基于單種煤成焦灰分預(yù)測(cè)焦炭灰分的研究及應(yīng)用

彭永根，周云花，梁 域，李 可，譚 宏

（華菱湘鋼技術(shù)質(zhì)量部，湖南 湘潭 411101）

焦炭灰成分以SiO2、Al2O3為主，兩者質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和一般可達(dá)50%～80%，還有少量Fe2O3、CaO、MgO、P2O5、SO3等成分。焦炭中灰分的大小對(duì)焦炭強(qiáng)度和高爐指標(biāo)有重要影響。研究表明[1]，焦炭在高爐內(nèi)被加熱到高于煉焦溫度時(shí)，由于焦質(zhì)與灰分的熱膨脹性不同，焦炭會(huì)沿灰分顆粒周圍產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)大，使焦炭碎裂粉化，強(qiáng)度降低。煉鐵時(shí)使用灰分高的焦炭，消耗的焦炭和助熔石灰石較多，一般認(rèn)為焦炭灰分每增加1%，煉鐵焦比將增加1%～2%，加入的助熔石灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)將增加4%，高爐產(chǎn)量將下降2%～3%[2]。同時(shí)，焦炭灰分的高低會(huì)直接影響高爐渣量與焦炭的強(qiáng)度、反應(yīng)性和熱態(tài)性質(zhì)[3]。

湖南華菱湘鋼焦化廠（簡(jiǎn)稱湘鋼）配套4 座4.3 m頂裝焦?fàn)t和2 座6.0 m 頂裝焦?fàn)t，全部采用干熄焦工藝，總產(chǎn)能達(dá)到230 萬(wàn)t/a。2018 年第1 季度因來(lái)煤灰分上升，焦炭灰分與以往相比大幅增加，最高達(dá)到13.5%以上，導(dǎo)致高爐消耗增加、焦比上升，在煉焦煤灰分偏高、煉焦煤資源又不能大幅調(diào)整的情況下，必須研究如何降低焦炭灰分。本文提出采用單種煤成焦灰分來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)配合煤成焦灰分以指導(dǎo)煉焦配煤，通過(guò)小焦?fàn)t試驗(yàn)對(duì)湘鋼主要礦點(diǎn)煉焦煤的成焦灰分特性進(jìn)行分析，并通過(guò)配煤試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，現(xiàn)介紹如下。

1 焦炭灰分的預(yù)測(cè)方法

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)對(duì)焦炭灰分的預(yù)測(cè)采用以下兩種方法：一是簡(jiǎn)單的根據(jù)成焦率進(jìn)行初步預(yù)測(cè)，煤在成焦過(guò)程中，一般認(rèn)為其灰分全部轉(zhuǎn)入焦炭中，以成焦率換算，焦炭灰分是配合煤灰分的1.3～1.4 倍，該方法預(yù)測(cè)精度較差；二是通過(guò)對(duì)本企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用線性回歸、曲線擬合的方式得到本企業(yè)焦炭灰分的預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，再用此模型對(duì)焦炭灰分進(jìn)行預(yù)測(cè)，該方法在煤種及配煤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)有偏差。

以上兩種焦炭灰分預(yù)測(cè)方法存在誤差的主要原因有兩方面，一是揮發(fā)分的影響，煉焦煤在高溫干餾條件下成熟結(jié)焦，揮發(fā)分揮發(fā)后剩下灰成分和碳成分，因此揮發(fā)分含量對(duì)成焦灰分有較大影響，對(duì)于相同灰分的單種煤，其揮發(fā)分越高，成焦灰分越高；二是煤灰成分在高溫干餾過(guò)程中的物理化學(xué)影響，煤灰分的檢測(cè)只經(jīng)過(guò)815 ℃±10 ℃的灰化并灼燒，而焦炭是經(jīng)過(guò)1 200 ℃左右的高溫干餾生產(chǎn)。因此這兩方面的原因都決定了不能簡(jiǎn)單采用煤的灰分來(lái)預(yù)測(cè)焦炭灰分，根據(jù)實(shí)際檢測(cè)的單種煤成焦灰分來(lái)預(yù)測(cè)配合煤成焦灰分應(yīng)更準(zhǔn)確，預(yù)測(cè)公式：焦炭灰分配合煤=焦炭灰分煤1×配比煤1+焦炭灰分煤2×配比煤2+焦炭灰分煤3×配比煤3+……+焦炭灰分煤n×配比煤n。

2 焦炭灰分的預(yù)測(cè)及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 煉焦條件及試驗(yàn)方法

采用鞍山科翔40 kg 小焦?fàn)t煉焦，結(jié)焦時(shí)間18.5 h，裝煤溫度750 ℃，結(jié)焦溫度1 050 ℃，升溫時(shí)間700 min，恒溫時(shí)間410 min。煉焦煤制樣依據(jù)GB 474—2008《煤樣的制備方法》進(jìn)行，焦炭制樣依據(jù)GB/T 1997—2008《焦炭試樣采取和制備》進(jìn)行，煤灰分的檢測(cè)依據(jù)GB 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》進(jìn)行，焦炭灰分的檢測(cè)依據(jù)GB/T 1996—2003《冶金焦炭》進(jìn)行。

單種煤成焦灰分的試驗(yàn)方法：將所取的12 個(gè)礦點(diǎn)煉焦煤樣分別裝入40 kg 小焦?fàn)t中干餾，檢測(cè)裝入前煉焦煤灰分和結(jié)焦后焦炭灰分。

配合煤成焦灰分的試驗(yàn)方法：在已知單種煉焦煤成焦灰分的情況下，按設(shè)計(jì)配比配煤，將配合煤裝入40 kg 小焦?fàn)t中干餾，檢測(cè)裝入前配合煤灰分和結(jié)焦后焦炭灰分。

2.2 單種煉焦煤及成焦灰分

湘鋼配用的5 大煤種12 個(gè)礦點(diǎn)單種煉焦煤灰分、揮發(fā)分及成焦灰分見(jiàn)表1。

表1 單種煉焦煤灰分、揮發(fā)分及成焦灰分 %

由表1 可知，高灰分煤有天安主焦煤、陽(yáng)泉曲主焦煤和兌鎮(zhèn)主焦煤，灰分最低的是官橋1/3 焦煤2#、官橋1/3 焦煤1#和澳洲馬維斯主焦煤。成焦后焦炭灰分最高的是天安主焦煤、青町肥煤和潘集西1/3 焦煤，焦炭灰分最低的是澳洲馬維斯主焦煤、官橋1/3 焦煤1#和官橋1/3 焦煤2#。對(duì)比單種煉焦煤灰分與其焦炭灰分，可以看出煉焦煤灰分與其成焦灰分并不完全線性相關(guān)，大部分高灰分、高揮發(fā)分煤的成焦灰分明顯比其他煤種高，但也存在個(gè)別例外。因此，采用煉焦煤灰分并不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焦炭灰分，可以嘗試采用單種煉焦煤成焦灰分來(lái)預(yù)測(cè)配合煤成焦灰分。

2.3 單種煤成焦灰分預(yù)測(cè)焦炭灰分小焦?fàn)t驗(yàn)證試驗(yàn)

2.3.1 小焦?fàn)t試驗(yàn)用單種煤

小焦?fàn)t試驗(yàn)采用的11 個(gè)礦點(diǎn)單種煤的煤質(zhì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由表2 可知，兌鎮(zhèn)主焦煤、陽(yáng)泉曲主焦煤、馬頭主焦煤、青町肥煤、韓城瘦煤灰分大于10%，官橋1/3 焦煤和新汶肥煤灰分最低。

表2 單種煤煤質(zhì)數(shù)據(jù)

2.3.2 配合煤成焦灰分的預(yù)測(cè)及驗(yàn)證

配合煤小焦?fàn)t煉焦試驗(yàn)采用3 種配比，具體見(jiàn)表3。其中基準(zhǔn)配比為2018 年3 月實(shí)際生產(chǎn)配比；配比1不使用成焦灰分高的潘集西1/3 焦煤，增加低灰官橋1/3 焦煤配比，減少成焦灰分高的青町肥煤配比，增加低硫馬頭主焦煤配比；配比2 在配比1 的基礎(chǔ)上，減少瘦煤配比3 個(gè)百分點(diǎn)，增加青町肥煤配比3 個(gè)百分點(diǎn)。配比1 和配比2 中主焦煤總配比增加，青町肥煤配比減少，配煤成本基本不變，預(yù)測(cè)焦炭灰分可從13.0%以上降低到12.5%左右、焦炭硫分略有增加。

表3 小焦?fàn)t煉焦試驗(yàn)配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

配合煤成焦灰分的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值見(jiàn)表4。由表4 可知，與基準(zhǔn)配比焦炭灰分相比，配比1 焦炭實(shí)測(cè)灰分降低0.26 個(gè)百分點(diǎn)，配比2 焦炭實(shí)測(cè)灰分降低0.17 個(gè)百分點(diǎn)；采用單種煤成焦灰分預(yù)測(cè)的焦炭灰分與焦炭實(shí)測(cè)灰分接近，而采用單種煤灰分預(yù)測(cè)的焦炭灰分與焦炭實(shí)測(cè)灰分差異較大。因此，采用單種煤成焦灰分來(lái)預(yù)測(cè)配合煤成焦灰分比較準(zhǔn)確。

表4 配合煤成焦灰分的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值 %

從以上單種煤及配煤煉焦試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，用成焦灰分低的官橋1/3 焦煤替代成焦灰分高的潘集西1/3焦煤，降低成焦灰分高的青町肥煤配比，并相應(yīng)增加馬頭主焦煤配比，可降低焦炭灰分。

3 預(yù)測(cè)方法的生產(chǎn)應(yīng)用

根據(jù)2.3 節(jié)試驗(yàn)研究結(jié)果調(diào)整配煤結(jié)構(gòu)，通過(guò)降低成焦灰分高的煤種配比來(lái)降低焦炭灰分。湘鋼來(lái)煤灰分上升的主要是官橋1/3 焦煤，灰分從原來(lái)的7.0%左右上升到9.0%以上，另外潘集西1/3 焦煤揮發(fā)分也有所上升，這兩個(gè)礦點(diǎn)1/3 焦煤總配比達(dá)到了23%以上。為了降低焦炭灰分，來(lái)煤灰分方面，控制官橋1/3 焦煤灰分降低到7.7%以下；配煤結(jié)構(gòu)調(diào)整方向主要是降低高灰分、高揮發(fā)分的潘集西1/3 焦煤以及成焦灰分高的青町肥煤配比，并適當(dāng)增加官橋1/3焦煤配比；總體控制降低配合煤揮發(fā)分，適當(dāng)增加主焦煤和瘦煤配比，并降低高揮發(fā)分1/3 焦煤配比，配合煤揮發(fā)分從30%降低到28%～29%。

2018 年1 月—11 月（1 月—3 月為調(diào)整前，4月—11 月為調(diào)整后）配合煤灰分、揮發(fā)分、焦炭灰分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表5。由表5 可知，1 月—3 月配合煤平均揮發(fā)分在30%，4 月開(kāi)始下降，到11 月下降了1.5 個(gè)百分點(diǎn)；調(diào)整前后配合煤平均灰分均保持在9.5%；因成焦灰分高的煤配比大幅降低，焦炭灰分從4 月開(kāi)始逐步降低，從調(diào)整前最高的12.91%降低到調(diào)整后最低的12.52%。

表5 配合煤灰分、揮發(fā)分、焦炭灰分?jǐn)?shù)據(jù) %

4 結(jié) 語(yǔ)

從對(duì)湘鋼多個(gè)礦點(diǎn)單種煉焦煤成焦灰分的研究和分析結(jié)果可以看出，采用單種煤成焦灰分可以比較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)配合煤成焦焦炭灰分；高揮發(fā)分、高灰分的青町肥煤、潘集西1/3 焦煤成焦灰分高，配煤煉焦后對(duì)焦炭灰分的影響較大；在煤礦點(diǎn)的選擇上不應(yīng)只關(guān)注其灰分，當(dāng)其揮發(fā)分上升時(shí)，其成焦灰分也會(huì)大幅度上升，因此采購(gòu)高揮發(fā)分的煉焦煤時(shí)，其灰分控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提高；配煤結(jié)構(gòu)調(diào)整時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮配合煤灰分和揮發(fā)分。