炼焦煤性质与分类及煤岩学应用

白 向 飞

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013;3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013)

0 引 言

煤岩学能够在焦化工业中得到广泛应用，主要由于只有依据镜质体反射率指标才能直观地鉴别混煤[1-2]，但实际上煤岩学对于煤质管理能够发挥更大的作用[3-11]。从煤岩学研究角度可解释很多煤质现象，包括一些特殊的煤质问题如其中有特定组分富集或煤层经历某种特殊的变质过程等。依据炼焦煤性质对其分类可促进炼焦煤资源的合理利用，而煤岩学方法在焦化工业中常用于监控原料煤质量。因此，煤岩学方法和理念是煤分类的基础。

以下探讨炼焦煤的性质和分类，包括如何应用煤岩学方法更客观地评价炼焦煤，以及简介煤岩学及其近年来所取得的成果，主要分以下5个方面进行阐述:煤岩学基本概念、炼焦煤应用中常见的煤质问题、炼焦煤的分类及其意义、煤岩学在炼焦煤评价中的应用以及煤岩测试技术进展。

1 煤岩学基本概念

日常生产中常用的煤质指标，比如挥发分、黏结指数、胶质层指数等均属于规范性指标。与其它煤质指标相比，煤岩学方法的主要特色在于将煤作为1种岩石来看待，利用显微镜来观测其中的组分，进而分析其性质。通常的3种组分分别是煤中的镜质体、惰质体和壳质体，其化学和工艺性质差异很显著，其含量对煤质的影响很大。焦化生产中常用的2个煤岩学指标为镜质体反射率和煤岩组分含量。单一煤层煤的镜质体反射率分布测试结果只有1个峰，而混合煤的镜质体反射率分布可包含多个峰或1个复杂的宽峰。正因为煤岩学方法有此功能，才逐步广泛应用于焦化工业中用以监控原料煤质量，特别是针对混煤鉴定与判别。

(1)镜质组显微组分。对于合理利用炼焦煤，煤岩组分与镜质体反射率分布图同等重要。镜质组显微组分是大多数煤中最主要的组分。测试反射率以判别混煤，主要对镜质组显微组分进行测试。有些企业要求活惰比指标，其中的“活”主要指镜质体。镜质组显微组分在显微镜下呈不同程度的灰色，表面也较平整。

(2)惰质组显微组分。煤中惰质组显微组分的镜下主要特征是反射率高且变化不规律，所谓活惰比中的“惰”即主要指该种组分。测试反射率时要避开惰质组显微组分，否则会导致测值偏高、标准差增大，从而易将一些单种煤误判为混煤。

(3)壳质组显微组分。煤中的壳质组主要是由植物的树皮、花粉、树脂等变化而来，鉴定特征比较明显，容易识别。一些炼焦煤焦油收率高、产气多，主要与壳质体有关。

(4)煤中主要矿物。除了上述3种显微组分，煤中还含有一定量的矿物，主要包括黏土矿物、石英、黄铁矿等。不同地区的煤由于矿物成分差异大，因此煤灰成分差异显著，一些炼焦煤中碱金属含量对焦炭质量破坏较大，而碱金属的主要载体为黏土矿物。

(5)成煤作用阶段划分。煤由古代植物形成，最终的归宿理论上要转变为石墨。任何一个煤种均是从植物残骸转变为超无烟煤乃至石墨过程中的一个中间产物。评价煤的性质，离不开其成因。利用煤岩学方法评价煤，主要从其变质程度及其显微组分出发。

2 炼焦煤中常见的煤质评价问题

焦化生产的主要控制因素为原料煤质量，在实际生产中遇到的煤质问题很多，在此重点涉及以下3种较为常见的煤质现象:①按照国家标准属于同一类煤，但工艺性质差异比较显著的问题；②某些煤的焦炭反应后强度会明显偏低；③目前大多数焦化厂配备了煤岩设备，但需处理如何利用镜质体反射率测试结果来判别煤类的问题。

炼焦煤煤质及应用常见案例:同一煤类性质差异明显的问题，在焦煤和1/3焦煤中出现相对较多，详见表1、表2。

表1 同一煤类(1/3JM)性质差异明显的问题示例Table 1 Examples of differences between coals form the same class (1 / 3JM)

表2 同一煤类(JM)性质差异明显的问题示例Table 2 Examples of differences between coals form the same class (JM)

从表1中可见，不同的1/3焦煤其胶质层指数和吉氏流动度的差异比较明显。实际生产中，有些1/3焦煤可在一定程度上替代肥煤，有些和气煤性质接近。不同焦煤的焦炭热强度差异显著，山西地区部分焦煤的焦炭反应后强度可达70%以上，但有些来自侏罗纪时代的焦煤，反应后强度仅约20%。以上现象难以从煤炭分类相关标准解释清楚，究其原因是与煤化程度、煤岩组成、成煤环境和变质经历等煤岩学问题有关。

3 炼焦煤的分类及其意义

3.1 中国煤炭分类简介

目前在中国有3个关于煤炭分类的国家标准，分别是《中国煤炭分类》《中国煤层煤分类》和《中国煤炭编码系统》。该3个分类标准的性质不同，应用的广泛程度也不同。其中《中国煤炭分类》该分类标准属于技术分类的范畴。在国外，苏联、德国、英国等均有类似的分类标准，比如在德国、波兰、苏联煤炭分类中均有中国煤炭分类中“气煤”、“肥煤”等类似术语名称。《中国煤层煤分类》为接近于科学成因分类的方案，与国际标准ISO 11760性质一致，将煤作为原生地质岩体而按照其自然属性进行分类，目的是使得不同国家和地区对煤炭资源进行初步评价的结果相互之间更具有可比性。其所采用的自然属性指标主要是煤岩学指标。《中国煤炭编码系统》出台的背景，主要与当时国际上煤炭编码工作兴起有关，欧洲和澳大利亚先后提出了煤炭编码系统。编码的优势在于以关键煤质指标直接确定编码，避免了煤类名称带来的主观性问题。缺点在于需要解码，对于不太熟悉煤质的人员来说，几乎很难应用。实际上，编码标准均未在国内或国际切实推行。

3.2 GB/T 5751标准及其意义

该标准在我国煤炭资源勘探、储量管理、煤炭加工和利用等各方面均发挥了巨大的作用，也是国际上所有煤炭分类中推广最为普及的1个分类方案。标准中炼焦煤主要根据挥发分、黏结指数、胶质层指数和奥亚膨胀度4个指标进行分类。按照该标准，从1/2中黏煤到贫瘦煤的8个煤种属于常规炼焦用煤。由于分类采用的指标较少，按照该分类会出现同一类煤的工艺性质(流动度、反应性等)有差别的现象，但可通过比较国际上其他煤分类方案的应用效果，来客观分析煤分类存在的问题。

(1)国际煤分类。ISO 11760是1个接近于科学—成因分类的方案，其主要目的在于描述煤的基本类型和进行国际间资源对比。分类指标与中国煤炭分类完全不同，其主要采用2个成因指标、1个品位指标进行分类。其中品位指标为灰分，而成因指标即为煤岩学指标，也从另一个侧面反映了煤岩学指标对于认识煤炭的重要性。按照该分类方案，镜质体反射率、镜质体含量、灰分产率接近的煤即可被认为是同一类煤。若样品的镜质体反射率为1.51%、镜质体含量为62.5%、灰分为10.51%，按照ISO 11760分类，其分类结果为“中阶煤A，较高镜质体含量、中等灰分”，但黏结指数、胶质层、膨胀度、流动度等在此均未能清晰。若单纯以炼焦应用为目的，该标准不如中国分类更为直接。

(2)中国煤分类与美国煤分类比较。美国煤分类中的烟煤，基本上相当于中国的炼焦煤。中国的分类方案中引入了黏结指数、胶质层指数、奥亚膨胀度等黏结性指标，但美国煤分类中对黏结性的分类采用“黏结”或“不黏结”此类定性的描述。中国的炼焦煤分类共为8类，每个煤类还有很多次一级的编码，但美国煤分类简单划分为中、高、低挥发分烟煤。按照美国煤分类，同一类煤的工艺性质也会有显著差异。

(3)中国煤分类与澳大利亚煤分类比较。澳大利亚煤分类国家标准是1个编码标准，采用镜质体反射率、发热量、膨胀度、灰分、硫分等对煤进行编码，而编码类标准实际上从未被有效推广。无论澳大利亚还是澳洲煤的主要出口国日本、印度等，市场上应用最广泛的是AME公司提出的相应“标准”，即硬焦煤、半硬焦煤、半软焦煤1套术语。该“标准”中将流动度、焦炭反应性和镜质体反射率作为分类指标，应用效果方面存在以下问题：首先是反射率和流动度的范围明显很宽，反射率(Rmax)在0.95%～1.7%，基本涵盖了中国煤炭分类中从1/3焦煤到瘦煤的范围。其次是焦炭反应后强度指标的应用，虽该指标对于选择炼焦煤比较有利，但此指标用于煤分类，首要问题是选用何种试验焦炉炼制的焦炭来对比。针对同样的煤，不同炉型得到的焦炭热强度差异很大。若需很大的试验焦炉，其实已失去作为分类指标的意义。所以，该指标实际上更多供生产上直接评价商品煤质量之用，难以形成社会普遍采纳的统一标准。关于硬焦煤、半硬焦煤、半软焦煤与中国煤类的大致对应关系，若不严格考虑焦炭反应后强度，硬焦煤主要对应于中国分类中的焦煤和部分肥煤，而半硬焦煤或半软焦煤的范围均较宽，与中国煤炭分类存在同样的问题。

3.3 不同层面煤炭分类标准的定位与应用

(1)相对而言，与美国、澳洲煤分类相比，中国的炼焦煤分类实际上已很细，划分的煤类数量已稍显过多。

(2)国际煤炭分类以及中、美、澳等国的分类，在国家标准层面上的分类方案均较宽泛。主要因为此层面的分类方案更注重煤炭资源的可比性，提供1个煤炭资源性质对比的总纲性文件，分类方案需简便易行因而分类指标不可能太多。

(3)企业层面需要的“分类”，主要注重煤种之间的相互可替代性，分类指标越多则越易控制煤质。此为有的企业明知其煤类大致所属但仍需在黏结指数、胶质层指数之外建立煤岩分析、流动度、焦炭反应性、试验焦炉等装置的主要原因。

(4)焦化生产中大多数煤质问题应是对煤质的认识和表征问题而不是分类问题。煤炭分类国家标准除了直接服务用煤企业生产，还要考虑资源勘探、储量管理、矿区开发规划等方面，不应过细。

3.4 煤炭分类的发展

目前的煤炭分类国家标准并非完美。中国目前的分类方案国标，实际上是1970年代的产物，2009版本更多侧重于格式上的修订，除了规定混煤不能分类之外，无其它实质性内容方面的改动。在当时的各国标准中，实际上都以挥发分来表征煤化程度。但在后期，无论是美国、澳大利亚还是苏联，均引入了煤岩学指标，使得煤炭分类更加科学。因此，未来中国煤炭分类的修订，应主要关注煤岩指标的引用，以进一步促进炼焦煤资源的合理利用。

另外，早期的煤炭分类大多属区域性，比如苏联、中国都有过特定煤田的煤分类。其实该种煤分类方案有其价值，同一个煤田煤的成煤地质背景类似，在达到相同煤化程度时性质更加接近，相互间可比性更好一些，更有利于直接指导企业生产。

4 煤岩学在炼焦煤评价中的应用

由上可知，无论是煤炭分类还是其他看起来很特殊的煤质现象，很多与煤岩学有关。促使煤岩学在中国焦化领域得到普及的主要原因是混煤问题，即为市场不规范的原因而非科学配煤技术。此应是中国和欧美、日本等国家焦化行业应用煤岩学最大的不同。以下从镜质体反射率与煤类之间关系、镜质体反射率标准差的应用、煤岩组成与“活惰比”的应用、炼焦煤工艺性质之间内在关系以及炼焦煤特殊性质的煤岩学分析5个方面探讨煤岩学在认识煤质方面的作用。

(1)利用镜质体反射率判别煤类。自从煤岩方法普及以来，采用镜质体反射率测试以鉴别混煤，已成为多数焦化企业通行的作法。但镜质体反射率与煤类之间关系属于“一对多”的统计关系，因而严格意义上不能仅依靠镜质体反射率指标判别煤类，正如不能仅凭挥发分来判别煤类一样[12]。

(2)利用反射率标准差判别混煤。利用反射率标准差判别混煤是目前最惯常的作法。GB/T 15591描述了最常见的几种混煤镜质体反射率直方图形态，并规定了以标准差0.1作为判别混煤的分界。但事实上，标准差受煤本身的变化复杂程度和测试精度的影响。如果误把惰质体或壳质体作为镜质体去测试反射率，会导致标准差偏高；仅去挑选煤中最典型的镜质体去测试，会使得标准差偏低；测试过程随机误差控制不好，会使得标准差偏高。因此，根据标准差判别混煤，首先要保证测试精度，即准确选有代表性的测点，同时控制设备带来的各种误差。

(3)活惰比的应用。活惰比指标较为简单，只需测试煤岩组分含量即可计算得到。最佳惰性组分实际上一直是个假说，不同煤种中最佳的活惰比不一致。所以，对于同一煤样的活惰比多少算合适其实没有定论。若煤岩组分测试不准确，生搬硬套“活惰比”概念还可能误导生产。

(4)不同成煤时代炼焦煤的黏结性变化规律。对于炼焦煤各种工艺指标之间的相关性已有很多论述，如黏结指数、胶质层指数等随煤化程度的变化总体上呈抛物线型变化。黏结指数的最大值，一般出现在镜质体反射率1.1%左右，而流动度的最大值一般出现在镜质体反射率0.9%～1.0%左右。另外，若按照成煤时代来统计，相同变质程度下侏罗纪煤的黏结性和结焦性指标总体上要低一些。因此，没有煤岩学方法和指标的参与，工艺指标之间性质研究更多是“相关性”研究；有了煤岩学指标的参与，有助于分析其内在因果关系。

(5)炼焦煤特殊性质的煤岩学分析。以推断焦炭反应性偏高而反应后强度偏低的原因为例，主要包括以下5种:①镜质体反射率偏低，即煤种比较年轻。如气肥煤和反射率0.9%以下的1/3焦煤，虽黏结指数、流动度等都较高，但反应活性高，焦炭热强度低；②成煤时代。侏罗纪的煤在相近变质程度下普遍比石炭二叠纪煤活性高、焦炭强度低，此与其成煤环境有关，也与其煤灰碱金属含量相关；③煤层埋藏浅或暴露时间长，例如一些炼焦煤老矿区，随着开采时间延长其煤质(尤其焦炭热强度)总体变差。④比较丰富的裂隙结构。比如有些炼焦煤中CaO含量偏高，间接证明其中裂隙发育以及与地下水等进行物质交换多，导致煤质变化；⑤其他未深入追踪研究的成煤作用问题或开采加工问题。比如洗选介质的混入等，有些情况下明显导致煤质变差。

炼焦煤的合理评价，除了常规的煤化学理论外，实际上不可避免地涉及到成煤作用知识。掌握煤化程度、煤岩组成、其他成煤作用因素，可更好地认识炼焦煤及利用炼焦煤。

5 煤岩测试技术进展

以上简要介绍煤岩学及其在煤炭分类和煤质研究中的用途。煤岩学方法在焦化行业最普遍的应用在于监测原料煤的混煤情况。同时，由于专业人员的缺乏，整个行业对煤岩自动测试的需求较旺盛。

基于光度法的煤岩自动测试系统的最大问题实际上是准确度不能令人满意。其准确度不高的最主要原因是“盲测”，即将1项本来需要专业操作人员细心操作才能做好的工作交由机器自动完成，但对其过程中各种影响因素无从严格控制与审核，很多其他组分被作为镜质体来测试，必然导致标准差增大，分布变宽；若人为限制测试对象，又会导致只测试特别典型的镜质体，使标准差比实际偏低。

要解决煤岩自动测试的准确度问题，确保测试对象准确且有代表性是最关键的要素。煤科院煤岩团队历经将近10年的时间研发了煤岩图像分析系统[13-17]，实现了自动测试过程可追溯、结果易审核的目标，可保证测试对象的准确性和代表性，进而确保测试结果的准确性。同时，借助图像分析工具可直观展现导致煤质异常的煤岩学现象，便于煤岩测试结果更好地服务于生产。因此，图像分析法是未来煤岩测试技术的发展方向。

(1)BRICC-M煤岩图像分析系统。为确保图像质量，自主研发了适用于煤和焦炭的三维自动平台和图像采集系统，开发了核心的图像分析软件，包括如何自动识别测试对象、自动完成所有测试过程以及保存、链接各种原始信息。在图像分析条件下，识别的准确度及出现的问题可以很容易被审核，进而得到改进。此为图像分析法能够取得成功的最主要因素。

(2)煤岩图像分析系统关键技术。由图像分析法和目前采用的光度计法对比可知，两者在显微镜配置方面完全一样，不同之处在于采用显微数码摄像头代替传统的光度计。测试原理方面，两者均采用已知反射率的标准物质并通过建立工作曲线来得到未知样品的反射率。在同一台显微镜上同时安装显微数码相机和传统光度计，对样品中镜质体测点进行测试，得出的镜质体反射率平均值和标准差以及反射率分布图均非常接近，如图1所示。

图1 采用不同方法获得的镜质体发射率分布直方图对比Fig. 1 Comparison of reflectance distribution histograms of vitrinite obtained by different test methods

事实上，最早出现的镜质体反射率测试技术本身就是照相法，只不过100年前的照相技术不能与今日的同日而语，后来才被光度法所取代。随着时代的发展，目前的数码照相机技术，其线性范围已完全可与光度计媲美，但在应用和维护方面却比光度计简便得多。

(3)图像分析法的应用优势。利用光度计法测试时只能一人一机且很难交流，对测试结果有疑义时只能进行重复测试，但图像分析法可保留整个过程并随时进行审核。在结果应用方面，图像分析法可直观展现煤的显微特性，很多煤质问题可从中找到答案。利用图像分析方法可非常方便地调出有争议的测值相对应的显微图像并进行审核，可直观地展示出是的确存在相应的煤种，还是由于各种原因导致的测试错误。该种审核技术，一方面便于应用，另一方面也不断推动技术改进，提高测试对象的识别准确率，使其成为1种可以保证精度的实用技术。

目前，国家标准GB/T 40485—2021《煤的镜质体随机反射率自动测定 图像分析法》已经发布，图像分析法已成为自动测试镜质体随机反射率的国家标准方法。

6 结 论

(1)关于炼焦煤分类，无论国际标准还是国家标准均注重煤质的可比性，分类指标需简便易行且不可太多；而企业层面所需的分类，重点注重煤种间的相互可替代性，即分类指标越多则越易控制煤质。但无论何种分类方案，煤岩指标均为不可或缺的指标。因此，既不能将炼焦煤常见的煤质问题简单归结为分类问题，同时也需高度重视煤岩学的应用。

(2)煤岩学方法能将各种工艺指标高度关联，有助于科学解释异常的煤质现象。

(3)利用镜质体反射率分布图和标准差来鉴别混煤，判别煤类时切忌教条地引用某些相关关系，二者间关系需要科学解读。

(4)图像分析法在仪器组成的通用性、操作的便利性、过程审核的可追溯性以及测试结果的准确性等各个方面均优于传统的光度计法，代表着今后镜质体反射率测试的技术方向。随着国家标准GB/T 40485—2021《煤的镜质体随机反射率自动测定 图像分析法》的实施，煤岩图像分析法的应用将会越来越普及。