艾尔加煤的煤岩与煤质特性及炼焦配煤关键问题分析

2023-11-03庞克亮马银华吴昊天谷致远刘福军

煤质技术 2023年5期

王越，庞克亮，马银华，夏伟，吴昊天，谷致远，刘福军，赵华

(1.鞍钢集团北京研究院有限公司北京 102200；2.鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁营口 115007；3.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山 114009)

0 引言

在我国煤炭消费中，电力、冶金、建材、化工是4个最主要的消费行业，炼焦用煤的消费量约占全部煤炭消费总量的15%。随着“碳达峰、碳中和”战略的实施以及全社会环保意识的增强，对不同用煤领域的煤炭质量提出了更高的要求。炼焦用煤原则上必须使用精煤，对特定工艺性能指标有基本的要求，对商品煤性质和质量的要求总体上高于其它行业用煤。

近年来，我国炼焦用煤的生产情况发生了较大的变化。随着我国炼焦煤开采强度不断增大，煤质劣化现象比较严重，使炼焦精煤的灰分和硫分呈增高趋势。优质炼焦煤资源相对紧缺，炼焦煤的供应总体上偏紧。混煤入洗和供应的现象比较普遍，煤质相对变差且波动较大，给炼焦生产工艺和稳定焦炭质量带来较大的困难。

随着我国焦炉大型化、炼焦工艺及配煤技术的发展，焦化企业普遍对低灰、低硫、中高变质、低反应性、强结焦性的优质炼焦煤的需求量增大[1]。特别是优质焦煤、肥煤的资源消耗过大，已经逐渐不能满足焦化企业的生产需求，影响焦化稳定生产和焦炭质量的提高。

此外，《商品煤质量管理暂行办法》以及《商品煤质量评价与控制技术指南》等政策和标准相继出台，对煤中硫分及其它有害元素的关注程度日渐提高。

我国焦化行业对优质炼焦煤需求不断增长，但面临日益严重的优质炼焦煤短缺和煤质下降问题。国外炼焦煤与国内炼焦煤的煤质和工艺性能互补性强，从海外进口大量优质炼焦煤，可在一定程度上缓解优质炼焦煤短缺的问题[2]。尤其是俄罗斯远东地区炼焦煤资源丰富，煤种齐全，运输距离近，俄罗斯强黏结性低硫炼焦煤是我国炼焦配煤的良好补充。目前国内焦化企业对该地区的气煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤和瘦煤均进行了配煤使用。

俄罗斯焦煤的煤质稳定，具有低灰、低硫的优点，与国内高硫肥煤及焦煤具有煤质互补性，配煤炼焦时有利于稳定焦炭质量，降低焦炭灰分和硫分，提高焦炭平均粒度和抗碎强度[3]，在国内焦化企业应用广泛[4-5]。在炼焦配煤中使用俄罗斯K10焦煤替代一部分国内焦煤，可以在保持焦炭强度基本稳定的情况下，降低配合煤成本[6]。王春华[7]在山西炼焦煤中配入不超过10%的俄罗斯炼焦煤降低硫分，不仅能保证比较理想的焦炭质量，而且代替了稀缺的国内炼焦煤资源。

彭永根等[8]以10%的俄罗斯低硫K10焦煤与10%山西兑镇高硫焦煤替代20%的优质焦煤，控制配煤硫分≤0.85%，不仅能保持焦炭冷强度和热性能稳定，而且能显著降低配煤成本。吴洪义等[9]控制俄罗斯K10焦煤的配入量，保证配煤的黏结性，焦炭的冷热强度较好，粒度较大，并能降低配煤成本。

配用少量俄罗斯低硫肥煤，可改善焦炭的硫分。如使用5%的俄罗斯低硫肥煤与山西高硫焦煤配合使用，在保证焦炭质量稳定的前提下，可降低配煤成本[10]。用俄罗斯肥煤替代部分淮北临涣肥煤，可降低配煤成本、优化配煤结构[11]。在韶钢4.3 m焦炉上进行俄罗斯低硫肥煤的工业配煤生产，不仅生产出合格焦炭，而且显著降低配煤成本[12]。俄罗斯低硫肥煤在7.63 m焦炉配用比例可达4%，对进一步提高比例仍需继续研究[13]。

俄罗斯南雅库特煤田的艾尔加炼焦煤具有鲜明的煤质特点，该炼焦煤与国内炼焦煤的成焦特性存在一定的差异，配用效果与国内优质炼焦煤相差较远[14]。笔者系统分析艾尔加煤的煤岩、煤质、黏结成焦特性以及煤灰化学特征，对其炼焦配煤的关键问题进行分析，以期为国内焦化企业大比例配用该煤提供技术支撑，对节约我国优质炼焦煤资源、降低焦化企业的生产成本和原料采购难度以及保障我国煤焦行业健康、可持续发展具有重要的实际意义。

1 实验研究

1.1 样品采集与煤质测试

按照GB/T 475—2008《商品煤样人工采样方法》分别从国内某港口采集2种艾尔加原煤和1种精煤，按照GB/T 474—2008《煤样的制备方法》制备分析煤样。

按照GB/T 6948—2008《煤的镜质体反射率显微镜测定方法》以及GB/T 8899—2013《煤的显微组分组和矿物测定方法》测试样品的煤岩特征。

分别按照GB/T 211—2017《煤中全水分的测定方法》、GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》、GB/T 214—2007《煤中全硫的测定方法》、GB/T 215—2003《煤中各种形态硫的测定方法》、GB/T 213—2008《煤的发热量测定方法》、GB/T 476—2008《煤中碳和氢的测定方法》、GB/T 19227—2008《煤中氮的测定方法》、GB/T 216—2003《煤中磷的测定方法》、GB/T 3058—2008《煤中砷的测定方法》、GB/T 3558—2014《煤中氯的测定方法》、GB/T 4633—2014《煤中氟的测定方法》、GB/T 16659—2008《煤中汞的测定方法》、GB/T 2565—2014《煤的可磨性指数测定方法哈德格罗夫法》、GB/T 217—2008《煤的真相对密度测定方法》等国标方法测试样品的基本煤质特征。

分别按照GB/T 5447—2014《烟煤黏结指数测定方法》、GB/T 479—2016 《烟煤胶质层指数测定方法》、 GB/T 5450—2014《烟煤奥阿膨胀计试验》、GB/T 25213—2010《煤的塑性测定恒力矩吉氏塑性仪法》、GB/T 5448—2014《烟煤坩埚膨胀序数的测定电加热法》、GB/T 1341—2007 《煤的格金低温干馏试验方法》等测试样品的多种炼焦特征。

分别按照GB/T 1574—2007 《煤灰成分分析方法》、GB/T 219—2008《煤灰熔融性的测定方法》测试样品的煤灰化学特征。按照式(1)计算样品的碱酸比(Bs)。

Bs=B(Fe2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O+

MnO2)/B(SiO2+Al2O3+TiO2)

(1)

1.2 成焦特性实验及焦炭分析

按照MT/T 1181—2019 《炼焦煤炼焦试验方法》对实验样品进行40 kg试验焦炉成焦特性实验，分别按照GB/T 2006—2008《焦炭机械强度的测定方法》以及GB/T 4000—2008《焦炭反应性及反应后强度试验方法》测试样品的冷态强度及热强度。

2 结果与讨论

2.1 艾尔加煤的煤岩特征分析

表1 艾尔加煤的煤岩特征

2.2 艾尔加煤的煤质特性分析

2.2.1基本煤质特征

艾尔加煤的基本煤质特征见表2。由表2可知，艾尔加煤的煤质特征较优良，精煤灰分较低，硫分极低，挥发分高，发热量高，哈氏可磨性指数(HGI)较高。有害微量元素含量低，为特低磷、特低氯、特低砷、特低汞、中低氟含量煤，具有较好的环保属性，能满足我国炼焦煤进口的要求。

表2 艾尔加煤的基本煤质特征

2.2.2塑性特征

艾尔加煤的塑性特征见表3。由表3可知，得益于艾尔加煤中超高的镜质组含量，煤的塑性特征极佳。黏结指数(GR.I)大于90，为强黏结性煤；胶质层最大厚度(Y)可达32 mm以上，为优质肥煤，在炼焦配煤中可以发挥较好的黏结作用。吉氏最大流动度(MF)可达42 000 ddpm，可以对弱黏结煤颗粒进行有效包裹，塑性温度区间可达112～117 ℃，为胶质体塑性区间搭接提供有力的支撑。但奥阿最大膨胀度(b)>300%，在炼焦配煤中应控制配入量，避免造成焦块收缩不足导致难推焦及破坏焦炉。

表3 艾尔加煤的塑性特征

2.2.3煤灰化学特征

艾尔加煤的煤灰成分见表4。由表4可知，艾尔加煤中的Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等碱金属和碱土金属含量较高，与煤的成煤环境密切相关[15]。

表4 艾尔加煤的煤灰成分

原煤1、原煤2以及精煤的碱酸比分别为0.183、0.316和0.158，碱性氧化物含量相对较高，对焦炭的溶损反应造成一定的不利影响[16]。

艾尔加煤在氧化气氛及弱还原气氛中的煤灰熔融性温度见表5。由表5可知，艾尔加煤在氧化气氛及弱还原气氛中的煤灰熔融性温度均较高，不会对炼焦造成不利的影响。

表5 艾尔加煤的煤灰熔融性温度

2.2.4成焦特性分析

利用40 kg实验焦炉进成焦特性实验后，焦炭的质量特征见表6。由表6可知，艾尔加单种煤焦炭的冷态强度指标较好，但热态强度指标较差，焦炭热反应性(CRI)均在50%以上，而反应后强度(CSR)均在30%以下。

表6 艾尔加煤制备焦炭的质量特征

2.3 炼焦配用艾尔加煤的关键问题分析

艾尔加肥煤具有低硫、强黏结性的特点，是1种较好的配煤炼焦的基础煤种，可弥补我国低硫、强黏结肥煤资源不足，同时可降低配煤成本和焦炭硫分。但该煤的活性组分含量较高,活惰比异常高,偏离煤岩配煤理论中组分平衡指数(CBI)区间[17],如图1所示。在成焦过程中,活性组分含量偏高,黏结性过剩,造成焦炭气孔大、孔壁薄(图2),对焦炭冷强度和热性能造成不利影响。