原料煤性質對焦炭質量影響因素的分析與研究

張文成 張小勇 鄭明東

(1.安徽工業(yè)大學冶金學院，安徽省馬鞍山市，243002；2.寶鋼股份研究院梅鋼技術中心，江蘇省南京市，210039；3.安徽工業(yè)大學化學與化工學院，安徽省馬鞍山市，243002)

1 引言

煤中惰性物含量和變質程度是可以較為精確地反映煉焦煤性質的兩個指標，在實際應用中存在惰性物含量和變質程度相近而煉焦中起顯著不同作用的煉焦煤，研究認為尚應存在第三種成因因素。

周師庸從煤的容惰能力及熒光性進行了探討，認為容惰能力是可能的第三種因素；沈寓韜等研究人員研究了煤樣的鏡質組平均最大反射率和煤巖顯微組分對焦炭冷強度和熱穩(wěn)定性指標的影響；王翠萍等研究人員分析了鏡質組平均最大反射率Rmax和反射率分布直方圖，考察了反射率分布圖的范圍與形狀跟焦炭強度M25的關系；張文成等研究人員為了評價混煤等因素造成單種煤質量差異較大的問題，應用煤巖學觀點提出了微強粘比的概念，從微觀角度反映了煉焦配煤最為關注的強粘結煤比例，為傳統(tǒng)單種煤評價方法提供了有益的補充，同時該指標與焦炭反應性和反應后強度之間有著良好的相關關系，可作為影響焦炭質量的關鍵參數(shù)指導煉焦配煤生產；張代林等研究人員通過分析13種不同變質程度單種煤的煤巖性質以及對應的試驗焦爐所煉焦炭的性質，結果表明焦炭光學組織指數(shù)(OTI)與單種煤鏡質組平均最大反射率存在正相關線性關系；季斌等研究人員通過研究氣煤對配合煤煉制焦炭質量影響規(guī)律；胡德生等研究人員研究了寶鋼用煤的粘結性參數(shù)(MG)來表征單種煤粘結性，MG是由粘結指數(shù)G和基氏最大流動度MF構筑而成的，研究認為MG是影響CSR的首要因素；田英奇基于煤巖配煤原理，選擇鏡質組最大反射率和鏡質組反射率分布圖作為指導優(yōu)化配煤的兩個參數(shù)，采用調配不同變質程度的肥煤及添加粘結劑和瘦化劑方法調控配煤煉焦過程，結果表明配合煤的鏡質組最大反射率與反射率分布圖是優(yōu)化配煤方案的有效調控參數(shù)；么秋香等研究人員選取配合煤的主要煤質參數(shù)，即揮發(fā)分Vdaf、粘結指數(shù)G、鏡質組最大反射率Rmax和惰性組分含量I等因素為自變量，應用SPSS軟件的多元線性逐步回歸方法建立了焦炭的強度預測模型，預測和控制焦炭質量；魏江紅等研究人員應用線性回歸法預測焦炭強度；趙樹果等研究人員采用人工神經網(wǎng)絡建立了煉焦配煤質量預測模型。

綜上所述，對單種煤的煉焦特性主要受到變質程度和粘結性能影響受到普遍認可，并且不同研究者通過煤巖組分及粘結性能的拓展，進一步擴展了煉焦性質的影響因素，但仍缺乏普遍適用的規(guī)律。本文在變質程度和粘結性能兩類指標的基礎上增加了催化指數(shù)和粘結指數(shù)，探討其對煉焦性能的影響趨勢。

2 試驗材料及試驗方法

2.1 試驗樣品

單種煤的27個樣品分別來自山西、河南、安徽和澳大利亞，包括氣煤(QM)和肥煤(FM)各7個、焦煤(JM)9個和1/3焦煤(SJ)4個，單種煤的基礎數(shù)據(jù)見表1。

表1 單種煤的基礎數(shù)據(jù)

2.2 試驗方法

煤中全硫測定參照標準《煤中全硫測定》(GB/T 25214-2010)，焦炭全硫含量的測定方法參照國標《焦炭全硫含量的測定方法》(GB/T 2286-2008)。煉焦試驗采用70 kg試驗焦爐進行試驗，結焦時間18 h，采用氮氣干熄焦。試驗焦爐(SCO)的試驗條件見表2。

表2 小焦爐試驗條件

3 試驗結果與討論

3.1 單種煤變質程度對煉焦性能的影響

煤變質程度是決定焦炭強度的主要指標，表征單種煤變質程度的主要指標是煤的揮發(fā)分和煤巖反射率。單種煤反射率與單種焦炭熱強度的關系如圖1所示，單種煤揮發(fā)分Vdaf與焦炭CSR的關系如圖2所示。

圖1 單種煤反射率與單種焦炭熱強度的關系

由圖1可以看出，單種焦炭的CSR總體上隨著反射率的增加而增加，從煤分類看，反射率在1.2%～1.5%的焦煤類最高，反射率在0.6%～0.8%的氣煤類最低，反射率在0.9%～1.2%之間的肥煤和1/3焦煤居中。

由圖2可以看出，單種焦炭的CSR總體上隨著揮發(fā)分的增加而降低，從煤的分類上來看，在焦煤和肥煤來內部也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，低揮發(fā)分的焦煤得到的單種焦炭CSR最高。

圖2 單種煤揮發(fā)分與單種焦炭熱強度的關系

3.2 單種煤粘結性對煉焦性能的影響

粘結指數(shù)是表征煉焦煤的容惰能力，煉焦過程是煉焦煤軟化熔融過程，較高的焦炭強度需要適中的容惰性能；基氏流動度是反映煤在干餾時形成膠質體的粘度和流動性，煉焦過程需要一定的流動距離充分融合，因此適度的流動性至關重要。單種煤粘結特性指標一般以粘結指數(shù)G和基氏流動度LGMF來表征，分別就這2個指標對焦炭熱強度的影響進行討論，單種煤粘結指數(shù)與單種焦炭熱強度的關系如圖3所示，單種煤基氏流動度與單種焦炭熱強度的關系如圖4所示。

由圖3可以看出，單種焦炭CSR總體上與煤的粘結指數(shù)關系不明顯，從煤分類看，粘結指數(shù)在80%～90%的焦煤最高，且隨著粘結指數(shù)增加焦炭的CSR也跟著增加；粘結指數(shù)在90%～98%的肥煤類則隨著粘結指數(shù)的增加焦炭的CSR降低。

由圖4可以看出，基氏流動度在2.0～3.0的范圍內的焦煤的單種焦炭CSR較高，同樣在此范圍的氣煤類則單種焦炭CSR較低。

圖3 單種煤粘結指數(shù)與單種焦炭熱強度的關系

圖4 單種煤基氏流動度與單種焦炭熱強度的關系

3.3 焦炭強度兩因素預測模型研究

3.3.1 揮發(fā)分和粘結指數(shù)(Vdaf-G)模型

根據(jù)27種單種煤的煉焦質量數(shù)據(jù)，以揮發(fā)分和粘結指數(shù)作為變量，以單種焦炭CSR作為預測目標值，單種焦炭CSR與粘結指數(shù)和揮發(fā)分的等值線如圖5所示。

圖5 單種焦炭CSR與粘結指數(shù)和揮發(fā)分的等值線

由圖5可以看出，在等值線圖中顏色越深則強度越高，高強度焦炭集中在單種煤揮發(fā)分在20%～26%且粘結指數(shù)在82～88的范圍內，低強度焦炭則為揮發(fā)分大于34%，粘結指數(shù)小于86的范圍內。以粘結指數(shù)和揮發(fā)分的預測模型為CSR= 38.5 + 0.670×單種煤粘結指數(shù)G-1.568×單種煤揮發(fā)分(其中G在80～96之間，Vdaf在20～38之間)，相關系數(shù)為74.70%。

3.3.2 反射率和基氏流動度(R-LGMF)模型

根據(jù)27種單種煤的煉焦質量數(shù)據(jù)，以反射率和基氏流動度作為變量，以單種焦炭CSR作為預測目標值，得到的等值線圖如圖6所示。

圖6 單種焦炭CSR與基氏流動度和反射率的等值線圖

由圖6可以看出，大于60%的高強度焦炭集中在單種煤反射率在1.2%～1.4%且基氏流動度在2.0～3.0的范圍內，低強度焦炭則為反射率低于0.8%的范圍內。以基氏流動度和反射率的預測模型為CSR= 8.81 + 36.54×單種煤反射率R +單種煤基氏流動LGMF(其中R在0.7～1.5之間，LGMF在1.2～4.0之間)，相關系數(shù)R-sq為66.35%。

3.4 單種煤其它因素影響

3.4.1 催化指數(shù)的影響

煤的灰成分中含有堿金屬、堿土金屬及硅、鋁等化合物，會對焦炭的反應性及反應后強度產生不同程度的影響。單種煤的催化指數(shù)對焦炭CSR的影響如圖7所示。

由圖7可以看出，總體來看單種煤的催化指數(shù)增加使單種焦炭CSR降低，若按煤種的分類同樣存在催化指數(shù)增加焦炭CSR降低的趨勢，如肥煤類催化指數(shù)從1.5%～5.1%的較大范圍內，焦炭CSR從60%降低到50%。單種煤的灰成分催化指數(shù)對焦炭CSR的影響，是由于堿金屬和堿土金屬對CO2反應性的催化作用以及SiO2、Al2O3、P2O5對CO2反應性的抑制作用造成的。

圖7 單種煤催化指數(shù)與焦炭CSR的關系

3.4.2 微強粘比的影響

微強粘比(WQN)是指煤的鏡質組最大反射率分布圖中在0.9%～1.5%范圍所占的比例，微強粘比與焦炭CSR的關系如圖8所示。

由圖8可以看出，總體來看單種煤的微強粘比增加則單種焦炭CSR增加。若按煤分類同樣存在微強粘比增加焦炭CSR增加的趨勢，如對于肥煤類微強粘比從60%增加到80%，則焦炭CSR從40%增加到55%。微強粘比與焦炭CSR的對應關系是由于微強粘指標是截取了對焦炭質量影響較大的鏡質組比例，是中等變質程度焦煤的比例，因此其比例增加焦炭質量提高。

圖8 單種煤微強粘比與焦炭CSR的關系

3.5 多因素預測模型的研究

根據(jù)上述煉焦煤對焦炭熱強度影響的分析，可見其影響因素復雜，受到多個指標的影響，除了粘結性指標和變質程度指標以外，還應考慮催化指數(shù)和微強粘比?；趯?7種單種煤的試驗，采用微強粘比WQN、鏡質組最大反射率R、揮發(fā)分Vdaf、基氏流動度LGMF、膠質層最大厚度Y、粘結指數(shù)G、催化指數(shù)MCI和灰分Ad這8個指標利用最佳子集逐步回歸，得到的結果見表3。

表3 最佳子集回歸數(shù)據(jù)表

由表3可以看出，若為單變量預測以WQN最佳，R次之；若為2變量預測以WQN和R最佳，WQN和Vdaf次之；若為3變量預測以WQN、R和Vdaf最佳，以WQN、R和LGMF次之；若為4變量預測以WQN、R、LGMF和MCI最佳，以WQN、R、LGMF和Ad次之；若為5變量預測以WQN、R、LGMF、MCI和Ad最佳，WQN、R、LGMF、MCI和G次之；以此類推，直至8個變量全部用上。隨著變量的增加，相關系數(shù)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在2～4個變量時，相關系數(shù)最大，達到0.71以上，精確度Cp較小且標準差S較小?；貧w分析可知，焦炭強度CSR的預測以2～4個變量為宜。

由于煉焦配煤理論上涉及粘結性能、變質程度及雜質等多種因素，因此認為預測變量不應少于3個，結合回歸分析結果，預測變量3個和4個最佳。分別選取3個和4個指標進行回歸分析，得到的焦炭CSR預測模型見表4。

表4 焦炭CSR預測模型

由表4可以看出，選用4個模型進行預測的相關系數(shù)相近，推薦采用4個參數(shù)，即WQN、R、LGMF和MCI進行預測，可以充分考慮到雜質對焦炭質量的影響。

4 結論

(1)煉焦煤的指標中變質程度明顯影響焦炭熱強度，單種焦炭CSR總體上隨著揮發(fā)分的增加而降低；適度的粘結性能是煉制優(yōu)質焦炭的基礎，LGMF在2.0～3.0的范圍內的焦煤的單種焦炭CSR較高。

(2)高強度焦炭集中在單種煤揮發(fā)分在20%～26%且粘結指數(shù)在82～88的范圍內，低強度焦炭則為揮發(fā)分大于34%，粘結指數(shù)小于86的范圍內。以粘結指數(shù)和揮發(fā)分的預測模型相關系數(shù)較低，為R-sq為74.70%。高強度焦炭集中在單種煤反射率在1.2%～1.4%且基氏流動度在2.0～3.0的范圍內，低強度焦炭則為反射率低于0.8%的范圍內。以基氏流動度和反射率的預測模型相關系數(shù)更低，為R-sq為66.35%。

(3)單種煤的催化指數(shù)增加使單種焦炭CSR降低，若按煤分類同樣存在催化指數(shù)增加焦炭CSR降低的趨勢，單種煤的灰成分催化指數(shù)對焦炭CSR的影響是由于堿金屬和堿土金屬對CO2反應性的催化作用以及SiO2、Al2O3、P2O5對CO2反應性的抑制作用造成的。

(4)總體來看，單種煤的微強粘比增加則單種焦炭CSR增加，若按煤種分類，同樣存在微強粘比增加焦炭CSR增加的趨勢，如對于肥煤類微強粘從60%增加到80%，則焦炭CSR從40%增加到55%。微強粘比之所以與焦炭CSR的對應關系是由于微強粘指標是截取了對焦炭質量影響較大的鏡質組比例，是中等變質程度焦煤的比例，因此其比例增加焦炭質量提高。

(5)除了粘結性指標(包括G和LGMF)和變質程度指標(包括R和Vdaf)以外，另外考慮催化指數(shù)和微強粘比，選取以上4類指標進行回歸分析，得到采用煤分類預測優(yōu)于全部整體預測，以采用指標WQN、R、LGMF和MCI進行預測，充分考慮到雜質對焦炭質量的影響。