不同區(qū)域氣煤對焦炭質(zhì)量的影響研究

李 揚，徐宏程，任 梵

(1.云南曲煤焦化實業(yè)發(fā)展有限公司，云南 曲靖 655338；2.云南省化學化工學會，云南 昆明 650228)

未來焦化行業(yè)的發(fā)展主要是精細化管理與成本之間的競爭，原料煤占焦化企業(yè)總成本的80%左右。我國煉焦煤的經(jīng)濟可采儲量不高，僅占全國煤炭查明儲量的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，洗精煤儲量和產(chǎn)量中1/3焦煤和氣煤過多[1]。合理的利用氣煤資源，降低配煤成本，對焦化企業(yè)具有重要的意義。氣煤在煉焦配煤過程中，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，成為當前獨立焦化配煤技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。

云南曲煤焦化實業(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 搗固焦爐，305萬t/a焦炭生產(chǎn)能力，對焦爐煤氣進行深加工，年產(chǎn)30萬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，對焦爐煤氣產(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，通過對其工業(yè)分析、膠質(zhì)層指數(shù)、煤巖反射率分析、基式流動度、煤灰成分分析，并利用 40 kg 小焦爐實驗進行配煤煉焦實驗，配比方案中均配入10%的氣煤，對不同氣煤配煤煉焦后焦炭的熱態(tài)性能進行綜合分析比較，研究了氣煤在配煤煉焦中的差異性，并根據(jù)試驗結(jié)果指導實際生產(chǎn)。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗原料

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

1.2 試驗儀器及方法

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

針對4種氣煤進行配煤煉焦試驗，利用環(huán)保荷重試驗焦爐KXJL-HZ-40，結(jié)合本地1/3焦煤、25#焦煤及瘦煤，分別配入10%的氣煤進行小焦爐結(jié)焦試驗，并對小焦爐焦炭進行分析化驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 單種煤分析化驗結(jié)果

2.1.1 氣煤的工業(yè)分析

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

表1 氣煤工業(yè)指標分析結(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??；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、堿土金屬和過渡金屬[2]。

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

式中Ad為煤的干基灰分，Vd為煤的干基揮發(fā)份。

胡德生運用逐步回歸分析，建立了灰催化指數(shù)對焦炭熱態(tài)性能預(yù)測模型[4]，可見灰催化指數(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見表2。

表2 煤灰成分分析/%

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

2.1.3 基式流動度分析

采用基式流動度測定儀，按照GB/T 25213-2010進行基式流動度相關(guān)指標分析，結(jié)果見表3。

表3 基氏流動度分析

基式流動度的特征指標表征的是膠質(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煤巖圖像分析儀BRICC-M，按照GB/T 40485-2021測試，其分布圖見圖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)計見表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 小焦爐試驗

利用 40 kg 環(huán)保型荷重試驗焦爐，對以上4種氣煤分別進行配煤煉焦試驗，配合煤對應(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%的氣煤和適當比例的瘦煤，配比情況統(tǒng)計如表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)后強度測定儀KF-2008H，按照GB/T 4000-2017測定反應(yīng)后強度(CSR)和反應(yīng)性(CRI)，來表征焦炭熱態(tài)性能。焦炭質(zhì)量分析結(jié)果見表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到二級焦指標標準，熱態(tài)性能指標達到一級焦標準。配3#方案焦炭機械強度最好，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)以細粒鑲嵌和各項同性為主，膠質(zhì)體質(zhì)量不高、黏結(jié)能力不足，生產(chǎn)中使用過多會造成焦炭質(zhì)量的大幅下降[5]。結(jié)合小焦爐試驗結(jié)果，變質(zhì)程度高、膠質(zhì)層質(zhì)量好的氣煤，對焦炭質(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、堿土金屬對碳溶損反應(yīng)催化作用帶來的影響小于其變質(zhì)程度對焦炭質(zhì)量的影響。

3 搗固煉焦配入氣煤的應(yīng)用

3.1 實際生產(chǎn)配煤方案選擇

在 40 kg 小焦爐試驗的基礎(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)指標及配合煤其他分析指標，在搗固焦爐實際生產(chǎn)配比上做了適當調(diào)整，增加了較氣煤2收縮更大的氣煤。見表7。：

表7 實際搗固生產(chǎn)配比

實際生產(chǎn)執(zhí)行配比配合煤分析結(jié)果見表8。

表8 生產(chǎn)配比方案配煤分析

搗固焦爐焦炭質(zhì)量分析見表9。

表9 搗固焦爐焦炭質(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)出合格的二級焦，各項指標均能滿足要求。

3.2 配入氣煤的經(jīng)濟及社會效益分析

在我公司實際生產(chǎn)基礎(chǔ)上，增加了氣煤的配入量，提高配合煤揮發(fā)份，帶來了焦爐煤氣和化產(chǎn)品收率的進一步增加。降低了優(yōu)質(zhì)煉焦煤的配入量及改善難推焦的問題，在原有配煤成本的基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化配煤成本10～15元/t，拓寬市場，對于企業(yè)經(jīng)濟效益明顯。同時節(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)造了良好的社會效益。

4 結(jié)論

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

2)通過小焦爐試驗結(jié)果分析表明，氣煤對焦炭質(zhì)量的影響，主要是變質(zhì)程度及基式流動度指標，堿金屬及堿土金屬等對焦炭質(zhì)量的影響略顯其次。幾種因素具體影響權(quán)重需要進一步的試驗研究。

3)企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身實際情況，選擇合適的氣煤，在保證質(zhì)量的前提下，達到最優(yōu)的配比，對企業(yè)降本增效、延長焦爐壽命等意義重大。