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 搗固焦爐，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)和焦爐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

配合煤的水分對煤的固有性質(zhì)影響不大，對結(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，有利于提高焦爐的生產(chǎn)能力；二是影響焦爐溫度，水分高不僅影響炭化室焦炭成熟時間，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，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)量分數(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，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)后剩下的殘渣。煤灰分是惰性成分，參與焦炭結(jié)構(gòu)的形成。灰分對焦炭強度的影響有正負兩方面：正面影響是隨灰分的升高，氣孔率降低，焦炭強度升高；負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，造成焦炭強度降低；另外，由于灰分中含有一定量的堿金屬，其對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)后強度。灰分對焦炭強度起到的負作用要強于對焦炭的正面影響，總體表現(xiàn)為焦炭強度的劣化，所以要提高焦炭強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)量分數(shù)不應(yīng)大于10%。

1.3 配合煤揮發(fā)分

揮發(fā)分對焦炭質(zhì)量會產(chǎn)生很大的影響，隔絕空氣加熱后，煉焦煤中的水分和有機質(zhì)會受熱產(chǎn)生分解。當揮發(fā)分含量較高時，焦炭的收縮度變大，這樣得到的焦炭抗碎強度會比較差，并且會因為產(chǎn)生大量氣體導(dǎo)致焦炭成條狀，產(chǎn)生縱裂紋，造成焦炭的抗碎強度下降；揮發(fā)分過低時，在煉焦時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爐損壞[4]。我公司生產(chǎn)實踐證明，Vdaf控制在26%～30%，這時生產(chǎn)出的焦炭質(zhì)量相對較好，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 值都會對焦炭的強度產(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鏡質(zhì)組反射率（R）作為其指標，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%之間時焦炭質(zhì)量最佳，這個區(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，對各種煉焦煤的粒度控制也不同。對于瘦煤、氣煤等黏結(jié)性差和惰性組分多的煤，需要細粉碎，這樣做的目的是為了減少焦炭裂紋；但是對于肥煤、焦煤等黏結(jié)性、流動性好的煉焦煤，其粒度控制可以相對寬松，從而發(fā)揮其流動性和黏結(jié)性。選擇性破碎技術(shù)的使用對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爐，平均搗固時間為10～12 min，將堆密度控制在1.05～1.08 t/m3。

2.3 焦爐加熱制度

煉焦溫度對焦炭質(zhì)量的影響來自三方面，一是要確定合適的標準溫度，滿足成焦需要；二是過快的溫度變化也會對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)焦時間。在煉焦過程中在一定范圍內(nèi)延長結(jié)焦時間會加劇半焦在收縮應(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)后強度。生產(chǎn)實踐表明，結(jié)焦時間為30 h 時，標準溫度為1 260 ℃，爐頂空間溫度為810～835 ℃，所生產(chǎn)的焦炭反應(yīng)后強度較高。

2.4 熄焦方式

常規(guī)濕法熄焦是從頂部瞬時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，從而降低焦炭強度。低水分濕法熄焦（CSQ）采用車皮底部進水熄焦、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)，可以實現(xiàn)焦炭初步整粒，焦炭粒度更加均勻，提高了焦炭強度。干法熄焦主要是在密閉的條件下，將焦炭置于熄焦臺上，利用氮氣這種惰性氣體來對焦炭進行降溫。干熄焦不易使焦炭產(chǎn)生裂紋，因此有利于焦炭強度的提高。干法熄焦是一項節(jié)約能源、防止大氣污染同時提高焦炭質(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 加強煤質(zhì)管理

3.1.1 建立進廠原料煤質(zhì)量評價體系

按照對煉焦過程和焦炭質(zhì)量的影響程度，結(jié)合各單種煤的工業(yè)分析指標和煤巖指標，針對性地對各項指標的合格率和平均值制定評分細則，通過分數(shù)直觀、科學(xué)地評價同一煤種，不同供應(yīng)商所供單種煤質(zhì)量的優(yōu)劣。表2 為各指標平均值對應(yīng)分值，表3 為各指標合格率處在不同區(qū)間范圍時，對應(yīng)的分值。

表2 各項指標平均值對應(yīng)分值

表3 各指標不同合格率對應(yīng)分值

3.1.2 完善新煤種數(shù)據(jù)庫

對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)商均進行新煤種試驗，試驗內(nèi)容包括工業(yè)分析、煤巖分析、20 kg 鐵箱試驗焦炭工業(yè)分析及機械強度和熱強度分析。各項指標均達標的情況下，進行工業(yè)試驗。將試驗數(shù)據(jù)歸入新煤種數(shù)據(jù)庫，為實現(xiàn)配煤結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化提供條件。經(jīng)過新煤種試驗，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 加強進廠原料煤質(zhì)量抽檢

單種煤質(zhì)量的波動直接關(guān)系焦炭質(zhì)量的波動。羿神公司對進廠原料煤質(zhì)量控制采取機采和人工采樣相結(jié)合的方式做好來煤質(zhì)量的控制。主要從三個方面把關(guān)：第一，用全自動采樣機對入廠煤車進行自動布點采樣，隨機布點3 個組成一個煤樣，確保布點的隨機性和所采煤樣的代表性。第二，每班對原料煤卸車過程進行隨機采樣分析，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，同時也是對全自動采樣機采樣的對比和檢驗。第三，每班對煤場、配煤倉單種煤抽檢，出現(xiàn)質(zhì)量異常時，立即對該單種煤的所有供應(yīng)商采取停車化驗、加強化驗頻次等管控措施；對存在問題的供應(yīng)商降低其信用等級。

3.2 做好工藝管控

3.2.1 配煤過程精細化

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)體隨機反射率分布圖，及時掌握配合煤Rran各區(qū)段所占比例，做出更加精準的調(diào)整。第二，優(yōu)化煤場管理，每天進行煤場或配煤倉取樣分析，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，稱重機構(gòu)采用全懸浮式結(jié)構(gòu)，高精度數(shù)字測速傳感器，高頻多脈沖輸出保證了測速穩(wěn)定可靠。稱重精度和控制精度均達到±0.5%，只需控制室一人操作，現(xiàn)場一人定期巡檢設(shè)備，運行的穩(wěn)定、安全，實現(xiàn)真正意義的無人值守。同時，定期校驗電子皮帶秤，并不定期進行電子秤總下煤量和瞬時下煤量的抽查，確保配煤方案執(zhí)行準確。

3.2.2 工藝管理智能化

目前我公司采用焦爐自動加熱控制+尾氣再循環(huán)工藝（圖2），應(yīng)用計算機自動調(diào)節(jié)，及時、準確地調(diào)節(jié)爐溫，穩(wěn)定了焦爐爐體溫度，平均安定系數(shù)提高到0.90 以上，改善了焦爐內(nèi)煤料的結(jié)焦性能，提高了焦炭質(zhì)量。

圖2 自動加熱控制系統(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，冶金焦炭品質(zhì)得到大幅提高，其中，M40（抗碎強度）提高5%～8%，M10（耐磨強度）降低0.7%～2%。焦炭反應(yīng)后強度有明顯改善。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和備煤、煉焦工藝。羿神能源從建立進廠原料煤質(zhì)量評價體系、完善新煤種數(shù)據(jù)庫、加強進廠原料煤質(zhì)量抽檢三方面加強煤質(zhì)管理，從配煤過程精細化、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。