常見煉焦煤種性能評價①

張明星， 杜 屏

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院， 江蘇 張家港 215625)

引 言

煉焦煤包括氣煤、氣肥煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧瘦煤及過渡煤種1/3焦煤等。我國煉焦煤資源占世界煉焦煤總量的13%左右，其中大部分是氣煤和1/3焦煤，占比45%；肥煤和焦煤僅有35%左右，其中還包括氣肥煤，這說明焦肥煤屬于稀缺資源。同時，由于我國高爐的大型化，對入爐焦炭質量要求越來越高[1-2]，使焦化廠不斷增加焦肥煤比例來提高焦炭質量。由此可見，對煉焦煤種特別是對優(yōu)質焦肥煤的合理評價和使用是今后需要重點關注的方向。

1 常見煉焦煤種

現(xiàn)階段國內鋼廠煉焦煤來源主要包括長協(xié)采購、國內市場采購及國外采購三部分。長協(xié)采購主要用以長期穩(wěn)定焦炭質量，國內市場采購和國外采購量隨市場價格而波動。國外采購主要以澳大利亞昆士蘭州煤炭資源為主。如表1所示為國內某鋼廠常見17種煉焦煤。

表1 常見煤種

2 煉焦煤基本性質

基氏流動度的測定采用美國普瑞6100型塑性儀。Ts為開始軟化溫度，即攪拌槳第一次達到1 ddpm時的溫度，Tf為最后流動溫度，即攪拌槳最后一次達到1 ddpm時的溫度；塑性區(qū)間是這兩者之間的差值Tf-Ts。

單種煤焦炭采用40 kg側裝小焦爐煉焦，入爐煤干基質量41 kg，堆密度0.75 t/m3，入爐煤水分10%，結焦時間18 h，出爐焦餅中心溫度960 ℃左右。

2.1 肥煤

2.1.1 工業(yè)分析

肥煤工業(yè)分析如表2所示。

表2 肥煤工業(yè)分析

4個肥煤均屬中高灰煤，肥煤1屬于中硫煤，肥煤4屬于中高硫煤，其他為低硫煤。肥煤1變質程度相對較高，屬中等揮發(fā)分煙煤，其他肥煤屬中高揮發(fā)分煙煤。

2.1.2 鏡質組反射率及煤巖組成

肥煤鏡質組反射率和煤巖組成如表3所示。

表3 肥煤鏡質組反射率和煤巖組成

肥煤鏡質組平均最大反射率區(qū)間為0.9～1.2，4個肥煤鏡質組反射率滿足肥煤特征。方差S在0.1～0.2之間，屬簡單混煤[3-5]，即原煤采洗加工過程中出現(xiàn)的少量混雜，非刻意混配。肥煤1和肥煤2鏡質組含量相對較高，肥煤3和肥煤4惰質組含量相對較高[6]。

2.1.3 熱塑性及黏結性

肥煤工藝性質如表4所示。4個肥煤G值(黏結指數(shù))都很高，屬特強黏煤，膠質層最大厚度Y偏低，沒有達到肥煤標準(大于25 mm)。肥煤2的基氏流動度MF最大，肥煤4的基氏流動度MF最低且塑性區(qū)間比其他肥煤低15 ℃左右。

表4 肥煤工藝性質

2.1.4 結焦性

肥煤制焦炭顯微組分由各向同性，細粒鑲嵌，粗粒鑲嵌和絲炭及破片組成，如表5所示。其中各向同性，細粒鑲嵌和粗粒鑲嵌等組織由鏡質組高溫干餾時經軟化、熔融，形成膠質體，膠質體中產生中間相小球，小球吸收周圍液相不斷長大，小球表面張力無法維持其形態(tài)使其破裂分散等階段，最終固化殘留在焦炭中，形成各種顯微組分[7]。絲炭及破片由煤中的惰性組分經少量變形產生[8]。

表5 肥煤單種煤焦炭質量

肥煤1和肥煤2的鏡質組含量相比肥煤3和肥煤4高出10%左右，對應焦炭顯微組分中，前者粗粒鑲嵌明顯高于后者。肥煤3和肥煤4惰質組含量高于肥煤1和肥煤2，使其對應焦炭顯微組分中絲炭及破片含量高于肥煤1和肥煤2。焦炭機械強度和熱性質很大程度上取決于其顯微組分[9]，粗粒鑲嵌內的石墨碳按層狀排列，各光學單元之間彼此咬合，組織致密，微孔小，含量高的焦炭相應質量較好。絲炭及破片在顯微鏡下可以觀察到大量孔洞，組織不夠致密，含量高使焦炭質量下降。肥煤1和肥煤2對應焦炭粗粒鑲嵌大于70%，焦炭機械強度和熱性質好。肥煤3和肥煤4對應焦炭絲炭及破片平均高出前者10%，焦炭質量尤其是熱性質下降明顯。

如圖1所示為肥煤2的粗粒鑲嵌組織，如圖2所示為肥煤3的絲炭及破片組織。絲炭及破片中含有大量孔洞，相比之下粗粒鑲嵌組織比較致密，有利于提高焦炭質量。圖1中右側可見兩個氣孔的合并瞬間，肥煤2基氏流動度大，膠質體表面張力有助于促進氣孔形成球形并相互碰撞合并，兩個氣孔球形度都很高。由于球形氣孔與不規(guī)則氣孔相比不容易產生應力集中，所以球形氣孔多的焦炭質量較好。

圖1 肥煤2粗粒鑲嵌組織 圖2 肥煤3絲炭及破片

2.2 焦 煤

2.2.1 工業(yè)分析

焦煤工業(yè)分析如表6所示。

表6 焦煤工業(yè)分析

進口焦煤硫含量普遍較低，進口焦煤2屬特低硫煤，進口焦煤1屬低硫煤，焦煤6屬中硫煤，其余屬中高硫煤。焦煤6屬中灰煤，其他焦煤屬中高灰煤。6個焦煤均屬中等揮發(fā)分煙煤。

2.2.2 鏡質組反射率及煤巖組成

焦煤鏡質組反射率和煤巖組成如表7所示。焦煤鏡質組平均最大反射率區(qū)間為1.2～1.5，焦煤6鏡質組反射率偏高，其它焦煤在區(qū)間內。進口焦煤1是單一煤層煤，進口焦煤2、焦煤3、焦煤4、焦煤6屬簡單混煤，焦煤5為具1個凹口的混煤。焦煤鏡質組含量高，幾乎都在60%以上。

表7 焦煤鏡質組反射率和煤巖組成

2.2.3 熱塑性及黏結性

焦煤工藝性質如表8所示。6個焦煤的G值(黏結指數(shù))較高，最大膠質層厚度Y適中，基氏流動度MF差距不大。進口焦煤的塑性區(qū)間低于國內焦煤10 ℃左右，進口焦煤1的膠質體開始軟化溫度比其他焦煤高出近20 ℃。

表8 焦煤工藝性質

2.2.4 結焦性

焦煤制焦炭顯微組分由各向同性，細粒鑲嵌，粗粒鑲嵌，纖維及片狀，絲炭及破片組成，如表9所示。與肥煤制焦炭相比，顯微組分中出現(xiàn)少量纖維及片狀組織。纖維及片狀組織各向異性程度大，石墨碳層面排列較鑲嵌組織整齊，致密性更高，其機械強度優(yōu)于鑲嵌組織。但與此同時，由于其光學單元尺寸大，溶損反應產生的裂紋很容易擴展貫穿其組織，使其熱性質下降。相比，鑲嵌結構由大量小尺寸致密組織構成，溶損反應產生的裂紋容易走向分叉、終止而很難發(fā)展并貫穿整個組織，所以鑲嵌結構特別是粗粒鑲嵌熱性質優(yōu)于纖維及片狀。經上分析，焦煤制焦炭整體機械強度稍優(yōu)于肥煤制焦炭而熱性質與之相當，可能與焦炭中含有少量纖維及片狀組織有關。

如圖3所示為進口焦煤1的絲炭及破片組織，如圖4所示為焦煤6的粗粒鑲嵌組織。雖然進口焦煤1絲炭及破片含量高，但其尺寸小，均勻地鑲嵌于其他組織之中[10]。對比圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，進口焦煤1的絲炭及破片尺寸明顯比肥煤3小。圖4中焦煤6粗粒鑲嵌組織發(fā)展好，部分已經發(fā)展成纖維結構，其粗粒尺寸明顯大于圖1中肥煤2的粗粒結構。

表9 焦煤單種煤焦炭質量

圖3進口焦煤1絲炭及破片 圖4 焦煤6粗粒鑲嵌組織

2.3 1/3焦煤

2.3.1 工業(yè)分析

1/3焦煤工業(yè)分析如表10所示。4個1/3焦煤都是低硫、中高揮發(fā)分煙煤，1/3焦煤1近似于特低硫煤且屬低灰煤，其他屬中灰煤。

表10 1/3焦煤工業(yè)分析

2.3.2 鏡質組反射率及煤巖組成

1/3焦煤鏡質組反射率和煤巖組成如表11所示。1/3焦煤鏡質組平均最大反射率區(qū)間為0.8～0.9。1/3焦煤3鏡質組變質程度偏高，其他1/3焦

表11 1/3焦煤鏡質組反射率和煤巖組成

煤在區(qū)間上限。方差在0.1～0.2之間，屬簡單混煤。與焦煤和肥煤相比，1/3焦煤鏡質組含量低，穩(wěn)定組含量高。

2.3.3 熱塑性及黏結性

1/3焦煤工藝性質如表12所示。4個1/3焦煤G值，Y值均適中，屬中黏煤。1/3焦煤1的基氏流動度MF最大，塑性區(qū)間最寬，1/3焦煤4基氏流動度MF及塑性區(qū)間均較低。4個1/3焦煤的膠質體開始軟化溫度差距只有3 ℃，非常接近。

表12 1/3焦煤工藝性質

2.3.4 結焦性

1/3焦煤制焦炭含有大量各向同性和細粒鑲嵌。各向同性由無定形碳隨機無規(guī)律排列，微孔大，致密性差，焦炭質量較鑲嵌組織差。又因細粒鑲嵌組織性能不如粗粒鑲嵌組織，1/3焦煤制焦炭機械強度和熱性質整體低于焦肥煤制焦炭。具體如表13所示。

表13 1/3焦煤單種煤焦炭質量

2.4 瘦焦煤及瘦煤

2.4.1 工業(yè)分析

瘦焦煤及瘦煤工業(yè)分析如表14所示。3個瘦焦煤均為低揮發(fā)分煙煤。瘦焦煤1為中硫、低灰煤，瘦焦煤2為特低硫、中高灰煤，瘦煤3為中高硫、中灰煤。

表14 瘦焦煤及瘦煤工業(yè)分析

2.4.2 鏡質組反射率及煤巖組成

瘦焦煤及瘦煤鏡質組反射率和煤巖組成如表15所示。瘦焦煤鏡質組平均最大反射率在1.5～1.7，瘦煤在1.7～1.9。瘦焦煤1和瘦焦煤2鏡質組反射率滿足典型瘦焦煤特征，瘦煤3偏向于貧煤。瘦焦煤1為單一煤層煤，其它屬簡單混煤。瘦焦煤及瘦煤鏡質組含量高于焦煤，是鏡質組含量最高煤種，瘦焦煤2鏡質組含量接近80%。

表15 瘦焦煤及瘦煤鏡質組反射率和煤巖組成

2.4.3 熱塑性及黏結性

瘦焦煤及瘦煤工藝性質如表16所示。2個瘦焦煤性質相近，瘦焦煤2黏結性略好于瘦焦煤1。瘦煤3黏結性接近于貧瘦煤。瘦煤3進行基氏流動度實驗時，膠質體沒有流動性。

表16 瘦焦煤及瘦煤工藝性質

2.4.4 結焦性

與其他煤制焦炭相比，瘦焦煤制焦炭含有大量纖維及片狀組織。根據(jù)上面的分析，纖維及片狀組織機械強度好而熱性質稍差，和瘦焦煤1和瘦焦煤2結焦性吻合。瘦煤3偏貧瘦煤，無法單獨煉焦，沒有結焦性數(shù)據(jù)。具體如表17所示。

表17 瘦焦煤及瘦煤單種煤焦炭質量

3 煉焦煤性能評價

3.1 肥 煤

肥煤膠質體熱塑性和黏結性明顯優(yōu)于其他煤種，在配合煤中的作用是增加膠質體數(shù)量，擴大膠質體的塑性區(qū)間，提高流動度以及增強活性組分對惰性組分的黏結能力。

肥煤1和肥煤2的G值高，塑性區(qū)間適中，單種煤焦炭粗粒鑲嵌組織大于70%，應劃分為A類肥煤[11]。肥煤3單種煤焦炭質量稍差，劃分為B類肥煤。肥煤4單種煤焦炭質量和肥煤3相近，但塑性區(qū)間偏低，劃分為C類肥煤。

3.2 焦 煤

焦煤單種煤焦炭機械強度優(yōu)于其他煤種，熱性質與肥煤相近。

焦煤6在國內焦煤中硫含量較低，G值高，塑性區(qū)間和流動性好，單種煤焦炭粗粒鑲嵌組織大于70%且含大量大尺寸粗粒鑲嵌組織，劃分為A類焦煤。進口焦煤1，進口焦煤2，焦煤5單種煤焦炭質量略低，進口焦煤1和進口焦煤2塑性區(qū)間低，焦煤5硫含量最大，這3個煤種劃為B類焦煤。焦煤3和焦煤4單種煤焦炭熱性質明顯不如其它煤種，劃為C類焦煤。

3.3 1/3 焦煤

1/3焦煤資源豐富，低灰低硫，從資源合理利用角度考慮，應該多配用該類煤種。

1/3焦煤1在同類煤中灰分、硫分較低，塑性區(qū)間和流動性較好，單種煤焦炭細粒鑲嵌組織大于50%，焦炭質量好于其他以各向同性組織為主的1/3焦煤，屬A類1/3焦煤。1/3焦煤2單種煤焦炭質量稍差，劃為B類1/3焦煤。1/3焦煤3單種煤焦炭M40低，1/3焦煤4塑性區(qū)間和流動性差，可劃為C類1/3焦煤。

3.4 瘦焦煤及瘦煤

瘦焦煤和瘦煤黏結性低，瘦煤3的G值只有12，該類煤的配用應綜合考慮配合煤的黏結性能，視情況調節(jié)。

2個瘦焦煤指標相近，瘦焦煤1單種煤焦炭質量優(yōu)于瘦焦煤2，劃為A類瘦焦煤，瘦焦煤2劃為B類瘦焦煤。瘦煤3變質程度高，各項指標均不如瘦焦煤1和瘦焦煤2，劃為C類瘦煤。

4 結束語

(1)該鋼廠煉焦煤灰分偏高，多配1/3焦煤有利于焦炭降灰、降硫，同時由于其煤種黏結性普遍較強，可以多配加瘦焦煤和瘦煤。

(2)優(yōu)質焦肥煤單種煤焦炭顯微組分粗粒鑲嵌組織大于70%，優(yōu)質1/3焦煤應含有大量細粒鑲嵌組織。

(3)基氏流動度大的肥煤產生的氣孔球形度好，應力集中小，焦炭質量好。進口焦煤雖然單種煤焦炭顯微組分中絲炭及破片組織含量高，但由于其尺寸小，分布均勻，焦炭質量也較好。