淮南矿业强黏结性1/3焦煤在配煤结构中的应用研究

刘国斌，马岩，陆启均，李琰庆，孟庆波，唐帅，徐秀丽

（1.淮南矿业（集团）有限责任公司，安徽 淮南 232000；2.中钢集团鞍山热能研究院有限公司，辽宁 鞍山 114044）

引 言

我国是煤炭生产和消费大国，炼焦煤资源在29个省（区、市）均有赋存，但分布不均，且煤质差异较大[1]。2020年，全国原煤产量39.02亿t，煤炭消费量约40亿t。数据显示，自2016年启动煤炭行业供给侧结构性改革后，全国累计退出煤矿5 500处、退出落后煤炭产能10亿t/a以上[2]；截至2020年底，全国30万t/a以下煤矿1 129处、产能1.48亿t/a，较2018年底减少911处、减少产能1.04亿t/a，降幅分别达45%、41%[3]。同时，随着高炉的大型化，对冶金焦质量要求越来越高，加重了优质焦煤、肥煤资源的短缺。而1/3焦煤作为煤化程度中等、性质介于气煤、肥煤与焦煤之间的过渡性煤种[4]，成为重要的炼焦煤资源。近年来，1/3焦煤的应用得到广泛重视和研究[5]，精准利用1/3焦煤配煤炼焦，发挥其独特优势，对煤炭资源利用具有重要意义。

淮南矿业集团所属矿区是我国重要的炼焦煤产区，其生产的强黏结性炼焦精煤“淮河一号”属于变质程度较高的优质1/3焦煤[6]。本文选用淮河一号作为研究对象，研究其在某钢企炼焦配煤结构中的应用。

1 试 验

1.1 试验用煤煤质分析

试验用煤包括淮河一号、某钢企生产用煤（1/3JM、FM、JM、SM）、高硫肥煤和贫煤。试验用煤煤质指标见表1、表2。由表1、表2可知：（1）淮河一号是中灰、低硫、强黏结性煤，是煤化程度为中煤级煤Ⅲ的单一煤层煤，吉氏最大流动度为36 938 dd/min，胶质体数量较大，而且流动性好。根据GB/T 26128—2010《稀缺、特殊煤炭资源的划分与利用》中的划分，淮河一号属于稀缺煤炭资源中的特低硫煤。邓小利等[7]更是在国标基础上将除气煤之外的气肥煤、肥煤、1/3焦煤、焦煤、瘦煤均划分为稀缺炼焦煤。因此，淮河一号属于特低硫稀缺炼焦煤。（2）淮河一号的黏结性和胶质体流动性优于钢企1/3焦煤，与钢企肥煤的G值和Y值较为接近，吉氏流动度高于钢企肥煤。（3）1/3JM-A、FM-C、JM-B、JM-C、SM-A为 具1个 凹 口 的 混煤，JM-D为具2个凹口的混煤，1/3JM-C、FM-B为简单无凹口混煤，其他为单一煤层煤。（4）淮河一号的惰质组体积分数为43%，高于其他1/3焦煤9.4～28.2个百分点，活惰比为1.3，与JM-A相近。

表1 试验用煤工业分析及黏结性指标

表2 试验用煤的煤岩组成及反射率

1.2 试验设备及参数

单种煤和配合煤炼焦试验所用焦炉为40 kg试验焦炉，其设备参数及炼焦工艺参数如下：采用侧装侧出方式炼焦，结焦时间为15.5 h，加热最高温度为1 050℃，装煤量为43 kg（干基），装炉煤水分为10%、堆密度为750 kg/m（3干基）。试验方法参照YB/T 4526—2016《炼焦试验用小焦炉技术规范》附录A[8]。

1.3 试验用煤炼焦所得焦炭质量

试验用煤炼焦所得焦炭质量见表3。按照YB/T 4868—2020《炼焦配煤优化技术规范》对试验用煤小焦炉试验焦炭质量进行划分[9]，结果见表4。利用中钢集团鞍山热能研究院有限公司专利技术[10]对试验用煤进行评分：将炼焦用煤的煤质和焦炭各具体指标整合成对焦炭质量起决定性作用的黏结能力指标、结焦能力指标、热态性能指标，加上灰分、硫分指标形成综合指标，进行分值计算，试验用煤的专利技术评分结果见表5。综合表3～表5数据可知：淮河一号属于高焦炭反应后强度、低焦炭反应性、中高焦炭抗碎强度、中焦炭耐磨强度煤，是兼具优良黏结性与结焦性的优质1/3焦煤；1/3JM-A受混入焦煤的影响，其焦炭质量较好，结焦能力指标82.6分，综合指标81.1分，可以作为优质1/3焦煤使用；1/3JM-B、1/3JM-C为一般1/3焦煤；FM-A、高硫肥煤、JM-A为优质肥煤和焦煤；FM-B、FM-C为一般肥煤；JM-B、JM-C、JM-D为一般焦煤；SM-A为优质瘦煤。

表3 试验用煤炼焦所得焦炭质量

表4 试验用煤小焦炉试验焦炭质量分级

表5 试验用煤专利技术评分

续表5

试验用煤炼焦所得焦炭光学组织见表6。由表6可知，淮河一号中粒镶嵌组织体积分数为83.3%，由于中、粗粒镶嵌组织含量高对焦炭反应后强度有利[11]，因此淮河一号炼焦所得焦炭反应后强度高与其中粒镶嵌组织含量高密切相关。

表6 试验用煤炼焦所得焦炭光学组织

1.4 配煤试验原则及方案设计

配煤试验原则：利用单种煤各专利技术得分计算配合煤得分，指导配煤。利用单一变量法研究淮河一号在配煤结构中的作用，利用结构配煤法调整各类煤比例，改变配煤结构，优化各项指标，得到淮河一号在配煤结构中的应用方案。

炼焦配煤试验方案见表7，试验方案以H1为基础配煤方案，即配煤结构为“质量分数20% 1/3焦煤+质量分数52%焦煤+质量分数16%肥煤+质量分数12%瘦煤”；由于淮河一号黏结性和胶质体流动性优于其他1/3焦煤，与肥煤接近，热态性能与优质焦煤、肥煤相当，因此，采用单一变量法，利用H2～H4、H5～H8、H9～H11方案分别研究淮河一号与其他1/3焦煤、肥煤、焦煤对焦炭质量贡献的差异性；H12、H13方案使用结构配煤方法研究淮河一号与瘦煤搭配降低焦肥煤用量；H14方案为淮河一号与贫煤、强肥煤搭配降低焦煤、瘦煤用量。利用专利方法对各试验方案进行评分，结果见表8。由表8可知，超过78%的方案的黏结能力和热态能力分值高于基础方案，71%的方案的结焦能力分值低于基础方案，超过57%的方案的综合指标分值高于基础方案，从综合指标分值可预判，在配煤中使用淮河一号所炼焦炭质量趋于提高。

表7 炼焦配煤试验方案（质量分数） %

表8 试验方案配煤专利技术评分

续表7

2 结果与讨论

2.1 淮河一号替代其他1/3焦煤对焦炭质量影响分析

H1为基础方案，H2、H3、H4为淮河一号分别替代1/3JM-A、1/3JM-B、1/3JM-C的试验方案，所得焦炭质量指标见表9。由表9可知，所得焦炭热态性能与表8专利技术评分结果相符，使用淮河一号替代其他1/3焦煤所得焦炭反应后强度提高，反应性得到改善，耐磨强度略有改善，抗碎强度有不同程度的降低，其中替代1/3JM-A后焦炭抗碎强度降低2.2个百分点。因淮河一号与其他1/3焦煤对比，具有优异的黏结性，其单种煤炼焦所得焦炭中粒镶嵌组分含量高、灰催化指数低，使得淮河一号所炼焦炭具有较好的反应后强度。淮河一号对焦炭反应性及反应后强度的贡献大于其他1/3焦煤，对焦炭机械强度的贡献略显不足，可以替代1/3JM-B、1/3JM-C。

表9 H1～H4试验方案焦炭质量指标 %

2.2 淮河一号替代肥煤对焦炭质量影响分析

使用淮河一号替代FM-A、FM-B、FM-C所得焦炭质量指标见表10。

由表10可知，H5、H6方案使用淮河一号分别替代质量分数6%的FM-A和质量分数5%的FM-B，所得焦炭灰分、硫分均降低，所得焦炭反应性及反应后强度均得到改善，耐磨强度略有改善，抗碎强度降低。H7方案使用淮河一号替代质量分数5%的具1个凹口的混合肥煤FM-C，所得焦炭反应后强度提高、耐磨强度改善，抗碎强度基本保持不变，说明在本文研究的配煤结构中，淮河一号可以替代具有1个凹口的混合肥煤FM-C。H8方案使用淮河一号同时替代FM-A和FM-C，此时焦炭质量下降。另外需要关注淮河一号替代肥煤时，挥发分对抗碎强度的影响。

表10 H5～H8试验方案焦炭质量指标 %

2.3 淮河一号替代焦煤对焦炭质量影响分析

使用淮河一号部分替代JM-A、JM-B、JM-C所得焦炭质量指标见表11。由表11可知，H9、H10方案使用淮河一号分别替代质量分数5%的JM-A、质量分数5%的JM-B后，焦炭硫分降低，所得焦炭反应后强度降低。H11方案使用淮河一号替代JM-C后，焦炭反应后强度提高、耐磨强度改善。JM-C为具1个凹口的混煤，反射率标准偏差为0.200，说明在本文研究的配煤结构中，淮河一号可以替代质量分数5%的具有1个凹口的混合焦煤JM-C。

表11 H9～H11试验方案焦炭质量指标 %

2.4 淮河一号结构配煤炼焦试验结果分析

H12方案使用“质量分数15%的淮河一号+质量分数1%的瘦煤”替代“其他1/3焦煤（质量分数9%）+肥煤（质量分数5%）+焦煤（质量分数2%）”进行炼焦试验。H13方案使用“质量分数15%淮河一号+质量分数3%瘦煤”替代“焦煤+其他1/3焦煤+肥煤”进行炼焦试验。H14方案使用“质量分数11%的淮河一号+质量分数5%的贫煤+质量分数4%的高硫肥煤”替代“焦煤+瘦煤+其他1/3焦煤”进行炼焦试验。

H12～H14试验方案所得焦炭质量指标见表12。由表12可知：与基础方案相比，H12方案所得焦炭反应后强度提高2.0个百分点，反应性改善1.2个百分点，耐磨强度改善0.3个百分点，抗碎强度降低0.4个百分点；H13方案所得焦炭反应后强度提高2.6个百分点，反应性改善1.4个百分点，抗碎强度提高1.3个百分点，耐磨强度改善0.5个百分点，焦炭冷热强度均得到改善；H14方案所得焦炭反应后强度提高2.4个百分点，反应性降低1.9个百分点，抗碎强度提高0.7个百分点，耐磨强度降低0.7个百分点。说明淮河一号与“贫煤+高硫肥煤”搭配进行配煤炼焦，能够充分发挥淮河一号的热性质及黏结性优势，同时弥补了淮河一号对焦炭冷强度的贡献不足，使焦炭冷热强度均得到改善。采用结构配煤法可以发挥淮河一号高焦炭反应后强度优势，弥补其对焦炭抗碎强度贡献不足，因此可以将淮河一号与高硫肥煤和贫煤或瘦煤搭配炼焦，以提高焦炭机械强度、改善其热性质。

表12 H12～H14试验方案焦炭质量指标 %

H12、H13方案试验结果与专利技术评分相符，H14方案结焦性能力分值为76.4，低于基础方案，但试验结果全面优于基础方案，说明贫煤对焦炭质量有较大贡献，在实际配煤中要注意评分系数的优化调整。

3 结 论

3.1 淮河一号具有黏结性强、胶质体流动性强、焦炭反应后强度高的特点。淮河一号挥发分高于试验中其他1/3焦煤，对焦炭机械强度贡献略有不足，对焦炭反应性及反应后强度的贡献大于其他1/3焦煤，可以替代1/3JM-B、1/3JM-C。

3.2 在钢企配煤结构中淮河一号可以替代部分混合焦煤、混合肥煤使用，替代质量分数需要控制在5%～6%。

3.3 采用结构配煤法可以发挥淮河一号高焦炭反应后强度优势，弥补其对焦炭抗碎强度贡献不足，使淮河一号在配煤应用中全面提高焦炭质量。可以与高硫肥煤和贫煤或瘦煤搭配炼焦，并提高焦炭机械强度、改善其热性质。

3.4 利用中钢集团鞍山热能研究院有限公司专利技术可以准确评价单种煤、有效指导配煤炼焦，但在实际配煤中要注意评分系数的优化调整。