不同粒級(jí)的焦煤和肥煤其性質(zhì)研究

＊張代林 宋巧 錢虎林 張?jiān)鎏m 徐靖 王帥 張小勇

（1.安徽工業(yè)大學(xué)煤清潔轉(zhuǎn)化與高值化利用安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽 243032 2.馬鋼煉焦總廠 安徽 243000）

隨著鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展，高爐大型化和富氧噴吹煤粉技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，以及高爐精料方針的提出[1]，對(duì)焦炭的質(zhì)量尤其是焦炭的熱性質(zhì)有著更高的要求[2]。影響焦炭質(zhì)量的因素主要包括煉焦煤性質(zhì)、煉焦工藝技術(shù)和入爐煤的預(yù)處理等方面。在優(yōu)質(zhì)煉焦煤日益減少的情況下，提高煉焦工藝技術(shù)是穩(wěn)定焦炭質(zhì)量的重要措施之一。當(dāng)前全球焦化企業(yè)采用比較先進(jìn)煉焦工藝有干法熄焦、搗固煉焦、配型煤工藝技術(shù)以及煤調(diào)濕（CMC）技術(shù)，主要從裝爐煤水分、裝爐煤粒度、裝爐煤細(xì)度、裝爐煤堆密度、熄焦方式以及煉焦時(shí)間等方面來提高焦炭質(zhì)量[3-5]。

煉焦煤各單種煤的粉碎粒級(jí)不僅影響裝爐煤的堆密度，而且由于變質(zhì)程度、成煤年代等不同，使各單種煤的可磨性不同，對(duì)入爐煤的細(xì)度產(chǎn)生影響，而入爐煤的細(xì)度對(duì)焦炭的產(chǎn)量和強(qiáng)度影響較大[6]。對(duì)于采用先配后粉配煤工藝來說，調(diào)節(jié)單種煤粒級(jí)及粒級(jí)分布，科學(xué)控制好配合煤細(xì)度就顯得尤為重要[7]。單種煤粉碎后，惰質(zhì)組硬度大，脆度小，主要富集在粗顆粒中，鏡質(zhì)組硬度小，脆度大，破碎后主要富集在細(xì)顆粒中[8]。從煤巖分析角度看，鏡質(zhì)組在熱解過程中會(huì)軟化熔融，產(chǎn)生不揮發(fā)性液相物質(zhì)和揮發(fā)性氣相物質(zhì)。具有黏結(jié)性的不揮發(fā)性的液相物質(zhì)，黏結(jié)其他的惰性物料生產(chǎn)焦炭，揮發(fā)性的氣相物質(zhì)在成焦后形成焦炭的氣孔。鏡質(zhì)組粉碎過細(xì)會(huì)使液相產(chǎn)物減少，軟化熔融過程中氣相產(chǎn)物較易逸出，降低煤粒之間的黏結(jié)能力[9]。惰質(zhì)組在熱解過程中，不生成膠質(zhì)體，又沒有黏結(jié)性，表面會(huì)吸附具有黏結(jié)性的液相物質(zhì)。當(dāng)惰質(zhì)組粒度較大時(shí)，生成焦炭時(shí)，容易形成焦炭的裂紋中心，降低焦炭的強(qiáng)度。

焦煤和肥煤作為優(yōu)質(zhì)的煉焦煤，調(diào)節(jié)好焦煤和肥煤的粒級(jí)及粒級(jí)分布對(duì)提高焦炭質(zhì)量和產(chǎn)量具有重要意義。為了了解焦煤和肥煤的粉碎粒度范圍，這里對(duì)不同粒級(jí)的肥煤和焦煤進(jìn)行了工業(yè)分析、工藝性質(zhì)分析和煤巖顯微特征分析，并對(duì)不同粒級(jí)的焦煤和肥煤所煉坩堝焦進(jìn)行了熱性質(zhì)分析。得出焦煤和肥煤的最佳粉碎粒級(jí)，為調(diào)節(jié)焦煤和肥煤的粒級(jí)分布，適當(dāng)降低配合煤的細(xì)度，提高焦炭的質(zhì)量提供了一定理論的依據(jù)[10]。

1.試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)原料

本文選取了某焦化企業(yè)常用的幾種焦煤和肥煤作為研究對(duì)象，并將其分為五個(gè)粒級(jí)（＞13mm、13～6mm、6～3mm、3～0.5mm、＜0.5mm）作為試驗(yàn)煤樣。

(2)試驗(yàn)方法

①工業(yè)分析。按照GB/T 212-2008《煤的工業(yè)分析方法》測(cè)定的步驟對(duì)煤樣的灰分Ad、揮發(fā)分Vdaf進(jìn)行測(cè)定。

②煤巖特性分析。按照GB/T 8899-2013《煤的顯微組分組和礦物測(cè)定方法》對(duì)篩分煤樣進(jìn)行了煤巖顯微組分的測(cè)定。按照GB/T 6948-2008《煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測(cè)定方法》對(duì)煉焦煤鏡質(zhì)組平均最大反射率Rmax以及反射率分布進(jìn)行測(cè)定。

③工藝性質(zhì)分析。黏結(jié)指數(shù)按照GB/T 5447-2014《煙煤黏結(jié)指數(shù)測(cè)定方法》測(cè)定，奧亞膨脹度按照GB/T 5450-2014《煙煤奧阿膨脹計(jì)試驗(yàn)》測(cè)定，煙煤膠質(zhì)層最大厚度按照GB/T 479-2000《煙煤膠質(zhì)層指數(shù)測(cè)定方法》測(cè)定。

④坩堝焦試驗(yàn)。取不同篩分煤樣100g放入剛玉坩堝內(nèi)，在煤樣的上層鋪一層濾紙，隨后將壓塊置于坩堝中央，用石英砂鋪蓋壓塊。用炭化室將煤樣炭化，煉焦溫度制度為從室溫至300℃，升溫速度4～5℃/min，300～750℃內(nèi)升溫速度3℃/min，750～950℃內(nèi)升溫速度4～5℃/min，950℃上維持半個(gè)小時(shí)后[11]，等待降溫后，取出焦炭。

⑤坩堝焦熱性質(zhì)分析。取20g 3～6mm的干燥焦樣，放入內(nèi)徑20mm，長度830mm的剛玉管內(nèi)，用細(xì)粒陶瓷粒支撐焦樣，使其處于恒溫區(qū)間。從室溫至400℃，20℃/min的升溫速度，到400℃通入N2保護(hù)，400℃～1100℃升溫時(shí)間為40min，到達(dá)1090℃后，就要準(zhǔn)備關(guān)掉氮?dú)猓ㄈ隒O2，到1100℃時(shí)，通入CO2，流量速率為0.5L/min，時(shí)間為120min。反應(yīng)時(shí)間到后，繼續(xù)通入N2保護(hù)，待溫度降到400℃后，取出冷卻降溫。把反應(yīng)后失去的質(zhì)量占原焦樣質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)作為反應(yīng)性指標(biāo)（PRI）。反應(yīng)后強(qiáng)度是取反應(yīng)后大于1mm的焦樣，放入直徑25.4mm，長度305mm的管內(nèi)，同時(shí)放入8個(gè)直徑12mm的鋼球，并以25r/min的速度轉(zhuǎn)4min，用1mm的篩子篩分，把篩上物的質(zhì)量占入鼓焦炭質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)作為反應(yīng)后強(qiáng)度（PSR）。

2.結(jié)果與討論

(1)焦煤和肥煤不同篩分粒級(jí)組成

所選幾種焦煤和肥煤的不同篩分粒級(jí)組成見表1。

表1 焦煤和肥煤不同篩分粒級(jí)組成分布Tab.1 Grain size composition of coking coaI and fat coaI

從表1可以看出，某焦化廠焦煤和肥煤不同篩分粒級(jí)組成是不同的，存在差異性。

(2)不同篩分粒級(jí)煤樣的工業(yè)分析研究

焦煤和肥煤不同篩分粒級(jí)煤樣的工業(yè)分析見表2。

表2 不同篩分粒級(jí)焦煤和肥煤的工業(yè)分析測(cè)定結(jié)果Tab.2 IndustriaI anaIysis resuIts of coking coaI and fat coaI with different grain size

從表2可以看出焦煤和肥煤粒級(jí)在適中范圍時(shí)，其灰分較低，較細(xì)（＜0.5mm）和較大（＞13mm）時(shí)其灰分較高；同一種煉焦煤粒級(jí)不同，其揮發(fā)分略有差異，粒級(jí)越大，其揮發(fā)分越小。煤的灰分主要來源于煤中礦物質(zhì)，礦物質(zhì)包括原生礦物質(zhì)、次生礦物質(zhì)和外來礦物質(zhì)。粒級(jí)較小的煤樣含有較多細(xì)小顆粒礦物質(zhì)，導(dǎo)致＜0.5mm的煤灰分較高。含較多礦物質(zhì)的煤樣其硬度較大，較難破碎，故粒度較大的煤樣其灰分較高。根據(jù)不同粒級(jí)的工業(yè)分析指標(biāo)結(jié)果，減少＜0.5mm粒級(jí)煤樣的使用比例，可以降低配合煤的灰分，從而可以降低焦炭的灰分。

(3)不同篩分粒級(jí)煤樣的鏡質(zhì)組反射率分布及鏡質(zhì)組平均最大反射率研究

表3 不同篩分粒級(jí)焦煤的鏡質(zhì)組反射率分布及鏡質(zhì)組平均最大反射率測(cè)定結(jié)果Tab.3 Measurement resuIts of vitrinite refIectance distribution and vitrinite average maximum refIectance of coking coaI with different grain size

表4 不同篩分粒級(jí)肥煤的反射率分布及鏡質(zhì)組平均最大反射率測(cè)定結(jié)果Tab.4 Measurement resuIts of vitrinite refIectance distribution and vitrinite average maximum refIectance of fat coaI with different grain size

圖1 不同篩分粒級(jí)煤樣的鏡質(zhì)組含量和惰質(zhì)組含量測(cè)定結(jié)果Fig.1 ResuIts of determination of vitrinite content and inertite content of coaI with different grain size

從表3及表4可以看出，不同粒級(jí)的焦煤和肥煤其鏡質(zhì)組平均最大值Rmax存在差異，粒級(jí)大的焦煤和肥煤其鏡質(zhì)組平均最大反射率Rmax較高一些。不同粒級(jí)的焦煤和肥煤其顯微組分組成存在差異，從圖1可以看出，焦煤和肥煤的粒級(jí)＜0.5mm時(shí)，惰質(zhì)組含量最低，鏡質(zhì)組量最高，并隨著粒度增大，鏡質(zhì)組含量逐漸降低，惰質(zhì)組含量逐漸升高。在相同的變質(zhì)程度煤中，鏡質(zhì)組硬度小于惰質(zhì)組，脆度大于惰質(zhì)組。在破碎過程中，硬度小、脆度大的鏡質(zhì)組集中在細(xì)粒級(jí)中，硬度大、脆度小的惰質(zhì)組集中在粗粒級(jí)中。

(4)不同篩分粒級(jí)煤樣的工藝性質(zhì)研究

①不同篩分粒級(jí)煤樣的黏結(jié)指數(shù)測(cè)定

不同篩分粒級(jí)的焦煤和肥煤其黏結(jié)指數(shù)G值測(cè)定結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，肥煤不同粒級(jí)煤樣的黏結(jié)指數(shù)G值變化幅度不大。焦煤不同粒級(jí)煤樣的黏結(jié)指數(shù)G值存在較大差異，較小粒級(jí)煤樣其黏結(jié)指數(shù)G值較大，隨著粒級(jí)增大，G值逐漸減小。主要是由于同一煤種隨著粒度的增加，其鏡質(zhì)組含量降低，導(dǎo)致其G值變小。由于灰分的含量會(huì)對(duì)煤的黏結(jié)性有影響，焦煤細(xì)粒（＜0.5mm）部分灰分含量最高，導(dǎo)致黏結(jié)指數(shù)G值略有降低。

圖2 不同篩分粒級(jí)煤樣的黏結(jié)指數(shù)測(cè)定結(jié)果Fig.2 ResuIts of the determination of the caking index of coaI with different grain size

②不同篩分粒級(jí)煤樣的奧阿膨脹度研究

表5 不同篩分粒級(jí)煤樣的奧阿膨脹度測(cè)定結(jié)果Tab.5 ResuIts of the determination of Audibert-Arnu diIatation of coaI with different grain size

不同篩分粒級(jí)焦煤和肥煤的奧阿膨脹度測(cè)定結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，在當(dāng)焦煤和肥煤粒級(jí)在3-0.5mm時(shí)，焦煤和肥煤的奧阿膨脹度b值和總膨脹度（a+b）值最大，粒級(jí)較大時(shí)，兩種煉焦煤的奧阿膨脹度b值逐漸變小，總膨脹度（a+b）也逐漸減小。這是由于同一種煤中隨著粒度增大，鏡質(zhì)組含量逐漸降低，導(dǎo)致黏結(jié)性指標(biāo)下降。由于煤的黏結(jié)性不僅僅與煤的鏡質(zhì)組含量相關(guān)，還與灰分的含量相關(guān)，肥煤在＜0.5mm時(shí)，灰分含量最高，所以總膨脹度（a+b）有所下降。

③不同篩分粒級(jí)煤樣的膠質(zhì)層指數(shù)研究

不同篩分粒級(jí)焦煤和肥煤的膠質(zhì)層指數(shù)測(cè)定結(jié)果如表6所示。從表6可以看出，隨著粒級(jí)的增大，焦煤和肥煤的X值逐漸增大，焦煤的Y值逐漸變小，肥煤Y值略有降低（粒級(jí)在＜0.5mm時(shí)已經(jīng)不符合膠質(zhì)層指數(shù)測(cè)定國標(biāo)規(guī)定的試驗(yàn)樣粒度）。從表6可以看出，焦煤在粒級(jí)＜0.5mm下膠質(zhì)層體積曲線呈現(xiàn)之型，粒級(jí)＞13mm呈現(xiàn)微波型，主要是由于粒級(jí)＜0.5mm相較于粒級(jí)＞13mm的揮發(fā)分高，黏結(jié)性好，透氣性好，積聚的煤氣能很快從半焦裂縫中逸出所致。

(5)不同篩分粒級(jí)煤樣的坩堝焦試驗(yàn)

從圖3可以看出，單種煤單獨(dú)煉焦時(shí)，焦煤所煉焦炭的粒焦反應(yīng)性（PRI）較肥煤所煉焦炭的粒焦反應(yīng)性（PRI）小；焦煤所煉焦炭的粒焦反應(yīng)后強(qiáng)度（PSR）較肥煤所煉焦炭的粒焦反應(yīng)后強(qiáng)度（PSR）高。不同粒度焦煤和肥煤在粒級(jí)3～0.5mm的粒焦反應(yīng)性（PRI）最小，粒級(jí)＞13mm最大，其于粒度相差無幾，反應(yīng)后強(qiáng)度（PSR）在粒級(jí)3～0.5mm時(shí)達(dá)到最大，這主要是由于粒級(jí)越大，惰質(zhì)組含量越高，在進(jìn)行煉焦時(shí)，惰質(zhì)組的粒度較大，不利于與膠質(zhì)體的混合，且它與活性組分的收縮系數(shù)不一樣，較易形成焦炭的裂縫，降低焦炭的熱性質(zhì)。而粒級(jí)＜0.5mm時(shí)，鏡質(zhì)組含量又較高，焦炭的質(zhì)量依舊很差，這其中的影響因素有很多，主要基于以下幾個(gè)方面：粒級(jí)＜0.5mm時(shí)，灰分含量最高，降低了煤的結(jié)焦能力；其次粒度較小時(shí)，煤粒比表面積增大，而煤的黏結(jié)機(jī)理是煤粒間的表面黏結(jié)，所以覆蓋煤粒的表面所需的膠質(zhì)體數(shù)量也會(huì)大大增加，當(dāng)結(jié)焦過程產(chǎn)生的膠質(zhì)體不足時(shí)，就影響煤的結(jié)焦能力；粒級(jí)＜0.5mm時(shí)，惰質(zhì)組含量較少，粒度較小，結(jié)焦中心點(diǎn)不足，起不到骨架支撐的作用，也會(huì)降低焦炭的質(zhì)量。

圖3 坩堝焦的熱性質(zhì)與煤粒度的關(guān)系Fig.3 The reIationship between the thermaI properties of crucibIe coke and coaI graine size

3.結(jié)論

（1）同一煤種不同篩分粒級(jí)其灰分存在差異，粒級(jí)較?。ǎ?.5mm）和粒級(jí)較大（＞13mm）的煤樣其灰分較高，揮發(fā)分隨粒級(jí)增大而略有降低。鏡質(zhì)組含量隨粒級(jí)增大而減小，鏡質(zhì)組平均最大反射率略有增加。

（2）同一煤種不同篩分粒級(jí)的黏結(jié)性和結(jié)焦性指標(biāo)存在差異，煤樣粒級(jí)在3～0.5mm時(shí)，焦煤和肥煤的黏結(jié)指數(shù)G、奧阿膨脹度b值及總膨脹度（a+b）以及Y值達(dá)到最大。

（3）同一煤種不同篩分粒級(jí)煤樣所煉坩堝焦質(zhì)量不同，3～0.5mm粒級(jí)煤樣所煉坩堝焦其反應(yīng)性（PRI）最低，坩堝焦反應(yīng)后強(qiáng)度（PSR）最高。

（4）綜上，煉焦生產(chǎn)時(shí)，對(duì)于焦煤和肥煤不能過度粉碎，避免降低煤的黏結(jié)性和結(jié)焦性，從而降低焦炭質(zhì)量。減少焦煤和肥煤在＜0.5mm和＞6mm粒級(jí)煤樣的比例，有利于提高焦炭質(zhì)量。