煤的鏡質(zhì)組反射率及其分布圖在配煤煉焦中的應(yīng)用

供稿|隋月斯，王剛，劉波 / SUI Yue-si, WANG Gang, LIU Bo

內(nèi)容導(dǎo)讀

利用煤巖原理及技術(shù)指導(dǎo)配煤煉焦越來越受到焦化企業(yè)的關(guān)注和認可。相較于傳統(tǒng)煤質(zhì)分析方法，在對入廠單種煤來煤混配情況判別上，煤的鏡質(zhì)組反射率及其分布圖分析方法具有更加直觀、高效、快速等優(yōu)點，可以更好的監(jiān)控和管理來煤質(zhì)量。通過鏡質(zhì)組反射率分布圖方法還可以針對焦炭質(zhì)量下降的配煤方案進行優(yōu)化、調(diào)整配比，配煤方案的反射率分布圖凹口越少、越接近正態(tài)分布，焦炭質(zhì)量可以得到提高，優(yōu)化后的方案2#比方案1#的CSR提高5.35%。在保證焦炭質(zhì)量的前提下，各煤種的反射率分布圖重疊良好，適當降低分布圖中心高度，可以多配入瘦煤和三分之一焦煤，降低焦、肥煤比例，從而降低配煤煉焦成本。

為了滿足高爐大型化及強化冶煉對焦炭質(zhì)量越來越高的要求，很多焦化廠需要配入更多的優(yōu)質(zhì)煉焦煤，而優(yōu)質(zhì)煉焦煤屬于稀缺資源，成本居高不下。為了緩解煉焦成本與優(yōu)質(zhì)煉焦煤供應(yīng)日趨緊張的矛盾，焦化廠一方面需要不斷優(yōu)化、升級煉焦工藝，另一方面則需深入研究煉焦煤特性，使優(yōu)質(zhì)煉焦煤利用效率最大化。由于煤的多樣性及成因復(fù)雜性，造成了煤在使用過程中表現(xiàn)出的性質(zhì)千差萬別，煤巖分析方法針對煤的微觀結(jié)構(gòu)和組成，可以非常有效地控制來煤質(zhì)量和分析、指導(dǎo)配煤煉焦。焦炭質(zhì)量與其顯微結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，決定焦炭顯微結(jié)構(gòu)的主要是煤的內(nèi)在因素、變質(zhì)程度和煤巖組成，還有加工條件[1]。煤的鏡質(zhì)組反射率和顯微組成是決定煤性質(zhì)的內(nèi)因，而焦化生產(chǎn)中評價煤質(zhì)的主要指標僅為煤性質(zhì)的外在表征[2]。煤的鏡質(zhì)組反射率，其測定結(jié)果中平均最大反射率Rmax是 目前國際上公認標志煤的變質(zhì)程度最佳的一個指標[3]。平均最大反射率Rmax越大，對應(yīng)煤變質(zhì)程度越高。煤的鏡質(zhì)組反射率分布圖可以通過反射率在不同區(qū)間的頻度分布來更全面、直觀地表征煉焦煤結(jié)焦性質(zhì)，配合煤中不同單種煤的鏡質(zhì)組反射率分布范圍重疊程度越合理，分布圖表現(xiàn)越平滑、越趨近于正態(tài)分布，煤種間在高溫反應(yīng)時適配性就越好，配煤效果以及焦炭質(zhì)量越好[4-6]。

實驗方法

實驗原料

實驗煤樣分為單種煤和配合煤，均采自焦化廠實際生產(chǎn)用煤。

煤的鏡質(zhì)組反射率及其分布圖測定

采用GB/T 6948—2008煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測定方法測定，設(shè)備為德國蔡司全自動煤巖檢測儀。煤的鑒定采用GB/T 15591—2013商品煤混煤類型的判別方法。

焦炭熱強度測定

采用40 kg小焦爐實驗，焦餅中心溫度1020℃，裝煤爐墻溫度800℃，出焦爐墻溫度1050℃，結(jié)焦時間20 h。焦炭熱強度采用GB/T 4000—2008焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強度試驗方法測定。

實驗結(jié)果及分析

來煤質(zhì)量控制

來煤質(zhì)量，即單種煤的質(zhì)量是配煤煉焦的基礎(chǔ)，配煤方案的有效實施是建立在單種煤性質(zhì)確定的前提下，一旦單種煤煤質(zhì)失真，則起不到在配煤煉焦中所應(yīng)該起的作用，造成配煤方案偏離。有的洗煤廠或供煤企業(yè)在供應(yīng)單種煤時為了追求利潤，將多種低廉煤混配后作為單種煤出售，在對這種來煤進行傳統(tǒng)工藝指標檢測時，檢測結(jié)果變化不大不易發(fā)現(xiàn)混配問題?；蛘咄婚_采礦區(qū)，開采到不同變質(zhì)程度煤層時不加以區(qū)分混合導(dǎo)致煤質(zhì)波動情況出現(xiàn)。因此，焦化廠必須建立來煤質(zhì)量管控機制以保證配煤方案的行之有效和焦炭質(zhì)量穩(wěn)定。

對于同一煤種不同煤組，有的來煤是國礦或進口，其煤質(zhì)比較穩(wěn)定。有的來煤是地礦，需要關(guān)注其反射率的波動及分布圖是否出現(xiàn)凹口情況。在實際生產(chǎn)監(jiān)控過程中，有的焦煤，比如進口焦煤的Rmax數(shù)值穩(wěn)定、方差小，對應(yīng)分布圖變化很小，判定為單一煤層煤，其性質(zhì)穩(wěn)定，見圖1(每個月取1個試樣，圖1為3個月試樣的分布圖)和表1(煤鏡質(zhì)組反射率測定表)。然而，有的焦煤煤質(zhì)出現(xiàn)波動時，用傳統(tǒng)的工藝指標檢測時不易察覺，通過分析其鏡質(zhì)組分布圖則能明顯看出，見圖2(每個月取1個試樣，圖示為3個月試樣的分布圖)、表1、表2(焦一焦煤3個試樣對應(yīng)工藝指標表)和表3(焦一焦煤3個試樣對應(yīng)反射率區(qū)間統(tǒng)計表)。其中反射率分布圖橫坐標為反射率R，縱坐標為出現(xiàn)頻度 f。

圖1 進口焦煤鏡質(zhì)組反射率分布圖

表1 煤鏡質(zhì)組反射率測定表

圖2 焦一組焦煤鏡質(zhì)組反射率分布圖

由表1、圖2和表3可以看出，在對焦煤一組煤的檢測過程中，傳統(tǒng)煤質(zhì)工藝指標變化不明顯。對應(yīng)Rmax的波動不大，但是從鏡質(zhì)組反射率分布圖可以看出有明顯變化。焦一煤是按單種煤配煤，通過鏡質(zhì)組反射率測定后，焦一1#與焦一2#試樣判定為帶1個凹口的混煤，其中焦一1#與焦一2#凹口均出現(xiàn)在1.4～1.5區(qū)間，主峰值在1.2～1.4間，次峰值出現(xiàn)在1.5～1.6間，方差分別為0.145和0.144，這有可能是由變質(zhì)程度相近的煤混配而成，1.4～1.5區(qū)間屬于主焦煤區(qū)間，煤在此區(qū)間分布比例有所減少，容易對焦炭質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。焦一1#煤樣含有部分高變質(zhì)程度煤(反射率在1.7～1.9間)。使用焦一1#或焦一2#煤在配煤過程中會造成主焦煤區(qū)間分布減少、高變質(zhì)程度區(qū)域有所增加的影響，如果其他煤種在此凹口區(qū)域沒有互補則可以造成配合煤鏡質(zhì)組反射率分布圖出現(xiàn)凹口情況，進而影響焦炭質(zhì)量，這需要引起足夠關(guān)注，并結(jié)合配合煤的反射率分布圖加以監(jiān)督和管控。焦一3#試樣則恢復(fù)正常，方差與類型判別均與煤種煤組歸類條件符合。采用煤的鏡質(zhì)組反射率及其分布圖分析方法具有傳統(tǒng)煤質(zhì)分析方法無法比擬的優(yōu)勢，能夠高效、快速的分辨來煤混配情況。

配煤方案分析及完善

針對實際產(chǎn)生中焦炭質(zhì)量出現(xiàn)波動的狀況，可以通過煤巖方法對配煤方案進行分析，結(jié)合40 kg小焦爐實驗重新完善方案配比，提高并穩(wěn)定焦炭質(zhì)量。方案1#是對應(yīng)焦炭質(zhì)量出現(xiàn)下降時的配煤比例，方案2#是利用煤巖原理進行優(yōu)化的配煤比例，對應(yīng)的鏡質(zhì)組反射率及分布圖見圖3、圖4，鏡質(zhì)組反射率測定指標見表4，不同方案的反射率區(qū)間統(tǒng)計見表5。

由煤巖原理可知，煤在高溫縮聚結(jié)焦過程中，不同單種煤的膠質(zhì)體溫度區(qū)間不同，經(jīng)過混合配煤后的鏡質(zhì)組反射率分布圖的凹口越少，圖形疊加越平滑；分布直方圖越接近正態(tài)分布，則膠質(zhì)體溫度區(qū)間連續(xù)、重合狀況越好。加大煤顆粒之間的接觸時間，反應(yīng)界面生成更加良好，最終焦炭質(zhì)量越高。從圖3可以看出原配煤方案1#出現(xiàn)較大凹口，破壞了分布圖連續(xù)性，有兩個主峰，峰值分別在0.9～1.2和1.5～1.7區(qū)間，凹口在1.2～1.5區(qū)間，凹口位置正好是主焦煤區(qū)域，會降低配煤結(jié)焦性。在煉焦過程中出現(xiàn)凹口膠質(zhì)體溫度區(qū)間不連續(xù)、煤粒成焦界面結(jié)合不好，容易產(chǎn)生較大裂紋，這些都是造成焦炭質(zhì)量下降主要原因。方案2#是通過嚴格監(jiān)測入廠單種煤混配程度，確保單種煤質(zhì)量，同時提高主焦煤區(qū)域煤種比例，適當降低高變質(zhì)程度煤種比例，使分布圖接近正態(tài)分布，對應(yīng)的的分布圖見圖4，40 kg實驗焦爐實驗測定結(jié)果見表6。方案2#對比方案1#，焦炭的冷、熱強度均有明顯提升，M40提高2.31%，焦炭反應(yīng)后強度CSR提高5.35%。

表2 焦一組焦煤對應(yīng)工藝指標

表3 反射率區(qū)間統(tǒng)計表

圖3 1#配合煤鏡質(zhì)組反射率分布圖

圖4 2#配合煤鏡質(zhì)組反射率分布圖

表4 鏡質(zhì)組反射率測定表

降低配煤成本方案研究

方案2#焦炭質(zhì)量雖然得到有效提高，但是需要多配入主焦煤，主焦煤屬于稀缺煤種，與肥煤價格都較高，這就會增加配煤成本。為此，在保證焦炭質(zhì)量的前提下，按照鏡質(zhì)組反射率分布圖各煤種疊加充分、不出現(xiàn)較大凹口、盡量呈正態(tài)分布的原則，擬調(diào)整配煤比例，適當提高價格偏低的三分之一焦煤和瘦煤的配入比例，并進行40 kg實驗焦爐試驗。各方案對應(yīng)分布圖見圖5～圖8，不同方案的反射率區(qū)間統(tǒng)計見表5，焦炭質(zhì)量檢測結(jié)果見表6，配合煤工藝指標見表7。

表5 五個方案的反射率區(qū)間統(tǒng)計表

表6 焦炭冷、熱強度對比表

圖5 3#配合煤鏡質(zhì)組反射率分布圖

圖6 4#配合煤鏡質(zhì)組反射率分布圖

圖7 5#配合煤鏡質(zhì)組反射率分布圖

圖8 6#配合煤鏡質(zhì)組反射率分布圖

方案3#是在方案2#的基礎(chǔ)上保持肥煤比例不變，降低主焦煤(1.2～1.5區(qū)間)配入量，適當配入瘦焦煤(1.5～1.7區(qū)間)，并增加三分之一焦煤(0.8～1.2區(qū)間)，圖形接近正態(tài)分布，Rmax為1.316，比方案2#增加0.039，從煤質(zhì)分析上可以看到方案3#的G值變化不大，Y值有所減少，表明隨著三分之一焦煤和瘦焦煤比例提高，膠質(zhì)體含量有所下降，焦炭熱強度CSR對比方案2#有所增加。

方案4#是在方案2#的基礎(chǔ)上保持焦煤比例不變，降低肥煤比例，提高了瘦煤(1.7～2.0區(qū)間)和三分之一焦煤比例，圖形接近正態(tài)分布，Rmax為1.426，比方案2#增加0.149，總體平均變質(zhì)程度有所增加，G值升高，Y值有所減少，CSR在五組配比中最好，比方案2#提高了3.87%。

方案5#、方案6#都是在方案3#、方案4#的基礎(chǔ)上，進一步提高瘦煤、三分之一焦煤比例，降低焦、肥煤比例，并且保證分布圖各煤種重疊良好，不出現(xiàn)較大凹口，方案6#的焦煤煤組煤比方案5#焦煤偏瘦。由于降低了中變質(zhì)程度的主焦煤配入比例，鏡質(zhì)組反射率分布圖中心高度也隨之降低，方案5#、方案6#的Rmax分別為1.415、1.404，均高于方案2#的Rmax，總體平均變質(zhì)程度有所增加。對比方案2#，方案5#、方案6#的G值有所降低，Y值減少，CSR分別為57.02%和56.44%，雖然沒有方案4#高，但均比方案2#高，這說明進一步提高瘦煤和三分之一焦煤比例的方案5#和方案6#，充分利用了焦煤、肥煤的優(yōu)質(zhì)結(jié)焦性和黏結(jié)性，在結(jié)焦過程中煤種間適配性良好，反應(yīng)完全，界面結(jié)合情況較好，仍然可以得到較好的焦炭質(zhì)量。因此，借助鏡質(zhì)組反射率分布圖優(yōu)化配煤方法、參照工藝指標，可以在保證焦炭質(zhì)量的前提下達到降低焦肥煤比例的目的。

表7 配合煤工藝指標

結(jié)束語

(1) 煤的鏡質(zhì)組反射率及分布圖分析方法在分辨單種煤來煤混配情況上比傳統(tǒng)工藝煤質(zhì)分析方法更加有高效、快速，Rmax變 化不大時不能判別煤種是否出現(xiàn)凹口變化，還需要通過反射率分布圖進一步判別混配程度。

(2) 通過對焦炭質(zhì)量下降的方案1#進行鏡質(zhì)組反射率分布圖方法優(yōu)化、調(diào)整配比，反射率分布圖回補凹口、接近正態(tài)分布，使焦炭質(zhì)量得到提高，方案2#比方案1#CSR提高5.35%。

(3) 借助鏡質(zhì)組反射率分布圖優(yōu)化配煤方法，按照反射率分布圖各煤種重疊良好，不出現(xiàn)較大凹口，適當降低分布圖中心高度等原則，可以在保證焦炭質(zhì)量的前提下，多配入瘦煤和三分之一焦煤，降低焦、肥煤比例，降低配煤成本。