贫瘦煤替代瘦煤的捣固炼焦试验研究

鲁 欣，马 润，王 岩

(1.河北旭阳能源有限公司，河北 定州 073000；2.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013)

0 引 言

随着高炉逐渐向大型化和强化冶炼发展，焦炭在炉内的停留时间延长，对其质量和稳定性要求也进一步提高[1-2]。我国煤炭资源充足，但炼焦煤产量较少。自2016年至2022年，虽我国炼焦煤总产量呈稳定增长态势，但炼焦煤在原煤总产量中的比重却呈现下降态势。2022年国内炼焦煤产量为4.94 亿t，仅占全国煤炭总产量的10.98%，远低于2016年炼焦煤产量在原煤总产量中的比重(12.78%)。企业生产成本随原料价格波动不断增加，而煤炭质量直接影响焦炭的性质[3-4]。在确保质量的前提下，合理利用煤炭资源、进一步开发价格较低与煤源较广的其他煤种进行配煤炼焦已成为我国提高煤炭资源利用效率的重要途径。经调研发现，许多研究机构和焦化企业在围绕贫瘦煤替代瘦煤进行配煤炼焦方面已开展较多的研究和实验工作。瘦煤或贫瘦煤单独炼焦时，胶质体较少，生成的焦炭块度较大，但易于破碎[5-6]。将其粉碎后配煤炼焦，合理的片状和纤维结构均匀地分布在其他活性组分形成的粗粒或细粒镶嵌结构中[7-8]，可作为其他黏结性较好的炼焦煤的结焦中心。与瘦煤类似，配入一定量的贫瘦煤同样能起瘦化作用，降低配合煤的挥发分和装炉煤的半焦收缩系数，通过减少相邻半焦层间的收缩差可减少焦炭裂纹并提高焦炭强度[9-10]，同时具备骨架和缓和收缩应力的作用[11-12]。综上所述，现有的研究主要集中于贫瘦煤配入炼焦时的成焦机理以及对焦炭光学性质等的影响，而对利用贫瘦煤配煤炼焦方法方面的研究较少，无法有效指导工业生产。

鉴于贫瘦煤的煤质特点及其配煤应用前景，以下以典型的贫瘦煤、瘦煤煤样为研究对象，系统分析煤质特性、黏结特性、岩相特征和胶质体流变特征等，通过小焦炉实验分析各单种煤的成焦特性[13]，开展贫瘦煤替代瘦煤的捣固炼焦实验，研究其对焦炭质量的影响，结合工业焦炉开展应用性试验，建立利用贫瘦煤替代瘦煤进行捣固炼焦的配煤炼焦试验方法，在保证焦炭质量的前提下缓解优质炼焦煤资源短缺的压力，并帮助企业实现降本增效。

1 实验部分

1.1 实验原料

从某大型焦化企业采集不同煤种试样作为研究对象进行炼焦实验，所用到的煤种包括贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤和气煤。其中包含5种1/3焦煤(1/3JM-1、1/3JM-2、1/3JM-3、1/3JM-4、1/3JM-5)、4种肥煤(FM-1、FM-2、FM-3、FM-4)、3种气煤(QM-1、QM-2、QM-3)以及焦煤(JM)、贫瘦煤(PS)和瘦煤(SM)各1种。

1.2 实验流程

采用40 kg小焦炉进行7组炼焦配煤实验，实验步骤如下：

(1)煤样破碎。使用锤式破碎机破碎，出料粒径为6 mm，试样细度(<3 mm)为80%～85%。

(2)煤样捣固。装炉水分为(10 ± 0.5)%，堆密度为(1.03 ± 0.01)t/m3。

(3)煤样入炉。装煤时炉墙温度在800 ℃恒定30 min以上，以0.25 ℃/min的升温速度加热至1 050 ℃后，在(1 050 ± 5)℃恒温4 h，直至出焦，炼焦时间为22 h。

2 结果与讨论

2.1 单一炼焦煤的基础煤质特性

煤是组成、结构非常复杂且极不均一的混合物，评价炼焦煤质量有工业分析、煤岩分析、黏结性等众多指标，可从不同方面对炼焦煤做出评价[14-15]。根据该企业制定的企业煤炭分类标准，对此次试验所用煤种进行分类见表1。需特殊说明，所选煤样中的1/3JM-1和1/3JM-2根据国家标准GB/T 5751《中国煤炭分类》的规定应属于气煤，但由于该2种煤的黏结指数和胶质层最大厚度的指标较好，该企业按其企业标准分类并根据实际应用将该2种煤作为1/3焦煤进行配煤炼焦。此工作各单一炼焦煤的灰分(约10.00%)较均匀，其中1/3JM-2和QM-1灰分最低为9.00%，FM-1灰分最高为14.20%。气煤的平均灰分最小为9.56%，肥煤灰分含量最高为10.58%。

表1 单种炼焦煤的煤质特性

挥发分产率可表征煤的变质程度，挥发分随煤化度降低而升高。配煤中气煤的挥发分高达37.50%，随着煤变质程度提高，挥发分不断降低，配入的贫瘦煤挥发分低至14.00%。

煤中硫元素对焦炭和后续炼铁质量影响较大，故硫含量是评价煤质的重要指标。实验的贫瘦煤、瘦煤、焦煤、气煤均为低硫煤，其中贫瘦煤硫含量(0.39%)较低，1/3焦煤和气煤硫含量相近，分别为0.81%和0.60%；而肥煤属于中硫煤，硫含量为1.37%。

炼焦煤的黏结性与焦炭质量成正比，常用指标包括黏结指数(G)和胶质层最大厚度(Y)[16]，其与挥发分含量关系如图1所示。胶质层最大厚度与黏结指数呈正相关，G随着Y的增大而增大，且均随挥发分降低而逐渐降低。瘦煤和QM-2为中等偏强黏结煤，G<65，焦煤、肥煤、1/3焦煤和其他气煤均为强黏结煤，G>65。贫瘦煤受热后只能产生少量胶质体，黏结性和结焦性相对较差，即Y=0、G=15，不适合单独炼焦。

吉氏流动度反映煤在干馏时形成胶质体的黏度，其为表征煤塑性的核心指标之一，可用于指导炼焦配煤[17]。对实验的单煤进行流动度测定，参数见表2。测定数据分析如图2所示，其初始软化温度区间为389～483 ℃，焦煤的初始软化温度最低即为389 ℃，瘦煤的初始软化温度最高为483 ℃，肥煤和1/3焦煤的软化温度相近(分别为405.7、403 ℃)，气煤的软化温度(416.3 ℃)较高。

图2 单种煤吉氏流动度特征温度分布

表2 单种煤的吉氏流动度特征参数

吉氏流动度的最大流动度温度与炼焦煤的变质程度呈现良好的相关性，在一定范围内可反映炼焦煤的变质程度，其中气煤和1/3焦煤的最大流动温度较低，分别为449.3 ℃和447.4 ℃；瘦煤的最大流动温度最高，其值为483 ℃。不同煤种的固化温度不同，气煤、1/3焦煤的固化温度分别为472.6、484.2 ℃；焦煤、瘦煤和肥煤的固化温度较一致，分别为511、504 ℃。

肥煤的平均塑性范围为98 ℃，焦煤和1/3焦煤的平均塑性略低(分别为80、81.2 ℃)，气煤的平均塑性范围为56.3 ℃，瘦煤的平均塑性(21 ℃)最低。配煤中单煤的最大流动度变化较大，其中贫瘦煤流动度最低为0，FM-3的流动度最大为38 000。以煤种区分时，肥煤的最大流动度平均值最高为19 000，其次1/3焦煤为10 860，焦煤和气煤分别为950和238.6。炼焦煤软化熔融产生的塑性体可以将惰质组分包裹、黏结，流动性越大，塑性体发展越好，可以黏结更多的惰质组分。

从流动度参数分析，肥煤和1/3焦煤具有良好的流动性能，所使用的焦煤和气煤流动性能较差，故配入肥煤和1/3焦煤有助于增强炼焦煤的流动性和塑性，提高配煤炼焦的焦炭质量。

通过图像法测定不同煤中镜质组的反射率，可进行煤种判别和混煤鉴定[18]。对实验煤种进行岩相分析，镜质组的反射率结果见表3。镜质组的最大反射率与煤阶成正比，从气煤到贫瘦煤依次增加，其反射率均值分别为0.772%、0.841%、1.096%、1.351%、1.711%和1.856%，与最大流动温度(Tmax)也呈正相关。

表3 单种煤的反射率分布

随着煤化程度加深,随机反射率值不断增加[19-20]。气煤镜质组的随机反射率范围为0～1.2,在0.5～0.8的占比超过90%; 1/3焦煤的随机反射率范围为0～1.2,在0.5～0.9的占比超过80%;肥煤的随机反射率范围为0.5～1.5,在0.65～1.5的占比超过90%;焦煤的随机反射率范围较宽(0.65～1.9),主要分布于0.9～1.5区间内;瘦煤和贫瘦煤的随机反射率分布范围为1.2～1.9和1.2～2.5,其主要分布区间分别为1.2～1.7和1.5～1.9。

2.2 炼焦实验

2.2.1单煤炼焦实验

焦炭反应后强度(CSR)是指反应后的焦炭在机械力和热应力作用下抵抗碎裂和磨损的能力[21]，单煤炼焦时，CSR见表4。焦煤和肥煤炼焦后焦炭的反应后强度满足冶金一级焦标准(CSR >60%)，其中肥煤的炼焦性能更好，其CSR为62%。1/3焦煤炼焦时，焦炭CSR为43.75%，满足冶金准一级焦标准(CSR >40%)。气煤加热炼焦时产生较多的挥发分且胶质体的热稳定性较差、易于分解，所生成的焦炭因收缩而产生较多的纵裂纹，反应后强度较低，其值为28.3%。瘦煤和贫瘦煤均属于高变质、低挥发分、弱黏结性的烟煤，瘦煤单独炼焦时所生成的焦炭熔融性差、易于破碎、反应后强度较小；贫瘦煤的结焦性能比典型的瘦煤差，炼焦生成的焦粉较多[22]，即贫瘦煤不适宜单独炼焦,因而其需与其他煤种配合后用于炼焦。

表4 单煤炼焦实验结果

2.2.240kg小焦炉实验

小焦炉实验共7组，实验方案见表5。以实验-1为基准，配入5%的贫煤和30%的贫瘦煤炼焦，后6组实验以贫瘦煤替代瘦煤，含量分别为30%、33%和35%。以实验-1、2、5为小组分析，2-1对比：去掉瘦煤后，增加3%的贫瘦煤和4%的肥煤，减少2%的1/3焦煤，焦炭的CSR降低至39.7%；5-1对比：去掉瘦煤后，增加5%的贫瘦煤和21%的1/3焦煤，减少11%的肥煤和10%的气煤，焦炭的CSR提升至43.6%；5-2对比：无瘦煤时，增加2%的贫瘦煤和23%的1/3焦煤，减少15%的肥煤和10%的气煤，焦炭的CSR提升至43.6%。分析可知，减少肥煤和气煤的含量，同时增加焦煤含量能提高焦炭的反应后强度。

表5 40 kg小焦炉实验

以实验-1、3、4为小组分析，3-1对比：去掉瘦煤后，不改变贫瘦煤含量，增加17%的焦煤，减少8%的肥煤和4%的1/3焦煤，焦炭的CSR增加至42.1%；4-1对比：去掉瘦煤后，不改变贫瘦煤含量，增加10%的焦煤，减少5%的1/3焦煤，焦炭的CSR增加至42.4%；4-3对比：无瘦煤且不改变贫瘦煤含量时，增加8 %的肥煤，减少1 %的1/3焦煤和7 %的焦煤，焦炭的CSR增加至42.4%。分析可知，使用的肥煤、1/3焦煤和焦煤在炼焦时可互为补充，其中肥煤炼焦效果略强于1/3焦煤和焦煤。

实验6-1对比：去掉瘦煤后，增加5%的贫瘦煤、21%的1/3焦煤和10%的焦煤，减少21%的肥煤和10%的气煤，焦炭CSR提升至45.9%；7-1对比：去掉瘦煤后，增加5%的贫瘦煤、11%的1/3焦煤和10%的焦煤，减少21%的肥煤，焦炭CSR降低至38.9%。分析可知，当肥煤和1/3焦煤互补后，增加焦煤同时减少气煤含量可显著提升焦炭的反应后强度；而肥煤、1/3焦煤和焦煤互补后，增加5%的贫瘦煤显著降低焦炭的反应后强度。

以实验-5、6、7为小组分析，6-5对比：去掉瘦煤后，不改变贫瘦煤含量，增加10%的焦煤，减少10%的肥煤，焦炭的CSR提升至45.9%；7-5对比：去掉瘦煤后，不改变贫瘦煤含量，增加10%的焦煤和气煤，减少10%的肥煤和1/3焦煤，焦炭的CSR值降低至38.9%；7-6对比：去掉瘦煤后，不改变贫瘦煤含量，增加10%的气煤，减少10%的1/3焦煤，焦炭的CSR降低至38.9%。分析可得，瘦煤为0%且贫瘦煤含量稳定时，利用焦煤替换肥煤成效显著，但减少1/3焦煤同时增加气煤会显著降低焦炭的质量。

综上所述，炼焦时肥煤、1/3焦煤和焦煤可互补，其中肥煤加入后焦炭质量更好；贫瘦煤或气煤增加均可降低焦炭的反应后强度(<40%)。

2.2.3大焦炉的单孔炉实验

在上述小焦炉实验研究的基础上，利用某大型焦化企业单孔装煤量45 t大焦炉进行了3组工业性实验，配煤方案见表6，焦炭质量均满足冶金一级焦标准(CSR >60%)。

表6 装煤量45 t的单孔炉实验

实验2-3对比：增加15%的贫瘦煤、20%的焦煤和15%的1/3焦煤，同时减少30 %的肥煤和20%的气煤，焦炭的CSR提升至65.9%。

1-3对比：增加5%的贫瘦煤、20%的焦煤和15%的1/3焦煤，减少20%的肥煤和20%的气煤，焦炭的CSR提升至70.7%。

1-2对比：减少10 %的贫瘦煤，增加10%的肥煤，焦炭的CSR提升至70.7%。

结果表明，在无瘦煤情况下，使用焦煤、肥煤和1/3焦煤互补或减少气煤或减少贫瘦煤均可提升焦炭的反应后强度，CSR >65%。

通过单煤炼焦、40 kg小焦炉实验和工业验证试验，验证了贫瘦煤替代瘦煤进行配煤炼焦的可行性，生产的焦炭质量满足一级冶金焦标准(CSR >60%)，贫瘦煤配入量可增加至50%，而通过配入肥煤还可进一步提高焦炭的反应后强度。

3 结 论

基于贫瘦煤不适合单独炼焦，以典型的贫瘦煤、瘦煤等炼焦煤资源为研究对象并利用单煤成焦试验、配合煤小焦炉试验和工业焦炉验证等展开炼焦方法研究。通过7组40 kg小焦炉和3组45 t单孔炉实验，对利用贫瘦煤取代瘦煤在实际配煤炼焦生产中的可行性以及对焦炭质量的影响进行分析，得出如下结论：

(1)瘦煤和贫瘦煤是高变质的烟煤，黏结性和结焦性均较弱且贫瘦煤性质更差，炼焦后的焦炭强度低，仅适合配煤炼焦使用。

(2)小焦炉实验中，配入35%贫瘦煤、45 %焦煤或1/3焦煤和10 %气煤时，焦炭质量突出，反应后强度最高为45.9%，达到小焦炉实验准一级冶金焦标准。

(3)45 t单孔炉试验中，配入50%贫瘦煤、50%焦煤或1/3焦煤共炼焦时，焦炭CSR为65.9%；加入10%肥煤等量替换贫瘦煤后，焦炭CSR提升至70.7%。