基于單種煤成焦灰分預測焦炭灰分的研究及應用

彭永根，周云花，梁 域，李 可，譚 宏

（華菱湘鋼技術質量部，湖南 湘潭 411101）

焦炭灰成分以SiO2、Al2O3為主，兩者質量分數之和一般可達50%～80%，還有少量Fe2O3、CaO、MgO、P2O5、SO3等成分。焦炭中灰分的大小對焦炭強度和高爐指標有重要影響。研究表明[1]，焦炭在高爐內被加熱到高于煉焦溫度時，由于焦質與灰分的熱膨脹性不同，焦炭會沿灰分顆粒周圍產生裂紋并擴大，使焦炭碎裂粉化，強度降低。煉鐵時使用灰分高的焦炭，消耗的焦炭和助熔石灰石較多，一般認為焦炭灰分每增加1%，煉鐵焦比將增加1%～2%，加入的助熔石灰石質量分數將增加4%，高爐產量將下降2%～3%[2]。同時，焦炭灰分的高低會直接影響高爐渣量與焦炭的強度、反應性和熱態性質[3]。

湖南華菱湘鋼焦化廠（簡稱湘鋼）配套4 座4.3 m頂裝焦爐和2 座6.0 m 頂裝焦爐，全部采用干熄焦工藝，總產能達到230 萬t/a。2018 年第1 季度因來煤灰分上升，焦炭灰分與以往相比大幅增加，最高達到13.5%以上，導致高爐消耗增加、焦比上升，在煉焦煤灰分偏高、煉焦煤資源又不能大幅調整的情況下，必須研究如何降低焦炭灰分。本文提出采用單種煤成焦灰分來準確預測配合煤成焦灰分以指導煉焦配煤，通過小焦爐試驗對湘鋼主要礦點煉焦煤的成焦灰分特性進行分析，并通過配煤試驗進行對比驗證，現介紹如下。

1 焦炭灰分的預測方法

目前，國內大多數企業對焦炭灰分的預測采用以下兩種方法：一是簡單的根據成焦率進行初步預測，煤在成焦過程中，一般認為其灰分全部轉入焦炭中，以成焦率換算，焦炭灰分是配合煤灰分的1.3～1.4 倍，該方法預測精度較差；二是通過對本企業的生產數據進行統計分析，采用線性回歸、曲線擬合的方式得到本企業焦炭灰分的預測數學模型，再用此模型對焦炭灰分進行預測，該方法在煤種及配煤結構發生變化后，預測結果會有偏差。

以上兩種焦炭灰分預測方法存在誤差的主要原因有兩方面，一是揮發分的影響，煉焦煤在高溫干餾條件下成熟結焦，揮發分揮發后剩下灰成分和碳成分，因此揮發分含量對成焦灰分有較大影響，對于相同灰分的單種煤，其揮發分越高，成焦灰分越高；二是煤灰成分在高溫干餾過程中的物理化學影響，煤灰分的檢測只經過815 ℃±10 ℃的灰化并灼燒，而焦炭是經過1 200 ℃左右的高溫干餾生產。因此這兩方面的原因都決定了不能簡單采用煤的灰分來預測焦炭灰分，根據實際檢測的單種煤成焦灰分來預測配合煤成焦灰分應更準確，預測公式：焦炭灰分配合煤=焦炭灰分煤1×配比煤1+焦炭灰分煤2×配比煤2+焦炭灰分煤3×配比煤3+……+焦炭灰分煤n×配比煤n。

2 焦炭灰分的預測及試驗驗證

2.1 煉焦條件及試驗方法

采用鞍山科翔40 kg 小焦爐煉焦，結焦時間18.5 h，裝煤溫度750 ℃，結焦溫度1 050 ℃，升溫時間700 min，恒溫時間410 min。煉焦煤制樣依據GB 474—2008《煤樣的制備方法》進行，焦炭制樣依據GB/T 1997—2008《焦炭試樣采取和制備》進行，煤灰分的檢測依據GB 212—2008《煤的工業分析方法》進行，焦炭灰分的檢測依據GB/T 1996—2003《冶金焦炭》進行。

單種煤成焦灰分的試驗方法：將所取的12 個礦點煉焦煤樣分別裝入40 kg 小焦爐中干餾，檢測裝入前煉焦煤灰分和結焦后焦炭灰分。

配合煤成焦灰分的試驗方法：在已知單種煉焦煤成焦灰分的情況下，按設計配比配煤，將配合煤裝入40 kg 小焦爐中干餾，檢測裝入前配合煤灰分和結焦后焦炭灰分。

2.2 單種煉焦煤及成焦灰分

湘鋼配用的5 大煤種12 個礦點單種煉焦煤灰分、揮發分及成焦灰分見表1。

表1 單種煉焦煤灰分、揮發分及成焦灰分 %

由表1 可知，高灰分煤有天安主焦煤、陽泉曲主焦煤和兌鎮主焦煤，灰分最低的是官橋1/3 焦煤2#、官橋1/3 焦煤1#和澳洲馬維斯主焦煤。成焦后焦炭灰分最高的是天安主焦煤、青町肥煤和潘集西1/3 焦煤，焦炭灰分最低的是澳洲馬維斯主焦煤、官橋1/3 焦煤1#和官橋1/3 焦煤2#。對比單種煉焦煤灰分與其焦炭灰分，可以看出煉焦煤灰分與其成焦灰分并不完全線性相關，大部分高灰分、高揮發分煤的成焦灰分明顯比其他煤種高，但也存在個別例外。因此，采用煉焦煤灰分并不能準確預測焦炭灰分，可以嘗試采用單種煉焦煤成焦灰分來預測配合煤成焦灰分。

2.3 單種煤成焦灰分預測焦炭灰分小焦爐驗證試驗

2.3.1 小焦爐試驗用單種煤

小焦爐試驗采用的11 個礦點單種煤的煤質數據見表2。由表2 可知，兌鎮主焦煤、陽泉曲主焦煤、馬頭主焦煤、青町肥煤、韓城瘦煤灰分大于10%，官橋1/3 焦煤和新汶肥煤灰分最低。

表2 單種煤煤質數據

2.3.2 配合煤成焦灰分的預測及驗證

配合煤小焦爐煉焦試驗采用3 種配比，具體見表3。其中基準配比為2018 年3 月實際生產配比；配比1不使用成焦灰分高的潘集西1/3 焦煤，增加低灰官橋1/3 焦煤配比，減少成焦灰分高的青町肥煤配比，增加低硫馬頭主焦煤配比；配比2 在配比1 的基礎上，減少瘦煤配比3 個百分點，增加青町肥煤配比3 個百分點。配比1 和配比2 中主焦煤總配比增加，青町肥煤配比減少，配煤成本基本不變，預測焦炭灰分可從13.0%以上降低到12.5%左右、焦炭硫分略有增加。

表3 小焦爐煉焦試驗配比（質量分數） %

配合煤成焦灰分的實測值和預測值見表4。由表4 可知，與基準配比焦炭灰分相比，配比1 焦炭實測灰分降低0.26 個百分點，配比2 焦炭實測灰分降低0.17 個百分點；采用單種煤成焦灰分預測的焦炭灰分與焦炭實測灰分接近，而采用單種煤灰分預測的焦炭灰分與焦炭實測灰分差異較大。因此，采用單種煤成焦灰分來預測配合煤成焦灰分比較準確。

表4 配合煤成焦灰分的實測值和預測值 %

從以上單種煤及配煤煉焦試驗數據看，用成焦灰分低的官橋1/3 焦煤替代成焦灰分高的潘集西1/3焦煤，降低成焦灰分高的青町肥煤配比，并相應增加馬頭主焦煤配比，可降低焦炭灰分。

3 預測方法的生產應用

根據2.3 節試驗研究結果調整配煤結構，通過降低成焦灰分高的煤種配比來降低焦炭灰分。湘鋼來煤灰分上升的主要是官橋1/3 焦煤，灰分從原來的7.0%左右上升到9.0%以上，另外潘集西1/3 焦煤揮發分也有所上升，這兩個礦點1/3 焦煤總配比達到了23%以上。為了降低焦炭灰分，來煤灰分方面，控制官橋1/3 焦煤灰分降低到7.7%以下；配煤結構調整方向主要是降低高灰分、高揮發分的潘集西1/3 焦煤以及成焦灰分高的青町肥煤配比，并適當增加官橋1/3焦煤配比；總體控制降低配合煤揮發分，適當增加主焦煤和瘦煤配比，并降低高揮發分1/3 焦煤配比，配合煤揮發分從30%降低到28%～29%。

2018 年1 月—11 月（1 月—3 月為調整前，4月—11 月為調整后）配合煤灰分、揮發分、焦炭灰分數據見表5。由表5 可知，1 月—3 月配合煤平均揮發分在30%，4 月開始下降，到11 月下降了1.5 個百分點；調整前后配合煤平均灰分均保持在9.5%；因成焦灰分高的煤配比大幅降低，焦炭灰分從4 月開始逐步降低，從調整前最高的12.91%降低到調整后最低的12.52%。

表5 配合煤灰分、揮發分、焦炭灰分數據 %

4 結 語

從對湘鋼多個礦點單種煉焦煤成焦灰分的研究和分析結果可以看出，采用單種煤成焦灰分可以比較準確預測配合煤成焦焦炭灰分；高揮發分、高灰分的青町肥煤、潘集西1/3 焦煤成焦灰分高，配煤煉焦后對焦炭灰分的影響較大；在煤礦點的選擇上不應只關注其灰分，當其揮發分上升時，其成焦灰分也會大幅度上升，因此采購高揮發分的煉焦煤時，其灰分控制標準應提高；配煤結構調整時應同時考慮配合煤灰分和揮發分。