窑街矿区侏罗纪中变质低黏结煤的煤质特性研究

张炳忠，王 越

(1.窑街煤电集团有限公司，甘肃 兰州 730084；2.煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院；3.煤炭资源开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

我国焦化行业面临严重的炼焦煤煤质问题，低灰、低硫、中高变质、低反应性、强结焦性等特质的优质炼焦煤资源日益短缺，商品煤煤质下降严重[1，2]。另一方面，由于高炉大型化及富氧喷吹技术的应用，对冶金焦炭的质量要求越来越高，尤其要求焦炭要具有较好的热态强度[3]。

在炼焦条件和加热制度确定的情况下，焦炭的热性能主要由原料煤的性质决定[9]。从煤岩学角度来看，煤是非均质物质，由镜质组、惰质组和壳质组组成。我国西部侏罗纪炼焦煤中壳质组含量极低，而惰质组含量相对较高[10]。根据煤岩配煤的基本原理，惰质组是惰性组分，镜质组和壳质组是活性组分[11]，因而西部侏罗纪炼焦煤的活性显微组分(镜质组)的热演化行为及成焦特性是研究的关键。此外，特殊的成煤环境导致侏罗纪炼焦煤中的碱金属和碱土金属(如Na、K、Ca、Mg)含量相对较高[12]，而碱金属和碱土金属是煤焦气化反应(煤对二氧化碳反应性)的正催化剂[13-15]，因此在考虑侏罗纪炼焦煤成焦机理时，矿物催化作用是不可忽视的因素。

西部侏罗纪炼焦煤可显著降低配煤灰分和硫分，改善焦炭质量。但是目前传统配煤方法(经验配煤、胶质层配煤、V-G配煤等)以及配煤炼焦机理(胶质层重叠原理、互换性原理、共炭化原理)均无法体现西部侏罗纪炼焦煤的煤质特殊性[16-18]。本文对窑街矿区侏罗纪炼焦煤的煤质特性进行研究，以期为西部炼焦煤资源利用途径提供依据。

1 试验部分

1.1 试验用煤及煤质分析

研究用煤采自窑街矿区，按照相应的国家标准测试煤的镜质体反射率、煤岩显微组分含量、工业分析、元素分析、发热量、全硫、煤灰成分、煤对二氧化碳反应性、P、Cl、Hg含量；并与煤科院《中国煤种数据库》中典型低变质炼焦煤的煤质特性进行对比。

1.2 浮沉试验

利用0.5～6 mm样品进行浮沉试验，浮沉介质为ZnCl2，密度选择1.28 g/cm3、1.30 g/cm3、1.32 g/cm3、1.35 g/cm3，测试样品的产率、灰分、挥发分、煤岩显微组分含量以及黏结指数。

1.3 40 kg焦炉试验

利用40 kg焦炉试验来评价单种煤及配煤的结焦性能，以更科学地指导生产。焦炭反应后强度CSR是反映焦煤结焦性的直接指标，是在规定温度下测定块状焦炭与二氧化碳的反应特性时得到的指标，用于评价焦炭的热性质。GB/T 4000-2017《焦炭反应性及反应后强度试验方法》中规定的测定标准是在1 100 ℃±5 ℃的恒定温度下，将一定质量焦炭置于耐高温合金钢反应器或刚玉质反应器中，用二氧化碳与其反应2 h后，焦炭经I型转鼓试验后，以大于10 mm粒级焦炭占反应后焦炭的质量分数表示焦炭反应后强度CSR。

2 结果与讨论

2.1 窑街煤煤岩特征

表1 窑街炼焦煤的煤岩特征

图1 窑街炼焦煤的镜质体反射率分布

2.2 窑街炼焦煤煤质特征

分析表2可知，窑街矿区炼焦煤的灰分含量低，按照国家标准GB/T 15224.1—2018《煤炭质量分级 第1部分：灰分》，精煤样品为特低灰煤(ULA)。较低的灰分含量对其作为炼焦配煤及动力煤是十分有利的。煤中硫含量与成煤环境密切相关，窑街矿区煤的成煤环境为陆相成煤，原煤硫分(St，d)为0.11%，按照国家标准GB/T 15224.2—2010《煤炭质量分级 第2部分：硫分》，为特低硫煤(SLS)。

表2 窑街炼焦煤的煤质分析

近年来，我国炼焦精煤的灰分和硫分不断升高，尤其是肥煤和焦煤，窑街炼焦煤作为特低灰、特低硫的配焦煤，可以显著降低配合煤的灰分和硫分。内蒙古西部地区以及陕西、山西等地焦化企业使用的肥煤、焦煤的灰分和硫分普遍较高，配加窑街炼焦煤后，可以显著改善配合煤的质量。因而窑街炼焦煤用作配煤炼焦具备较大优势。

煤灰成分以SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO为主，合计占85%，其他组分含量低，尤其是煤中K2O和Na2O的含量，对降低矿物催化作用，保证焦炭的热反应性和反应后强度是十分有利的。

窑街炼焦矿煤中磷(Pd)含量较低，按照GB/T 20475.1—2006《煤中有害元素含量分级 第1部分：磷》，为低磷煤(P-2)；氯(Cld)含量极低，按照GB/T 20475.2—2006《煤中有害元素含量分级 第2部分：氯》，为特低氯煤(Cl-1)；氟(Fd)含量极低，按照MT/T 966—2005《煤中氟含量分级》为特低氟煤(SLF)。

2.3 窑街炼焦煤与中国典型低变质炼焦煤对比

我国的弱黏煤和1/2中黏煤的资源较少。弱黏煤主要分布在大同侏罗纪煤田以及部分气煤煤田的部分分层，1/2中黏煤主要分布在黑龙江鸡西矿区的部分矿井。我国的气煤资源较多，但是侏罗纪气煤资源仅分布在陕西黄陵矿区、新疆阜康矿区等少数几个矿区。

窑街炼焦煤与中国典型低变质炼焦煤的煤质特征对比如图2所示。

由图2可知，窑街炼焦煤的灰分、全硫在中国典型弱黏煤、1/2中黏煤和侏罗纪气煤中处于较低水平；挥发分产率也显著低于其他弱黏煤、1/2中黏煤和侏罗纪气煤；黏结指数与中国典型弱黏煤和1/2中黏煤平均水平相当，显著低于气煤的黏结指数。窑街炼焦煤的胶质层最大厚度与中国典型弱黏煤、1/2中黏煤和侏罗纪气煤的平均水平相当。

图2 窑街炼焦煤与中国典型低变质炼焦煤的煤质对比

窑街炼焦煤的变质程度(镜质体反射率)显著高于中国典型弱黏煤、1/2中黏煤和气煤，而显微组分中的镜质组含量显著低于中国典型弱黏煤、1/2中黏煤和侏罗纪气煤的平均水平。

2.4 窑街炼焦煤密度分离组分性质差异

表3 窑街炼焦煤密度分离各组分的性质

黏结指数表征煤粘连惰性物质的能力。随着惰质组含量增加，黏结性迅速下降，尤其是惰质组含量在2%～10%区间内下降尤为剧烈，如图3所示。

图3 窑街炼焦煤的黏结指数随惰质组含量的变化规律

2.5 窑街炼焦煤成焦特性

本次研究对窑街炼焦精煤经1.40 g/cm3减灰后的精煤进行了全面的炼焦工艺性质分析和单种煤的40 kg焦炉炼焦试验。实验煤样的煤质特征及焦炭特性分析结果如表4和表5所示。

表4 焦炉实验用煤的煤质特性

表5 窑街炼焦煤制备焦炭质量

窑街炼焦精煤单独炼焦时所得焦炭块度较小，裂纹和气孔较多，结构疏松，质轻，黏结性和熔融较差。从焦炭质量分析结果看，焦炭灰分含量(Ad=5.29%)极低，完全符合国家冶金焦和铸造焦标准，硫含量(St，d=0.16%)极低，符合国家冶金焦一级和铸造焦特级标准。抗碎强度(M40=47.9%)、耐磨强度(M10=27.4%)、热态强度(CRI=53.2%，CSR=28.1%)均未达到国家冶金焦和铸造焦标准。

总体上来说，窑街炼焦精煤单独炼焦所得焦炭质量较差，冷、热态强度均不能够满足国家冶金焦和铸造焦标准，难以单独炼焦，但其具有灰分、硫分偏低的优点。可以适量用于配煤炼焦，在配入强肥煤的条件下，就可能得到质地坚硬的高强度的大块焦炭。

2.6 窑街炼焦煤用作炼焦配煤的特点

窑街炼焦煤在加热时形成的胶质体较少，胶质体的温度范围较窄，胶质体固化时形成松散的半焦炭架结构。因此用常规方法，单独使用炼焦是不能成功的，但是在配入高流动性的强肥煤的条件下，则出现另一种情况。当窑街炼焦煤的胶质体开始固化并形成半焦时，强肥煤的胶质体仍处于流动性状态，而渗入窑街炼焦煤形成的炭架结构之中，并在进一步的缩聚固化过程中形成均匀结合体。在工艺上若采取捣固法炼焦，可以使配煤颗粒表面紧密接触，有助于煤颗粒之间在加热过程中更好地胶结，熔融，并使焦炭结构均匀致密。

但是窑街炼焦煤也存在以下问题：

(1)窑街炼焦煤的黏结性不足。即使是将镜质组富集到95%以上，仅靠本身的黏结性不足以炼制成高强度焦炭，必须加入强黏结性的煤来弥补其成焦性能不足，仅能作为配焦煤使用；

(2)窑街炼焦煤收缩率大的区间处于较低的温度范围内，最终收缩率大，形成裂纹早并且较多。因此，必须有收缩率处于较高温度范围内，并且最终收缩率小的煤来缓冲，使整个配煤收缩率大的区间向较高温度区间移动，降低最大收缩率，使裂纹形成的温度提高，形成的裂纹减少；

(3)窑街炼焦煤活性组分对惰性组分的粘结不良。如果配合煤中有较多的惰性组分，会增加窑街炼焦煤与惰质组分的接触几率。如果惰性组分颗粒大，会影响焦炭强度；如果惰质组分颗粒细则会影响焦炭耐磨强度。

因此，窑街炼焦煤用作配煤炼配煤时，主要应从弥补窑街炼焦煤的缺陷来评定。

3 结 语

(2)窑街炼焦煤因煤岩组分含量差异，黏结指数波动较大，按照中国煤炭分类被归入不黏煤、1/2中黏煤和气煤。

(3)与中国典型弱黏煤、1/2中黏煤和侏罗纪气煤相比，窑街炼焦煤的灰分、全硫、挥发分产率处于较低水平；胶质层最大厚度与平均水平相当；黏结指数与中国典型弱黏煤和1/2中黏煤平均水平相当，显著低于气煤的黏结指数。

(4)窑街炼焦煤的变质程度(镜质体反射率)显著高于中国典型弱黏煤、1/2中黏煤和气煤，而显微组分中的镜质组含量显著低于中国典型弱黏煤、1/2中黏煤和侏罗纪气煤的平均水平。

(5)窑街炼焦煤的黏结性不足，即使是将镜质组富集到95%以上，仅靠本身的黏结性不足以炼制成高强度焦炭，必须加入强黏结性的煤来弥补其成焦性能不足，即仅能作为配焦煤使用；窑街炼焦煤活性组分对惰性组分的粘结不良，如果配合煤中有较多的惰性组分，会增加窑街炼焦煤与惰质组分的接触几率。如果惰性组分颗粒大，会影响焦炭强度；如果惰质组分颗粒细就会影响焦炭耐磨强度。