窯街礦區(qū)侏羅紀(jì)中變質(zhì)低黏結(jié)煤的煤質(zhì)特性研究

張炳忠，王 越

(1.窯街煤電集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730084；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司煤化工分院；3.煤炭資源開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

我國焦化行業(yè)面臨嚴(yán)重的煉焦煤煤質(zhì)問題，低灰、低硫、中高變質(zhì)、低反應(yīng)性、強結(jié)焦性等特質(zhì)的優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源日益短缺，商品煤煤質(zhì)下降嚴(yán)重[1，2]。另一方面，由于高爐大型化及富氧噴吹技術(shù)的應(yīng)用，對冶金焦炭的質(zhì)量要求越來越高，尤其要求焦炭要具有較好的熱態(tài)強度[3]。

在煉焦條件和加熱制度確定的情況下，焦炭的熱性能主要由原料煤的性質(zhì)決定[9]。從煤巖學(xué)角度來看，煤是非均質(zhì)物質(zhì)，由鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組組成。我國西部侏羅紀(jì)煉焦煤中殼質(zhì)組含量極低，而惰質(zhì)組含量相對較高[10]。根據(jù)煤巖配煤的基本原理，惰質(zhì)組是惰性組分，鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組是活性組分[11]，因而西部侏羅紀(jì)煉焦煤的活性顯微組分(鏡質(zhì)組)的熱演化行為及成焦特性是研究的關(guān)鍵。此外，特殊的成煤環(huán)境導(dǎo)致侏羅紀(jì)煉焦煤中的堿金屬和堿土金屬(如Na、K、Ca、Mg)含量相對較高[12]，而堿金屬和堿土金屬是煤焦氣化反應(yīng)(煤對二氧化碳反應(yīng)性)的正催化劑[13-15]，因此在考慮侏羅紀(jì)煉焦煤成焦機(jī)理時，礦物催化作用是不可忽視的因素。

西部侏羅紀(jì)煉焦煤可顯著降低配煤灰分和硫分，改善焦炭質(zhì)量。但是目前傳統(tǒng)配煤方法(經(jīng)驗配煤、膠質(zhì)層配煤、V-G配煤等)以及配煤煉焦機(jī)理(膠質(zhì)層重疊原理、互換性原理、共炭化原理)均無法體現(xiàn)西部侏羅紀(jì)煉焦煤的煤質(zhì)特殊性[16-18]。本文對窯街礦區(qū)侏羅紀(jì)煉焦煤的煤質(zhì)特性進(jìn)行研究，以期為西部煉焦煤資源利用途徑提供依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 試驗用煤及煤質(zhì)分析

研究用煤采自窯街礦區(qū)，按照相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)測試煤的鏡質(zhì)體反射率、煤巖顯微組分含量、工業(yè)分析、元素分析、發(fā)熱量、全硫、煤灰成分、煤對二氧化碳反應(yīng)性、P、Cl、Hg含量；并與煤科院《中國煤種數(shù)據(jù)庫》中典型低變質(zhì)煉焦煤的煤質(zhì)特性進(jìn)行對比。

1.2 浮沉試驗

利用0.5～6 mm樣品進(jìn)行浮沉試驗，浮沉介質(zhì)為ZnCl2，密度選擇1.28 g/cm3、1.30 g/cm3、1.32 g/cm3、1.35 g/cm3，測試樣品的產(chǎn)率、灰分、揮發(fā)分、煤巖顯微組分含量以及黏結(jié)指數(shù)。

1.3 40 kg焦?fàn)t試驗

利用40 kg焦?fàn)t試驗來評價單種煤及配煤的結(jié)焦性能，以更科學(xué)地指導(dǎo)生產(chǎn)。焦炭反應(yīng)后強度CSR是反映焦煤結(jié)焦性的直接指標(biāo)，是在規(guī)定溫度下測定塊狀焦炭與二氧化碳的反應(yīng)特性時得到的指標(biāo)，用于評價焦炭的熱性質(zhì)。GB/T 4000-2017《焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強度試驗方法》中規(guī)定的測定標(biāo)準(zhǔn)是在1 100 ℃±5 ℃的恒定溫度下，將一定質(zhì)量焦炭置于耐高溫合金鋼反應(yīng)器或剛玉質(zhì)反應(yīng)器中，用二氧化碳與其反應(yīng)2 h后，焦炭經(jīng)I型轉(zhuǎn)鼓試驗后，以大于10 mm粒級焦炭占反應(yīng)后焦炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示焦炭反應(yīng)后強度CSR。

2 結(jié)果與討論

2.1 窯街煤煤巖特征

表1 窯街煉焦煤的煤巖特征

圖1 窯街煉焦煤的鏡質(zhì)體反射率分布

2.2 窯街煉焦煤煤質(zhì)特征

分析表2可知，窯街礦區(qū)煉焦煤的灰分含量低，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15224.1—2018《煤炭質(zhì)量分級 第1部分：灰分》，精煤樣品為特低灰煤(ULA)。較低的灰分含量對其作為煉焦配煤及動力煤是十分有利的。煤中硫含量與成煤環(huán)境密切相關(guān)，窯街礦區(qū)煤的成煤環(huán)境為陸相成煤，原煤硫分(St，d)為0.11%，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15224.2—2010《煤炭質(zhì)量分級 第2部分：硫分》，為特低硫煤(SLS)。

表2 窯街煉焦煤的煤質(zhì)分析

近年來，我國煉焦精煤的灰分和硫分不斷升高，尤其是肥煤和焦煤，窯街煉焦煤作為特低灰、特低硫的配焦煤，可以顯著降低配合煤的灰分和硫分。內(nèi)蒙古西部地區(qū)以及陜西、山西等地焦化企業(yè)使用的肥煤、焦煤的灰分和硫分普遍較高，配加窯街煉焦煤后，可以顯著改善配合煤的質(zhì)量。因而窯街煉焦煤用作配煤煉焦具備較大優(yōu)勢。

煤灰成分以SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO為主，合計占85%，其他組分含量低，尤其是煤中K2O和Na2O的含量，對降低礦物催化作用，保證焦炭的熱反應(yīng)性和反應(yīng)后強度是十分有利的。

窯街煉焦礦煤中磷(Pd)含量較低，按照GB/T 20475.1—2006《煤中有害元素含量分級 第1部分：磷》，為低磷煤(P-2)；氯(Cld)含量極低，按照GB/T 20475.2—2006《煤中有害元素含量分級 第2部分：氯》，為特低氯煤(Cl-1)；氟(Fd)含量極低，按照MT/T 966—2005《煤中氟含量分級》為特低氟煤(SLF)。

2.3 窯街煉焦煤與中國典型低變質(zhì)煉焦煤對比

我國的弱黏煤和1/2中黏煤的資源較少。弱黏煤主要分布在大同侏羅紀(jì)煤田以及部分氣煤煤田的部分分層，1/2中黏煤主要分布在黑龍江雞西礦區(qū)的部分礦井。我國的氣煤資源較多，但是侏羅紀(jì)氣煤資源僅分布在陜西黃陵礦區(qū)、新疆阜康礦區(qū)等少數(shù)幾個礦區(qū)。

窯街煉焦煤與中國典型低變質(zhì)煉焦煤的煤質(zhì)特征對比如圖2所示。

由圖2可知，窯街煉焦煤的灰分、全硫在中國典型弱黏煤、1/2中黏煤和侏羅紀(jì)氣煤中處于較低水平；揮發(fā)分產(chǎn)率也顯著低于其他弱黏煤、1/2中黏煤和侏羅紀(jì)氣煤；黏結(jié)指數(shù)與中國典型弱黏煤和1/2中黏煤平均水平相當(dāng)，顯著低于氣煤的黏結(jié)指數(shù)。窯街煉焦煤的膠質(zhì)層最大厚度與中國典型弱黏煤、1/2中黏煤和侏羅紀(jì)氣煤的平均水平相當(dāng)。

圖2 窯街煉焦煤與中國典型低變質(zhì)煉焦煤的煤質(zhì)對比

窯街煉焦煤的變質(zhì)程度(鏡質(zhì)體反射率)顯著高于中國典型弱黏煤、1/2中黏煤和氣煤，而顯微組分中的鏡質(zhì)組含量顯著低于中國典型弱黏煤、1/2中黏煤和侏羅紀(jì)氣煤的平均水平。

2.4 窯街煉焦煤密度分離組分性質(zhì)差異

表3 窯街煉焦煤密度分離各組分的性質(zhì)

黏結(jié)指數(shù)表征煤粘連惰性物質(zhì)的能力。隨著惰質(zhì)組含量增加，黏結(jié)性迅速下降，尤其是惰質(zhì)組含量在2%～10%區(qū)間內(nèi)下降尤為劇烈，如圖3所示。

圖3 窯街煉焦煤的黏結(jié)指數(shù)隨惰質(zhì)組含量的變化規(guī)律

2.5 窯街煉焦煤成焦特性

本次研究對窯街煉焦精煤經(jīng)1.40 g/cm3減灰后的精煤進(jìn)行了全面的煉焦工藝性質(zhì)分析和單種煤的40 kg焦?fàn)t煉焦試驗。實驗煤樣的煤質(zhì)特征及焦炭特性分析結(jié)果如表4和表5所示。

表4 焦?fàn)t實驗用煤的煤質(zhì)特性

表5 窯街煉焦煤制備焦炭質(zhì)量

窯街煉焦精煤單獨煉焦時所得焦炭塊度較小，裂紋和氣孔較多，結(jié)構(gòu)疏松，質(zhì)輕，黏結(jié)性和熔融較差。從焦炭質(zhì)量分析結(jié)果看，焦炭灰分含量(Ad=5.29%)極低，完全符合國家冶金焦和鑄造焦標(biāo)準(zhǔn)，硫含量(St，d=0.16%)極低，符合國家冶金焦一級和鑄造焦特級標(biāo)準(zhǔn)。抗碎強度(M40=47.9%)、耐磨強度(M10=27.4%)、熱態(tài)強度(CRI=53.2%，CSR=28.1%)均未達(dá)到國家冶金焦和鑄造焦標(biāo)準(zhǔn)。

總體上來說，窯街煉焦精煤單獨煉焦所得焦炭質(zhì)量較差，冷、熱態(tài)強度均不能夠滿足國家冶金焦和鑄造焦標(biāo)準(zhǔn)，難以單獨煉焦，但其具有灰分、硫分偏低的優(yōu)點。可以適量用于配煤煉焦，在配入強肥煤的條件下，就可能得到質(zhì)地堅硬的高強度的大塊焦炭。

2.6 窯街煉焦煤用作煉焦配煤的特點

窯街煉焦煤在加熱時形成的膠質(zhì)體較少，膠質(zhì)體的溫度范圍較窄，膠質(zhì)體固化時形成松散的半焦炭架結(jié)構(gòu)。因此用常規(guī)方法，單獨使用煉焦是不能成功的，但是在配入高流動性的強肥煤的條件下，則出現(xiàn)另一種情況。當(dāng)窯街煉焦煤的膠質(zhì)體開始固化并形成半焦時，強肥煤的膠質(zhì)體仍處于流動性狀態(tài)，而滲入窯街煉焦煤形成的炭架結(jié)構(gòu)之中，并在進(jìn)一步的縮聚固化過程中形成均勻結(jié)合體。在工藝上若采取搗固法煉焦，可以使配煤顆粒表面緊密接觸，有助于煤顆粒之間在加熱過程中更好地膠結(jié)，熔融，并使焦炭結(jié)構(gòu)均勻致密。

但是窯街煉焦煤也存在以下問題：

(1)窯街煉焦煤的黏結(jié)性不足。即使是將鏡質(zhì)組富集到95%以上，僅靠本身的黏結(jié)性不足以煉制成高強度焦炭，必須加入強黏結(jié)性的煤來彌補其成焦性能不足，僅能作為配焦煤使用；

(2)窯街煉焦煤收縮率大的區(qū)間處于較低的溫度范圍內(nèi)，最終收縮率大，形成裂紋早并且較多。因此，必須有收縮率處于較高溫度范圍內(nèi)，并且最終收縮率小的煤來緩沖，使整個配煤收縮率大的區(qū)間向較高溫度區(qū)間移動，降低最大收縮率，使裂紋形成的溫度提高，形成的裂紋減少；

(3)窯街煉焦煤活性組分對惰性組分的粘結(jié)不良。如果配合煤中有較多的惰性組分，會增加窯街煉焦煤與惰質(zhì)組分的接觸幾率。如果惰性組分顆粒大，會影響焦炭強度；如果惰質(zhì)組分顆粒細(xì)則會影響焦炭耐磨強度。

因此，窯街煉焦煤用作配煤煉配煤時，主要應(yīng)從彌補窯街煉焦煤的缺陷來評定。

3 結(jié) 語

(2)窯街煉焦煤因煤巖組分含量差異，黏結(jié)指數(shù)波動較大，按照中國煤炭分類被歸入不黏煤、1/2中黏煤和氣煤。

(3)與中國典型弱黏煤、1/2中黏煤和侏羅紀(jì)氣煤相比，窯街煉焦煤的灰分、全硫、揮發(fā)分產(chǎn)率處于較低水平；膠質(zhì)層最大厚度與平均水平相當(dāng)；黏結(jié)指數(shù)與中國典型弱黏煤和1/2中黏煤平均水平相當(dāng)，顯著低于氣煤的黏結(jié)指數(shù)。

(4)窯街煉焦煤的變質(zhì)程度(鏡質(zhì)體反射率)顯著高于中國典型弱黏煤、1/2中黏煤和氣煤，而顯微組分中的鏡質(zhì)組含量顯著低于中國典型弱黏煤、1/2中黏煤和侏羅紀(jì)氣煤的平均水平。

(5)窯街煉焦煤的黏結(jié)性不足，即使是將鏡質(zhì)組富集到95%以上，僅靠本身的黏結(jié)性不足以煉制成高強度焦炭，必須加入強黏結(jié)性的煤來彌補其成焦性能不足，即僅能作為配焦煤使用；窯街煉焦煤活性組分對惰性組分的粘結(jié)不良，如果配合煤中有較多的惰性組分，會增加窯街煉焦煤與惰質(zhì)組分的接觸幾率。如果惰性組分顆粒大，會影響焦炭強度；如果惰質(zhì)組分顆粒細(xì)就會影響焦炭耐磨強度。