基于单种煤成焦灰分预测焦炭灰分的研究及应用

彭永根，周云花，梁 域，李 可，谭 宏

（华菱湘钢技术质量部，湖南 湘潭 411101）

焦炭灰成分以SiO2、Al2O3为主，两者质量分数之和一般可达50%～80%，还有少量Fe2O3、CaO、MgO、P2O5、SO3等成分。焦炭中灰分的大小对焦炭强度和高炉指标有重要影响。研究表明[1]，焦炭在高炉内被加热到高于炼焦温度时，由于焦质与灰分的热膨胀性不同，焦炭会沿灰分颗粒周围产生裂纹并扩大，使焦炭碎裂粉化，强度降低。炼铁时使用灰分高的焦炭，消耗的焦炭和助熔石灰石较多，一般认为焦炭灰分每增加1%，炼铁焦比将增加1%～2%，加入的助熔石灰石质量分数将增加4%，高炉产量将下降2%～3%[2]。同时，焦炭灰分的高低会直接影响高炉渣量与焦炭的强度、反应性和热态性质[3]。

湖南华菱湘钢焦化厂（简称湘钢）配套4 座4.3 m顶装焦炉和2 座6.0 m 顶装焦炉，全部采用干熄焦工艺，总产能达到230 万t/a。2018 年第1 季度因来煤灰分上升，焦炭灰分与以往相比大幅增加，最高达到13.5%以上，导致高炉消耗增加、焦比上升，在炼焦煤灰分偏高、炼焦煤资源又不能大幅调整的情况下，必须研究如何降低焦炭灰分。本文提出采用单种煤成焦灰分来准确预测配合煤成焦灰分以指导炼焦配煤，通过小焦炉试验对湘钢主要矿点炼焦煤的成焦灰分特性进行分析，并通过配煤试验进行对比验证，现介绍如下。

1 焦炭灰分的预测方法

目前，国内大多数企业对焦炭灰分的预测采用以下两种方法：一是简单的根据成焦率进行初步预测，煤在成焦过程中，一般认为其灰分全部转入焦炭中，以成焦率换算，焦炭灰分是配合煤灰分的1.3～1.4 倍，该方法预测精度较差；二是通过对本企业的生产数据进行统计分析，采用线性回归、曲线拟合的方式得到本企业焦炭灰分的预测数学模型，再用此模型对焦炭灰分进行预测，该方法在煤种及配煤结构发生变化后，预测结果会有偏差。

以上两种焦炭灰分预测方法存在误差的主要原因有两方面，一是挥发分的影响，炼焦煤在高温干馏条件下成熟结焦，挥发分挥发后剩下灰成分和碳成分，因此挥发分含量对成焦灰分有较大影响，对于相同灰分的单种煤，其挥发分越高，成焦灰分越高；二是煤灰成分在高温干馏过程中的物理化学影响，煤灰分的检测只经过815 ℃±10 ℃的灰化并灼烧，而焦炭是经过1 200 ℃左右的高温干馏生产。因此这两方面的原因都决定了不能简单采用煤的灰分来预测焦炭灰分，根据实际检测的单种煤成焦灰分来预测配合煤成焦灰分应更准确，预测公式：焦炭灰分配合煤=焦炭灰分煤1×配比煤1+焦炭灰分煤2×配比煤2+焦炭灰分煤3×配比煤3+……+焦炭灰分煤n×配比煤n。

2 焦炭灰分的预测及试验验证

2.1 炼焦条件及试验方法

采用鞍山科翔40 kg 小焦炉炼焦，结焦时间18.5 h，装煤温度750 ℃，结焦温度1 050 ℃，升温时间700 min，恒温时间410 min。炼焦煤制样依据GB 474—2008《煤样的制备方法》进行，焦炭制样依据GB/T 1997—2008《焦炭试样采取和制备》进行，煤灰分的检测依据GB 212—2008《煤的工业分析方法》进行，焦炭灰分的检测依据GB/T 1996—2003《冶金焦炭》进行。

单种煤成焦灰分的试验方法：将所取的12 个矿点炼焦煤样分别装入40 kg 小焦炉中干馏，检测装入前炼焦煤灰分和结焦后焦炭灰分。

配合煤成焦灰分的试验方法：在已知单种炼焦煤成焦灰分的情况下，按设计配比配煤，将配合煤装入40 kg 小焦炉中干馏，检测装入前配合煤灰分和结焦后焦炭灰分。

2.2 单种炼焦煤及成焦灰分

湘钢配用的5 大煤种12 个矿点单种炼焦煤灰分、挥发分及成焦灰分见表1。

表1 单种炼焦煤灰分、挥发分及成焦灰分 %

由表1 可知，高灰分煤有天安主焦煤、阳泉曲主焦煤和兑镇主焦煤，灰分最低的是官桥1/3 焦煤2#、官桥1/3 焦煤1#和澳洲马维斯主焦煤。成焦后焦炭灰分最高的是天安主焦煤、青町肥煤和潘集西1/3 焦煤，焦炭灰分最低的是澳洲马维斯主焦煤、官桥1/3 焦煤1#和官桥1/3 焦煤2#。对比单种炼焦煤灰分与其焦炭灰分，可以看出炼焦煤灰分与其成焦灰分并不完全线性相关，大部分高灰分、高挥发分煤的成焦灰分明显比其他煤种高，但也存在个别例外。因此，采用炼焦煤灰分并不能准确预测焦炭灰分，可以尝试采用单种炼焦煤成焦灰分来预测配合煤成焦灰分。

2.3 单种煤成焦灰分预测焦炭灰分小焦炉验证试验

2.3.1 小焦炉试验用单种煤

小焦炉试验采用的11 个矿点单种煤的煤质数据见表2。由表2 可知，兑镇主焦煤、阳泉曲主焦煤、马头主焦煤、青町肥煤、韩城瘦煤灰分大于10%，官桥1/3 焦煤和新汶肥煤灰分最低。

表2 单种煤煤质数据

2.3.2 配合煤成焦灰分的预测及验证

配合煤小焦炉炼焦试验采用3 种配比，具体见表3。其中基准配比为2018 年3 月实际生产配比；配比1不使用成焦灰分高的潘集西1/3 焦煤，增加低灰官桥1/3 焦煤配比，减少成焦灰分高的青町肥煤配比，增加低硫马头主焦煤配比；配比2 在配比1 的基础上，减少瘦煤配比3 个百分点，增加青町肥煤配比3 个百分点。配比1 和配比2 中主焦煤总配比增加，青町肥煤配比减少，配煤成本基本不变，预测焦炭灰分可从13.0%以上降低到12.5%左右、焦炭硫分略有增加。

表3 小焦炉炼焦试验配比（质量分数） %

配合煤成焦灰分的实测值和预测值见表4。由表4 可知，与基准配比焦炭灰分相比，配比1 焦炭实测灰分降低0.26 个百分点，配比2 焦炭实测灰分降低0.17 个百分点；采用单种煤成焦灰分预测的焦炭灰分与焦炭实测灰分接近，而采用单种煤灰分预测的焦炭灰分与焦炭实测灰分差异较大。因此，采用单种煤成焦灰分来预测配合煤成焦灰分比较准确。

表4 配合煤成焦灰分的实测值和预测值 %

从以上单种煤及配煤炼焦试验数据看，用成焦灰分低的官桥1/3 焦煤替代成焦灰分高的潘集西1/3焦煤，降低成焦灰分高的青町肥煤配比，并相应增加马头主焦煤配比，可降低焦炭灰分。

3 预测方法的生产应用

根据2.3 节试验研究结果调整配煤结构，通过降低成焦灰分高的煤种配比来降低焦炭灰分。湘钢来煤灰分上升的主要是官桥1/3 焦煤，灰分从原来的7.0%左右上升到9.0%以上，另外潘集西1/3 焦煤挥发分也有所上升，这两个矿点1/3 焦煤总配比达到了23%以上。为了降低焦炭灰分，来煤灰分方面，控制官桥1/3 焦煤灰分降低到7.7%以下；配煤结构调整方向主要是降低高灰分、高挥发分的潘集西1/3 焦煤以及成焦灰分高的青町肥煤配比，并适当增加官桥1/3焦煤配比；总体控制降低配合煤挥发分，适当增加主焦煤和瘦煤配比，并降低高挥发分1/3 焦煤配比，配合煤挥发分从30%降低到28%～29%。

2018 年1 月—11 月（1 月—3 月为调整前，4月—11 月为调整后）配合煤灰分、挥发分、焦炭灰分数据见表5。由表5 可知，1 月—3 月配合煤平均挥发分在30%，4 月开始下降，到11 月下降了1.5 个百分点；调整前后配合煤平均灰分均保持在9.5%；因成焦灰分高的煤配比大幅降低，焦炭灰分从4 月开始逐步降低，从调整前最高的12.91%降低到调整后最低的12.52%。

表5 配合煤灰分、挥发分、焦炭灰分数据 %

4 结 语

从对湘钢多个矿点单种炼焦煤成焦灰分的研究和分析结果可以看出，采用单种煤成焦灰分可以比较准确预测配合煤成焦焦炭灰分；高挥发分、高灰分的青町肥煤、潘集西1/3 焦煤成焦灰分高，配煤炼焦后对焦炭灰分的影响较大；在煤矿点的选择上不应只关注其灰分，当其挥发分上升时，其成焦灰分也会大幅度上升，因此采购高挥发分的炼焦煤时，其灰分控制标准应提高；配煤结构调整时应同时考虑配合煤灰分和挥发分。