煤岩学方法在异常炼焦煤煤质评价中的应用

张 文 成

(宝山钢铁股份有限公司研究院 梅钢技术中心，江苏 南京 210039)

0 引 言

煤岩学方法中的反射率分布和煤岩显微组分是研究炼焦煤性能的基础指标之一，其为国际煤分类的关键指标以及国外炼焦配煤的关键控制指标。在国内促使煤岩学在中国焦化领域得到普及的主要原因是混煤判断问题[1]，但随着炼焦煤资源日益复杂，仅从煤岩反射率分布来判定混煤已不能满足生产需求。为此需通过深入对应用煤岩学研究，开展煤岩学方法在异常炼焦煤煤质评价中应用。

煤岩学方法与传统炼焦煤指标相比具有很多优点，通过反射率分布和煤岩显微组分可更多反映煤质特性，且不受灰分、硫分等因素影响。煤岩自动检测技术的发展已促进煤岩学方法的应用[2-3]。国内外许多学者对煤岩学在炼焦煤评价中的应用进行广泛深入的研究。在煤岩反射率应用方面，韩剑[4]利用煤岩分析鉴别单种煤质量，由此分析混煤程度及强化煤源的监控；何海东[5]应用煤岩反射率测定系统实现了混煤的鉴定和煤质异常原因分析；齐洪涛[6]利用镜质组反射率确定单种煤是否为混煤及其混煤程度，对评价和鉴别单种煤质量发挥重要作用；姚伯元[7]针对商品煤反射率分布图判别方法中存在的问题进行研究，提出新的分类方法，将具有1个凹口的相同牌号和相邻牌号的混煤均可视为单煤；胡德生[8]利用反射率分布图提出镜质组黏结指数，克服直接使用煤岩镜质组反射率值不能反映出混煤对煤质影响的不足；张文成[9]利用煤岩反射率分布图提出微强黏比WQN概念，弥补用反射率方差进行混煤评价的不足；庞克亮[10]根据镜质组反射率直方分布图的正态分布特点优化配煤结构，提高焦炭质量；JAMES等[11]研究大分子含量和有机化学方面的差异，指出单一的反射率指标也不能完全确定煤炭等级。在煤岩显微组分应用方面，杨友辉[12]根据计算得到的各煤种加权活惰比得出配合煤的活惰比，以配合煤的最佳活惰比为准则，指导配煤并预测焦炭质量；边春杨[13]研究认为成焦过程中惰质组也有着不容忽视的作用，镜质组与惰质组的合理配比及相互作用也决定最终的焦炭质量；白向飞[1]认为对于同一煤样的合适活惰比其实未有定论，应根据实际用煤情况而定，生搬硬套“活惰比”概念可能误导生产；TARA 等[14]研究大分子的结焦行为，通过比较样品热解前后的光学图像，认为煤的显微组分对结焦行为起到关键作用；王越等[15]研究煤岩自动测试系统在煤焦异常判定领域如焦炭异常判别、混入焦炭(半焦)甄别、化产油收率高等研究中应用。

目前学者们对煤岩学在混煤评价方面的研究较多，而对炼焦混煤从应用的角度进行分类的研究却较少，因而煤岩学方法针对异常煤判定后可制定相应的应对措施，对于稳定焦炭质量具有重要意义。以下实验利用图像法煤岩分析设备开展对不同混煤的岩相特性研究，科学解读反射率分布及煤岩学组分特性，以期为混煤判别与应用提供参考，发挥反射率在科学配煤中的作用。

1 试验方法

1.1 试验样品

试验样品均取自生产样品9个，其中焦煤5个、肥煤2个、1/3焦煤1个、兰炭1个，样品的质量特性见表1。

1.2 试验方法与设备

1.2.1仪器设备

煤岩分析设备为BRICC-M型全自动煤岩分析系统，配置反射偏光显微镜ZEISS Imager A2m、Epiplan-Neofluar反差增强型油浸物镜，数值孔径为1.0，显微镜总放大倍数为500倍；另配置在线数码相机加拿大PixeLINK、感光元件CCD芯片、自动扫描物台BRICC SCAN及控制器，其中芯片尺寸2/3英寸，灰阶为16bit。全自动煤岩分析系统如图1所示。

图1 BRICC-M型全自动煤岩分析系统

1.2.2煤岩反射率自动测定

煤岩反射率自动测定参照国家标准GB/T 40485—2021煤的镜质体随机反射率自动测定-图像分析法进行分析，主要步骤包括图像采集、反射率测试2个部分。

(1)图像采集。利用ZEISS Imager A2m偏光显微镜上部45°分光镜调节反射光进入显微相机，利用BRICC SCAN电动平台实现煤岩光片的自动移动，分别选择炼焦煤样品进行实验，采集过程实时自动调焦，采集900幅图。

(2) 反射率测试。利用蓝宝石(GBW 13403)、钇铝石榴石(GBW 13402)及钆镓石榴石(GBW 13401)3个反射率测试一级标准物质得到标准曲线。利用图像法煤岩自动测试系统进行测试分析，得到反射率分布。

2 试验结果与讨论

2.1 镜质组反射率分析

镜质组反射率测定实现自动化、科学化则更有利于煤岩反射率的推广应用。对采集的900幅图片自动识别镜质组并测定反射率，如图2所示。其中，绿色标记点为自动识别的镜质组，可以人工复检镜质组组分，若有标记错误则可修改，实现过程可追溯。另外，采用图像法可达到几十万个测点，得到的反射率分布更具有代表性。

图2 煤岩镜质组反射率自动测试

2.2 由反射率分布判定混煤

检测得到反射率分布，其最主要目的是将其用于判断是否为混煤，根据商品煤的煤岩判定标准分为单一煤层煤及多个凹口混煤等6个编码，由于国标规定得较为细致，因而给实际应用带来困惑。在炼焦配煤实际应用的角度，混煤主要分为3类，即包括同类炼焦煤混煤、混入低品质炼焦煤的混煤和混入非炼焦煤的混煤。

2.2.1同类炼焦煤的混煤

同类炼焦煤的混煤主要常见于同类焦煤的混煤，主要是由于焦煤类的反射率范围相对较宽从1.1%～1.6%，为了调整灰分、硫分，通常将2个及以上煤层或矿点的煤混洗，不同变质程度的焦煤容易形成2个峰。JM1和JM2的混煤反射率直方图如图3、4所示。

图3 同类焦煤混煤JM1的反射率直方图

由图3可知，镜质组反射率方差为0.22，变异系数为0.16，按国标判定为混煤，直方图中2个主峰在1.15%和1.45%，反射率为1.33%，小焦炉DI转鼓强度为83.5%，反应后强度为66.1%；由图4可知，镜质组反射率方差为0.16，变异系数为0.11，按国标判定为混煤，直方图中2个主峰值分别在1.25%和1.45%，反射率为1.48%，小焦炉DI转鼓强度为81.9%，反应后强度为68.5%。尽管其2个峰或方差较大，由于同为焦煤类，其炼焦性能不会因混煤而劣化太多，因此对于同类混煤一般为可接受。

2.2.2混入低质炼焦煤的混煤

不同类炼焦煤的混煤主要指混入低质炼焦煤，此为最常见的混煤方式，如在焦煤中混入1/3焦煤或气煤，不仅属于同类煤的混洗问题，有可能为了经济利益而故意混入。JM3和JM4的混煤反射率直方图如图5、6所示。

图5 混煤JM3反射率分布

由图5可知，镜质组反射率方差为0.18，变异系数为0.17，按国标判定为混煤，直方图中2个主峰在0.85%和1.20%，反射率为1.08%，小焦炉DI转鼓强度为79.6%，反应后强度为62.2%。由图6可知，镜质组反射率方差为0.18，变异系数为0.14，按国标判定为混煤，直方图中2个主峰在0.90%和1.35%，反射率为1.34%，小焦炉DI转鼓强度为79.5%，反应后强度为61.6%。低品质炼焦煤2个峰之间的差别较大，混入反射率在0.7%～0.9%范围内的气煤或1/3焦煤，此类混煤引起单种煤的炼焦特性下降，在使用过程中宜采取分峰剥离的方式，通过分峰分别计入不同煤类，保证真正焦煤和肥煤等强黏煤的比例，降低对焦炭质量影响。

2.2.3混入低变质煤的混煤

低变质煤主要指长焰煤或不黏煤，在煤岩反射率分布图中常表现为有拖尾，混入低变质煤的混煤反射率分布如图7、8所示。

由图7可知，镜质组反射率方差为0.18，变异系数为0.17，按国标判定为混煤；直方图中2个主峰在0.50%和1.10%，反射率为1.03%，小焦炉DI转鼓强度为74.6%，反应后强度为48.7%。

由图8可知，镜质组反射率方差为0.16，变异系数为0.17，按国标判定为混煤；直方图中2个主峰在0.55%和0.90%，反射率为0.93%，小焦炉DI转鼓强度为74.4%，反应后强度为50.3%。

图8 混入低变质煤的混煤SJ1之反射率分布

上述混煤中反射率在0.4%～0.6%范围内的低变质煤，由于低质煤的混入而造成炼焦煤的炼焦特性较差。

该配煤炼焦得到的焦炭有黑点的问题，如图9所示；在显微镜下观察呈现无反光的惰性成分，如图10所示。

图9 低变质混煤炼焦后的焦炭表面

图10 低变质混煤炼焦后的焦炭在显微镜下的形貌

将该焦炭进行反应性和反应后强度试验，发现其中的黑点优先发生反应，反应后在焦球形成孔洞，造成焦炭反应性增加，焦炭反应后强度降低。混入低变质炼焦煤的混煤炼焦焦炭反应后实物如图11所示，由此进一步验证孔洞是由无黏结的大块长焰煤引起，此与王越等的研究结论一致[16]。但在实际生产过程中应避免混入低变质煤，因个别煤种通常会引起焦炭质量的较大波动。

图11 混入低品质炼焦煤的混煤炼焦焦炭反应后实物

2.3 由煤岩显微组分判定异常煤

2.3.1由镜质组的边缘龟裂判定煤氧化

JM5为进口炼焦煤，由于运输及海关过程较长而造成炼焦煤的氧化，其基氏流动度或奥亚膨胀度下降。在显微镜下观察镜质组，发现镜质组的边缘出现龟裂，如图12所示。

图12 煤氧化在显微镜下的边缘龟裂特性

煤的氧化导致炼焦煤黏结性能下降，引起焦炭冷热强度波动，因而特别针对周期较长的进口煤，煤的氧化则为更应关注的指标之一。

2.3.2由显微组分特性判定兰炭的混入

在炼焦煤种混入兰炭，由于兰炭的反射率较高，自动测定时兰炭常被误判为丝质组，因此煤岩镜质组反射率自动分析时通常不能检测出兰炭。试验选取混入挥发分为11.36%的兰炭LT1，其在显微镜下的特征如图13所示。

图13 兰炭在显微镜下的组分特征

通过观察兰炭在显微镜下的组分特性，可以判断出是否有兰炭。兰炭在炼焦过程中起到惰性物的作用，直接配入兰炭会造成焦炭的质量波动。另外，在喷吹用无烟煤中混入兰炭，可以通过煤岩组分对其进行判定，但由于兰炭的可磨性及燃烧性能并不差，因而适当混入兰炭不会对高炉喷吹造成较大的影响。

2.3.3由显微组分特征判定工业废渣的混入

FM2是1种肥煤，炼焦煤各项宏观指标均无异常，小焦炉试验冷态强度76.1%正常，但焦炭反应后强度35.2%很低。FM2煤的反射率分布如图14所示。

图14 FM2煤的反射率分布

从图14可看出，FM2煤的镜质组反射率为1.06%，方差为0.12，属于基本正常。通过观察显微镜组分可发现非煤组分，如图15所示。

图15 工业废渣在显微镜下的组分特征

由图15中工业废渣在显微镜下的组分特征分析可知，在炼焦煤中混入非煤物质，该非煤物质被界定为工业废渣，但由于在自动分析中废渣的光学特性和镜质组不同而不能检出。炼焦煤中混入工业废渣而造成炼焦配煤的成焦性能降低，焦炭反应性增加，焦炭反应后强度降低。通过灰成分分析，其CaO含量高达8%，其催化指数MCI达到7.44，远高于其他炼焦煤，进一步印证在炼焦煤中已混入工业废渣。

3 结 论

(1)煤岩反射率的应用主要用于判定混煤，从炼焦配煤应用的角度将混煤分为3类，即同类混煤、混入低质炼焦煤和混入低变质煤，3类混煤应区别对待，尤其需避免混入低变质非炼焦煤。

(2)煤岩显微组分是对煤岩反射率自动测定系统的补充，通过观察显微组分特征，可以判断炼焦煤的氧化、混入兰炭及混入工业废渣等是引起炼焦煤异常的主要原因。

(3)煤岩学方法是判定炼焦煤异常的主要技术手段，但煤质评价也不应过度依赖煤岩特性分析。由于炼焦煤形成的复杂性，针对煤岩特性较好的煤，其炼焦特性也可能较差，因此应更深刻理解煤岩指标对传统指标具有补充作用，而非对传统指标起到完全替代作用。