加熱速度對(duì)焦炭質(zhì)量影響研究

杜慶海 ，王超 ，王旭 ，趙鋒 ，肖澤堅(jiān)

（1.鞍鋼股份有限公司煉焦總廠，遼寧 鞍山114021；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

我國(guó)是煤炭大國(guó)，但煉焦煤資源相對(duì)匱乏，隨著高爐大型化發(fā)展及富氧噴吹等煉鐵技術(shù)的應(yīng)用，高爐對(duì)焦炭質(zhì)量的要求日漸提高，而當(dāng)前配煤煉焦生產(chǎn)的主焦煤配比達(dá)到50%以上，優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源短缺問(wèn)題越發(fā)凸顯，對(duì)配煤煉焦技術(shù)發(fā)展及生產(chǎn)進(jìn)步提出了更高要求［1-5］。根據(jù)煉焦煤成焦特性，提高煉焦煤加熱速度，煤的軟化點(diǎn)和固化點(diǎn)均向高溫側(cè)移動(dòng)，液態(tài)產(chǎn)物增加，膠質(zhì)體塑性溫度范圍加寬、流動(dòng)性改善，奧亞膨脹度顯著提高［6］。利用快速加熱，可以提高弱黏結(jié)性氣煤甚至長(zhǎng)焰煤的黏結(jié)性，從而改善焦炭質(zhì)量，擴(kuò)大煉焦煤資源［7-8］。

為了研究加熱速度對(duì)焦炭質(zhì)量的影響，給配煤煉焦生產(chǎn)提供理論支撐，對(duì)煉焦生產(chǎn)中常用主焦煤進(jìn)行了黏結(jié)性指標(biāo)試驗(yàn)及配合煤300 kg煉焦試驗(yàn)研究，分析了加熱速度對(duì)煤黏結(jié)性及煉焦過(guò)程影響情況。

1 試驗(yàn)方法

根據(jù)生產(chǎn)用單種煤和配合煤情況，進(jìn)行加熱速度變化條件下煤黏結(jié)性試驗(yàn)。通過(guò)進(jìn)行不同加熱速度、降溫速度條件下的配合煤煉焦試驗(yàn)研究，獲得最佳溫度制度。根據(jù)最佳溫度制度進(jìn)行配比優(yōu)化煉焦試驗(yàn)，考察焦炭質(zhì)量變化情況。

依據(jù)GB/T 5450-2014《煙煤奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)》測(cè)定軟化溫度（T1）、開始膨脹溫度（T2）、固化溫度（T3）、最大收縮度（a）、最大膨脹度（b）。 依據(jù) GB/T 479-2000《煙煤膠質(zhì)層指數(shù)測(cè)定方法》測(cè)定煙煤膠質(zhì)層指數(shù)（Y）。參照GB/T 5447-2014《煙煤黏結(jié)指數(shù)測(cè)定方法》測(cè)定來(lái)煤黏結(jié)指數(shù)指標(biāo) （G）。依據(jù)GB/T 2006-2008《焦炭機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)定方法》測(cè)定焦炭機(jī)械強(qiáng)度指標(biāo)抗碎強(qiáng)度（M40）和耐磨強(qiáng)度（M10）。 依據(jù) GB/T 4000-2008《焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度試驗(yàn)方法》測(cè)定焦炭熱態(tài)質(zhì)量指標(biāo)焦炭反應(yīng)性（CRI）和焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度（CSR）。

采用300 kg頂裝試驗(yàn)焦?fàn)t進(jìn)行煉焦試驗(yàn)，加熱方式為電加熱，煉焦終溫為1 020℃，結(jié)焦時(shí)間16 h。

試驗(yàn)所用單種煤取自煉焦總廠，試驗(yàn)用配合煤根據(jù)煉焦生產(chǎn)配煤方案制備得到，嚴(yán)格按照GB 475-2008《商品煤樣人工采取方法》取樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了研究加熱速度對(duì)焦炭質(zhì)量影響情況，進(jìn)行了加熱速度對(duì)煤黏結(jié)性影響、對(duì)煉焦過(guò)程影響研究以及在研究分析結(jié)果基礎(chǔ)上的優(yōu)化配煤試驗(yàn)，具體試驗(yàn)分析結(jié)果如下。

2.1 加熱速度對(duì)煤黏結(jié)性的影響

根據(jù)生產(chǎn)用煤分組情況，取煉焦常用的10種焦煤、5種肥煤、4種瘦焦煤及4個(gè)批次的配合煤樣，在完成工業(yè)分析、全硫、黏結(jié)指數(shù)、膠質(zhì)層厚度、奧亞膨脹度等基礎(chǔ)檢測(cè)指標(biāo)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行改變加熱速度條件下的煉焦煤奧亞膨脹度指標(biāo)試驗(yàn)分析，在奧亞膨脹度測(cè)定升溫速度3℃/min的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行5℃/min和10℃/min的黏結(jié)性試驗(yàn)，考察煤的加熱速度對(duì)黏結(jié)性的影響。不同加熱速度條件下的各焦煤、肥煤、瘦焦煤、配合煤的奧亞膨脹度試驗(yàn)結(jié)果分別如表1、表2、表3、表4所示。

表1 不同加熱速度條件下焦煤奧亞膨脹度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test Results of Audibert-Arnu Dilatation of Coking Coal under Different Heating Rates

表2 不同加熱速度條件下肥煤奧亞膨脹度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test Results of Audibert-Arnu Dilatation of Fat Coal under Different Heating Rates

表3 不同加熱速度條件下瘦焦煤奧亞膨脹度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test Results of Audibert-Arnu Dilatation of Lean Coal under Different Heating Rates

表4 不同加熱速度條件下配合煤奧亞膨脹度試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test Results of Audibert-Arnu Dilatation of Blended Coal under Different Heating

結(jié)合表1～4可以看出：

（1）隨著加熱速度提高，各煤樣奧亞膨脹度的軟化溫度、開始膨脹溫度和固化溫度明顯向高溫側(cè)移動(dòng)，軟化溫度區(qū)間增大，膠質(zhì)體塑性范圍變寬，奧亞膨脹度顯著提高，煉焦煤黏結(jié)性得到改善。

（2）隨著加熱速度提高，焦煤、瘦焦煤的膨脹特性提高幅度明顯大于肥煤，但由于肥煤自身具有良好的膨脹特性，其軟化溫度區(qū)間增大量相對(duì)較大?？梢钥闯?，提高加熱速度可以更好的區(qū)分焦煤、瘦焦煤和配合煤的膨脹特性，但對(duì)肥煤的區(qū)分能力有所降低。因此，在煤質(zhì)分析中可以根據(jù)煤種不同而選用不同升溫速度，以更好的區(qū)別煤種的膨脹特性。

根據(jù)煤的塑性成焦機(jī)理，加熱速度的提高能夠使塑性溫度區(qū)間變寬，改善流動(dòng)性，有利于提高焦炭質(zhì)量。當(dāng)加熱速率較低時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)煉焦煤揮發(fā)分的析出量較少，能夠比較容易的通過(guò)煤顆粒表面的孔隙向外部擴(kuò)散，不會(huì)明顯增加煤顆粒內(nèi)部的壓力，揮發(fā)分氣體對(duì)煤顆粒形狀產(chǎn)生影響較小，因此，煤焦過(guò)程中的煤膨脹程度較小或者不發(fā)生膨脹。但隨著加熱速率的增加，揮發(fā)分產(chǎn)率隨之增大，氣體不能通過(guò)孔隙順利擴(kuò)散出去，從而在煤顆粒內(nèi)部逐漸累積，造成壓力增大，促使煤顆粒發(fā)生膨脹。同時(shí)，加熱速率越高，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體相對(duì)越多，膨脹壓力越大，煤粒的流動(dòng)性也越強(qiáng)，這也將使得最終形成的焦炭裂紋增大，焦炭塊度降低。因此，在配煤煉焦過(guò)程中，焦?fàn)t炭化室高度一定的情況下，寬炭化室焦?fàn)t煉焦速度較慢對(duì)黏結(jié)性較強(qiáng)、膨脹壓力較高的煉焦煤有利。

2.2 加熱速度對(duì)煉焦過(guò)程的影響

在完成加熱速度對(duì)煤黏結(jié)性試驗(yàn)考察基礎(chǔ)上，開展300 kg試驗(yàn)焦?fàn)t煉焦試驗(yàn)，提高配合煤在形成膠質(zhì)體到開始固化期間的加熱速度，研究加熱速度改善煤黏結(jié)性對(duì)煉焦過(guò)程的影響，考察焦炭質(zhì)量變化情況。

根據(jù)成焦機(jī)理，快速加熱對(duì)半焦收縮是不利的，這是因?yàn)樘岣呒訜崴俣仁故湛s速度加快，相鄰層的連接強(qiáng)度加大，從而收縮應(yīng)力大，導(dǎo)致產(chǎn)生的裂紋多，故合理的加熱速度應(yīng)是黏結(jié)階段快，收縮階段慢。本實(shí)驗(yàn)在升溫速度和降溫速度方面設(shè)置如下：基準(zhǔn)煉焦加熱制度為裝爐后3 h降溫至1 000℃，升溫速度10℃，煉焦終溫1 020℃。在基準(zhǔn)煉焦加熱制度基礎(chǔ)上，對(duì)配合煤進(jìn)行先升溫再降溫，最后降溫終溫回到1 020℃的煉焦試驗(yàn)，考察不同升溫速度、升溫終溫、降溫速度條件下煉焦所得焦炭質(zhì)量情況。

試驗(yàn)所用配合煤指標(biāo)如表5所示。

表5 試驗(yàn)用配合煤指標(biāo)Table 5 Indexes of Blended Coal for Testing

制定的各試驗(yàn)方案及所得焦炭質(zhì)量如表6所示。由表6可以看出：

（1）方案1～4主要考察了不同升溫速度對(duì)焦炭質(zhì)量的影響。當(dāng)試驗(yàn)焦?fàn)t煉焦升溫速度提高至15℃/h，與基準(zhǔn)方案相比，對(duì)焦炭的M40、M10及焦炭熱態(tài)強(qiáng)度指標(biāo)CRI、CSR的影響較為明顯。其中，焦炭M40提高1.8個(gè)百分點(diǎn)，M10降低0.5個(gè)百分點(diǎn)，CSR提高1.8個(gè)百分點(diǎn)，CRI降低1.3個(gè)百分點(diǎn)。而當(dāng)試驗(yàn)焦?fàn)t煉焦升溫速度提高至20℃/h、25℃/h后，對(duì)焦炭質(zhì)量影響變小。因此，在一定范圍內(nèi)提高煉焦加熱速度，有助于提高焦炭冷熱態(tài)質(zhì)量。

（2）方案5～8主要考察了不同加熱終溫對(duì)焦炭質(zhì)量的影響。當(dāng)試驗(yàn)焦?fàn)t煉焦升溫速度提高至15℃/h、升溫終溫達(dá)到1 060℃時(shí)，與基準(zhǔn)試驗(yàn)方案相比，焦炭M40提高2個(gè)百分點(diǎn)，M10降低0.6個(gè)百分點(diǎn)，CSR提高2.3個(gè)百分點(diǎn)，CRI降低1.7個(gè)百分點(diǎn)。試驗(yàn)表明，加熱終溫對(duì)焦炭冷、熱態(tài)強(qiáng)度指標(biāo)具有一定影響。

（3）方案9～12主要考察了不同降溫速度對(duì)焦炭質(zhì)量的影響。當(dāng)試驗(yàn)焦?fàn)t煉焦升溫速度提高至15℃/h、升溫終溫達(dá)到1 060℃時(shí)、降溫速度達(dá)到10℃/h，與基準(zhǔn)方案相比，焦炭M40提高4.3個(gè)百分點(diǎn)，M10降低0.8個(gè)百分點(diǎn)，CSR提高4個(gè)百分點(diǎn)，CRI降低2.9個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)條件下的最好水平。

綜合上述結(jié)果可以看出，煉焦加熱速度、升溫終溫、降溫速度等因素對(duì)焦炭質(zhì)量存在較為明顯的影響，其中試驗(yàn)條件下獲得的最佳溫度制度為升溫速度15℃/h、升溫終溫1 060℃、降溫速度10℃/h。

表6 煉焦試驗(yàn)方案及所得焦炭質(zhì)量Table 6 Coking Test Plan and Quality of Coke Produced in Testing

2.3 最佳溫度制度在提高弱黏煤配煤方面的應(yīng)用

采用最佳溫度制度，通過(guò)配比調(diào)整，增加弱黏結(jié)性1/3焦煤用量，降低強(qiáng)黏結(jié)性肥煤配入量，考察焦炭質(zhì)量變化情況。配煤煉焦試驗(yàn)方案如表7所示，配煤質(zhì)量及所得焦炭質(zhì)量結(jié)果如表8所示。

由表7、8中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，調(diào)整配煤比例，1/3焦煤配比提高3個(gè)百分點(diǎn)，肥煤配比降低3個(gè)百分點(diǎn)，即方案2#，焦炭M40提高1.7個(gè)百分點(diǎn)，M10下降0.1個(gè)百分點(diǎn)，焦炭熱態(tài)指標(biāo)基本穩(wěn)定；調(diào)整配煤比例，1/3焦煤配比提高加5個(gè)百分點(diǎn)，肥煤配比降低5個(gè)百分點(diǎn)，焦炭強(qiáng)度指標(biāo)整體出現(xiàn)明顯降低。因此，在保證焦炭質(zhì)量的基礎(chǔ)上，根據(jù)最佳試驗(yàn)升溫方案，提高弱黏結(jié)性1/3焦煤配比提高3%的用量，能夠達(dá)到焦炭質(zhì)量提升、節(jié)約優(yōu)質(zhì)主焦煤用量的效果。

表7 配煤煉焦試驗(yàn)方案Table 7 Test Plan of Blended Coal for Coking

表8 配煤質(zhì)量及所得焦炭質(zhì)量Table 8 Blended Coal Quality and Quality of Coke Produced in Testing

以煉焦產(chǎn)能730萬(wàn)t計(jì)算，年消耗洗精煤約1 000萬(wàn)t，如在配煤煉焦生產(chǎn)中進(jìn)行此技術(shù)的應(yīng)用，按1/3焦煤配比增加3%，肥煤配比減少3%，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)年降本增效1 000萬(wàn)元以上。因此，提高煤加熱速度能夠增加一定量的弱黏結(jié)性煉焦煤用量，同時(shí)有利于焦炭質(zhì)量提高，此外還能節(jié)約優(yōu)質(zhì)主焦煤用量，具有一定的降本提質(zhì)及資源保護(hù)效果。

3 結(jié)論

為研究煉焦加熱速度對(duì)焦炭質(zhì)量影響，給配煤煉焦生產(chǎn)提供技術(shù)支撐，進(jìn)行了煉焦加熱速度對(duì)焦炭質(zhì)量影響試驗(yàn)，分析了加熱速度對(duì)煉焦煤黏結(jié)性影響以及煉焦過(guò)程加熱速度、升溫終溫、降溫速度等因素對(duì)焦炭質(zhì)量的影響，得出最佳溫度制度，用于提高弱粘煤配比的試驗(yàn)后得到如下結(jié)果：

（1）提高煉焦加熱速度，各煤樣奧亞膨脹度的軟化溫度、開始膨脹溫度和固化溫度均呈上升趨勢(shì)，各指標(biāo)明顯向高溫側(cè)移動(dòng)，軟化溫度區(qū)間增大，膠質(zhì)體塑性范圍變寬，奧亞膨脹度顯著提高，煤的黏結(jié)性隨升溫速度的提升明顯改善，其中瘦焦煤和焦煤的提升幅度明顯大于肥煤。

（2）提高煤的加熱速度，有利于提高焦炭質(zhì)量。在試驗(yàn)用煤條件下，得到最佳溫度制度：煉焦升溫速度為15℃/h、升溫終溫為1 060℃時(shí)、降溫速度為10℃/h。在此條件下，焦炭M40提高了4.3個(gè)百分點(diǎn)，M10降低了了0.8個(gè)百分點(diǎn)，CSR提高了4個(gè)百分點(diǎn)，CRI降低了2.9個(gè)百分點(diǎn)。

（3）最佳溫度制度用于弱黏結(jié)性煉焦煤配比試驗(yàn)時(shí)，能夠增加弱黏結(jié)性1/3焦煤用量3個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)焦炭質(zhì)量穩(wěn)定向好。