基于煤巖學(xué)探討蘭炭在煉焦配煤的適合度

張學(xué)梅，馬青華，郝靜遠(yuǎn)，李 東

（1.西安思源學(xué)院，陜西 西安 710038；2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710038）

我國褐煤和長焰煤的儲量巨大，但是這類低階煤含水量較高、發(fā)熱量較低，不適宜長距離運(yùn)輸。為了更好地利用這些資源，國內(nèi)開展了一系列改善低階煤煤質(zhì)、提高其加工利用適用性的提質(zhì)工藝和過程的研究[1]。長焰煤的低溫干餾熱解已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。根據(jù)市場經(jīng)濟(jì)的規(guī)則，只有將低溫干餾所產(chǎn)生的氣、液和固三種產(chǎn)品都變?yōu)樵谑袌瞿軌蛄魍ǖ纳唐?，并讓這些商品總的銷售價(jià)格超出提質(zhì)工藝所需的總費(fèi)用，才能真正推廣長焰煤的低溫干餾熱解。國內(nèi)已經(jīng)有了成熟的工藝?yán)妹簹夂徒褂?，并達(dá)到充分發(fā)揮其價(jià)值；蘭炭利用方面，則可以用其制備潔凈型煤或型焦燃料[2]、電石[3]，作為水處理劑[4]、鋼鐵冶煉燒結(jié)料[5]等。為了進(jìn)一步拓展蘭炭應(yīng)用范圍、降低煉焦成本、擴(kuò)大煉焦資源，有學(xué)者嘗試在40 kg小焦?fàn)t添加蘭炭配煤煉焦，研究其對焦炭質(zhì)量及生產(chǎn)的影響，結(jié)果表明，通過合理調(diào)整原有基礎(chǔ)配煤結(jié)構(gòu)，配入不超過2%的蘭炭仍可以保持焦炭質(zhì)量[6]，可一定程度降低焦炭生產(chǎn)成本。但這2%的蘭炭配入量卻遠(yuǎn)不如未提質(zhì)低階煤的配入量，劉皓[7]在研究榆林低階煤的配入量對焦炭性能的影響后證實(shí)：綜合所生產(chǎn)焦炭各項(xiàng)性能指標(biāo)，10%的低階煤配入量是適宜的，即使在低階煤配入量為12%時(shí)，焦炭的抗碎強(qiáng)度和耐磨強(qiáng)度還能達(dá)到三級冶金焦標(biāo)準(zhǔn)。目前還沒有文章從煤巖學(xué)的角度證實(shí)低階煤在低溫干餾過程中實(shí)現(xiàn)提質(zhì)、解釋低階煤提質(zhì)后的蘭炭在煉焦中配入量遠(yuǎn)不如未提質(zhì)低階煤的配入量，為此，本文將制備不同干餾程度的蘭炭樣品并進(jìn)行煤巖分析，用煤巖結(jié)果來探討以上兩個(gè)問題。

1 熱解實(shí)驗(yàn)

采用HYLZ-2型鋁甑低溫干餾爐實(shí)施干燥脫水、輕微熱解、強(qiáng)烈熱解[8]，共取7個(gè)樣品。將3 kg產(chǎn)于鄂爾多斯盆地神府-東勝煤田的長焰煤在粉碎機(jī)過篩后，放入60℃烘箱中烘烤2 h取出，在空氣中冷卻裝入塑封袋并放入干燥皿中作為起始樣備用。在每次新實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，加入甑中的起始樣均為70.0 g。將起始樣按5℃/min恒速從20℃升至245℃后，取作干燥脫水樣；將起始樣按5℃/min恒速從20℃升至245℃后停留5 min，再從245℃升至460℃后立刻終止反應(yīng)，取作輕微熱解樣；將起始樣經(jīng)過干燥脫水階段和輕微熱解后，在460℃恒溫5個(gè)不同停留時(shí)間（分別為20 min、60 min、120 min、200 min、320 min），取作5個(gè)強(qiáng)烈熱解樣。按GB/T 6948—2008《煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測定方法》將8個(gè)樣品（包括起始樣）制備成光學(xué)片做鏡質(zhì)體反射率測試。

2 樣品的鏡質(zhì)體反射率

用MSP-9000C煤巖儀做鏡質(zhì)體反射率全自動分析。因?yàn)槠鹗紭訖z測結(jié)果報(bào)告顯示神府-東勝煤田的長焰煤是單一煤層煤，所以其余7個(gè)固體樣品檢測結(jié)果報(bào)告也都必須是單一煤層煤。所有樣品的采樣比例均＞5%以符合采樣要求。8個(gè)樣品的平均最大反射率（Rmax）隨低溫干餾時(shí)間、溫度變化趨勢見圖1。

圖1 Rmax隨低溫干餾時(shí)間、溫度變化趨勢

從圖1可以看出，Rmax在整個(gè)低溫干餾過程中都是升高的，數(shù)值由起始樣的0.576%增大到1.730%，煤種由長焰煤變?yōu)榱耸菝?，這也意味著在整個(gè)低溫干餾過程中，長焰煤是按照氣、肥、1/3焦、焦、瘦、貧瘦煤的路徑不斷提質(zhì)的。在以5℃/min恒速從245℃升溫至460℃時(shí)，即輕微熱解階段，Rmax升高速度最快，其次是從20℃升溫至245℃的干燥脫水階段，升高速度最慢的是在460℃強(qiáng)烈熱解階段。我國煉焦配煤的4大煤種分別為氣、肥、焦、瘦，不包括長焰煤。從Rmax隨低溫干餾時(shí)間、溫度增高趨勢看，低溫干餾是將不適合配煤煉焦的長焰煤提質(zhì)到適合配煤煉焦的焦煤、瘦煤、貧瘦煤，從理論上說，煉焦時(shí)蘭炭的配入量應(yīng)該比長焰煤的配入量大才是，但長焰煤和提質(zhì)后的蘭炭配入量[6-7]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻顯示相悖的結(jié)論。

3 顯微組分含量變化

阿莫索夫和夏皮羅法（簡稱阿-夏法）是最早和最具代表性的將煤顯微組分種類、含量和鏡質(zhì)組反射率分布結(jié)合的煤巖顯微組分分析方法[9]。阿-夏法定義強(qiáng)度指數(shù)SI（strength index，無量綱）表示配煤中活性組分的強(qiáng)度，定義組分平衡指數(shù)CBI（component balance index，無量綱）來衡量組分是否達(dá)到平衡并處在最佳配比。

在阿-夏法的煤巖理論基礎(chǔ)上，有學(xué)者又創(chuàng)新了模糊集合配煤方法[10-11]，而阿-夏法的SI與模糊集合法的類強(qiáng)度指數(shù)集合（PSI）有著互相關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)關(guān)系，見式（1）。

式中：R為煤巖顯微組分的活惰比；ai為反射率組型為i時(shí)對應(yīng)活性組分含量為x時(shí)焦炭的強(qiáng)度指數(shù)；xi為反射率為0.3%～2.1%時(shí)活性組分占煤巖顯微組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；PSIi為反射率組型為i時(shí)的類強(qiáng)度指數(shù)；下角標(biāo)i為0.3%～2.1%半階分反射率。

阿-夏法的CBI與模糊集合法的類組分平衡指數(shù)集合PCBI有著互相關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)關(guān)系，見式（2）。

式中：bi為反射率組型為i時(shí)的最佳活惰比；PCBIi為反射率組型為i時(shí)的類組分平衡指數(shù)。

用MSP-9000C煤巖儀測得8個(gè)樣品的活惰比和數(shù)值型隨機(jī)反射率分布，并按式（1）和式（2）可以計(jì)算出SI和CBI。低溫干餾實(shí)驗(yàn)的SI、CBI隨時(shí)間變化見圖2。

圖2 低溫干餾實(shí)驗(yàn)的SI、CBI隨時(shí)間變化圖

從圖2可以看出，8個(gè)樣品的SI和CBI在整個(gè)低溫干餾過程中都是升高的。在低溫干餾實(shí)驗(yàn)的前113 min，即包括干燥脫水階段、輕微熱解階段和強(qiáng)烈熱解階段的最初20 min，SI與相對應(yīng)的CBI數(shù)值十分接近，但在之后的4組數(shù)據(jù)中，CBI大于SI。在強(qiáng)烈熱解階段惰質(zhì)體比鏡質(zhì)體的變化更明顯，SI曲線在此階段中升高的較平緩，即提質(zhì)效果不明顯，這與Rmax與時(shí)間、溫度的關(guān)系是一致的。

4 不適合參數(shù)

因沒有進(jìn)行小型焦?fàn)t試驗(yàn)，本文采用平面解析幾何常用的求兩點(diǎn)間距離的數(shù)學(xué)方法來比較8個(gè)樣品在配煤煉焦中的優(yōu)劣，即先選定一個(gè)合適的SI-CBI配煤煉焦區(qū)，并在區(qū)中定出最佳SI-CBI值，再求所有樣品的SI-CBI數(shù)值與最佳SI-CBI值間的距離。

4.1 合適的配煤煉焦區(qū)

有學(xué)者用模糊集合配煤處理云南煤業(yè)能源安寧分公司煉一級冶金焦數(shù)據(jù)，得出“安寧公司配煤區(qū)”的SI=4.75～5.69與CBI=0.89～1.32[11]。另有學(xué)者列出SI=3.8～4.5與CBI=0.8～1.4的矩形區(qū)為“各國常用配煤區(qū)”[12]。8個(gè)樣品的SI-CBI數(shù)值及2個(gè)合適配煤區(qū)見圖3。

圖3 8個(gè)樣品的SI-CBI數(shù)值以及兩個(gè)合適配煤區(qū)

從圖3可以確認(rèn)，所有低溫干餾熱解樣品的SI和CBI既沒有落入安寧公司配煤區(qū)，也沒有落入各國常用配煤區(qū)，所以8個(gè)低溫干餾熱解樣品都不適合煉焦配煤。

4.2 不適合參數(shù)

在SI-CBI二維坐標(biāo)系中，選擇矩形配煤區(qū)兩條對角線的交點(diǎn)為最佳配煤的SI-CBI坐標(biāo)，按SI優(yōu)和CBI優(yōu)表示，分別計(jì)算8個(gè)低溫干餾熱解樣品的SICBI坐標(biāo)與最佳配煤的SI-CBI坐標(biāo)的距離（dj），計(jì)算公式見式（3）。

式 中：SIj、CBIj為 第j個(gè) 樣 品 的SI-CBI坐 標(biāo)；SI優(yōu)、CBI優(yōu)為最佳配煤的SI-CBI坐標(biāo)；下角標(biāo)j為低溫干餾樣品數(shù)，0～7。

將式（3）所計(jì)算的距離定義為配煤煉焦不適合度，配煤煉焦不適合度越小，距離越小，就越適合配煤煉焦；而配煤煉焦不適合度越大，距離越大，就越不適合配煤煉焦。

8個(gè)低溫干餾熱解樣品到安寧公司最佳配煤區(qū)和到各國常用最佳配煤區(qū)的距離見圖4。

圖4 8個(gè)低溫干餾熱解樣品到安寧公司配煤區(qū)和到各國常用最佳配煤區(qū)的距離

從圖4可以看出，隨著干餾程度加深，樣品到安寧公司配煤區(qū)的距離由d0=2.96增大到d7=14.51，判定起始樣和干燥脫水樣是最適合煉焦配煤的，因?yàn)檫@兩個(gè)樣品離合適的配煤煉焦區(qū)距離最??；強(qiáng)烈熱解階段的后幾個(gè)樣品已經(jīng)完全不適合煉焦配煤，因?yàn)檫@些樣品離合適的配煤煉焦區(qū)距離越來越遠(yuǎn)。即起始樣的距離（d0=2.96）最小，最適合煉焦配煤；低溫干餾結(jié)束樣的距離（d7=14.51）最大，最不適合煉焦配煤。在460℃恒溫320 min得到的蘭炭到安寧公司配煤區(qū)的距離是烘過長焰煤（起始樣）距離的4.9倍（14.51/2.96=4.9），而在460℃恒溫320 min得到的蘭炭到各國常用配煤區(qū)的距離是烘過長焰煤（起始樣）距離的7.7倍（14.71/1.9=7.7），這解釋了未提質(zhì)低階煤的配入量是蘭炭配入量的5～6倍的原因，更進(jìn)一步證實(shí)煤巖煉焦配煤理論需要所有參配煤不只是符合煤變質(zhì)程度的要求，煤中各顯微組分含量的合理配比也需要得到滿足。

5 結(jié) 論

5.1 采用HYLZ-2型鋁甑低溫干餾爐，以鄂爾多斯盆地神府-東勝煤田長焰煤為原料，制備了8個(gè)在干燥脫水階段、輕微熱解階段、強(qiáng)烈熱解階段具有不同干餾程度的煤樣品，并分別進(jìn)行煤巖分析。隨著熱解程度加深，鏡質(zhì)體最大反射率數(shù)值由Rmax=0.576%增大到Rmax=1.730%，煤種由長焰煤變?yōu)榱耸菝?，即長焰煤在低溫干餾的過程中可以提質(zhì)。

5.2 低溫干餾過程中，輕微熱解階段鏡質(zhì)體反射率升高最快，其次是干燥脫水階段，最慢的是強(qiáng)烈熱解階段。

5.3 根據(jù)每個(gè)樣品的反射率分布和活惰比，計(jì)算各自的強(qiáng)度指數(shù)SI與組分平衡指數(shù)CBI以及各對SICBI點(diǎn)到SI-CBI優(yōu)化配煤矩形區(qū)中點(diǎn)的距離（d）j，起始樣的距離（d0=2.96）最小，最適合煉焦配煤；低溫干餾結(jié)束樣的距離（d7=14.51）最大，最不適合煉焦配煤。

5.4 配煤煉焦不適合度的比較證實(shí)低溫干餾可以提質(zhì)，但生產(chǎn)出的蘭炭卻達(dá)不到配煤煉焦的科學(xué)要求。