淮河三号”三个精煤品牌商标，实现高效开发利用淮南矿业煤资源，精煤年产量平均约680 万t。各系列精煤产品资源储量及可采年限见表1。

表1 淮南矿业系列精煤产品资源储量及可采年限

1.2淮南矿业精煤煤质及炼焦特性

3 种精煤产品的工业分析、全硫及黏结性能的测定均按照相关国家标准进行，煤质质量指标分析检测结果见表2。将3 种精煤产品按照《炼焦试验用小焦炉技术规范》[8]分别开展单种煤40 kg 侧开式试验焦炉炼焦试验，试验条件为：入炉煤干基质量43 kg，粉碎细度（82±2）%，干基堆密度750 kg/m3，结焦时间15.5 h，焦饼中心温度930 ℃～950 ℃。采用湿熄焦，用1/4 米库姆转鼓测定焦炭机械强度，焦炭反应性和反应后强度按照相关国家标准进行检测，单种煤炼焦所得焦炭质量结果见表3。

表2 3 种精煤产品煤质质量指标

表3 40 kg 试验焦炉所得焦炭质量 %

1.3淮南矿业精煤评价

1.3.1 淮河一号的分析与评价

淮河一号灰分为9.21%，挥发分为35.51%，硫分为0.33%，黏结指数G 值为92，胶质层最大厚度Y 值为23.0 mm。根据GB/T 5751—2009《中国煤炭分类》，淮河一号Y 值未达到肥煤大于25.0 mm 的要求，因此将其划分为1/3 焦煤。但其胶质层体积曲线（见图1）呈现出“之山混合型”，前期呈现小幅度的“山”型，随后呈现出反复膨胀和收缩的“之”型，胶质体性质具有一定的肥煤特性。

图1 淮河一号的胶质层体积曲线

由表2、表3 可知，淮河一号的基氏最大流动度αmax可达到31 253 ddpm，奥阿膨胀度b 值为108%，流动度和膨胀度较高，软固化温度区间宽。与文献[4-7]中的1/3 焦煤对比，其黏结性能、流变性和膨胀性质量指标均优于山西、山东、河南、四川、宁夏等地的1/3 焦煤，其性质接近肥煤特性。单种煤炼焦所得焦炭具有较好的机械强度和热态性能，CSR 达到60.0%。因此，淮河一号为中灰、低硫、强黏结性、具有较好炼焦特性的优质1/3 焦煤，兼具肥煤的特征。

1.3.2 淮河二号的分析与评价

淮河二号灰分为9.36%，挥发分为37.82%，硫分0.38%，G 值为86，Y 值为17.0 mm。根据GB/T 5751—2009，淮河二号挥发分大于37.0%，将其划分为气煤。但其胶质层体积曲线（见图2）呈现出“之字型”，这种胶质体性质不同于气煤，通常气煤的胶质层曲线呈现出“微波型”或“平滑下降型”。

图2 淮河二号的胶质层体积曲线

由表2、表3 可知，淮河二号的αmax为8 196 ddpm，b 值为55%，胶质体流动性较好。单种煤炼焦所得焦炭具有较好的机械强度，M40达到83.8%，热性质适中，CSR 为45.9%。淮河二号的质量指标优于一般气煤，可达到1/3 焦煤的质量水平。因此，淮河二号为中灰、低硫、强黏结性的气煤，其胶质体特性、流动性和炼焦性能较好，具有1/3 焦煤的特征，可作为1/3 焦煤使用。

1.3.3 淮河三号的分析与评价

淮河三号灰分为6.20%，挥发分为36.77%，硫分为0.38%，G 值为82，Y 值为16.0 mm。根据GB/T 5751—2009，淮河三号划分为1/3 焦煤。淮河三号胶质体性质与淮河二号相似，其胶质层体积曲线（见图3）呈现出“之字型”。

图3 淮河三号的胶质层体积曲线

由表2、表3 可知，淮河三号的αmax为2 904 ddpm，b 值为19%，胶质体流动性适中。单种煤炼焦所得焦炭M40为75.5%，CSR 为43.9%，其炼焦特性略低于淮河二号。淮河三号各项质量指标中最大的优点是灰分低，这种低灰特性在国内1/3 焦煤中较为少见，文献[4-7]中不同地区的1/3 焦煤灰分普遍在7.0%～11.0%。因此，淮河三号为低灰、低硫、强黏结性的1/3 焦煤，在使用过程中可起到降低配合煤灰分的作用。

2 淮南矿业1/3 焦煤在焦化企业的应用实践

随着我国优质焦煤、肥煤等资源的供应紧缺程度加剧，1/3 焦煤的需求量逐渐增大。淮南矿业典型的3种1/3 焦煤各具特点，已经在安徽、江西、江苏、湖北、浙江等省份的焦化企业使用，在不同的配煤结构下，可实现合理配用。

2.1淮河一号在捣固焦炉替代肥煤的应用实践

在某焦化企业4.3 m 捣固焦炉的生产实践中，肥煤资源的供应量紧缺、运输距离较远且价格较高。为了保证煤场库存肥煤的均衡使用，需开发肥煤的可替代性煤源，以保证焦炭质量的稳定。经研究比对，决定利用地域性优势，选择运输距离较近的淮南矿业1/3焦煤以替代部分肥煤使用。肥煤和淮河一号1/3 焦煤的单种煤质量指标见表4，单种煤40 kg 试验焦炉炼焦后的焦炭光学组织和热态性质见表5。

表4 单种煤质量指标

表5 单种煤炼焦所得焦炭的光学组织和热态性质 %

由表4 可知，淮河一号1/3 焦煤灰分与肥煤接近；挥发分为34.45%，比肥煤高4.21 个百分点；硫分为0.36%，低于肥煤；Y 值为22.0 mm，略低于肥煤；αmax高于肥煤。淮河一号1/3 焦煤的黏结性能与肥煤指标较为接近，胶质体数量较多，且流动性较好，在一定程度上具有可替代肥煤的特点。由表5 可以看出，单种煤炼焦所得焦炭光学组织中，淮河一号1/3 焦煤与肥煤均以中粒镶嵌结构为主。对于中等变质程度的炼焦煤，所炼焦炭光学组织结构呈细粒镶嵌结构向粗粒镶嵌结构转变，提高焦炭中粒镶嵌、粗粒镶嵌、不完全纤维状、完全纤维状与基础各向异性组织结构含量可提高焦炭质量[9]。两者在焦炭光学结构和热态性质上也具有一定的相似性和替代性。

利用淮河一号1/3 焦煤开展替代肥煤的炼焦生产实践，分别以3%和7%的比例进行替代，配煤方案见表6。配合煤质量指标及焦炭质量指标见表7。

表6 配煤方案（质量分数） %

表7 配合煤质量指标及焦炭质量指标

由表7 可知，替代一方案和替代二方案分别用质量分数3%和7%的淮河一号1/3 焦煤替代肥煤，配合煤和焦炭的灰分、硫分均比基础方案有所下降，主要原因为1/3 焦煤比肥煤灰分、硫分低。替代一方案的焦炭质量M40达到85.6%、CSR 达到67.1%，均略高于基础方案的焦炭质量，主要原因是淮河一号1/3 焦煤所得焦炭的光学组织以中粒镶嵌结构为主，镶嵌结构对焦炭的溶损反应可起到抑制作用，对焦炭反应后强度具有一定的贡献。替代二方案淮河一号1/3 焦煤质量分数为7%，配合煤的挥发分有所提高，G 值和Y 值略有下降。挥发分偏高使得焦炭产生的裂纹增多，而黏结性有所下降使得焦炭的抗碎强度和反应后强度出现略微下降，但仍可达到企业的目标焦炭质量要求。

因此，淮河一号1/3 焦煤作为优质1/3 焦煤资源，在配煤炼焦生产中可以部分替代肥煤使用，替代质量分数为3%～7%，具有降灰和降硫的作用，可稳定焦炭质量，节约优质的肥煤资源。

2.2淮河二号在捣固焦炉中作为1/3 焦煤的应用实践

捣固炼焦是一种以提高入炉煤饼堆密度的方式进行高温干馏的炼焦技术，通过这种方式可配入较多的高挥发分煤或弱黏结性煤。在某焦化企业4.3 m 捣固焦炉的生产实践中，使用了淮南矿业淮河二号和山东气煤。单种煤质量指标见表8，单种煤40 kg 试验焦炉炼焦后的焦炭光学组织和热态性质见表9。

由表8 可知，淮河二号和山东气煤的挥发分＞37.0%，G 值＞65，Y 值≤25.0 mm，两者均划分为气煤，但两种煤的黏结性能指标和单种煤炼焦所得焦炭质量有较大的差异。淮河二号的G 值、Y 值和αmax均高于山东气煤，表明淮河二号的胶质体数量较多且流动性较好，黏结性能优于山东气煤。由表9 可知，淮河二号炼焦所得焦炭的光学组织以中粒镶嵌结构为主，含有少量的丝质及破片，表明其变质程度偏高，惰性成分含量低，焦炭CSR 达到45.9%。山东气煤焦炭光学组织以各向同性和丝质及破片结构为主，表明其变质程度偏低，惰性成分含量高，焦炭CSR 偏低，为28.8%。两种煤从分类上均为气煤，但性质差异较大，在生产应用中将淮河二号作为1/3 焦煤使用，将山东气煤作为气煤使用。

在4.3 m 捣固焦炉生产实践中，配煤方案、配合煤质量指标及焦炭质量指标见表6、表7 中的基础方案。在基础方案的配煤结构中，配入大量高挥发分的淮河二号（1/3 焦煤）和山东气煤（气煤），两者总质量分数为39%；其中，淮河二号配入质量分数达到25%，配入质量分数14%的山东气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可达到85.3%，CSR 可达到66.7%。可以看出，淮河二号挥发分偏高、黏结性能较好，对焦炭热态强度的贡献较好，在配合煤中可以起到补充黏结性和流动性的作用，有利于稳定焦炭质量，在捣固焦炉中可作为主力1/3 焦煤大比例配用。

2.3淮河三号生产高品质低灰低硫焦炭的应用实践

高品质焦炭不仅应具有较高的机械强度和较好的反应后强度，还需具备低灰、低硫特性。高炉炼铁过程中，焦炭灰分增加，使造渣所需的熔剂增加，焦比升高；焦炭中硫分每增加0.1%，焦比升高约1.2%～2.0%，产量降低2%以上，因此要求焦炭灰分和硫分越低越好[10]。在炼焦过程中，煤中的灰分几乎全部转入到焦炭中，大部分硫也转入到焦炭中，因此选择低灰、低硫的配煤炼焦煤种对于生产高品质低灰低硫焦炭至关重要。

在某焦化企业6 m 顶装焦炉的生产实践中，使用淮河三号1/3 焦煤来降低配合煤灰分和硫分，生产低灰低硫焦炭。配煤方案见表10，配合煤质量指标及焦炭质量指标见表11。

表10 配煤方案（质量分数） %

表11 配合煤质量指标及焦炭质量指标

由表10 可以看出，在日常焦的方案中，配煤结构中以1/3 焦煤为主，且淮河一号质量分数为30%，可作为主力1/3 焦煤使用。在生产低灰焦的方案中，配煤结构中大量使用了具有低灰、低硫特点的淮河三号，质量分数为26%，且搭配了淮河一号1/3 焦煤，两者质量分数达到41%。低灰焦方案的配合煤灰分为8.98%、硫分为0.65%，焦炭灰分为11.90%、硫分为0.60%，明显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。生产的低灰低硫焦炭质量指标可以达到GB 50427—2015《高炉炼铁工程设计规范》[11]中4 000 m3以上高炉用顶装焦炭质量的技术指标。

3 结 论

3.1淮河一号为优质1/3 焦煤，在顶装焦炉中可作为主力1/3 焦煤大比例配入使用，配入质量分数可达到30%。淮河一号煤质特征兼具肥煤特性，可在捣固焦炉中部分替代肥煤使用，替代质量分数为3%～7%，焦炭质量稳定，可节约我国优质肥煤资源。

3.2利用捣固焦炉可配入较多高挥发分煤的工艺技术特点，淮河二号可以在捣固焦炉中作为主力1/3 焦煤配用，配入质量分数可达25%。

3.3淮河三号为低灰低硫1/3 焦煤，在顶装焦炉和捣固焦炉中可起到降灰、降硫作用。可配入质量分数26%的淮河三号生产出灰分≤12.0%、硫分≤0.60%的高品质低灰低硫焦炭。可根据企业生产焦炭灰分和硫分要求，选择合适的配入量。

3.4淮南矿区为我国中部地区重要的炼焦煤产区，主要生产1/3 焦煤产品，其供应可覆盖我国中部、东部沿海等地区焦化企业。生产实践应用案例可供焦化企业参考借鉴，焦化企业可结合自身煤源情况合理利用，以实现煤资源的高效利用。