不同产地焦煤的结焦性能差异及原因分析

钱虞峰 张卫华 王小四 闫瑞宁 张德祥

(1.华东理工大学资源与环境工程学院，上海市徐汇区，200237；2.华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室，上海市徐汇区，200237；3.临涣焦化股份有限公司，安徽省淮北市，235141)

中国是焦炭大国，不论是从焦炭的生产、消费还是出口，都居于世界首位。近年来焦炭生产量持续增长，但是也出现了焦炭灰分、硫分含量升高、焦炭强度下降等问题，对环境造成的影响也较为恶劣，而炼焦煤质量的好坏直接影响了焦炭的质量，因此选择优质的炼焦煤是提高焦炭质量的关键之一。中国煤炭资源丰富，但是目前开发出来的煤炭比较年轻，变质程度较低，适合炼焦的焦煤及肥煤数量较少，同时市场上经常出现劣质煤混入优质煤造成“混煤”的现象，对焦炭质量造成不良影响，也损害了企业的利益。选用煤岩分析的方法，通过分析煤的显微组分及镜质组反射率来鉴定煤种是目前公认的最有效的方法。在配煤炼焦中，由于气煤、肥煤、焦煤和瘦煤的特性差异比较大，通过镜质组随机反射率分布图来调整各种煤的配比情况也是十分有效的手段，分布图越趋近于正态分布，几种煤的适配性就越好，焦炭性能也就越好。

产自不同地区的焦煤质量也存在一定的差异，本文以安徽临涣焦化厂采购的不同产地的焦煤(DXJ焦煤、BWJ焦煤、HSJ焦煤产自山西的不同煤矿，HKJ焦煤产自安徽)进行配煤炼焦，探究不同的焦煤在配煤中的特性表现及分析造成差异的原因。

1 试验方法

1.1 实验室坩埚焦试验

采用高温电阻炉进行坩埚焦试验，选取原料煤样150 g，试验终温设置在1050℃，在300℃停留20 min，在1050℃时停留30 min。将试验所得全部焦炭参照《冶金焦炭机械强度的测定方法》(GB /T 2006-1994)测定焦炭抗碎强度和耐磨强度(本文定义为M13和M3)，M13和M3分别见式(1)和式(2)：

式中：m1——大于13 mm焦炭的质量，g；

m——焦炭总质量，g；

m2——小于3 mm焦炭的质量，g。

焦炭反应性及反应后强度测定按照国标《焦炭反应性及反应后强度试验方法》(GB/T 4000-2008)进行，反应性测定从950℃开始，每50℃测定1次，终温为1200℃并停留30min。用CRI*表示反应性指数，CSR*表示反应后强度。

1.2 煤岩分析

参照《煤的镜质体反射率显微镜测定方法》(GB /T 6948—2008)及《煤的显微组分组和矿物测定方法》(GB /T 8899—1998)，采用 Zeiss Imager.A2m全自动偏光显微镜测定炼焦煤镜质组平均最大反射率(Rmax)及其显微成分，利用 HD 型全自动显微镜光度计软件采集相关数据，并拟合得出配煤镜质组随机反射率分布图。

2 试验结果分析与讨论

2.1 单种煤的结焦特性分析

对本文中所采用的7种煤样(焦煤：BWJ、DXJ、HKJ、HSJ，HLF肥煤、HDQ气煤、DHS瘦煤)进行工业分析，对单煤所炼制的焦炭进行冷态强度和热态强度分析，单煤炼焦的特性数据及工业分析表见表1。

表1 单煤炼焦的特性数据及工业分析表 %

由表1可以看出，焦煤在配煤炼焦中是主要的配煤原料，试验用到的4种焦煤，从成焦率来看，DXJ焦煤、HKJ焦煤和HSJ焦煤的成焦率十分接近，BWJ焦煤由于挥发分含量较低，因此它的成焦率最高，达到了82.36%，相比于其他3种焦煤要高出3%以上；从焦炭冷态强度来看，DXJ焦煤的耐磨强度为2.79%，抗碎强度达到了96.74%，这两项指标都是2种焦煤中最好的，HKJ焦煤紧随其后，相对来讲，BWJ焦煤的冷态强度要较差一些，尤其是抗碎强度只有93.47%；在评价焦炭的热态强度时，认为反应性指数CRI*越低且CSR*越高，则焦炭的热态强度越好，DXJ焦煤的热态强度是焦煤中最好的，它的CRI*仅为26.91%，CSR*高达83.83%，CRI*与CSR*具有一定的负相关性，焦炭的孔隙越多，导致与CO2的反应点也越多，CRI*也就越高，反应结束后也会造成焦炭的CSR*下降；挥发分是形成焦炭气孔的内因，HKJ的挥发分含量在焦煤中最高，因此HKJ焦煤的热态强度是4种焦煤中最差的；4种焦煤中HKJ焦煤的硫含量是最低的，仅为0.56%，而其他3种焦煤的硫含量均在2%以上，属于高硫焦煤，会造成焦炭硫含量过高，因此在考虑配煤方案时不宜多配。

肥煤是仅次于焦煤的优质炼焦煤，加热时产生大量胶质体，同时煤气的产量比较高，因此也会造成气孔率较高，焦炭的裂纹较多，导致焦炭的冷态强度下降。HLF肥煤的M3达到了8.2%，M13为85.12%，两项数值都是所有煤样中最差的，因此要配合气煤、瘦煤等弱黏结性和低黏结性的煤来提高焦炭的强度。

HDQ气煤的挥发分含量高，灰分含量低，在配煤中可以起到降灰的作用。该气煤虽然挥发分的含量高于HLF肥煤，但是由于胶质体含量不如肥煤，因此冷态强度要优于肥煤。HDQ气煤的CRI*指数偏高，为53.76%，是7种煤样中最高的，因此对配合煤的CRI*影响最大。

瘦煤的特点是煤化程度比较高，在炼焦时产生的胶质体数量较少，抗碎强度较好但是耐磨强度欠佳。DHS瘦煤的成焦率较高，冷态强度符合瘦煤的基本特性，热态强度也比较优良，在配煤中适量配入可以提高焦炭的质量，但由于耐磨强度较差，高达7.77%，因此不宜多配。

2.2 配煤炼焦

为了考察不同产地焦煤的配合性，探究不同焦煤在配煤中的特性差异，其他煤种不变，仅改变焦煤的种类，按照气煤∶肥煤∶瘦煤∶焦煤=30∶25∶15∶30进行配比，共150 g。为了能够进行综合比较分析，将单煤与配煤的焦炭的单项特性用柱状图来表示，M3和M13对比图如图1和图2所示。

图1 M3对比图

由图1可以看出，HKJ焦煤的变化不大，剩下的3种焦煤的柱形图升高，说明耐磨强度均有下降，其中DXJ焦煤的程度最为明显，从原来的2.79%升至为5.26%，甚至超过了HSJ焦煤的5.10%，完全没有了单煤炼焦时的优势；由图2可以看出，HKJ焦煤的抗碎强度变化依旧不大，M13为95.60%，DXJ焦煤的抗碎强度下降的幅度同样是最大的，从96.74%下降到了94.28%，经过配煤后DXJ焦煤抗碎强度被HKJ焦煤超越，仅排在第二位，HSJ焦煤93.65%排在第三，BWJ焦煤92.95%排在最后。总的来说配煤后的冷态强度属HKJ焦煤最佳，耐磨强度为3.91%，抗碎强度95.60%；BWJ焦煤在单煤时的冷态强度时最差，经过配煤后依然是4种焦煤中最差的。

图2 M13对比图

CRI*和CSR*对比图如图3和图4所示。

图3 CRI*对比图

图4 CSR*对比图

由图3和图4可以看出，由于配合的气煤与肥煤热态强度不如焦煤的优良，因此4种煤的热态强度均有下降。由图3可以看出，配煤后HSJ焦煤的CRI*性能最优，为42.32%，其次为BWJ焦煤的CRI*，为45.07%，原先CRI*最低的DXJ焦煤从26.91%升至47.41%，仅仅优于HKJ焦煤的CRI*；由图4可以看出，4种焦煤原本差异比较明显但经过配煤后CSR*十分接近，BWJ焦煤略有提升，其它3种焦煤都有不同程度的下降，单煤焦炭性能最好的DXJ焦煤的经过配煤后的性能下降幅度最大，说明DXJ焦煤与HLF肥煤、HDQ气煤、DHS瘦煤配合后的效果不理想。

2.3 CO2反应性分析

焦炭是一种炭质多孔体，温度在900℃～1300℃时，在高炉中会与CO2反应生成CO，这一反应被称为溶损反应，溶损反应的速率的大小直接影响焦炭的反应性指数CRI*和反应后强度CSR*，单种焦煤CO2反应性对比图如图5所示。

图5 单种焦煤CO2反应性对比图

由图5可以看出，温度越高焦炭和CO2反应速率增大，导致还原率增大。温度在950℃时，4种焦煤的还原率差别不大；温度在1200℃时，HKJ焦煤的还原率是最高的，达到了83.65%，而HSJ焦煤和BWJ焦煤都在60%左右，DXJ焦煤的还原率最低，为42.25%，说明其焦炭的气孔率及比表面积比较低，焦炭的裂纹较少。

配煤焦炭反应性对比如图6所示。

由图6可以看出，配煤炼焦后由于焦煤所占比例仅占30%，因此4种配煤方案的焦炭还原率趋于相近，HKJ焦煤的配合煤还原率仍然是最高的，达到了85.71%，比单煤提高了2.06%。原本还原率比较低的其他几种焦煤的配合煤还原率提高明显，都达到了70%以上。虽然HKJ焦煤的单煤还原率很低，但是配合煤的还原率却没有之前明显的优势。

图6 配煤焦炭反应性对比

2.4 煤岩组分与Rmax对焦炭质量的影响

煤中的活性组分与惰性组分的含量与比例直接影响了焦炭的质量，因此了解煤的煤岩组分十分有必要。Rmax能够判断煤样的变质程度，而镜质组随机反射率分布图能够反映变质程度的变化细节，同时能够鉴定煤样是否存在混煤的现象。不同焦煤的煤岩组分对比见表3。

表3 不同焦煤的煤岩组分对比

由表3可以看出，BWJ焦煤和DXJ焦煤的活惰比都较高，说明其中镜质组的含量相对较高，而HKJ焦煤的活惰比最低，只有1.3；Rmax反应了煤的煤化程度，Rmax越高则煤化程度越高，DXJ焦煤的Rmax达到了1.688%，其煤化程度是4种焦煤中最高的，BWJ焦煤其次为1.450，HKJ焦煤和HSJ焦煤的Rmax较低且十分接近。

4种焦煤的煤镜质组随机反射率分布图如图7所示。

由图7可以看出，4种煤样均存在不同程度的混煤现象，DXJ焦煤虽然Rmax值较高，但是其反射率分布较宽，重叠度不高，没有明显的峰值，在1.3%、1.5%和1.8%存在明显的凹口；HKJ焦煤的混煤程度也比较明显，峰值出现在0.8%和1.2%，但在1.0%、1.2%和1.4%处存在明显的凹口，由此可以判断可能是两种或以上的煤混合而成，因此可能会造成焦炭强度的不稳定性；HSJ焦煤在1.0%之前有个峰值，在1.0%后的峰面积较大，相对来讲混煤的情况较少；BWJ焦煤的峰型比较对称，峰值在1.3%左右，煤化程度较高，凹口较少，基本没有混煤的现象，使用该煤配煤炼焦的焦炭性质相对比较稳定。

理想的配煤方案的分布图曲线分布均匀连续，没有大的凹口。4种配合煤的煤镜质组随机反射率分布图如图8所示。

图7 4种焦煤的煤镜质组随机反射率分布图

图8 4种配合煤的煤镜质组随机反射率分布图

由图8可以看出，图(e)的曲线小凹口比较多，峰值主要出现在1.1%～1.2%，但在0.6%和0.8%出现了一个较大的峰值，说明该方案的瘦煤和气煤比例较高；图(f)的曲线是最不均匀连续的，这是由于DXJ焦煤的Rmax较高，而肥煤和气煤属于中低变质程度的烟煤，其Rmax并不高，气煤的Rmax一般在0.8%～0.9%之间波动，肥煤Rmax一般在0.9%～1.1%之间波动，因此出现了断层的现象，由此可以解释，DXJ焦煤单煤炼焦时，其冷态强度和热态强度都是4种焦煤中最好的，但是进行配煤炼焦时，其焦炭性能却不是最好的；图(g)在0.8%～0.9%处的峰值过高，根据HKJ焦煤的单煤镜质组分布图发现，这是由于HKJ煤在该处存在一个峰值的缘故，加上气煤和肥煤的影响，导致该处的峰值过高，但是整体的连续性还可以，因此虽然HKJ焦煤存在混煤情况，但是配合煤结焦性能却十分良好；图(h)的曲线连续性要比图(g)要差一些，在1.0%和1.3%处有明显的凹口，但是整体上要比图(a)和图(b)的曲线好，因此从配合煤的结焦性能来看，HSJ焦煤配合煤比BWJ焦煤配合煤结焦性能好，跟DXJ焦煤配合煤比要差一些，这是由于HSJ焦煤的单煤焦炭强度不如DXJ焦煤的焦炭强度所致的。

3 结论

从4种焦煤的配合煤结焦性能来比较分析，HKJ焦煤配合煤的冷态强度最好，另外3种焦煤的配合煤耐磨强度都十分相近，耐磨强度由DXJ焦煤、HSJ焦煤、BWJ焦煤依次递减。综合热态强度对比，给出4种焦煤配煤性质从优到劣排序可以为HKJ焦煤最优，HSJ焦煤和DXJ焦煤次之，BWJ焦煤最差。

焦煤的结焦性能会影响其配合煤的结焦性能，但不同的焦煤对其配合煤所产生的的影响大小不同，因此不能仅参考单煤性质来判断其配合煤的结焦性能，需要配合Rmax与镜质组随机反射率分布图来推断配合煤的结焦性能。镜质组随机反射率分布图出现明显凹口时焦炭的性能欠佳，若此时不改变配煤种类，则需要调整配煤的比例来使镜质组随机反射率分布图的曲线达到连续，并使峰值保持在1.2%～1.3%处，可提高焦炭质量。