不同粒级的焦煤和肥煤其性质研究

＊张代林 宋巧 钱虎林 张增兰 徐靖 王帅 张小勇

（1.安徽工业大学煤清洁转化与高值化利用安徽省重点实验室 安徽 243032 2.马钢炼焦总厂 安徽 243000）

随着钢铁行业的快速发展，高炉大型化和富氧喷吹煤粉技术得到了广泛应用，以及高炉精料方针的提出[1]，对焦炭的质量尤其是焦炭的热性质有着更高的要求[2]。影响焦炭质量的因素主要包括炼焦煤性质、炼焦工艺技术和入炉煤的预处理等方面。在优质炼焦煤日益减少的情况下，提高炼焦工艺技术是稳定焦炭质量的重要措施之一。当前全球焦化企业采用比较先进炼焦工艺有干法熄焦、捣固炼焦、配型煤工艺技术以及煤调湿（CMC）技术，主要从装炉煤水分、装炉煤粒度、装炉煤细度、装炉煤堆密度、熄焦方式以及炼焦时间等方面来提高焦炭质量[3-5]。

炼焦煤各单种煤的粉碎粒级不仅影响装炉煤的堆密度，而且由于变质程度、成煤年代等不同，使各单种煤的可磨性不同，对入炉煤的细度产生影响，而入炉煤的细度对焦炭的产量和强度影响较大[6]。对于采用先配后粉配煤工艺来说，调节单种煤粒级及粒级分布，科学控制好配合煤细度就显得尤为重要[7]。单种煤粉碎后，惰质组硬度大，脆度小，主要富集在粗颗粒中，镜质组硬度小，脆度大，破碎后主要富集在细颗粒中[8]。从煤岩分析角度看，镜质组在热解过程中会软化熔融，产生不挥发性液相物质和挥发性气相物质。具有黏结性的不挥发性的液相物质，黏结其他的惰性物料生产焦炭，挥发性的气相物质在成焦后形成焦炭的气孔。镜质组粉碎过细会使液相产物减少，软化熔融过程中气相产物较易逸出，降低煤粒之间的黏结能力[9]。惰质组在热解过程中，不生成胶质体，又没有黏结性，表面会吸附具有黏结性的液相物质。当惰质组粒度较大时，生成焦炭时，容易形成焦炭的裂纹中心，降低焦炭的强度。

焦煤和肥煤作为优质的炼焦煤，调节好焦煤和肥煤的粒级及粒级分布对提高焦炭质量和产量具有重要意义。为了了解焦煤和肥煤的粉碎粒度范围，这里对不同粒级的肥煤和焦煤进行了工业分析、工艺性质分析和煤岩显微特征分析，并对不同粒级的焦煤和肥煤所炼坩埚焦进行了热性质分析。得出焦煤和肥煤的最佳粉碎粒级，为调节焦煤和肥煤的粒级分布，适当降低配合煤的细度，提高焦炭的质量提供了一定理论的依据[10]。

1.试验

(1)试验原料

本文选取了某焦化企业常用的几种焦煤和肥煤作为研究对象，并将其分为五个粒级（＞13mm、13～6mm、6～3mm、3～0.5mm、＜0.5mm）作为试验煤样。

(2)试验方法

①工业分析。按照GB/T 212-2008《煤的工业分析方法》测定的步骤对煤样的灰分Ad、挥发分Vdaf进行测定。

②煤岩特性分析。按照GB/T 8899-2013《煤的显微组分组和矿物测定方法》对筛分煤样进行了煤岩显微组分的测定。按照GB/T 6948-2008《煤的镜质体反射率显微镜测定方法》对炼焦煤镜质组平均最大反射率Rmax以及反射率分布进行测定。

③工艺性质分析。黏结指数按照GB/T 5447-2014《烟煤黏结指数测定方法》测定，奥亚膨胀度按照GB/T 5450-2014《烟煤奥阿膨胀计试验》测定，烟煤胶质层最大厚度按照GB/T 479-2000《烟煤胶质层指数测定方法》测定。

④坩埚焦试验。取不同筛分煤样100g放入刚玉坩埚内，在煤样的上层铺一层滤纸，随后将压块置于坩埚中央，用石英砂铺盖压块。用炭化室将煤样炭化，炼焦温度制度为从室温至300℃，升温速度4～5℃/min，300～750℃内升温速度3℃/min，750～950℃内升温速度4～5℃/min，950℃上维持半个小时后[11]，等待降温后，取出焦炭。

⑤坩埚焦热性质分析。取20g 3～6mm的干燥焦样，放入内径20mm，长度830mm的刚玉管内，用细粒陶瓷粒支撑焦样，使其处于恒温区间。从室温至400℃，20℃/min的升温速度，到400℃通入N2保护，400℃～1100℃升温时间为40min，到达1090℃后，就要准备关掉氮气，通入CO2，到1100℃时，通入CO2，流量速率为0.5L/min，时间为120min。反应时间到后，继续通入N2保护，待温度降到400℃后，取出冷却降温。把反应后失去的质量占原焦样质量的百分数作为反应性指标（PRI）。反应后强度是取反应后大于1mm的焦样，放入直径25.4mm，长度305mm的管内，同时放入8个直径12mm的钢球，并以25r/min的速度转4min，用1mm的筛子筛分，把筛上物的质量占入鼓焦炭质量的百分数作为反应后强度（PSR）。

2.结果与讨论

(1)焦煤和肥煤不同筛分粒级组成

所选几种焦煤和肥煤的不同筛分粒级组成见表1。

表1 焦煤和肥煤不同筛分粒级组成分布Tab.1 Grain size composition of coking coaI and fat coaI

从表1可以看出，某焦化厂焦煤和肥煤不同筛分粒级组成是不同的，存在差异性。

(2)不同筛分粒级煤样的工业分析研究

焦煤和肥煤不同筛分粒级煤样的工业分析见表2。

表2 不同筛分粒级焦煤和肥煤的工业分析测定结果Tab.2 IndustriaI anaIysis resuIts of coking coaI and fat coaI with different grain size

从表2可以看出焦煤和肥煤粒级在适中范围时，其灰分较低，较细（＜0.5mm）和较大（＞13mm）时其灰分较高；同一种炼焦煤粒级不同，其挥发分略有差异，粒级越大，其挥发分越小。煤的灰分主要来源于煤中矿物质，矿物质包括原生矿物质、次生矿物质和外来矿物质。粒级较小的煤样含有较多细小颗粒矿物质，导致＜0.5mm的煤灰分较高。含较多矿物质的煤样其硬度较大，较难破碎，故粒度较大的煤样其灰分较高。根据不同粒级的工业分析指标结果，减少＜0.5mm粒级煤样的使用比例，可以降低配合煤的灰分，从而可以降低焦炭的灰分。

(3)不同筛分粒级煤样的镜质组反射率分布及镜质组平均最大反射率研究

表3 不同筛分粒级焦煤的镜质组反射率分布及镜质组平均最大反射率测定结果Tab.3 Measurement resuIts of vitrinite refIectance distribution and vitrinite average maximum refIectance of coking coaI with different grain size

表4 不同筛分粒级肥煤的反射率分布及镜质组平均最大反射率测定结果Tab.4 Measurement resuIts of vitrinite refIectance distribution and vitrinite average maximum refIectance of fat coaI with different grain size

图1 不同筛分粒级煤样的镜质组含量和惰质组含量测定结果Fig.1 ResuIts of determination of vitrinite content and inertite content of coaI with different grain size

从表3及表4可以看出，不同粒级的焦煤和肥煤其镜质组平均最大值Rmax存在差异，粒级大的焦煤和肥煤其镜质组平均最大反射率Rmax较高一些。不同粒级的焦煤和肥煤其显微组分组成存在差异，从图1可以看出，焦煤和肥煤的粒级＜0.5mm时，惰质组含量最低，镜质组量最高，并随着粒度增大，镜质组含量逐渐降低，惰质组含量逐渐升高。在相同的变质程度煤中，镜质组硬度小于惰质组，脆度大于惰质组。在破碎过程中，硬度小、脆度大的镜质组集中在细粒级中，硬度大、脆度小的惰质组集中在粗粒级中。

(4)不同筛分粒级煤样的工艺性质研究

①不同筛分粒级煤样的黏结指数测定

不同筛分粒级的焦煤和肥煤其黏结指数G值测定结果如图2所示。从图2可以看出，肥煤不同粒级煤样的黏结指数G值变化幅度不大。焦煤不同粒级煤样的黏结指数G值存在较大差异，较小粒级煤样其黏结指数G值较大，随着粒级增大，G值逐渐减小。主要是由于同一煤种随着粒度的增加，其镜质组含量降低，导致其G值变小。由于灰分的含量会对煤的黏结性有影响，焦煤细粒（＜0.5mm）部分灰分含量最高，导致黏结指数G值略有降低。

图2 不同筛分粒级煤样的黏结指数测定结果Fig.2 ResuIts of the determination of the caking index of coaI with different grain size

②不同筛分粒级煤样的奥阿膨胀度研究

表5 不同筛分粒级煤样的奥阿膨胀度测定结果Tab.5 ResuIts of the determination of Audibert-Arnu diIatation of coaI with different grain size

不同筛分粒级焦煤和肥煤的奥阿膨胀度测定结果如表5所示。从表5可以看出，在当焦煤和肥煤粒级在3-0.5mm时，焦煤和肥煤的奥阿膨胀度b值和总膨胀度（a+b）值最大，粒级较大时，两种炼焦煤的奥阿膨胀度b值逐渐变小，总膨胀度（a+b）也逐渐减小。这是由于同一种煤中随着粒度增大，镜质组含量逐渐降低，导致黏结性指标下降。由于煤的黏结性不仅仅与煤的镜质组含量相关，还与灰分的含量相关，肥煤在＜0.5mm时，灰分含量最高，所以总膨胀度（a+b）有所下降。

③不同筛分粒级煤样的胶质层指数研究

不同筛分粒级焦煤和肥煤的胶质层指数测定结果如表6所示。从表6可以看出，随着粒级的增大，焦煤和肥煤的X值逐渐增大，焦煤的Y值逐渐变小，肥煤Y值略有降低（粒级在＜0.5mm时已经不符合胶质层指数测定国标规定的试验样粒度）。从表6可以看出，焦煤在粒级＜0.5mm下胶质层体积曲线呈现之型，粒级＞13mm呈现微波型，主要是由于粒级＜0.5mm相较于粒级＞13mm的挥发分高，黏结性好，透气性好，积聚的煤气能很快从半焦裂缝中逸出所致。

(5)不同筛分粒级煤样的坩埚焦试验

从图3可以看出，单种煤单独炼焦时，焦煤所炼焦炭的粒焦反应性（PRI）较肥煤所炼焦炭的粒焦反应性（PRI）小；焦煤所炼焦炭的粒焦反应后强度（PSR）较肥煤所炼焦炭的粒焦反应后强度（PSR）高。不同粒度焦煤和肥煤在粒级3～0.5mm的粒焦反应性（PRI）最小，粒级＞13mm最大，其于粒度相差无几，反应后强度（PSR）在粒级3～0.5mm时达到最大，这主要是由于粒级越大，惰质组含量越高，在进行炼焦时，惰质组的粒度较大，不利于与胶质体的混合，且它与活性组分的收缩系数不一样，较易形成焦炭的裂缝，降低焦炭的热性质。而粒级＜0.5mm时，镜质组含量又较高，焦炭的质量依旧很差，这其中的影响因素有很多，主要基于以下几个方面：粒级＜0.5mm时，灰分含量最高，降低了煤的结焦能力；其次粒度较小时，煤粒比表面积增大，而煤的黏结机理是煤粒间的表面黏结，所以覆盖煤粒的表面所需的胶质体数量也会大大增加，当结焦过程产生的胶质体不足时，就影响煤的结焦能力；粒级＜0.5mm时，惰质组含量较少，粒度较小，结焦中心点不足，起不到骨架支撑的作用，也会降低焦炭的质量。

图3 坩埚焦的热性质与煤粒度的关系Fig.3 The reIationship between the thermaI properties of crucibIe coke and coaI graine size

3.结论

（1）同一煤种不同筛分粒级其灰分存在差异，粒级较小（＜0.5mm）和粒级较大（＞13mm）的煤样其灰分较高，挥发分随粒级增大而略有降低。镜质组含量随粒级增大而减小，镜质组平均最大反射率略有增加。

（2）同一煤种不同筛分粒级的黏结性和结焦性指标存在差异，煤样粒级在3～0.5mm时，焦煤和肥煤的黏结指数G、奥阿膨胀度b值及总膨胀度（a+b）以及Y值达到最大。

（3）同一煤种不同筛分粒级煤样所炼坩埚焦质量不同，3～0.5mm粒级煤样所炼坩埚焦其反应性（PRI）最低，坩埚焦反应后强度（PSR）最高。

（4）综上，炼焦生产时，对于焦煤和肥煤不能过度粉碎，避免降低煤的黏结性和结焦性，从而降低焦炭质量。减少焦煤和肥煤在＜0.5mm和＞6mm粒级煤样的比例，有利于提高焦炭质量。