炼焦煤特性对焦炭粒度影响研究

王超 ，王甘霖 ，梁金宝 ，甘秀石 ，朱庆庙 ，赵振兴

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司炼焦总厂，辽宁 鞍山 114021）

2020年我国粗钢产量达到创历史新高的10.53亿t，高炉炼铁占比达到我国钢铁生产的近九成。高炉炼铁离不开焦炭，焦炭的性能和质量决定了能建多大的高炉，能喷多少煤粉，能否维持高炉顺行、稳产、高产、低耗。焦炭粒度是评价冶金焦炭性质的重要指标之一，焦炭粒度分布对高炉的透气性、利用系数、燃料比有重大影响。为了改善高炉透气性，保证煤气流分布合理和高炉顺行，一般要求焦炭粒度要均匀，通常大型高炉焦炭平均粒度在50～60 mm，中小型高炉焦炭平均粒度在40～45 mm。焦炭粒度波动影响高炉透气性，影响炉内压强，降低风量，使炼铁减产、焦比升高。

焦炭粒度的大小受备煤炼焦过程众多因素的影响。为提高焦炭质量，广大炼焦工作者在炼焦煤预处理技术、炼焦配煤技术及熄焦技术等方面做了大量的工作，炼焦煤性质是决定焦炭粒度特性的重要因素。本文结合鞍钢炼焦生产用煤的成焦特性，开展炼焦试验及焦炭粒度分析，将分析结果用于炼焦配煤方案的优化，对鞍钢生产焦炭的冷热态指标和焦炭粒度指标起到了改善效果。

1 炼焦煤特性对焦炭粒度的影响分析

为深入认识炼焦煤性质对焦炭粒度分布、平均粒度和粒度均匀性的影响，结合鞍钢炼焦用煤实际情况，对鞍钢炼焦使用过的2种气煤（QM），常用的4种 1/3焦煤 （1/3JM）、5种肥煤 （FM）、11种焦煤（JM）及4种瘦煤（SM，含瘦焦煤）进行煤质取样分析、200 kg炼焦试验、焦炭质量分析和焦炭粒度分析。各单种煤制备焦炭机械强度及热态强度指标如表1所示，单种煤制备焦炭的粒度分布如图1所示，各煤阶煤种制备焦炭的平均粒度如图2所示，各煤阶煤种制备焦炭粒度均匀性如图3所示。

图1 单种煤制备焦炭的粒度分布Fig.1 Particle Size Distribution of Coke Prepared from Single Coal

图2 各煤阶煤种制备焦炭的平均粒度Fig.2 Average Particle Sizes of Coke Prepared from Different Ranks of Coal and Types of Coal

图3 各煤阶煤种制备焦炭粒度均匀性Fig.3 Particle Size Uniformity of Coke Prepared from Different Ranks of Coal and Types of Coal

表1 各单种煤试验焦炉制备焦炭机械强度及热态强度指标Table 1 Mechanical Strength and Hot Strength Index of Coke Prepared by Test Coke Ovens for Various Single Coal

通过分析鞍钢常用炼焦煤的单种煤炼焦试验结果，可以得出：

（1）气煤类炼焦煤所制备的焦炭机械强度不高，焦炭易碎，且热态反应性非常高；焦炭平均粒度较小，粒度＜40 mm的焦炭占比达到20%；同时，焦炭粒度均匀性不高，只有80%。在炼焦配煤使用时，应注意控制气煤用量，并与瘦化组分含量较高的炼焦煤配合使用。

（2）1/3焦煤制备焦炭质量接近肥煤类焦煤的焦炭质量，明显好于气煤类炼焦煤制备的焦炭质量，但所制备焦炭的耐磨强度比肥煤低；粒度＜40 mm焦炭的占比在15%左右；在各变质程度的炼焦煤中，1/3焦煤制备焦炭的粒度均匀性明显较高，具有整粒作用。在配煤中合理配入使用1/3焦煤有利于调控焦炭粒度分布。

（3）肥煤制备焦炭质量的机械强度指标与焦煤接近，但焦炭热态强度与焦煤还存在一定差距；粒度在40～80 mm的大块焦炭分布比例较高，粒度均匀性好于焦煤仅次于1/3焦煤，但平均粒度明显小于焦煤，粒度分布特点与1/3焦煤相近。作为炼焦主力煤种之一的肥煤黏结指数高、胶质层厚度大，对焦炭质量和焦炭粒度分布调控均具有重要作用。

（4）焦煤制备焦炭质量与其他煤种相比机械强度高、反应后强度高，优势明显；粒度＞40 mm的焦炭比例极高、达到90%以上，焦炭平均粒度在70 mm以上，因而焦炭粒度均匀性不高。焦煤是配煤炼焦中支撑焦炭质量、提升焦炭粒度的核心煤种。

（5）瘦煤制备的焦炭的耐磨强度较差，粒度＜10 mm的粉焦和粒度＞80 mm的大块焦的比例都相对较高，这也造成了该类焦炭的平均粒度和粒度均匀性指标都不高。但结合瘦煤类煤的高变质程度、瘦化组分含量高的特点，在配煤炼焦过程中对提高焦炭粒度具有重要的作用。

通过以上比较分析，焦煤炼焦性能明显突出，是配煤炼焦的骨架煤种。在配煤炼焦生产过程中，焦煤、瘦煤对焦炭粒度提升作用明显，肥煤、1/3焦煤对焦炭粒度均匀性提高有一定作用。高变质程度煤的惰性组分含量比较高，在配煤炼焦过程中主要起惰性组分的作用。从塑性成焦机理中胶质体的流动性来看，惰性组分无黏结性，在成焦过程中不能产生胶质体，可吸附多余的液相，从而使流动度和膨胀度达到合适的范围，并可减少挥发分的析出量，提高煤的热稳定性，这样可使气孔壁增厚、气孔率降低，从而提高焦炭质量。由于惰性物本身具有较小的收缩性和良好的导热性，添加到配合煤中炼焦可降低在成焦过程中的收缩系数、相邻半焦层间的收缩差、层间应力，从而减少焦炭裂纹的产生率，提高焦炭粒度。

2 优化配煤提高焦炭平均粒度

为满足高炉生产顺行，在保证焦炭质量前提下提高焦炭平均粒度的生产需要，结合各煤种焦炭质量特性和对焦炭粒度分布的影响，进行提升焦炭平均粒度炼焦配煤方案的优化研究。

2.1 炼焦配煤方案优化试验

为了提升焦炭平均粒度，优化调整配煤方案，并开展200 kg炼焦试验。配煤方案及焦炭质量如表2所示，试验所得焦炭粒度分布如表3所示。

表2 优化试验配煤方案及焦炭质量Table 2 Optimization of Experimental Coal Blending Scheme and Coke Quality

表3 优化试验所得焦炭粒度分布Table 3 Particle Size Distribution of Coke Prepared by Optimization Test

结合表2、3对配煤炼焦试验结果进行分析：

（1） 与基准相比， 通过方案 1、2、3、4 可以看出，分别降低1/3焦煤、肥煤、瘦焦煤使用量5%，增加焦煤使用量5%，维持瘦焦煤不变，对焦炭热态质量指标有一定改善，但对焦炭平均粒度影响不明显。再结合方案5、6可以看出，当前肥煤18%使用量较为合理，瘦煤使用8%比例偏高，降低肥煤使用量对焦炭平均粒度提升作用有限，且易造成焦炭质量劣化。

（2）与基准相比，方案8降低1/3焦煤、瘦煤使用量各5%，提高焦煤、瘦焦煤使用量各5%，能够使焦炭冷态强度

M

提高2.5%、热态反应后强度

CSR

提高5.1%的同时，使焦炭平均粒度提高4.4 mm，效果最为明显。而方案10直接停用瘦煤，增加瘦焦煤使用量8%，能够基本维持焦炭冷态指标稳定、热态反应后强度

CSR

提高2.4%的同时，使焦炭平均粒度提高2.6 mm，效果也较为明显，能够在满足当前焦炭质量要求的同时达到较好的提升焦炭平均粒度的效果，性价比较好。

根据当前炼焦用煤煤质特性，提高焦煤使用量能够改善焦炭质量，但对焦炭平均粒度无明显提高，易造成焦炭质量过剩且配煤成本升高。而综合提升焦煤、瘦焦煤，降低乃至使用瘦焦煤完全替代瘦煤能够在优化焦炭质量的同时，满足提高焦炭平均粒度的要求，具有可行性，且其中用瘦焦煤替换瘦煤的指标改善效果性价比较高。

2.2 生产焦炉试验应用

根据200 kg炼焦试验结果，调整鞍钢6 m焦炉的配煤比，采用瘦焦煤完全替代瘦煤且适当降低焦煤配比的配煤方案，并进行生产试验应用。配煤方案及焦炭质量如表4所示，试验所得焦炭粒度分布如表5所示。

表4 生产试验配煤方案及焦炭质量Table 4 Coal Blending Scheme for Production Test and Coke Quality %

表5 生产试验所得焦炭粒度分布Table 5 Particle Size Distribution of Coke by Production Test

通过应用试验可以看出，在原有配煤方案基础上，采用配入瘦焦煤10%，降低焦煤配比5%，停用瘦煤的试验配煤方案，可在实现焦炭冷态质量指标基本稳定的情况下，实现

CRI

降低2.1%，

CSR

增加0.7%；同时，焦炭平均粒度提高1.8 mm，焦炭粒度均匀性基本保持稳定，说明优化后的配煤方案对焦炭质量指标具有明显的提升作用；另据测算，配煤成本较原有配煤方案降低。

3 结论

在配煤炼焦生产过程中，对焦炭粒度的影响因素较多，其中炼焦煤煤质特性是焦炭粒度的重要影响因素，通过合理的优化配煤方案，能够有效提高焦炭质量，提高焦炭的平均粒度指标。通过煤质分析和配煤炼焦试验，得到如下具体结论：

（1）不同变质程度的炼焦煤对焦炭冷热态指标及焦炭平均粒度指标的影响差异明显。试验条件下，与其他煤种相比，焦煤类制备的焦炭机械强度高、反应后强度高，粒度＞40 mm的焦炭比例极高、达到90%以上，焦炭平均粒度在70 mm以上。焦煤、瘦煤在配煤中对焦炭粒度提高具有积极作用。

（2）通过合理优化配煤结构比，单纯增加焦煤配比，对焦炭质量和焦炭粒度改善更加有效，性价比更高。

（3）根据鞍钢炼焦用煤结构，对6 m焦炉原有配煤方案进行调整，配入瘦焦煤10%，降低焦煤配比5%，停用瘦煤，能够使焦炭热态反应性降低2.1%，焦炭平均粒度提高1.8 mm且焦炭粒度均匀性基本保持稳定。

4 下一步工作展望

不同变质程度炼焦煤在配煤炼焦生产中的作用不同，针对不同焦炭质量要求，调整煤种种类和用量，形成动态化配煤应用方案，不断开发储备新煤种，才能最大程度发挥炼焦配煤作用，保证焦炭质量的同时兼顾经济性。

煤是混合物，煤的成焦特性影响因素众多，同时炼焦工序环节众多，对控制提高焦炭质量技术的进步形成巨大阻碍，集合备煤系统与炼焦系统众多节点和影响指标，开展基于大数据的自动化智能化配煤系统的应用研究，装备具备自学习功能的智慧化配煤专家系统是配煤炼焦生产的发展方向。