炼焦煤热塑性在焦炭热强度预测中的应用

2022-02-08姜卫民

煤质技术 2022年6期

姜卫民

(汾渭数字信息技术有限公司，山西太原 030001)

0 引言

随着焦化工业在中国的大规模发展，焦炭热强度受到越来越多的关注，保证该指标的持续稳定已成为炼焦配煤技术工作的重中之重。尽管对于焦炭热强度的测试方法是否能真正模拟焦炭在高炉内的行为仍存争议，但现行的焦炭反应后强度(CSR)毕竟是焦炭市场交易中重要的定价依据，即使在钢铁企业的配套焦化厂，热强度也是制铁环节最为看重的指标之一。在中国山西焦煤在线的竞拍平台上，高热强度的焦煤总是被迅速抢拍售罄，国际市场上同样如此，即市场青睐高CSR的焦煤[1]。

焦炭热强度能够通过数学方法回归分析建立模型并进行预测。由于焦化条件相对固定，因而对于焦炭质量的预测一般选择煤质参数作为相关变量，以此为基础建立模型。ANDRIOPLOUS对于2015年以前的部分热强度预测方法进行汇总[2]，主要包括新日铁(NSC)焦炭反应性K模型、神户钢铁(KOBE)反应后强度指数(RSI)模型、南非钢铁协会(ISCOR)反应后强度模型、美国内陆钢铁(Inland Steel)催化指数(CI)模型、中国宝钢(Baosteel)模型、加拿大PRICE模型、必和必拓(BHP)澳大利亚模型和Global Coal(2015)模型。该8个预测模型具有很好的代表性，基本上反映了自焦炭CSR及CRI联合测试方法问世以来配煤理念及方法的不断调整和变化，主要体现在不同模型对煤质参数的不同选择，比如煤中矿物组分或灰成分指标的变化和发展、对煤岩组分指标的取舍以及热塑性指标的不同选择等方面。

新日铁(NSC)最早提出并定义煤中灰成分对焦炭热强度的影响，此后不同的预测模型使用不同的灰成分指数。如加拿大PRICE对不同的灰成分指数进行修正，形成修正后的碱度指数(MBI)；杨俊和进行进一步的研究和完善，提出矿物催化指数(MCI)[3]，由此定义了煤中灰成分对焦炭溶损反应的正、负催化作用，且以权重的方式区分不同灰成分对焦炭热强度的影响程度。MCI指标为其后煤焦技术工作者量化使用灰成分进行焦炭热强度预测时提供极大便利。

煤岩组分用于焦炭热强度预测，比较成熟的方法始自新日铁(NSC)的焦炭反应活性K指数模型，NCS参考夏皮罗的方法并建立惰性组分含量模型，利用镜质体反射率、惰性组分含量和碱度指数建立了焦炭与CO2的反应活性指数K模型。此后惰性组分含量参数被不同的模型使用或调整使用，如宝钢模型在此基础上增加无机组分含量以形成惰性组分总含量指标,印度塔塔钢铁公司的模型使用镜质体反射率为0.9%～1.3%的含量指标[4]。

热塑性指标是预测模型中的重要参数，在上述预测模型中吉氏流动度相关指标使用较多，奥亚膨胀度及CSN均有涉及，然而并不意味着黏结指数G值及Y值在评价炼焦煤热塑性方面处于劣势，黏结指数G值的出现以及中国对于焦炭热强度的研究相对较晚，近些年中国使用黏结指数G值及Y值进行热强度预测模型研究的案例亦有很多，尤其中国为焦化大国，许多大型钢企在21世纪以后均对焦炭热性质预测模型进行研究，比如谢海深利用配合煤黏结指数G值、Vdaf及Rmax参数预测焦炭热强度[5]；胡德生利用配合煤挥发分(Vd)、黏结指数G值、流动度对数值(lg MF)、镜质组黏结指数(VCI)、惰性组分总含量(TI)5个参数预测焦炭热强度[6]；任学延等利用单种煤Y值、灰分(Ad)、奥亚b值、黏结指数G值5个参数预测焦炭热强度[7]。

炼焦煤热塑性表征指标众多且均从不同角度对胶质体数量和性质进行表达，很难用同一指标去量化和准确关联炼焦煤最终的结焦能力，以至于有些学者试图从其他角度间接表达，比如杨俊和[3]认为变质程度是决定煤及煤转化的独立变量，而炼焦煤工艺性能(如黏结性)受控于变质程度，所以建立焦炭反应性预测模型时并未使用热塑性指标，而仅使用了Vd和MCI；夏皮罗的CBI-SI焦炭冷强度预测方法其实亦是试图通过整合计算的煤岩参数CBI和SI来涵盖表征煤的热塑性。但在实际焦化生产中，热塑性指标是表征煤在塑性期间性质以及关联结焦能力的最直观指标，近年来煤焦化技术工作者越来越意识到煤的热塑性在焦炭热强度预测中的重要性并不断进行扩展研究，期望通过多指标的整合表达或研发新的实验检测方法来准确表征热塑性，以保证焦炭热强度预测模型的准确性以及对实际生产的指导能力。

以下从焦炭热强度预测模型参数的选择、不同热塑性指标表达胶质体性质的比较、热塑性指标的整合及创新表达3个部分对此进行阐述探讨。

1 焦炭热强度预测模型参数的选择

目前大多数对于焦炭热性质的计算预测均基于胶质体塑性成焦和煤岩活惰组分界面结合成焦2种机理来选择参数或变量，然后通过多元回归分析建立预测模型。在上述国内外热强度预测模型中，将煤质参数归纳为以下四大类:① 煤阶:Vdaf或反射率；② 热塑性:MF、lg MF、塑性温度区间、a+b、CSN、G、Y值等；③ 煤岩组分:活性组分总量、惰性组分总量、镜质组含量等；④ 灰成分指数:灰成分碱度指数(Bash)、BI、MBI、AI、MCI等。

从胶质体塑性成焦机理的角度，选择影响焦炭热性质的参数或变量一般为煤阶、热塑性、煤灰成分3个参数，预测模型建立的难点在于热塑性指标的选择和表达。

从煤岩学角度选择影响焦炭热性质的参数或变量，主要包括煤阶、煤岩组分、还原程度该3个成因因素。其中煤阶主要指反射率及其分布，煤岩组分指活性组分总量或惰性组分总量或活惰比，还原程度主要与成煤环境与变质经历有关。模型建立存在难点，即若将煤的还原程度作为独立变量，此为1个比煤的热塑性更为复杂、更难以选择和表达的参数。成煤环境、煤型和煤质之间可构成1个概略的成因模型，见表1[8]。

表1 环境-煤型-煤质的概略成因模型[8]Table 1 Approximate genetic model of environment-coal type-coal quality[8]

据表1，煤的还原程度强弱通过煤灰成分与黏结性的强弱来区分。周师庸曾致力于探求合适的代表还原程度指标，如容惰能力及荧光性质，但在后期亦认为可用煤灰成分及黏结性来区分还原程度，即煤岩显微组分组成、镜质体反射率及其分布、荧光强度或黏结性、MBI或MCI此四类指标在炼焦制度固定下可决定炼焦所得焦炭质量的优劣[9]。

煤焦学者和技术工作者逐步将理论研究上复杂的还原程度指标拉回到炼焦应用的操作层面，选择更易分解和量化的指标来表达，即除了煤岩显微组分指标，在煤岩学和煤化学成焦机理在煤阶、热塑性、煤灰成分3个指标的选择上已逐步趋同一致。

由对活性组分或惰性组分总量此煤岩组分指标的历史应用回顾可知:煤岩学的发展给预测焦炭质量提供全新的思路，特别是夏皮罗等在阿莫索夫的工作基础上以CBI和SI为参数并利用美国钢铁公司设计的焦炭预测模型，对阿巴拉契亚半丝质体煤和混合煤获得完全满意的结果[10]。此案例的成功使此后在进行焦炭质量预测模型的设计时，煤岩组分含量指标几乎成为必选参数。但此种方法也存在局限性，夏皮罗强度指数(SI)如图1所示[11]。以图1为例，图中高低不等的曲线代表着反射率从0.3%～2.1%不同变质程度镜质体在不同惰性组分含量下所能达到的冷强度指数值，若不同变质程度镜质体具有不同的质量是此方法的理论基础，则等变质程度镜质体具有不同的质量就是该种配煤方法不可逾越的障碍。所以叶道敏提出“标准活性组分”概念，用以区分等变质程度镜质体的质量差异[12]；刘运良提出增加容惰指数(Ihi)和活性成分配合程度参数(Dm)指标，用以表征活性成分的质量以及配伍程度[13]；白向飞则认为最佳惰性组分实际上并不存在，即不同煤种中最佳的活惰比不一致[14]。若不能对活性组分的质量进行准确表达，则惰性组分总量参数的选择其实并无多大意义。

图1 夏皮罗强度指数(SI)[11]Fig.1 SHAPIRO’s strength index SI graph[11]

煤灰成分与煤阶2个指标易量化，无论选择反射率、挥发分表达煤阶，还是选择碱度指数、催化指数或其他灰成分指数表达煤灰成分，尽管不同的参数选择略有差异或优劣有别，但不同煤种之间在此两类性质方面的差异性均易区分且无争议。

热塑性指标目前已成为预测模型准确率的关键参数。从塑性成焦理论的角度，热塑性指标旨在表达气、固、液三相共存的胶质体混合物的性质；从活惰组分界面结合成焦的角度，热塑性指标旨在表达活性可溶物的质量。

2 不同测试方法对炼焦煤热塑性表达比较

2.1 试验设定

选择吕梁焦煤与延安气煤该2种常见的炼焦煤，对于如何选择和表征热塑性参数进行分析，其煤质数据详见表2。其中采用的检测标准如下:黏结指数采用 GB/T 5447—2014，胶质层指数采用 GB/T 479—2016，奥亚膨胀度采用 GB/T 5450—2014,吉氏流动度采用 MT/T 1015—2006。40 kg焦炉实验的主要参数如下:堆密度、水分、结焦时间分别为0.75 g/cm3、10%、15.5 h。

表2 吕梁焦煤与延安气煤的煤质数据Table 2 Coal quality data of Lvliang coal and Yan’an coal

2.2 黏结指数表达胶质体数量分析

G值是直接用炭化结果的耐磨强度来表征胶质体数量和性质，故对煤的结焦性能有很好的表征能力。但G值不能直接表达胶质体的数量，对胶质体性质的表达也存在不足，即其主要表达0.2 mm粒度煤粒与惰性物质的黏结能力。此黏结能力限于特定转鼓破坏能力之下，抗转鼓破坏的强弱能力或转鼓破坏力之上的黏结质量尚需进一步区分。

鲍俊芳等[15]经实验得出结论,对新汶气肥煤、冷泉肥煤、平顶山八矿焦煤3种煤添加永城无烟煤作为外加惰性物，无烟煤粒度在0.4 mm以下时，新汶气肥煤、冷泉肥煤的黏结指数大于八矿焦煤；无烟煤粒度超过0.4 mm时，焦煤的黏结能力超过气肥煤和肥煤；当无烟煤粒度从0.2 mm达到3 mm时，气肥煤的G值从78.63降至17.72。究其原因，惰性粒子变大后，3种煤的胶质体液相物质均无法填满煤粒孔隙而只能部分黏接，但由于黏接能力的强弱不同，焦煤的胶质体数量或许不如气肥煤和肥煤丰富但较为黏稠，即焦煤胶质体的黏接能力强，即使只部分黏接也足以抵抗转鼓的破坏。而肥煤和气肥煤则因为黏接能力欠缺，在进行转鼓试验时大颗粒惰性物边缘的胶质体颗粒会落在筛下，造成黏结指数大幅降低。据此可知，2个煤种的G值虽均为82，但胶质体数量和性质的差异并未准确区分，从而无法对最终的结焦能力进行区分。

2.3 胶质层指数表达胶质体数量分析

胶质层指数测试方法提供的信息很多，如Y值能表达胶质体液相物质的数量但不能表达质量，而X值能够在一定程度上表达结焦能力。胶质体体积曲线表现气体析出胶质体的状况，从而间接表达胶质体的质量信息，由此可判断胶质体质量和结焦能力，但体积曲线同时要结合收缩以及焦块进行判断，特别针对一些变质程度较高、胶质体并不丰富但结焦能力良好的焦煤，其曲线波形很小或几乎没有波形，无法利用参考曲线对其进行区分。

吕梁焦煤、延安气煤的胶质体体积曲线及焦块如图2所示。由图2可见，吕梁焦煤和延安气煤的胶质体体积曲线均有较弱的波形，吕梁焦煤的剧烈分解大致在50 min(400 ℃)左右开始，波动停止在140 ～150 min(670～700 ℃);延安气煤则在30 min(340 ℃)左右就开始软化，波动终止大致在120～130 min(610～640 ℃)。吕梁焦煤收缩适中,焦块熔融、致密、坚实、无海绵体、呈暗色、无裂隙。延安气煤收缩大，焦块熔融、银灰色，纵裂纹超过9条，断面气孔率大。

图2 吕梁焦煤、延安气煤胶质体体积曲线及焦块Fig.2 Volume curve and coke diagram of Luliang coal and Yan’an coal

吕梁焦煤、延安气煤的Y值接近，说明其胶质体的非挥发液相物质数量在塑性状态持续过程中大致接近，但从X值和胶质体体积曲线的比较及焦块技术特征分析可知，吕梁焦煤的结焦性能显然更好，使用X值、胶质体体积曲线、焦块技术特征对胶质体性质进行综合表达是个后续值得继续研究的问题。

2.4 奥亚膨胀度表达胶质体数量分析

奥亚膨胀度指均相缓慢加热条件下胶质体内气体的逸出速度以及胶质体的不透气性。固软温度区间(ΔT)表征的是胶质体的持续时间，所以采用ΔT大致可代表胶质体的数量，b值或a+b能够表达胶质体的性质，据此对2种煤的胶质体数量和性质进行比较:延安气煤的ΔT为77 ℃，吕梁焦煤的ΔT为50 ℃。两者的b值和a+b基本相同，是否可据此认为延安气煤的胶质体数量更多或两者的胶质体性质接近则有待探究。但此与2种煤表现出的最终结焦能力并不符合，由于塑性发展的温度范围和脱挥发分的温度范围重叠，奥亚测值受挥发分的影响很大，或奥亚测试方法本身就是依靠气体析出而获得测值，由此导致低挥发分焦煤的气体析出量少而膨胀低，因而采用奥亚膨胀度不能准确表征胶质体质量。

两者CSN数据的比较是很好的佐证，吕梁焦煤、延安气煤的CSN分别为7.5、5.0。从实验方法剖析，CSN与奥亚膨胀度相比则是均相快速加热，加热速度的加快不仅提高低挥发焦煤的塑性，且致使挥发物质快速逸出，从而提高对于胶质体不透气性的区分能力，针对结焦性更佳的吕梁焦煤其CSN明显提高。所以，使用b或a+b表达和区分胶质体性质同样存在不足。

2.5 吉氏流动度表达胶质体数量分析

剖析吉氏流动度数据，延安气煤的最大流动度为815 ddpm，软化固化温度为397～462 ℃，塑性区间65 ℃；吕梁焦煤最大流动度100 ddpm,软化固化温度为447～505 ℃，塑性区间58 ℃。对于流动性和热稳定性的表观指标，延安气煤均优于吕梁焦煤。

以上结论与吕梁焦煤、延安气煤 2 种煤所表现的结焦性能与焦炭冷热强度不相符，原因在于:

(1) 流动性未必能准确表征胶质体性质。最大流动度是瞬间数值不能代表整个塑性期间的胶质体性质，流动性好的胶质体具有良好的铺展性，在气体膨胀的推动下可更快地填充煤粒的间隙，但流动性好的另一信息可能是黏稠度不够即透气性强。法国煤化学科学家洛杰· 路瓦松有2个观点值得注意[16]:① 可塑性(流动性)过高会促使气体从胶质体排出，降低煤料的膨胀性；② 从塑性(流动性)达到足以使煤颗粒与惰性颗粒间很好黏结的最大值之后，剩余塑性(流动性)对于焦炭的形成并无任何好处。由此可知，流动性好并不代表其具有更高的结焦能力。

(2) 固软温度区间表达胶质体数量也存在局限性。温度间隔大则说明胶质体黏结煤粒的时间长，有利于煤的黏结[17]。但单纯用温度间隔表示胶质体的热稳定性可能并不可靠，如焦煤的温度间隔比气煤小，但其胶质体的黏结性和结焦性显然高于气煤。就化学反应而言，温度越高则反应速度越快，但反应速度的提高与温度不成正比，通常呈几何级数的关系，煤受热软化熔融期间的反应也不例外。高温下的较短时间间隔，其表达的热稳定性可能优于较低温度下的较大温度间隔。

由以上可见，采用最大流动度表征胶质体性质或用塑性温度区间表征胶质体数量都存在局限性。总之，目前任何1种现有热塑性测试方法测值的单独使用均不能完全区分2种煤塑性状态持续期间胶质体的数量和性质，也不能表达由此导致的结焦性能的差异。

3 热塑性指标的整合与创新表达

由于上述测试方法从不同的角度对炼焦煤热塑性进行表达时各有其明显的优缺点，于是尝试使用数学工具对现有的测值进行计算整合，或通过更加准确表达胶质体的数量和质量来关联结焦能力，或直接关联最终的结焦能力，或开发研究新的热塑性指标来表征炼焦煤的结焦性能。

早在20世纪60年代，德国Simonis就对鲁尔膨胀计的a、b、软化温度、固化温度4个测值进行推导计算，建立表达炼焦煤结焦潜力(coking capacity)的G-value值[18],以G/表示:

其中，T1为软化温度,℃;T3为固化温度,℃;a为收缩度;b为膨胀度。

尽管时隔半个多世纪，结焦能力指数值对目前研究炼焦煤热塑性依然有很好的指导意义，因而使用22种山西炼焦煤历年平均数据进行分析，针对不同热塑性指标与CSR的相关性比较，G/、G、Y、a+b、log MF、分别为0.421 7、0.117 8、0.096 4、0.083 7、0.481 7，由此可知G/的决定系数R2值最高，排序依次为:

G/>G>Y>a+b>lg MF

杨光智[19]对吉氏流动度进行扩展研究，将吉氏流动度的固软温度区间划分为3个区间:350～430 ℃、430～460 ℃、460～510 ℃，利用数据分析软件计算整个温度区间的加权平均流动度(lgFwa)。采用固化温度(Tr)-软化温度(Ts)表达胶质体的数量，采用lgFwa和最大流动度(lgFm)表达胶质体质量，利用该3个参数整合计算胶质体流动指数(F)，用以综合表达胶质体的数量和性质信息:

F=0.015(Tr-Ts)+0.228lgFm+0.378lgFwa

利用煤阶(Vdaf和Rr)、MCI和F此3个参数，可回归分析建立焦炭反应性和热强度预测模型。

胡文佳[20]研发了1种炼焦煤的炭化关联综合检测技术，推出表征煤料经塑性层物态演变成焦综合特性指数的2个新指标，即透气性指数(α)和形变指数(β)，以期更加准确把握炼焦煤的结焦性能。采用α和β并结合煤化程度(Rmax)、矿物质催化指数(MCI)建立焦炭质量预测模型，模型对实验样本的预测精度达到较高的水平。

在预测焦炭热强度参数的选择方面，上述专家学者对其几乎达成公识，即采用煤阶、灰成分、热塑性该3个参数基本可确定焦炭最终热性质，不同的是对于热塑性指标的不断探索和深入研究，使其不断趋近对胶质体性质以及结焦能力的准确表达。

专家学者通过对现有不同热塑性指标的扩展研究，整合或推出新的热塑性指标，众指标在表达和区分炼焦煤胶质体数量和质量方面的综合能力得到进一步提升，能够更加精准地关联炼焦煤最终的结焦能力。胶质体数量和性质或其最终关联的结焦能力能否准确表达，关系到煤阶、灰成分该2个参数对于焦炭最终结果的影响权重选择，关系到预测模型能否涵盖更宽的炼焦煤煤阶序列范围，或在更宽泛和复杂的煤源范围内保持对实际炼焦生产的指导意义和适用性。此问题的本质在于，现有的各种关于煤热塑性的测试方法均采用物理测量方法而获得炭化行为的特征数字[21]，对测试方法的研究只能获得经验层面的积累，即使进行整合表达也无法触及煤受热分解反应机理的微观本质。由于煤炭组成的复杂性、多样性、非晶质性和不均一性，很难非破坏性地分离成简单物质进行结构和性质的分析，迄今为止仍无法彻底明了煤分子结构的全貌。或许在不久的将来，随着煤化学在煤结构和反应方面研究的不断突破和进展，使得炼焦煤热塑性评价及焦炭质量预测能够在煤分子结构层面得到更具实用价值的理论支持。