焦炭光学组织在煤质评价中的应用研究

徐 丹，曾 涛，黄文良

（重庆钢铁（集团）有限责任公司 焦化厂，重庆401258）

1 前言

黏结性是炼焦煤最重要的工艺性质之一，是评价炼焦煤性质的主要指标［1-2］。但是部分变质程度接近或相同的煤，其黏结性有时却有很大的差异［2］。因难以掌握这些较为特殊的煤的性质，会制约这些煤在配煤炼焦中的使用。当炼焦操作条件相同时，所炼焦炭的光学组织是与原料煤的煤质紧密相关的［3-4］，可以从焦炭光学组织组成来判断变质程度接近但性质不同的煤之间的差异。因此焦炭光学组织在评价煤质方面有着较为广泛的应用前景。

本研究主要以煤质较为特殊的青海煤（代号QM）作为研究对象，为综合评价青海煤的性质，特选取了典型的气煤（代号D1）、1/3焦煤（代号B4）、肥煤（代号C2）和焦煤（代号A3）作为参照。对各单种煤进行工业分析、煤岩分析、黏结性分析，并测定各单种煤所炼焦炭的冷态机械强度和光学组织组成。主要通过青海煤所炼焦炭光学组织组成来评价、推断其性质，使其在配煤炼焦中能够得到合理的使用。

2 煤质分析及炼焦试验

各单种煤的工业分析按照GB/T 212—2001《煤的工业分析方法》进行；各单种煤的黏结指数（G值）按照GB/T 5447—1997《烟煤黏结指数测定方法》进行测定；各单种煤的胶质层最大厚度（Y值）按照GB/T 479—2000《烟煤胶质层指数测定方法》进行测定；各单种煤的基氏流动度按照GB/T 25213—2010《煤的塑性测定恒力矩吉氏塑性仪法》进行测定。粉煤光片的制作按照GB/T 16773—2008《煤岩分析样品制备方法》制作。利用HD型全自动显微光度计测定各单种煤煤样镜质组平均最大反射率（Rmax）和镜质组反射率分布。样品测定面积1 cm×1 cm，总测定点数1万点。

单种煤小焦炉炼焦试验在40 kg试验焦炉上进行，该试验焦炉采用电加热，煤饼两面受热，其余加热面采用石棉板保护。基本尺寸410 mm×560 mm×500 mm。试验条件：实际装煤量36 kg（干基），装炉煤水分10%，装炉煤细度＜3 mm占85%；装煤温度800℃，结焦时间17 h，焦饼温度950~1 050℃，火道温度1 150℃；炼焦速度24.1 mm/h。焦炭冷态机械强度包括抗碎强度（M40）和耐磨强度（M10）。焦炭冷态强度按照GB/T 2006—2008《焦炭机械强度的测定方法》进行测定。

粉焦光片的制作按照GB/T 16773—2008《煤岩分析样品制备方法》制作。焦炭光学组织组成按照YB/T 077—1995进行测定，试验设备为德国Leica双目偏反光显微镜，白光入射，插入起偏镜和检偏镜，调节起偏镜与检偏镜之间的夹角为90°，形成正交偏光，在正交偏光下插入石膏补偿板，选用×50油浸物镜和×10目镜，采用计点统计法测定焦炭光学组织。测定时，样品测定面积1.4 cm×1.4 cm，点行间距400 μm，总测定点数1 200点。

3 结果与讨论

3.1 分析结果

各单种煤干燥无灰基挥发分（Vdaf）、Rmax、G值、Y值、最大流动度、塑性温度区间和所炼焦炭的冷态机械强度测定结果见表1。青海煤和C2肥煤的镜质组反射率分布如图1、图2所示。各单种煤所炼焦炭的光学组织组成的测定结果如表2所示。

3.2 单种煤煤质分析

从表1中分析结果可知，青海煤（QM）、A3、B4、C2和D1煤的镜质组平均最大反射率分别为1.051%、1.220%、0.835%、1.106%和0.747%。根据文献［5］提供的烟煤镜质组平均最大反射率与煤种的对应关系，可判断青海煤、A3、B4、C2和D1煤分别属于肥煤、焦煤、1/3焦煤、肥煤和气煤。因此从煤岩分析结果来看，青海煤不仅Rmax与C2肥煤接近，而且镜质组反射率分布与C2肥煤也基本一致（见图1、图2，青海煤和C2肥煤镜质组反射率分布中各反射率区间所占比例非常接近）。工业分析结果表明，青海煤Vdaf为31.5%，与C2肥煤也非常接近。但是，青海煤的黏结性与C2肥煤有很大的差距（C2肥煤G值为95，Y值为21.9 mm）。青海煤的流动度（LogMF）远小于C2肥煤的流动度，且青海煤的塑性温度区间明显小于C2肥煤的塑性温度区间。根据煤炭分类标准（GB/T 5751—2009），青海煤属于1/3焦煤。

表1 单种煤性质及所炼焦炭质量

图1 青海煤镜质组反射率分布

图2 C2肥煤镜质组反射率分布

表2 单种煤所炼焦炭光学组织组成 %

从黏结性的测定结果来看，青海煤的黏结指数G值为75，胶质层最大厚度Y值为10 mm，该煤与D1气煤的黏结性非常接近，但从基氏流动度的测定结果可知，青海煤的最大流动度（LogMF为3.15）大于D1气煤，说明青海煤热解过程中胶质体的质量均好于D1气煤，故青海煤的性质好于D1气煤。

虽然青海煤的黏结指数G值和胶质层最大厚度Y值明显较B4煤（1/3焦煤）要差，但是青海煤的流动度和塑性温度区间与B4煤接近。青海煤变质程度与肥煤接近，但是其黏结性与肥煤有很大差距，这正是青海煤性质较为特殊之处。因此在配煤炼焦中将青海煤视作肥煤或焦煤使用没有合理依据。故可考虑通过单种煤所炼焦炭的光学组织来评价青海煤的性质。

3.3 单种煤所炼焦炭光学组织及冷态强度分析

由表2可知，A3焦煤和C2肥煤所炼焦炭光学组织中都是以中粒镶嵌和粗粒镶嵌组织为主（中粒镶嵌和粗粒镶嵌组织之和超过60%），细粒镶嵌组织的含量都低于10%，基本无各向同性组织。而青海煤所炼焦炭光学组织中，细粒镶嵌组织含量超过50%，同时还含有约5%的各向同性组织，中粒镶嵌和粗粒镶嵌组织的含量极少。以上结果表明，青海煤所炼焦炭的光学组织组成与典型的肥煤和焦煤所炼焦炭的光学组织组成有很大的差异。

为了进一步确认青海煤的性质，表2中同时也列出了B4煤（1/3焦煤）和D1煤（气煤）所炼焦炭的光学组织组成。B4煤所炼焦炭光学组织中，各向同性和细粒镶嵌组织的含量与青海煤所炼焦炭的组织接近，但中粒镶嵌和粗粒镶嵌含量较青海煤所炼焦炭的要高，而丝炭与破片含量要低。D1煤所炼焦炭光学组织中，各向同性的含量高达39.6%，细粒镶嵌组织含量为32.9%，中粒和粗粒镶嵌组织含量之和仅占5%。也就是说，与青海煤所炼焦炭的光学组织组成相比较，D1煤所炼焦炭光学组织中各向同性组织含量较高，细粒镶嵌组织含量较低。

通过表1中所列单种煤所炼焦炭的冷态机械强度的测定结果可以看出，青海煤所炼焦炭的抗碎强度M40和耐磨强度M10分别为64.0%和12%，均较C2肥煤和A3焦煤所炼焦炭的M40和M10要差；青海煤所炼焦炭的冷态强度略好于1/3焦煤（B4煤）所炼焦炭的冷态强度；在本研究所选单种煤煤样中，D1气煤所炼焦炭的冷态强度相对最差。

3.4 青海煤煤质特殊性探析

青海煤所炼焦炭光学组织中丝炭与破片含量为38.5%，说明青海煤中镜质组含量偏低，而惰质组含量偏高，这可能是由于青海煤在成煤过程中的泥炭化阶段，经历了一定程度的氧化，生成了大量富碳贫氢的惰质组。青海煤中镜质组的变质程度接近肥煤，但是青海煤的镜质组活性明显低于肥煤。这可能由以下两个方面的原因造成：

1）变质程度接近的镜质组的活性差异主要与煤的还原程度有关［6］。目前认为，煤的还原程度主要取决于泥炭沼泽中的氧化还原电位，酸碱度和盐类成分等因素［7］。如成煤植物在氧化还原电位较高并具酸性、少盐类的弱还原环境下，成煤植物中的有机质倾向于转变成有结构的贫氢镜质组，则形成的煤的还原程度较低［7］。在变质程度相同时，还原程度越低，黏结性越差，青海煤可能属于这种情况。

2）青海煤在成煤过程中的变质阶段，可能受到地壳中岩浆的作用，其变质程度在短时间内显著增加，使其镜质组反射率与肥煤相当，但是其镜质组的活性依然达不到肥煤镜质组的活性。

4 青海煤在配煤炼焦中的使用建议

虽然青海煤镜质组平均最大反射率与肥煤接近，镜质组反射率分布也属于典型的肥煤分布，但是无论从煤的黏结性指标还是单种煤所炼焦炭光学组织组成和焦炭的冷态强度来看，青海煤与肥煤和焦煤的性质均有很大的差距。因此在炼焦生产中把青海煤当做肥煤和焦煤使用时，该煤不能够起到肥煤和焦煤的作用。虽然青海煤的黏结指数和Y值均与气煤较接近，但是其流动度、塑性温度区间和所炼焦炭的光学组织组成、冷态强度均较气煤要好，故青海煤的性质明显好于气煤。由于青海煤所炼焦炭光学组织组成与1/3焦煤更加接近，且青海煤所炼焦炭质量略好于1/3焦煤所炼焦炭质量，因此在配煤炼焦过程中把青海煤当做1/3焦煤使用更为合理。

5 结论

5.1 青海煤变质程度与肥煤接近，但是其黏结性较肥煤要差。

5.2 青海煤所炼焦炭冷态强度较肥煤和焦煤所炼焦炭要差，略好于1/3焦煤所炼焦炭。

5.3 青海煤所炼焦炭光学组织与细粒镶嵌和丝炭与破片为主，中粒和粗粒镶嵌含量较少。而肥煤和焦煤所炼焦炭光学组织以中粒和粗粒镶嵌为主，细粒镶嵌的含量较少。

5.4 在配煤炼焦中，把青海煤视作1/3焦煤使用更为合理。

［1］ 虞继舜.煤化学［M］.北京：冶金工业出版社，2000.

［2］ 陈鹏.中国煤炭性质、分类和利用［M］.北京：化学工业出版社2007.

［3］ 姚昭章.炼焦学［M］.北京：冶金工业出版社，1995.

［4］ 何选明.煤化学［M］.北京：冶金工业出版社，2010.

［5］ 李文华，白向飞，杨金和，等.烟煤镜质组平均最大反射率与煤种之间的关系［J］.煤炭学报，2006，31（3）：342-345.

［6］ 周师庸，赵俊国.炼焦煤性质与高炉焦炭质量［M］.北京：冶金工业出版社，2005.

［7］ 张亚云.应用煤岩学基础［M］.北京：冶金工业出版社，1990.