不同區(qū)域氣煤對(duì)焦炭質(zhì)量的影響研究

李 揚(yáng)，徐宏程，任 梵

(1.云南曲煤焦化實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，云南 曲靖 655338；2.云南省化學(xué)化工學(xué)會(huì)，云南 昆明 650228)

未來(lái)焦化行業(yè)的發(fā)展主要是精細(xì)化管理與成本之間的競(jìng)爭(zhēng)，原料煤占焦化企業(yè)總成本的80%左右。我國(guó)煉焦煤的經(jīng)濟(jì)可采儲(chǔ)量不高，僅占全國(guó)煤炭查明儲(chǔ)量的27.10%，主要分布在華北地區(qū)。但煉焦原煤產(chǎn)量幾乎占全國(guó)原煤產(chǎn)量的一半，且多集中在山西和華東地區(qū)，煉焦煤中焦煤和肥煤的可選性又普遍較低，洗精煤儲(chǔ)量和產(chǎn)量中1/3焦煤和氣煤過(guò)多[1]。合理的利用氣煤資源，降低配煤成本，對(duì)焦化企業(yè)具有重要的意義。氣煤在煉焦配煤過(guò)程中，主要起增大焦餅收縮及提高煤氣產(chǎn)率的作用，但其結(jié)焦性能差，配用過(guò)程稍有不慎極易造成焦炭質(zhì)量下降。如何選擇合適的氣煤，成為當(dāng)前獨(dú)立焦化配煤技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。

云南曲煤焦化實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司地處云南曲靖，煉焦配煤以西南地區(qū)資源為主?，F(xiàn)有3座 4.3 m 和4座 5.5 m 搗固焦?fàn)t，305萬(wàn)t/a焦炭生產(chǎn)能力，對(duì)焦?fàn)t煤氣進(jìn)行深加工，年產(chǎn)30萬(wàn)t甲醇。由于生產(chǎn)甲醇、保證焦炭質(zhì)量以及成焦率的需要，對(duì)焦?fàn)t煤氣產(chǎn)氣量有一定的控制要求。

本文選取4種不同地區(qū)的氣煤，通過(guò)對(duì)其工業(yè)分析、膠質(zhì)層指數(shù)、煤巖反射率分析、基式流動(dòng)度、煤灰成分分析，并利用 40 kg 小焦?fàn)t實(shí)驗(yàn)進(jìn)行配煤煉焦實(shí)驗(yàn)，配比方案中均配入10%的氣煤，對(duì)不同氣煤配煤煉焦后焦炭的熱態(tài)性能進(jìn)行綜合分析比較，研究了氣煤在配煤煉焦中的差異性，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)原料

選取不同地區(qū)的4種氣煤，分別進(jìn)行工業(yè)分析、煤巖反射率分析、基式流動(dòng)度、膠質(zhì)層指數(shù)、煤灰成分等分析，并進(jìn)行配煤煉焦試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果焦炭的熱態(tài)性能，對(duì)氣煤配煤煉焦進(jìn)行綜合分析比較。

1.2 試驗(yàn)儀器及方法

全自動(dòng)工分儀5E-MAG6700(采用GB/T 212-2008)、膠質(zhì)層指數(shù)測(cè)定儀FDK-1(采用GB/T 479-2016)、全自動(dòng)煤巖圖像分析儀BRICC-M(采用GB/T 40485-2021)、基式流動(dòng)度測(cè)定儀JS1-1(采用GB/T 25213-2010)、焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度測(cè)定儀KF-2008H(采用GB/T 4000-2017)。

針對(duì)4種氣煤進(jìn)行配煤煉焦試驗(yàn)，利用環(huán)保荷重試驗(yàn)焦?fàn)tKXJL-HZ-40，結(jié)合本地1/3焦煤、25#焦煤及瘦煤，分別配入10%的氣煤進(jìn)行小焦?fàn)t結(jié)焦試驗(yàn)，并對(duì)小焦?fàn)t焦炭進(jìn)行分析化驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單種煤分析化驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 氣煤的工業(yè)分析

采用全自動(dòng)工分儀，按照GB/T 479-2016對(duì)4種氣煤分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 氣煤工業(yè)指標(biāo)分析結(jié)果

氣煤2灰分最高；氣煤3、氣煤4揮發(fā)份40%左右，較另兩種氣煤高；黏結(jié)指數(shù)氣煤3最高；最終收縮度氣煤1、氣煤2接近，氣煤4收縮度最小；最大膠質(zhì)層厚度4種氣煤基本一致。

2.1.2 氣煤煤灰成分分析

煤灰成分中的礦物質(zhì)對(duì)焦炭反應(yīng)性的影響主要表現(xiàn)在礦物催化方面，即在高爐環(huán)境中產(chǎn)生碳溶損反應(yīng)。影響焦炭反應(yīng)性的礦物質(zhì)可以分為堿金屬、堿土金屬和過(guò)渡金屬[2]。

楊俊和等通過(guò)添加礦物質(zhì)的可溶鹽吸附到焦炭表面，以添加方式負(fù)載氧化物對(duì)焦炭溶損反應(yīng)的作用規(guī)律為基礎(chǔ)，運(yùn)用非線性規(guī)劃求解的方法，建立了礦物質(zhì)對(duì)焦炭溶損反應(yīng)性的綜合作用指標(biāo)MCI[3]。

式中Ad為煤的干基灰分，Vd為煤的干基揮發(fā)份。

胡德生運(yùn)用逐步回歸分析，建立了灰催化指數(shù)對(duì)焦炭熱態(tài)性能預(yù)測(cè)模型[4]，可見(jiàn)灰催化指數(shù)與焦炭CRI和CSR有良好的相關(guān)性。

4種氣煤煤灰成分及MCI見(jiàn)表2。

表2 煤灰成分分析/%

表2中，MCI最大的是氣煤1，對(duì)碳溶損反應(yīng)催化作用最強(qiáng)，最小的是氣煤4，對(duì)碳溶損反應(yīng)催化作用最弱。

2.1.3 基式流動(dòng)度分析

采用基式流動(dòng)度測(cè)定儀，按照GB/T 25213-2010進(jìn)行基式流動(dòng)度相關(guān)指標(biāo)分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 基氏流動(dòng)度分析

基式流動(dòng)度的特征指標(biāo)表征的是膠質(zhì)層的質(zhì)量。由表3可以看出，氣煤2塑性區(qū)間 65 ℃，4種氣煤中最寬，與其他煤種能較好的重疊，且最大流動(dòng)度數(shù)值也是最大；氣煤3次之，塑性區(qū)間 53 ℃；氣煤1與氣煤4最大流動(dòng)度數(shù)值相同，塑性區(qū)間氣煤1較氣煤4寬。

2.1.4 煤巖反射率分析

4種氣煤的鏡質(zhì)組反射率采用全自動(dòng)煤巖圖像分析儀BRICC-M，按照GB/T 40485-2021測(cè)試，其分布圖見(jiàn)圖1。

圖1 4種氣煤反射率分布圖

根據(jù)反射率分布圖，四種氣煤鏡質(zhì)組反射率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 氣煤反射率分析

由圖1及表4可以看出，氣煤2煤化程度最高，氣煤4煤化程度最低，其煤質(zhì)最為年輕；氣煤4反射率區(qū)間最大，離散度最大。

2.2 小焦?fàn)t試驗(yàn)

利用 40 kg 環(huán)保型荷重試驗(yàn)焦?fàn)t，對(duì)以上4種氣煤分別進(jìn)行配煤煉焦試驗(yàn)，配合煤對(duì)應(yīng)命名為配1#、配2#、配3#、配4#。4種配煤方案均以1/3焦煤、25#焦煤為基礎(chǔ)煤，配入10%的氣煤和適當(dāng)比例的瘦煤，配比情況統(tǒng)計(jì)如表5所示：

表5 配煤方案及質(zhì)量分析

搗固密度為1.0，電腦設(shè)定控溫程序，煉焦終溫1000±50 ℃。出焦后采用自然降溫冷卻，所得焦炭采用焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度測(cè)定儀KF-2008H，按照GB/T 4000-2017測(cè)定反應(yīng)后強(qiáng)度(CSR)和反應(yīng)性(CRI)，來(lái)表征焦炭熱態(tài)性能。焦炭質(zhì)量分析結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 焦炭質(zhì)量分析

從表6可以看出，4種方案所得焦炭均達(dá)到二級(jí)焦指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，熱態(tài)性能指標(biāo)達(dá)到一級(jí)焦標(biāo)準(zhǔn)。配3#方案焦炭機(jī)械強(qiáng)度最好，配2#方案焦炭熱態(tài)性能最好。

綜合表1～表6的數(shù)據(jù)，焦炭質(zhì)量最好的配比，所使用的氣煤變質(zhì)程度最高、塑性區(qū)間最寬，其礦物質(zhì)催化指數(shù)MCI小于氣煤4；使用氣煤4的焦炭熱態(tài)指標(biāo)最差，變質(zhì)程度最低，塑性區(qū)間最窄。

氣煤的成焦結(jié)構(gòu)以細(xì)粒鑲嵌和各項(xiàng)同性為主，膠質(zhì)體質(zhì)量不高、黏結(jié)能力不足，生產(chǎn)中使用過(guò)多會(huì)造成焦炭質(zhì)量的大幅下降[5]。結(jié)合小焦?fàn)t試驗(yàn)結(jié)果，變質(zhì)程度高、膠質(zhì)層質(zhì)量好的氣煤，對(duì)焦炭質(zhì)量的劣化影響小于低變質(zhì)程度氣煤，且氣煤灰成分中堿金屬、堿土金屬對(duì)碳溶損反應(yīng)催化作用帶來(lái)的影響小于其變質(zhì)程度對(duì)焦炭質(zhì)量的影響。

3 搗固煉焦配入氣煤的應(yīng)用

3.1 實(shí)際生產(chǎn)配煤方案選擇

在 40 kg 小焦?fàn)t試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合其他因素，使用氣煤3制定了生產(chǎn)配比。根據(jù)焦炭熱態(tài)指標(biāo)及配合煤其他分析指標(biāo)，在搗固焦?fàn)t實(shí)際生產(chǎn)配比上做了適當(dāng)調(diào)整，增加了較氣煤2收縮更大的氣煤。見(jiàn)表7。：

表7 實(shí)際搗固生產(chǎn)配比

實(shí)際生產(chǎn)執(zhí)行配比配合煤分析結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 生產(chǎn)配比方案配煤分析

搗固焦?fàn)t焦炭質(zhì)量分析見(jiàn)表9。

表9 搗固焦?fàn)t焦炭質(zhì)量分析

由上表焦炭質(zhì)量結(jié)果可以看出，該配比方案可以生產(chǎn)出合格的二級(jí)焦，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足要求。

3.2 配入氣煤的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益分析

在我公司實(shí)際生產(chǎn)基礎(chǔ)上，增加了氣煤的配入量，提高配合煤揮發(fā)份，帶來(lái)了焦?fàn)t煤氣和化產(chǎn)品收率的進(jìn)一步增加。降低了優(yōu)質(zhì)煉焦煤的配入量及改善難推焦的問(wèn)題，在原有配煤成本的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化配煤成本10～15元/t，拓寬市場(chǎng)，對(duì)于企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益明顯。同時(shí)節(jié)約了優(yōu)質(zhì)煉焦煤的使用，而且盡可能高效合理利用煤炭資源，創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益。

4 結(jié)論

1)不同產(chǎn)地的氣煤，其基礎(chǔ)特征指標(biāo)存在不同的差異。在 40 kg 小焦?fàn)t配煤煉焦試驗(yàn)中配入10%，焦炭質(zhì)量均能滿足生產(chǎn)需求。

2)通過(guò)小焦?fàn)t試驗(yàn)結(jié)果分析表明，氣煤對(duì)焦炭質(zhì)量的影響，主要是變質(zhì)程度及基式流動(dòng)度指標(biāo)，堿金屬及堿土金屬等對(duì)焦炭質(zhì)量的影響略顯其次。幾種因素具體影響權(quán)重需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

3)企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身實(shí)際情況，選擇合適的氣煤，在保證質(zhì)量的前提下，達(dá)到最優(yōu)的配比，對(duì)企業(yè)降本增效、延長(zhǎng)焦?fàn)t壽命等意義重大。