煤粉粒度與煤焦性質(zhì)的相關(guān)性研究

武吉，來威，侯士彬，程學(xué)科，朱慶廟，李富鑫，王旭

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096；3.鞍鋼股份有限公司煉焦總廠，遼寧 鞍山 114021）

隨著優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源日趨匱乏與大高爐對(duì)焦 炭的高質(zhì)量要求之間的矛盾愈發(fā)凸顯，在保證焦炭質(zhì)量的前提下，需要不斷優(yōu)化煉焦配煤，改善煉焦煤之間的黏結(jié)、成焦特性[1]。煤是一種伴有少量無機(jī)礦物的炭質(zhì)沉積巖，是由不同組分混合而成的不均勻物質(zhì)。為了使多種煉焦煤干餾后得到的焦炭質(zhì)量穩(wěn)定，應(yīng)盡量改善煉焦過程中不同種煤顆粒之間的接觸[2]。由于不同種焦煤在成焦過程中的作用及結(jié)焦特性不同，包括煤種活性、惰性組分，顆粒間鑲嵌結(jié)構(gòu)，礦物組成與分布等特征，不同粒度煤與煤顆粒間的結(jié)焦過程具有明顯差異。煉焦煤料粒度過大，則顆粒間隙加大且分布不均勻，同時(shí)揮發(fā)物析出速度下降，使膠質(zhì)體不易充滿顆粒間隙，不利于黏結(jié)[3]；但粒度過小，煤粉的比表面積增大，惰性組分會(huì)吸附更多液相產(chǎn)物，劣化焦炭質(zhì)量，且活性組分過細(xì)會(huì)導(dǎo)致軟化熔融過程中氣相產(chǎn)物較易逸出，液相產(chǎn)物減少，弱化煤顆粒間黏結(jié)性[4]，同時(shí)導(dǎo)致裝煤堆密度明顯降低，焦?fàn)t單炭化室產(chǎn)量降低，進(jìn)而影響焦?fàn)t效率。為此，選擇合理的煉焦煤粒度對(duì)改善配合煤的黏結(jié)性、結(jié)焦性，提高焦炭質(zhì)量和產(chǎn)量具有重要意義。

1 煉焦備煤工藝與配煤粒度的選擇研究

煉焦生產(chǎn)中煤的粒度一般用細(xì)度進(jìn)行表征，即煤粒度小于3 mm的質(zhì)量占比。一般企業(yè)的煉焦備煤工藝中設(shè)有粉碎機(jī)，進(jìn)而控制煉焦配合煤的細(xì)度。選擇合理的粉碎、配煤工藝流程有助于優(yōu)化煉焦用煤資源和改善焦炭質(zhì)量。

1.1 煉焦備煤工藝研究

各種備煤工藝流程中煤的接收、轉(zhuǎn)運(yùn)、貯存過程基本相同，區(qū)別在于煤料的粉碎、配合工藝的不同，主要分為先配后粉、先粉后配以及選擇性粉碎工藝。無論是汽運(yùn)、鐵運(yùn)還是船舶來煤，一般均由皮帶運(yùn)送至筒倉或者料場進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)。對(duì)于硬度大或難粉碎的單種煤，一般利用預(yù)粉碎進(jìn)行單獨(dú)粉碎，然后經(jīng)過配煤、篩分及粉碎工藝送至入煤塔或者搗固車。近年來，我國各鋼鐵企業(yè)主要采取“以鐵定產(chǎn)”生產(chǎn)理念，考慮到工藝設(shè)備的投資及運(yùn)行成本，企業(yè)普遍采用先配后粉和選擇性粉碎工藝。目前煉焦備煤工序的主要工藝流程如圖1所示，煉焦備煤主要工藝流程對(duì)比分析如表1所示。

圖1 目前煉焦備煤工序的主要工藝流程Fig.1 Existing Main Process Flow for Coal Preparation Process for Coke Making

表1 煉焦備煤主要工藝流程對(duì)比分析Table 1 Comparative Analysis of Main Technological Processes for Coal Preparation Process for Coke Making

由表1可以看出，先粉后配和先配后粉工藝存在局限性，而選擇性粉碎工藝是按照配煤中各單種煤煤巖、硬度的不同，將篩分和破碎結(jié)合，可以使含惰性組分多以及大顆粒煤得到充分粉碎。但此工藝對(duì)設(shè)備、操作水平要求較高，動(dòng)力消耗相對(duì)較大。選擇性粉碎將粒度大的煤進(jìn)行再次粉碎，理論上認(rèn)為單種煤篩分粒度大小不同，則所含的煤巖組成也不同，這將直接影響煉焦過程中膠質(zhì)體的質(zhì)量和數(shù)量，最終影響焦炭的質(zhì)量[5]。

1.2 配煤粒度的選擇研究

國內(nèi)頂裝焦?fàn)t配合煤細(xì)度一般為70%～80%，而搗固焦?fàn)t考慮到煤餅的成型性，配合煤細(xì)度一般為85%～93%。宋子奎等[6]以焦炭耐磨強(qiáng)度為評(píng)價(jià)依據(jù)，利用1.5 kg小型煉焦實(shí)驗(yàn)設(shè)備，分別考察＞25 mm，25～10 mm，10～6 mm，6～3 mm，＜3 mm五個(gè)粒級(jí)的配合煤煉焦，發(fā)現(xiàn)煤顆粒越大，焦炭耐磨強(qiáng)度M10越大，但兩者之間的關(guān)系并不是線性的。高立東等[7]利用40 kg小焦?fàn)t考察不同配合煤細(xì)度對(duì)焦炭質(zhì)量的影響規(guī)律，認(rèn)為配合煤細(xì)度與入爐煤堆密度、焦?fàn)t單孔產(chǎn)量負(fù)相關(guān)，同時(shí)細(xì)度過大會(huì)劣化焦炭質(zhì)量。實(shí)際生產(chǎn)中，膠質(zhì)體多、結(jié)焦性好的肥煤和焦煤應(yīng)粗粉碎，降低因粉碎過細(xì)產(chǎn)生的“破黏、瘦化”效應(yīng)，而惰性組分多、硬度大的瘦煤和氣煤應(yīng)細(xì)粉碎，使得惰性較多的瘦煤更多地參與氣孔壁的形成，改善焦炭質(zhì)量，同時(shí)應(yīng)盡量減少小于0.5 mm和大于5 mm[7]的單種煤參與煉焦生產(chǎn)。表2為國內(nèi)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)煉焦備煤粉配工序現(xiàn)狀。

表2 國內(nèi)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)煉焦備煤粉配工序現(xiàn)狀Table 2 Current Status of Pulverized Coal Blending Process for Coke Making in Domestic Iron and Steel Joint Enterprises

2 煤粉粒度對(duì)煤焦特性的影響研究

2.1 單種煤粒度對(duì)煉焦煤工業(yè)成分的影響

張代林等[8]研究了不同粒級(jí)焦煤、肥煤的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)隨著單種煤粒度的變化，煉焦煤工業(yè)成分變化較大，如圖2所示。

圖2 單種煤粒度與煉焦煤灰分含量的關(guān)系Fig.2 Relationship between Particle Size of Individual Coal and Ash Content of Coking Coal

由圖2可以看出，灰分含量隨著煤粉粒度的增大呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，且灰分主要集中在較細(xì)（＜0.5 mm）和較大（＞13 mm）粒度范圍內(nèi)。 一方面，煤的灰分主要來源于煤中礦物質(zhì)，粒級(jí)較小的煤樣含有較多細(xì)顆粒鑲嵌礦物，導(dǎo)致粒度最小的煤中灰分含量較高；另一方面，礦物質(zhì)含量較多的煤樣硬度大，較難破碎，所以粒度較大的煤樣灰分含量增大。根據(jù)不同粒級(jí)的工業(yè)分析結(jié)果，利用選擇性粉碎工藝可以適當(dāng)降低小顆粒煤粉占比，進(jìn)而使得配合煤的灰分分布更加均勻，有助于改善煤料的黏結(jié)性能。

宋建新等[9]研究所用的煉焦煤發(fā)現(xiàn)，除1/3焦煤外，焦煤、肥煤、貧瘦煤中的硫主要分布在＜1 mm的粒度范圍內(nèi)，且隨著煤粉粒度的減小，硫含量呈現(xiàn)升高的趨勢，如圖3所示。硫主要以黃鐵礦物形式存在于灰分中，細(xì)粒均勻嵌布在煤中的黃鐵礦中，較難洗選去除，導(dǎo)致粒度越小的煤硫含量越大。

圖3 單種煤粒度與煉焦煤硫含量的關(guān)系Fig.3 Relationship between Particle Size of Individual Coal and Sulfur Content of Coking Coal

2.2 單種煤粒度對(duì)煉焦煤結(jié)焦特性的影響

陳鵬等[10]檢測了四種煉焦煤11個(gè)粒度范圍內(nèi)的黏結(jié)指數(shù)G值，各單種煉焦煤黏結(jié)指數(shù)隨粒度的變化趨勢如圖4所示。

圖4 不同粒級(jí)單種煤黏結(jié)指數(shù)G值Fig.4GValue of Caking Indexes for Individual Coal with Different Grades of Particle Size

研究發(fā)現(xiàn)：

（1）隨著粒級(jí)的增加，氣煤與氣肥煤的黏結(jié)指數(shù)增大，且粒級(jí)分別在4～6 mm、3～5 mm時(shí)，黏結(jié)指數(shù)G值達(dá)到最大。從鏡質(zhì)組的聚集及局部膠質(zhì)體的生成角度分析，氣煤形成的膠質(zhì)體相對(duì)稀薄，黏結(jié)能力較差，不同粒度的氣煤成焦顯微結(jié)構(gòu)均以各向同性和惰性結(jié)構(gòu)為主，但對(duì)氣孔的大小及氣孔壁的厚薄存在較大影響。惰性物質(zhì)的差異性是氣肥煤與氣煤的主要區(qū)別，隨著粒級(jí)的增加，氣肥煤會(huì)先于氣煤實(shí)現(xiàn)鏡質(zhì)組的聚集與膠質(zhì)體的生成。

（2）1/3焦煤的細(xì)粒狀鑲嵌結(jié)構(gòu)阻礙膠質(zhì)體的流動(dòng)。粒級(jí)較小時(shí)，比表面積大的膠質(zhì)體消耗高、黏結(jié)性弱；而粒級(jí)較大時(shí)，膠質(zhì)體本身的黏結(jié)性能又不足以浸潤顆粒本身。1/3焦煤黏結(jié)指數(shù)G值隨著粒度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。

（3）焦煤的黏結(jié)指數(shù)G值呈現(xiàn)先升高后降低、波浪下降的趨勢。焦煤的成焦結(jié)構(gòu)以粗粒鑲嵌為主，膠質(zhì)體以自身黏結(jié)結(jié)焦為主，焦煤的成焦性能較為均勻。焦煤破碎后，硬度小、脆度大的鏡質(zhì)組集中在細(xì)顆粒中，隨著粒級(jí)增加，鏡質(zhì)組含量減少，導(dǎo)致膠質(zhì)體的潤濕作用下降，進(jìn)而黏結(jié)能力降低。若過度粉碎，細(xì)顆粒中存在的較高灰分含量也會(huì)影響煤的黏結(jié)性能，為了避免粒度對(duì)焦煤黏結(jié)、結(jié)焦的不利影響，應(yīng)盡量減少焦煤在＜0.5 mm 和＞6 mm 粒級(jí)煤樣的比例[8]。

瘦煤隨著粉碎粒度的減小，片狀和板狀纖維結(jié)構(gòu)的尺寸單元明顯減小，自黏結(jié)強(qiáng)度指數(shù)逐漸增加，粒度減小到一定程度，強(qiáng)度指數(shù)隨粒度的減小維持穩(wěn)定不變[11]。瘦煤與其他煉焦煤結(jié)焦時(shí)，界面處無明顯反應(yīng)。瘦煤類高變質(zhì)程度弱黏結(jié)性煉焦煤宜選用細(xì)粉碎工藝，利于焦炭質(zhì)量提高。

肥煤的奧亞膨脹度可以很好的反映出肥煤黏結(jié)成焦特性。鮑俊芳等[12]研究了粒度對(duì)肥煤膨脹特性的影響規(guī)律，得出粒度在0.5～2 mm粒級(jí)的肥煤的膨脹性能較優(yōu)；粒度大于2 mm肥煤的膠質(zhì)體較厚，活性組分的比表面積小，膠質(zhì)體受熱膨脹時(shí)單位面積上的壓強(qiáng)大，膠質(zhì)體膜容易破裂；而粒度小于0.5 mm肥煤，由于破碎導(dǎo)致活性成分比表面積增大，膠質(zhì)體減薄，膠質(zhì)體受熱膨脹過程中形成的較薄膠質(zhì)體膜更容易破裂，煤粒被氧化導(dǎo)致了最大膨脹度降低，膨脹溫度區(qū)間減小。白向飛等[13]通過研究粒級(jí)主要集中在＜3 mm煤巖特性及其對(duì)煉焦煤性質(zhì)的影響規(guī)律，闡述了黏結(jié)指數(shù)、粒度特征、煤巖特征之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了中等粒級(jí)（1.5～0.28 mm）煤黏結(jié)指數(shù)高于粗粒（1.5～3 mm）、細(xì)粒（＜0.28 mm）級(jí)煤的現(xiàn)象。

2.3 單種煤粒度對(duì)煉焦煤煤巖特性的影響

陳鵬等[14]研究了不同粒度氣煤對(duì)焦炭顯微結(jié)構(gòu)的影響，研究發(fā)現(xiàn)各向同性結(jié)構(gòu)與粗粒鑲嵌結(jié)構(gòu)之間的界面融合反應(yīng)易使粗粒鑲嵌結(jié)構(gòu)細(xì)?；缑嫒诤戏磻?yīng)程度與氣煤粒度相關(guān)，氣煤的粒度越小，界面接觸面積越大，界面融合反應(yīng)越激烈。氣煤活性成分越高，界面融合細(xì)化現(xiàn)象越強(qiáng)。

張代林等[8]測定了不同篩分粒級(jí)煤樣的鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組含量，不同粒級(jí)的焦煤和肥煤鏡質(zhì)組平均最大反射率存在差異，粒級(jí)大的焦煤和肥煤其較高。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。利用坩堝焦試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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，從而劣化焦炭質(zhì)量。宋建新等[9]研究了各煤種的煤巖顯微組分在不同粒度等級(jí)中的富集分布變化，發(fā)現(xiàn)它們有共同規(guī)律。不同粒級(jí)煤粉的鏡質(zhì)組含量如圖5所示，可以看出，在＞10 mm的顆粒中鏡質(zhì)組含量最低，隨粒度的減小，含量逐漸增多。

圖5 不同粒級(jí)煤粉的鏡質(zhì)組含量Fig.5 Content of Vitrinite Group in Pulverized Coal with Different Grades of Particle Size

2.4 煤粉粒度對(duì)焦炭質(zhì)量的影響

不同粒度的煉焦煤顯微組分含量不同，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)焦過程中存在活性組分和惰性組分的接觸及變化差異，影響焦炭的氣孔結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)。瘦煤粒度與焦炭質(zhì)量的關(guān)系如圖6所示。

圖6 瘦煤粒度與焦炭質(zhì)量的關(guān)系Fig.6 Relationship between Particle Size of Lean Coal and Coke Quality

由圖6（a）可以看出，將高階瘦煤細(xì)粉碎后配煤煉焦，配合煤的結(jié)焦性改善，瘦煤粉碎到小于0.2 mm時(shí)，配合煤的結(jié)焦性最優(yōu)，焦炭冷態(tài)強(qiáng)度最好。瘦煤粒度過低，增大的比表面積強(qiáng)化了活性組分的吸附，進(jìn)而使膠質(zhì)體變薄，焦炭氣孔壁變薄，焦炭質(zhì)量變差[15]。進(jìn)一步過細(xì)粉碎瘦煤煉焦，配合煤的結(jié)焦性劣化，焦炭質(zhì)量變差[16]。瘦煤中的惰質(zhì)組分含量隨粒度減小而降低，進(jìn)而導(dǎo)致惰質(zhì)組作為結(jié)焦中心的點(diǎn)減少，骨架支撐作用下降，劣化焦炭質(zhì)量。同時(shí)，粒度過小還會(huì)引起能耗的增大，粉塵含量和焦油渣量增多。項(xiàng)茹等[17]為改善焦炭冷強(qiáng)度，將配合煤粒度控制在6 mm以下，避免難破碎的煉焦煤在大顆粒范圍聚集，對(duì)焦炭質(zhì)量不利。因此，應(yīng)根據(jù)巖相組成，合理利用粉碎工藝控制煤的粒度，使惰性組分細(xì)粉碎，活性組分粗粉碎，使每種組分充分發(fā)揮其作用，在提高堆密度的同時(shí)，改善煤在煉焦過程中的動(dòng)態(tài)變化，從而改善焦炭質(zhì)量。

由圖6（b）可以看出，焦炭的反應(yīng)性隨高變質(zhì)程度煤粉粒度的減小而增大，焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度隨高變質(zhì)程度煤粉粒度的減小先增大后減小[18]。適當(dāng)細(xì)粉碎高變質(zhì)程度煤粉，有利于改善焦炭質(zhì)量，不僅使反應(yīng)性增大，而且焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度也提高，這與高反應(yīng)性高強(qiáng)度焦炭的理念相符。但過細(xì)粉碎高變質(zhì)程度煤粉，焦炭的熱態(tài)性能會(huì)明顯惡化。

煤粉粒度對(duì)焦炭氣孔率的影響如圖7所示。由圖7可以看出，隨著高變質(zhì)程度煤粉粒度的減小，焦炭氣孔率降低，但變質(zhì)程度越高，降幅越小。這是因?yàn)?，高變質(zhì)程度煤粉在焦炭中以自身強(qiáng)度較低的破片狀等惰性單元存在[11]。因此，調(diào)整高變質(zhì)程度煤粉的粒度對(duì)焦炭氣孔率影響較小。

圖7 煤粉粒度對(duì)焦炭氣孔率的影響Fig.7 Effect of Pulverized Coal Particle Size on Coke Porosity

調(diào)整高變質(zhì)程度煤粉的粒度煉焦時(shí)，隨著高變質(zhì)程度煤粉粒度的減小，焦炭的光學(xué)組織構(gòu)成不會(huì)發(fā)生明顯變化，但惰性成焦特征會(huì)逐漸消失。受粉碎過程中機(jī)械力的作用，破片狀等光學(xué)組織結(jié)構(gòu)的尺寸大幅度減小，變成粗大粒狀鑲嵌形貌，與強(qiáng)黏結(jié)性煤粉的成焦結(jié)構(gòu)鑲嵌在一起[19]，既發(fā)揮了惰性單元作為結(jié)焦中心和骨架的作用，也能避免其自身的結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)焦炭質(zhì)量的不利影響，有助于提高焦炭的機(jī)械強(qiáng)度，使焦炭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨高變質(zhì)程度煤粉粒度的減小而增大。弱黏結(jié)性煤粉大多為惰性組分，適當(dāng)細(xì)粉碎后能填充部分大顆粒間的空隙[20]，在煉焦過程中能更好地被液相組分所包覆而參與形成氣孔壁，導(dǎo)致焦炭的氣孔率下降并增加氣孔壁的厚度，使焦炭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到改善。

3 結(jié)論

（1）目前國內(nèi)頂裝焦?fàn)t備煤工序已開始由先配后粉工藝向選擇性粉碎工藝轉(zhuǎn)變，選擇性粉碎可以根據(jù)單種煤煤巖、硬度的不同，利用篩分和破碎相結(jié)合，使惰性組分多以及大顆粒煤得到充分粉碎，優(yōu)化煉焦過程中膠質(zhì)體的質(zhì)量和數(shù)量，最終改善焦炭的質(zhì)量。隨著優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源日趨匱乏，為使優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源得到充分優(yōu)化利用，煤粉粒度的優(yōu)化選取已經(jīng)成為煉焦企業(yè)經(jīng)濟(jì)高效配煤的重要研究方向。

（2）煉焦煤粉碎后，灰分主要集中在粒度較小的顆粒中，灰分過于集中不利于煉焦過程中膠質(zhì)體的流動(dòng)，進(jìn)而弱化煉焦煤的黏結(jié)性。硫主要集中在小粒度范圍內(nèi)，主要與煤中的細(xì)顆粒礦物質(zhì)鑲嵌結(jié)構(gòu)和硬度有關(guān)，過高的硫分會(huì)導(dǎo)致焦?fàn)t煤氣和焦炭硫分相應(yīng)升高，進(jìn)而影響后續(xù)煤氣脫硫，增大高爐焦比。不同煉焦煤粒度的變化對(duì)煉焦煤的結(jié)焦性能影響差異較大。一般認(rèn)為氣煤、瘦煤等惰性組分多、硬度大的煉焦煤應(yīng)該細(xì)粉碎，而焦煤、肥煤等不易過渡粉碎，以免造成煉焦煤的“瘦化”現(xiàn)象，但也有與傳統(tǒng)觀點(diǎn)相悖的研究觀點(diǎn)，這主要與各單位對(duì)煉焦煤種的劃分有一定關(guān)系。

（3）隨著煉焦煤粒度的逐漸增大，煉焦煤的鏡質(zhì)組含量逐漸降低，主要是因?yàn)橛捕刃　⒋喽却蟮溺R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。所以在煉焦配煤中，應(yīng)盡量降低煤粉過細(xì)或者過粗條件下的粒度分布，綜合考慮煉焦煤粒度對(duì)煉焦煤的灰分含量、硫含量、結(jié)焦性能、煤巖分布及焦炭質(zhì)量的影響，最終提出適用于本單位煤質(zhì)特性的粉碎工藝和配煤控制細(xì)度。