羿神能源焦炭质量影响因素及控制措施

李 艳

（潞安化工集团羿神能源有限责任公司，山西 长治 046100）

羿神能源炼焦车间设2×75 孔5.5 m 捣固焦炉，年产焦炭150 万t。焦炭质量受多方面因素影响，其中配煤结构和焦炉加热制度是影响焦炭质量的两大重要因素[1]。在炼焦煤逐渐减少而高炉炼铁又需大量优质焦炭的情况下，如何改善、稳定焦炭质量，提高高炉产量具有重要的意义。羿神能源在配煤炼焦、工艺管理等方面进行了大量研究，取得了显著效益。

1 煤质及配煤方案因素

1.1 配合煤水分

配合煤的水分对煤的固有性质影响不大，对结焦过程造成显著的影响。一是影响煤的堆密度，水分越低，装炉煤的堆密度越大，有利于提高焦炉的生产能力；二是影响焦炉温度，水分高不仅影响炭化室焦炭成熟时间，更重要的是由于其蒸发大量吸热的过程造成相邻炭化室炉温波动，影响其焦炭的收缩度和成焦。三是影响焦炭视密度，水分大的煤料成焦后，焦炭视密度降低和气孔率增大；配合煤水分低的煤料成焦后的焦炭致密，焦饼中心的气孔和泡焦都比较少[2]。我公司配合煤水分质量分数控制在10%～12%。

1.2 配合煤灰分

煤的灰分是指煤中所有可燃物质完全燃烧时，煤中矿物质在一定温度下经过一系列分解、化合等复杂反应后剩下的残渣。煤灰分是惰性成分，参与焦炭结构的形成。灰分对焦炭强度的影响有正负两方面：正面影响是随灰分的升高，气孔率降低，焦炭强度升高；负面影响是随着灰分的升高，焦炭结构缺陷增多，光学各向异性减弱，较大颗粒矿物质的存在，是焦炭形成裂纹的中心，造成焦炭强度降低；另外，由于灰分中含有一定量的碱金属，其对焦炭在高温下的碳溶反应起正的催化作用，降低了焦炭的反应后强度。灰分对焦炭强度起到的负作用要强于对焦炭的正面影响，总体表现为焦炭强度的劣化，所以要提高焦炭强度必须降低配合煤的灰分[3]。煤中绝大部分灰分转入焦炭中，一般认为，煤的焦炭灰分增加1%，炼铁焦比增加2%～2.5%[4]，我公司要求炼焦用煤的灰分质量分数不应大于10%。

1.3 配合煤挥发分

挥发分对焦炭质量会产生很大的影响，隔绝空气加热后，炼焦煤中的水分和有机质会受热产生分解。当挥发分含量较高时，焦炭的收缩度变大，这样得到的焦炭抗碎强度会比较差，并且会因为产生大量气体导致焦炭成条状，产生纵裂纹，造成焦炭的抗碎强度下降；挥发分过低时，在炼焦时由于焦饼受温度的影响变小，焦饼内存在较大的膨胀压力，导致推焦困难或造成焦炉损坏[4]。我公司生产实践证明，Vdaf控制在26%～30%，这时生产出的焦炭质量相对较好，且化产品回收率较高。

1.4 配合煤黏结性和结焦性

炼焦煤黏结性是在熔融状态下胶质体的黏结和固化能力，结焦性是指炼焦煤熔融后形成半焦进一步受热分解、收缩形成焦炭的能力。结焦性适用范围大于黏结性，这就表示一个结焦性好的炼焦煤首先要具备良好的黏结性。黏结指数（G）能够同时反应炼焦煤的黏结性和结焦性，过高或过低的G 值都会对焦炭的强度产生影响。胶质体最大厚度（Y）和G 在一定范围内都具备加和性，我公司在保证焦炭质量的前提下，尽量降低控制生产成本，Y 值控制在12～15 mm、G值在60～65。

1.5 配合煤的煤岩性质

煤的镜质组平均最大反射率（Rmax）反映的是煤变质程度，现代煤岩学认为煤料中壳质组和镜质组为活性成分，其中壳质组含量很少，镜质组占大部分，丝质组为惰性成分。因此镜质组的性质起到至关重要的作用，目前用油浸显微镜下观测镜质组反射率（R）作为其指标，随着镜质组反射率的提高煤的变质程度也在加深。Rmax在1.1%～1.3%之间时焦炭质量最佳，这个区间正好处于中等变质程度煤料，胶质体丰富且性质稳，定能够在较长的温度范围内保持液相状态，在捣固炼焦条件能够黏结更多的惰性煤粒，结焦性改善明显。综合考虑性价比，我公司Rmax控制在1.1%～1.2%，活惰比控制在1.2%～1.4%（见图1、表1）。

表1 配合煤Rran 区段计算结果

图1 配合煤镜质组反射率分布图

2 生产工艺因素

2.1 配合煤粒度

配合煤的粒度是影响焦炭密度的重要因素。炼焦煤的种类不同，其性质就不同。因此，对各种炼焦煤的粒度控制也不同。对于瘦煤、气煤等黏结性差和惰性组分多的煤，需要细粉碎，这样做的目的是为了减少焦炭裂纹；但是对于肥煤、焦煤等黏结性、流动性好的炼焦煤，其粒度控制可以相对宽松，从而发挥其流动性和黏结性。选择性破碎技术的使用对提高焦炭致密度起着重要作用。为此，我公司采用“预破碎-配煤-二次破碎”的工艺，将硬度大的蒲县1/3 煤、气煤、贫瘦煤进行预破碎（破碎至＜3 mm 占83%）后送入配煤仓，配入肥煤、焦煤后，再将配合煤进行二次破碎至＜3 mm 占88%以上。

2.2 配合煤堆密度

配合煤的堆密度是影响焦炭气孔率的重要因素。增加堆密度就是为了减少煤粒之间的空隙，炼焦煤在软化熔融阶段产生的胶质体数量和质量都会随之提高，提高了结合和包裹惰性物质的能力，因而提高焦炭质量。提高堆密度对应的工艺有煤料捣固、型煤压块、煤调湿技术等。羿神能源采用捣固焦炉，平均捣固时间为10～12 min，将堆密度控制在1.05～1.08 t/m3。

2.3 焦炉加热制度

炼焦温度对焦炭质量的影响来自三方面，一是要确定合适的标准温度，满足成焦需要；二是过快的温度变化也会对焦炭的块度以及气孔率产生一定的影响，因此加热温度应平稳，使煤质成焦过程均匀、稳定。三是合适的结焦时间。在炼焦过程中在一定范围内延长结焦时间会加剧半焦在收缩应力下的收缩程度，使得炼焦煤在反应时产生的液相物质填充了焦炭气孔壁，有利于焦炭的反应后强度。生产实践表明，结焦时间为30 h 时，标准温度为1 260 ℃，炉顶空间温度为810～835 ℃，所生产的焦炭反应后强度较高。

2.4 熄焦方式

常规湿法熄焦是从顶部瞬时喷淋大量冷水来熄灭红焦，受急冷急热的影响，焦炭在熄焦过程中，产生大量的裂纹，从而降低焦炭强度。低水分湿法熄焦（CSQ）采用车皮底部进水熄焦、顶部喷淋少量水，大水流激烈汽化使熄焦车内的焦炭处于沸腾状态，可以实现焦炭初步整粒，焦炭粒度更加均匀，提高了焦炭强度。干法熄焦主要是在密闭的条件下，将焦炭置于熄焦台上，利用氮气这种惰性气体来对焦炭进行降温。干熄焦不易使焦炭产生裂纹，因此有利于焦炭强度的提高。干法熄焦是一项节约能源、防止大气污染同时提高焦炭质量的综合环保措施。同一配煤结构下，干熄焦比湿熄焦焦炭M40提高3%～5%，M10降低0.2%～0.5%，CRI 降低1%～2%，CSR 提高2%～3%[5]。

3 质量改善措施

3.1 加强煤质管理

3.1.1 建立进厂原料煤质量评价体系

按照对炼焦过程和焦炭质量的影响程度，结合各单种煤的工业分析指标和煤岩指标，针对性地对各项指标的合格率和平均值制定评分细则，通过分数直观、科学地评价同一煤种，不同供应商所供单种煤质量的优劣。表2 为各指标平均值对应分值，表3 为各指标合格率处在不同区间范围时，对应的分值。

表2 各项指标平均值对应分值

表3 各指标不同合格率对应分值

3.1.2 完善新煤种数据库

对我公司拟购入的新煤源新煤种，以及拟向我公司供应原料煤的新供应商均进行新煤种试验，试验内容包括工业分析、煤岩分析、20 kg 铁箱试验焦炭工业分析及机械强度和热强度分析。各项指标均达标的情况下，进行工业试验。将试验数据归入新煤种数据库，为实现配煤结构不断优化提供条件。经过新煤种试验，开发了洪洞主焦煤、陕西气煤、低硫主焦煤、低硫肥煤等优质煤源，这些煤源的配入，改善了产品质量，已成为我公司现阶段配煤的主力煤种。

3.1.3 加强进厂原料煤质量抽检

单种煤质量的波动直接关系焦炭质量的波动。羿神公司对进厂原料煤质量控制采取机采和人工采样相结合的方式做好来煤质量的控制。主要从三个方面把关：第一，用全自动采样机对入厂煤车进行自动布点采样，随机布点3 个组成一个煤样，确保布点的随机性和所采煤样的代表性。第二，每班对原料煤卸车过程进行随机采样分析，一方面预防煤车上下煤层煤质不同的问题，杜绝供应商恶意掺假现象，同时也是对全自动采样机采样的对比和检验。第三，每班对煤场、配煤仓单种煤抽检，出现质量异常时，立即对该单种煤的所有供应商采取停车化验、加强化验频次等管控措施；对存在问题的供应商降低其信用等级。

3.2 做好工艺管控

3.2.1 配煤过程精细化

第一，在传统配煤方式的基础上，结合各单种煤和配合煤的煤岩镜质体随机反射率分布图，及时掌握配合煤Rran各区段所占比例，做出更加精准的调整。第二，优化煤场管理，每天进行煤场或配煤仓取样分析，做好过程管控，做到原料煤先到先用，杜绝由于长时间存放造成煤质变化的情况。第三，配备高精度智能化配煤系统，配料设备采用多传感器称量方式，称重机构采用全悬浮式结构，高精度数字测速传感器，高频多脉冲输出保证了测速稳定可靠。称重精度和控制精度均达到±0.5%，只需控制室一人操作，现场一人定期巡检设备，运行的稳定、安全，实现真正意义的无人值守。同时，定期校验电子皮带秤，并不定期进行电子秤总下煤量和瞬时下煤量的抽查，确保配煤方案执行准确。

3.2.2 工艺管理智能化

目前我公司采用焦炉自动加热控制+尾气再循环工艺（图2），应用计算机自动调节，及时、准确地调节炉温，稳定了焦炉炉体温度，平均安定系数提高到0.90 以上，改善了焦炉内煤料的结焦性能，提高了焦炭质量。

图2 自动加热控制系统图

3.2.3 采用干熄焦技术

羿神能源拥有一套干熄焦装置，处理焦炭能力为190 t/h。和湿法熄焦以及低水分熄焦相比，干熄焦技术的应用使每吨焦炭产生约0.5 t 的高压或中压过热蒸汽用于发电，间接减少CO2、SO2的排放[6]。与此同时，冶金焦炭品质得到大幅提高，其中，M40（抗碎强度）提高5%～8%，M10（耐磨强度）降低0.7%～2%。焦炭反应后强度有明显改善。表4 为羿神能源2022 年6—11 月两种熄焦工艺焦炭质量比较。

表4 羿神能源2022 年6—11 月两种熄焦工艺焦炭质量比较

4 结语

焦炭质量的主要决定因素是配合煤指标和备煤、炼焦工艺。羿神能源从建立进厂原料煤质量评价体系、完善新煤种数据库、加强进厂原料煤质量抽检三方面加强煤质管理，从配煤过程精细化、工艺管理智能化、采用干法熄焦三方面做好工艺管控，以确保焦炭质量处于较高和稳定水平。