煉焦煤特性對焦炭粒度影響研究

王超 ，王甘霖 ，梁金寶 ，甘秀石 ，朱慶廟 ，趙振興

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司煉焦總廠，遼寧 鞍山 114021）

2020年我國粗鋼產(chǎn)量達到創(chuàng)歷史新高的10.53億t，高爐煉鐵占比達到我國鋼鐵生產(chǎn)的近九成。高爐煉鐵離不開焦炭，焦炭的性能和質(zhì)量決定了能建多大的高爐，能噴多少煤粉，能否維持高爐順行、穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、低耗。焦炭粒度是評價冶金焦炭性質(zhì)的重要指標之一，焦炭粒度分布對高爐的透氣性、利用系數(shù)、燃料比有重大影響。為了改善高爐透氣性，保證煤氣流分布合理和高爐順行，一般要求焦炭粒度要均勻，通常大型高爐焦炭平均粒度在50～60 mm，中小型高爐焦炭平均粒度在40～45 mm。焦炭粒度波動影響高爐透氣性，影響爐內(nèi)壓強，降低風量，使煉鐵減產(chǎn)、焦比升高。

焦炭粒度的大小受備煤煉焦過程眾多因素的影響。為提高焦炭質(zhì)量，廣大煉焦工作者在煉焦煤預處理技術(shù)、煉焦配煤技術(shù)及熄焦技術(shù)等方面做了大量的工作，煉焦煤性質(zhì)是決定焦炭粒度特性的重要因素。本文結(jié)合鞍鋼煉焦生產(chǎn)用煤的成焦特性，開展煉焦試驗及焦炭粒度分析，將分析結(jié)果用于煉焦配煤方案的優(yōu)化，對鞍鋼生產(chǎn)焦炭的冷熱態(tài)指標和焦炭粒度指標起到了改善效果。

1 煉焦煤特性對焦炭粒度的影響分析

為深入認識煉焦煤性質(zhì)對焦炭粒度分布、平均粒度和粒度均勻性的影響，結(jié)合鞍鋼煉焦用煤實際情況，對鞍鋼煉焦使用過的2種氣煤（QM），常用的4種 1/3焦煤 （1/3JM）、5種肥煤 （FM）、11種焦煤（JM）及4種瘦煤（SM，含瘦焦煤）進行煤質(zhì)取樣分析、200 kg煉焦試驗、焦炭質(zhì)量分析和焦炭粒度分析。各單種煤制備焦炭機械強度及熱態(tài)強度指標如表1所示，單種煤制備焦炭的粒度分布如圖1所示，各煤階煤種制備焦炭的平均粒度如圖2所示，各煤階煤種制備焦炭粒度均勻性如圖3所示。

圖1 單種煤制備焦炭的粒度分布Fig.1 Particle Size Distribution of Coke Prepared from Single Coal

圖2 各煤階煤種制備焦炭的平均粒度Fig.2 Average Particle Sizes of Coke Prepared from Different Ranks of Coal and Types of Coal

圖3 各煤階煤種制備焦炭粒度均勻性Fig.3 Particle Size Uniformity of Coke Prepared from Different Ranks of Coal and Types of Coal

表1 各單種煤試驗焦爐制備焦炭機械強度及熱態(tài)強度指標Table 1 Mechanical Strength and Hot Strength Index of Coke Prepared by Test Coke Ovens for Various Single Coal

通過分析鞍鋼常用煉焦煤的單種煤煉焦試驗結(jié)果，可以得出：

（1）氣煤類煉焦煤所制備的焦炭機械強度不高，焦炭易碎，且熱態(tài)反應性非常高；焦炭平均粒度較小，粒度＜40 mm的焦炭占比達到20%；同時，焦炭粒度均勻性不高，只有80%。在煉焦配煤使用時，應注意控制氣煤用量，并與瘦化組分含量較高的煉焦煤配合使用。

（2）1/3焦煤制備焦炭質(zhì)量接近肥煤類焦煤的焦炭質(zhì)量，明顯好于氣煤類煉焦煤制備的焦炭質(zhì)量，但所制備焦炭的耐磨強度比肥煤低；粒度＜40 mm焦炭的占比在15%左右；在各變質(zhì)程度的煉焦煤中，1/3焦煤制備焦炭的粒度均勻性明顯較高，具有整粒作用。在配煤中合理配入使用1/3焦煤有利于調(diào)控焦炭粒度分布。

（3）肥煤制備焦炭質(zhì)量的機械強度指標與焦煤接近，但焦炭熱態(tài)強度與焦煤還存在一定差距；粒度在40～80 mm的大塊焦炭分布比例較高，粒度均勻性好于焦煤僅次于1/3焦煤，但平均粒度明顯小于焦煤，粒度分布特點與1/3焦煤相近。作為煉焦主力煤種之一的肥煤黏結(jié)指數(shù)高、膠質(zhì)層厚度大，對焦炭質(zhì)量和焦炭粒度分布調(diào)控均具有重要作用。

（4）焦煤制備焦炭質(zhì)量與其他煤種相比機械強度高、反應后強度高，優(yōu)勢明顯；粒度＞40 mm的焦炭比例極高、達到90%以上，焦炭平均粒度在70 mm以上，因而焦炭粒度均勻性不高。焦煤是配煤煉焦中支撐焦炭質(zhì)量、提升焦炭粒度的核心煤種。

（5）瘦煤制備的焦炭的耐磨強度較差，粒度＜10 mm的粉焦和粒度＞80 mm的大塊焦的比例都相對較高，這也造成了該類焦炭的平均粒度和粒度均勻性指標都不高。但結(jié)合瘦煤類煤的高變質(zhì)程度、瘦化組分含量高的特點，在配煤煉焦過程中對提高焦炭粒度具有重要的作用。

通過以上比較分析，焦煤煉焦性能明顯突出，是配煤煉焦的骨架煤種。在配煤煉焦生產(chǎn)過程中，焦煤、瘦煤對焦炭粒度提升作用明顯，肥煤、1/3焦煤對焦炭粒度均勻性提高有一定作用。高變質(zhì)程度煤的惰性組分含量比較高，在配煤煉焦過程中主要起惰性組分的作用。從塑性成焦機理中膠質(zhì)體的流動性來看，惰性組分無黏結(jié)性，在成焦過程中不能產(chǎn)生膠質(zhì)體，可吸附多余的液相，從而使流動度和膨脹度達到合適的范圍，并可減少揮發(fā)分的析出量，提高煤的熱穩(wěn)定性，這樣可使氣孔壁增厚、氣孔率降低，從而提高焦炭質(zhì)量。由于惰性物本身具有較小的收縮性和良好的導熱性，添加到配合煤中煉焦可降低在成焦過程中的收縮系數(shù)、相鄰半焦層間的收縮差、層間應力，從而減少焦炭裂紋的產(chǎn)生率，提高焦炭粒度。

2 優(yōu)化配煤提高焦炭平均粒度

為滿足高爐生產(chǎn)順行，在保證焦炭質(zhì)量前提下提高焦炭平均粒度的生產(chǎn)需要，結(jié)合各煤種焦炭質(zhì)量特性和對焦炭粒度分布的影響，進行提升焦炭平均粒度煉焦配煤方案的優(yōu)化研究。

2.1 煉焦配煤方案優(yōu)化試驗

為了提升焦炭平均粒度，優(yōu)化調(diào)整配煤方案，并開展200 kg煉焦試驗。配煤方案及焦炭質(zhì)量如表2所示，試驗所得焦炭粒度分布如表3所示。

表2 優(yōu)化試驗配煤方案及焦炭質(zhì)量Table 2 Optimization of Experimental Coal Blending Scheme and Coke Quality

表3 優(yōu)化試驗所得焦炭粒度分布Table 3 Particle Size Distribution of Coke Prepared by Optimization Test

結(jié)合表2、3對配煤煉焦試驗結(jié)果進行分析：

（1） 與基準相比， 通過方案 1、2、3、4 可以看出，分別降低1/3焦煤、肥煤、瘦焦煤使用量5%，增加焦煤使用量5%，維持瘦焦煤不變，對焦炭熱態(tài)質(zhì)量指標有一定改善，但對焦炭平均粒度影響不明顯。再結(jié)合方案5、6可以看出，當前肥煤18%使用量較為合理，瘦煤使用8%比例偏高，降低肥煤使用量對焦炭平均粒度提升作用有限，且易造成焦炭質(zhì)量劣化。

（2）與基準相比，方案8降低1/3焦煤、瘦煤使用量各5%，提高焦煤、瘦焦煤使用量各5%，能夠使焦炭冷態(tài)強度

M

提高2.5%、熱態(tài)反應后強度

CSR

提高5.1%的同時，使焦炭平均粒度提高4.4 mm，效果最為明顯。而方案10直接停用瘦煤，增加瘦焦煤使用量8%，能夠基本維持焦炭冷態(tài)指標穩(wěn)定、熱態(tài)反應后強度

CSR

提高2.4%的同時，使焦炭平均粒度提高2.6 mm，效果也較為明顯，能夠在滿足當前焦炭質(zhì)量要求的同時達到較好的提升焦炭平均粒度的效果，性價比較好。

根據(jù)當前煉焦用煤煤質(zhì)特性，提高焦煤使用量能夠改善焦炭質(zhì)量，但對焦炭平均粒度無明顯提高，易造成焦炭質(zhì)量過剩且配煤成本升高。而綜合提升焦煤、瘦焦煤，降低乃至使用瘦焦煤完全替代瘦煤能夠在優(yōu)化焦炭質(zhì)量的同時，滿足提高焦炭平均粒度的要求，具有可行性，且其中用瘦焦煤替換瘦煤的指標改善效果性價比較高。

2.2 生產(chǎn)焦爐試驗應用

根據(jù)200 kg煉焦試驗結(jié)果，調(diào)整鞍鋼6 m焦爐的配煤比，采用瘦焦煤完全替代瘦煤且適當降低焦煤配比的配煤方案，并進行生產(chǎn)試驗應用。配煤方案及焦炭質(zhì)量如表4所示，試驗所得焦炭粒度分布如表5所示。

表4 生產(chǎn)試驗配煤方案及焦炭質(zhì)量Table 4 Coal Blending Scheme for Production Test and Coke Quality %

表5 生產(chǎn)試驗所得焦炭粒度分布Table 5 Particle Size Distribution of Coke by Production Test

通過應用試驗可以看出，在原有配煤方案基礎(chǔ)上，采用配入瘦焦煤10%，降低焦煤配比5%，停用瘦煤的試驗配煤方案，可在實現(xiàn)焦炭冷態(tài)質(zhì)量指標基本穩(wěn)定的情況下，實現(xiàn)

CRI

降低2.1%，

CSR

增加0.7%；同時，焦炭平均粒度提高1.8 mm，焦炭粒度均勻性基本保持穩(wěn)定，說明優(yōu)化后的配煤方案對焦炭質(zhì)量指標具有明顯的提升作用；另據(jù)測算，配煤成本較原有配煤方案降低。

3 結(jié)論

在配煤煉焦生產(chǎn)過程中，對焦炭粒度的影響因素較多，其中煉焦煤煤質(zhì)特性是焦炭粒度的重要影響因素，通過合理的優(yōu)化配煤方案，能夠有效提高焦炭質(zhì)量，提高焦炭的平均粒度指標。通過煤質(zhì)分析和配煤煉焦試驗，得到如下具體結(jié)論：

（1）不同變質(zhì)程度的煉焦煤對焦炭冷熱態(tài)指標及焦炭平均粒度指標的影響差異明顯。試驗條件下，與其他煤種相比，焦煤類制備的焦炭機械強度高、反應后強度高，粒度＞40 mm的焦炭比例極高、達到90%以上，焦炭平均粒度在70 mm以上。焦煤、瘦煤在配煤中對焦炭粒度提高具有積極作用。

（2）通過合理優(yōu)化配煤結(jié)構(gòu)比，單純增加焦煤配比，對焦炭質(zhì)量和焦炭粒度改善更加有效，性價比更高。

（3）根據(jù)鞍鋼煉焦用煤結(jié)構(gòu)，對6 m焦爐原有配煤方案進行調(diào)整，配入瘦焦煤10%，降低焦煤配比5%，停用瘦煤，能夠使焦炭熱態(tài)反應性降低2.1%，焦炭平均粒度提高1.8 mm且焦炭粒度均勻性基本保持穩(wěn)定。

4 下一步工作展望

不同變質(zhì)程度煉焦煤在配煤煉焦生產(chǎn)中的作用不同，針對不同焦炭質(zhì)量要求，調(diào)整煤種種類和用量，形成動態(tài)化配煤應用方案，不斷開發(fā)儲備新煤種，才能最大程度發(fā)揮煉焦配煤作用，保證焦炭質(zhì)量的同時兼顧經(jīng)濟性。

煤是混合物，煤的成焦特性影響因素眾多，同時煉焦工序環(huán)節(jié)眾多，對控制提高焦炭質(zhì)量技術(shù)的進步形成巨大阻礙，集合備煤系統(tǒng)與煉焦系統(tǒng)眾多節(jié)點和影響指標，開展基于大數(shù)據(jù)的自動化智能化配煤系統(tǒng)的應用研究，裝備具備自學習功能的智慧化配煤專家系統(tǒng)是配煤煉焦生產(chǎn)的發(fā)展方向。