羿神能源焦炭質(zhì)量影響因素及控制措施

李 艷

（潞安化工集團(tuán)羿神能源有限責(zé)任公司，山西 長治 046100）

羿神能源煉焦車間設(shè)2×75 孔5.5 m 搗固焦?fàn)t，年產(chǎn)焦炭150 萬t。焦炭質(zhì)量受多方面因素影響，其中配煤結(jié)構(gòu)和焦?fàn)t加熱制度是影響焦炭質(zhì)量的兩大重要因素[1]。在煉焦煤逐漸減少而高爐煉鐵又需大量優(yōu)質(zhì)焦炭的情況下，如何改善、穩(wěn)定焦炭質(zhì)量，提高高爐產(chǎn)量具有重要的意義。羿神能源在配煤煉焦、工藝管理等方面進(jìn)行了大量研究，取得了顯著效益。

1 煤質(zhì)及配煤方案因素

1.1 配合煤水分

配合煤的水分對(duì)煤的固有性質(zhì)影響不大，對(duì)結(jié)焦過程造成顯著的影響。一是影響煤的堆密度，水分越低，裝爐煤的堆密度越大，有利于提高焦?fàn)t的生產(chǎn)能力；二是影響焦?fàn)t溫度，水分高不僅影響炭化室焦炭成熟時(shí)間，更重要的是由于其蒸發(fā)大量吸熱的過程造成相鄰炭化室爐溫波動(dòng)，影響其焦炭的收縮度和成焦。三是影響焦炭視密度，水分大的煤料成焦后，焦炭視密度降低和氣孔率增大；配合煤水分低的煤料成焦后的焦炭致密，焦餅中心的氣孔和泡焦都比較少[2]。我公司配合煤水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在10%～12%。

1.2 配合煤灰分

煤的灰分是指煤中所有可燃物質(zhì)完全燃燒時(shí)，煤中礦物質(zhì)在一定溫度下經(jīng)過一系列分解、化合等復(fù)雜反應(yīng)后剩下的殘?jiān)?。煤灰分是惰性成分，參與焦炭結(jié)構(gòu)的形成?；曳謱?duì)焦炭強(qiáng)度的影響有正負(fù)兩方面：正面影響是隨灰分的升高，氣孔率降低，焦炭強(qiáng)度升高；負(fù)面影響是隨著灰分的升高，焦炭結(jié)構(gòu)缺陷增多，光學(xué)各向異性減弱，較大顆粒礦物質(zhì)的存在，是焦炭形成裂紋的中心，造成焦炭強(qiáng)度降低；另外，由于灰分中含有一定量的堿金屬，其對(duì)焦炭在高溫下的碳溶反應(yīng)起正的催化作用，降低了焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度?；曳謱?duì)焦炭強(qiáng)度起到的負(fù)作用要強(qiáng)于對(duì)焦炭的正面影響，總體表現(xiàn)為焦炭強(qiáng)度的劣化，所以要提高焦炭強(qiáng)度必須降低配合煤的灰分[3]。煤中絕大部分灰分轉(zhuǎn)入焦炭中，一般認(rèn)為，煤的焦炭灰分增加1%，煉鐵焦比增加2%～2.5%[4]，我公司要求煉焦用煤的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)大于10%。

1.3 配合煤揮發(fā)分

揮發(fā)分對(duì)焦炭質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生很大的影響，隔絕空氣加熱后，煉焦煤中的水分和有機(jī)質(zhì)會(huì)受熱產(chǎn)生分解。當(dāng)揮發(fā)分含量較高時(shí)，焦炭的收縮度變大，這樣得到的焦炭抗碎強(qiáng)度會(huì)比較差，并且會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生大量氣體導(dǎo)致焦炭成條狀，產(chǎn)生縱裂紋，造成焦炭的抗碎強(qiáng)度下降；揮發(fā)分過低時(shí)，在煉焦時(shí)由于焦餅受溫度的影響變小，焦餅內(nèi)存在較大的膨脹壓力，導(dǎo)致推焦困難或造成焦?fàn)t損壞[4]。我公司生產(chǎn)實(shí)踐證明，Vdaf控制在26%～30%，這時(shí)生產(chǎn)出的焦炭質(zhì)量相對(duì)較好，且化產(chǎn)品回收率較高。

1.4 配合煤黏結(jié)性和結(jié)焦性

煉焦煤黏結(jié)性是在熔融狀態(tài)下膠質(zhì)體的黏結(jié)和固化能力，結(jié)焦性是指煉焦煤熔融后形成半焦進(jìn)一步受熱分解、收縮形成焦炭的能力。結(jié)焦性適用范圍大于黏結(jié)性，這就表示一個(gè)結(jié)焦性好的煉焦煤首先要具備良好的黏結(jié)性。黏結(jié)指數(shù)（G）能夠同時(shí)反應(yīng)煉焦煤的黏結(jié)性和結(jié)焦性，過高或過低的G 值都會(huì)對(duì)焦炭的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。膠質(zhì)體最大厚度（Y）和G 在一定范圍內(nèi)都具備加和性，我公司在保證焦炭質(zhì)量的前提下，盡量降低控制生產(chǎn)成本，Y 值控制在12～15 mm、G值在60～65。

1.5 配合煤的煤巖性質(zhì)

煤的鏡質(zhì)組平均最大反射率（Rmax）反映的是煤變質(zhì)程度，現(xiàn)代煤巖學(xué)認(rèn)為煤料中殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組為活性成分，其中殼質(zhì)組含量很少，鏡質(zhì)組占大部分，絲質(zhì)組為惰性成分。因此鏡質(zhì)組的性質(zhì)起到至關(guān)重要的作用，目前用油浸顯微鏡下觀測(cè)鏡質(zhì)組反射率（R）作為其指標(biāo)，隨著鏡質(zhì)組反射率的提高煤的變質(zhì)程度也在加深。Rmax在1.1%～1.3%之間時(shí)焦炭質(zhì)量最佳，這個(gè)區(qū)間正好處于中等變質(zhì)程度煤料，膠質(zhì)體豐富且性質(zhì)穩(wěn)，定能夠在較長的溫度范圍內(nèi)保持液相狀態(tài)，在搗固煉焦條件能夠黏結(jié)更多的惰性煤粒，結(jié)焦性改善明顯。綜合考慮性價(jià)比，我公司Rmax控制在1.1%～1.2%，活惰比控制在1.2%～1.4%（見圖1、表1）。

表1 配合煤Rran 區(qū)段計(jì)算結(jié)果

圖1 配合煤鏡質(zhì)組反射率分布圖

2 生產(chǎn)工藝因素

2.1 配合煤粒度

配合煤的粒度是影響焦炭密度的重要因素。煉焦煤的種類不同，其性質(zhì)就不同。因此，對(duì)各種煉焦煤的粒度控制也不同。對(duì)于瘦煤、氣煤等黏結(jié)性差和惰性組分多的煤，需要細(xì)粉碎，這樣做的目的是為了減少焦炭裂紋；但是對(duì)于肥煤、焦煤等黏結(jié)性、流動(dòng)性好的煉焦煤，其粒度控制可以相對(duì)寬松，從而發(fā)揮其流動(dòng)性和黏結(jié)性。選擇性破碎技術(shù)的使用對(duì)提高焦炭致密度起著重要作用。為此，我公司采用“預(yù)破碎-配煤-二次破碎”的工藝，將硬度大的蒲縣1/3 煤、氣煤、貧瘦煤進(jìn)行預(yù)破碎（破碎至＜3 mm 占83%）后送入配煤倉，配入肥煤、焦煤后，再將配合煤進(jìn)行二次破碎至＜3 mm 占88%以上。

2.2 配合煤堆密度

配合煤的堆密度是影響焦炭氣孔率的重要因素。增加堆密度就是為了減少煤粒之間的空隙，煉焦煤在軟化熔融階段產(chǎn)生的膠質(zhì)體數(shù)量和質(zhì)量都會(huì)隨之提高，提高了結(jié)合和包裹惰性物質(zhì)的能力，因而提高焦炭質(zhì)量。提高堆密度對(duì)應(yīng)的工藝有煤料搗固、型煤壓塊、煤調(diào)濕技術(shù)等。羿神能源采用搗固焦?fàn)t，平均搗固時(shí)間為10～12 min，將堆密度控制在1.05～1.08 t/m3。

2.3 焦?fàn)t加熱制度

煉焦溫度對(duì)焦炭質(zhì)量的影響來自三方面，一是要確定合適的標(biāo)準(zhǔn)溫度，滿足成焦需要；二是過快的溫度變化也會(huì)對(duì)焦炭的塊度以及氣孔率產(chǎn)生一定的影響，因此加熱溫度應(yīng)平穩(wěn)，使煤質(zhì)成焦過程均勻、穩(wěn)定。三是合適的結(jié)焦時(shí)間。在煉焦過程中在一定范圍內(nèi)延長結(jié)焦時(shí)間會(huì)加劇半焦在收縮應(yīng)力下的收縮程度，使得煉焦煤在反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的液相物質(zhì)填充了焦炭氣孔壁，有利于焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度。生產(chǎn)實(shí)踐表明，結(jié)焦時(shí)間為30 h 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)溫度為1 260 ℃，爐頂空間溫度為810～835 ℃，所生產(chǎn)的焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度較高。

2.4 熄焦方式

常規(guī)濕法熄焦是從頂部瞬時(shí)噴淋大量冷水來熄滅紅焦，受急冷急熱的影響，焦炭在熄焦過程中，產(chǎn)生大量的裂紋，從而降低焦炭強(qiáng)度。低水分濕法熄焦（CSQ）采用車皮底部進(jìn)水熄焦、頂部噴淋少量水，大水流激烈汽化使熄焦車內(nèi)的焦炭處于沸騰狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)焦炭初步整粒，焦炭粒度更加均勻，提高了焦炭強(qiáng)度。干法熄焦主要是在密閉的條件下，將焦炭置于熄焦臺(tái)上，利用氮?dú)膺@種惰性氣體來對(duì)焦炭進(jìn)行降溫。干熄焦不易使焦炭產(chǎn)生裂紋，因此有利于焦炭強(qiáng)度的提高。干法熄焦是一項(xiàng)節(jié)約能源、防止大氣污染同時(shí)提高焦炭質(zhì)量的綜合環(huán)保措施。同一配煤結(jié)構(gòu)下，干熄焦比濕熄焦焦炭M40提高3%～5%，M10降低0.2%～0.5%，CRI 降低1%～2%，CSR 提高2%～3%[5]。

3 質(zhì)量改善措施

3.1 加強(qiáng)煤質(zhì)管理

3.1.1 建立進(jìn)廠原料煤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系

按照對(duì)煉焦過程和焦炭質(zhì)量的影響程度，結(jié)合各單種煤的工業(yè)分析指標(biāo)和煤巖指標(biāo)，針對(duì)性地對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的合格率和平均值制定評(píng)分細(xì)則，通過分?jǐn)?shù)直觀、科學(xué)地評(píng)價(jià)同一煤種，不同供應(yīng)商所供單種煤質(zhì)量的優(yōu)劣。表2 為各指標(biāo)平均值對(duì)應(yīng)分值，表3 為各指標(biāo)合格率處在不同區(qū)間范圍時(shí)，對(duì)應(yīng)的分值。

表2 各項(xiàng)指標(biāo)平均值對(duì)應(yīng)分值

表3 各指標(biāo)不同合格率對(duì)應(yīng)分值

3.1.2 完善新煤種數(shù)據(jù)庫

對(duì)我公司擬購入的新煤源新煤種，以及擬向我公司供應(yīng)原料煤的新供應(yīng)商均進(jìn)行新煤種試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括工業(yè)分析、煤巖分析、20 kg 鐵箱試驗(yàn)焦炭工業(yè)分析及機(jī)械強(qiáng)度和熱強(qiáng)度分析。各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)的情況下，進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)歸入新煤種數(shù)據(jù)庫，為實(shí)現(xiàn)配煤結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化提供條件。經(jīng)過新煤種試驗(yàn)，開發(fā)了洪洞主焦煤、陜西氣煤、低硫主焦煤、低硫肥煤等優(yōu)質(zhì)煤源，這些煤源的配入，改善了產(chǎn)品質(zhì)量，已成為我公司現(xiàn)階段配煤的主力煤種。

3.1.3 加強(qiáng)進(jìn)廠原料煤質(zhì)量抽檢

單種煤質(zhì)量的波動(dòng)直接關(guān)系焦炭質(zhì)量的波動(dòng)。羿神公司對(duì)進(jìn)廠原料煤質(zhì)量控制采取機(jī)采和人工采樣相結(jié)合的方式做好來煤質(zhì)量的控制。主要從三個(gè)方面把關(guān)：第一，用全自動(dòng)采樣機(jī)對(duì)入廠煤車進(jìn)行自動(dòng)布點(diǎn)采樣，隨機(jī)布點(diǎn)3 個(gè)組成一個(gè)煤樣，確保布點(diǎn)的隨機(jī)性和所采煤樣的代表性。第二，每班對(duì)原料煤卸車過程進(jìn)行隨機(jī)采樣分析，一方面預(yù)防煤車上下煤層煤質(zhì)不同的問題，杜絕供應(yīng)商惡意摻假現(xiàn)象，同時(shí)也是對(duì)全自動(dòng)采樣機(jī)采樣的對(duì)比和檢驗(yàn)。第三，每班對(duì)煤場(chǎng)、配煤倉單種煤抽檢，出現(xiàn)質(zhì)量異常時(shí)，立即對(duì)該單種煤的所有供應(yīng)商采取停車化驗(yàn)、加強(qiáng)化驗(yàn)頻次等管控措施；對(duì)存在問題的供應(yīng)商降低其信用等級(jí)。

3.2 做好工藝管控

3.2.1 配煤過程精細(xì)化

第一，在傳統(tǒng)配煤方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合各單種煤和配合煤的煤巖鏡質(zhì)體隨機(jī)反射率分布圖，及時(shí)掌握配合煤Rran各區(qū)段所占比例，做出更加精準(zhǔn)的調(diào)整。第二，優(yōu)化煤場(chǎng)管理，每天進(jìn)行煤場(chǎng)或配煤倉取樣分析，做好過程管控，做到原料煤先到先用，杜絕由于長時(shí)間存放造成煤質(zhì)變化的情況。第三，配備高精度智能化配煤系統(tǒng)，配料設(shè)備采用多傳感器稱量方式，稱重機(jī)構(gòu)采用全懸浮式結(jié)構(gòu)，高精度數(shù)字測(cè)速傳感器，高頻多脈沖輸出保證了測(cè)速穩(wěn)定可靠。稱重精度和控制精度均達(dá)到±0.5%，只需控制室一人操作，現(xiàn)場(chǎng)一人定期巡檢設(shè)備，運(yùn)行的穩(wěn)定、安全，實(shí)現(xiàn)真正意義的無人值守。同時(shí)，定期校驗(yàn)電子皮帶秤，并不定期進(jìn)行電子秤總下煤量和瞬時(shí)下煤量的抽查，確保配煤方案執(zhí)行準(zhǔn)確。

3.2.2 工藝管理智能化

目前我公司采用焦?fàn)t自動(dòng)加熱控制+尾氣再循環(huán)工藝（圖2），應(yīng)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)，及時(shí)、準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)爐溫，穩(wěn)定了焦?fàn)t爐體溫度，平均安定系數(shù)提高到0.90 以上，改善了焦?fàn)t內(nèi)煤料的結(jié)焦性能，提高了焦炭質(zhì)量。

圖2 自動(dòng)加熱控制系統(tǒng)圖

3.2.3 采用干熄焦技術(shù)

羿神能源擁有一套干熄焦裝置，處理焦炭能力為190 t/h。和濕法熄焦以及低水分熄焦相比，干熄焦技術(shù)的應(yīng)用使每噸焦炭產(chǎn)生約0.5 t 的高壓或中壓過熱蒸汽用于發(fā)電，間接減少CO2、SO2的排放[6]。與此同時(shí)，冶金焦炭品質(zhì)得到大幅提高，其中，M40（抗碎強(qiáng)度）提高5%～8%，M10（耐磨強(qiáng)度）降低0.7%～2%。焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度有明顯改善。表4 為羿神能源2022 年6—11 月兩種熄焦工藝焦炭質(zhì)量比較。

表4 羿神能源2022 年6—11 月兩種熄焦工藝焦炭質(zhì)量比較

4 結(jié)語

焦炭質(zhì)量的主要決定因素是配合煤指標(biāo)和備煤、煉焦工藝。羿神能源從建立進(jìn)廠原料煤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系、完善新煤種數(shù)據(jù)庫、加強(qiáng)進(jìn)廠原料煤質(zhì)量抽檢三方面加強(qiáng)煤質(zhì)管理，從配煤過程精細(xì)化、工藝管理智能化、采用干法熄焦三方面做好工藝管控，以確保焦炭質(zhì)量處于較高和穩(wěn)定水平。