基于炼焦煤特性的高反应性焦炭制备研究

刘 洋，王明登，李 超，封一飞，何旭辉，徐国忠，钟祥云， 白 滨 ，刘 洋，白金锋

(1.辽宁科技大学 化工学院，辽宁 鞍山 114051；2.中冶焦耐(大连)工程技术有限公司，辽宁 大连 116085)

0 引 言

中国钢铁行业碳排放量占全球钢铁行业碳排放总量的60%以上，约占全国碳排放总量的15%，钢铁长流程工艺体系中的炼铁工艺CO2排放量占80%左右，以煤、焦炭等长期占据主导地位的高炉部分CO2的排放量占比高达73.6%[1]。焦炭作为现代高炉炼铁中的重要原料，其质量直接影响高炉的透气性、透液性、焦比、喷煤比以及铁水质量，因此要求焦炭同时具有较好的反应性(CRI)和反应后强度(CSR)。

研究表明，焦炭的反应性并非越低越好。ZHAO等[2]通过试验得出反应性高的焦炭比反应性低的焦炭在高炉块状带表现为压差与热储存区温度均低、煤气利用率及矿石还原率均高。吴胜利等[3]通过研究焦炭反应性对高炉块状带含铁炉料还原的影响，指出适当提高焦炭的反应性能够明显改善高炉块状带含铁炉料的还原条件。王建丽等[4]研究表明，配加高反应性焦炭可促进含铁炉料的还原，提高进入软熔带区域炉料的金属化率。NAITO[5]发表的研究成果，从高炉操作线上证明了高反应性焦炭可以降低高炉燃料消耗，并从实验上证明使用高反应性的焦炭可以通过降低热储备区的温度来降低焦比，从而减少CO2的排放。同时，随着喷煤技术的发展，高炉焦比不断降低，焦炭在高炉内停留的时间被延长，对焦炭反应后强度的要求越来越高。

综上所述，在保证焦炭反应后强度的前提下，焦炭反应性的适当提高可有利于提升高炉的生产效率以及减少 CO2气体的排放，此规律符合炼铁工业碳消耗和CO2排放的发展趋势。

焦炭溶损过程其结构的劣化将导致高炉的骨架疏松，在提高焦炭反应性的同时还要保证焦炭的反应后强度，但焦炭CRI和CSR该2个指标一般是负相关的关系[6-7]，此矛盾为高反应性焦炭的制备及在高炉中的应用提出了挑战。聚类分析是数据挖掘技术[8-9]中1种重要的数学方法，在模式识别、人工智能、图像处理等领域已显示其应用价值[10-12]；采用聚类分析中的聚类树图可以根据样品的相似程度将其分为若干类别[13-15]。

以下将聚类分析应用于高反应性焦炭的原料煤优选过程，首先优先使用聚类分析方法对炼焦煤的机械强度和热性质分别进行聚类分析，然后结合CSR与CRI的比值对各类型炼焦煤进行制备高反应性焦炭的适宜程度进行分类，并对焦炭质量指标进行差异性分析，从而得到适合进行高反应性焦炭制备的炼焦煤；再根据优选结果进行高反应性焦炭的配煤炼焦实验研究，最终获得满足焦炭反应后强度要求的高反应性焦炭和配煤方案。

1 炼焦煤应用性细化分类方法

聚类分析方法通过给定的N个数据样本，根据相似程度将N个数据样本分成k个类别，并将煤质指标相似的炼焦煤样本归于同一类。针对焦化企业炼焦煤资源的复杂性和多变性，应用聚类分析进行原料煤分类时需考虑炼焦煤和焦炭质量指标的特点，将含有N个炼焦煤数据样本的数据集C聚成m个子类(C1,C2,…,Cm)，由此获得炼焦煤应用性细化分类结果。炼焦煤应用性细化分类需确定炼焦煤或焦炭质量指标的标准化、炼焦煤相似性度量、两类煤之间相似性度量标准及炼焦煤聚类数。

1.1 炼焦煤及焦炭质量指标标准化

研究选用Z-Score标准化方法进行炼焦煤和焦炭质量指标的标准化，转换函数具体见式(1)。

Z=(X-M)/S

(1)

式中，X为某种炼焦煤或焦炭质量指标;M为所有炼焦煤或焦炭质量指标的均值;S为所有炼焦煤或焦炭质量指标的标准差。

1.2 炼焦煤间相似性度量

在聚类分析中使用煤质或焦炭质量指标之间的距离作为2个煤之间相似性程度的评判标准，距离越小代表2个煤相似程度越高，具体使用的平方欧氏距离公式见式(2)。

(2)

式中，d(x，y)表示2个炼焦煤质量指标值x和y之间的平方欧氏距离;xi和yi分别表示炼焦煤x和y的第i个煤质指标或焦炭质量指标经过标准化处理后的数值。

针对不同类别的两类炼焦煤中所有两两炼焦煤或焦炭质量指标之间距离使用d(x，y)的平均值(Dpq)作为评判标准，研究选用组间连接法，具体见式(3)。

(3)

式中，Gp、Gq分别为不同类别的两类炼焦煤，各自含np、nq个炼焦煤。

1.3 炼焦煤聚类数的确定

在获得炼焦煤的聚类分析结果后，此次研究按煤质和焦炭应用性指标对煤应用种类的指标最大值和最小值的差异来确定分类数，指标最大值和最小值的差异需要经过炼焦煤生产实践的检验和验证。

1.4 聚类分析辅助软件

对炼焦煤每步聚类分析均需复杂的数学计算，具体计算操作由SPSS软件辅助完成。在软件功能界面导入需分类的炼焦煤数据，再在系统聚类分析界面选择层次指标，具体聚类条件选择Z-Score数据标准化、平方欧氏距离和组间连接(相似化度量)，输出聚类分析结果谱系得到聚类分析结果。

2 实验用煤

实验研究选用大型钢铁企业焦化厂29个炼焦煤，实验数据见表1。表1中炼焦煤采用40 kg实验焦炉进行炼焦实验；焦炭机械强度参照GB/T 2006—2008 使用1/3米库姆转鼓检测；焦炭热性质采用GB/T 4000—2008进行检测分析。后续对29个炼焦煤进行细化分类，从中选择合适的炼焦煤进行2 kg焦炉高反应性焦炭实验研究。

表1 炼焦煤煤质和40 kg焦炉焦炭质量指标Table 1 Coal property and coke quality in 40 kg coke oven

3 炼焦煤应用性细化分类结果

聚类分析计算过程由SPSS软件辅助完成。炼焦煤根据焦炭机械强度和热性质指标进行的聚类分析结果分别如图1和图2所示，炼焦煤依据焦炭质量的细化分类结果见表2。

图1 炼焦煤根据焦炭M40和M10聚类分析谱系Fig.1 Dendrogram of coal cluster analysis based on M40 and M10

表2 炼焦煤焦炭质量细化分类结果Table 2 Refined classification result of coal based on coke quality

图2 炼焦煤根据焦炭CRI和CSR聚类分析谱系Fig.2 Dendrogram of coal cluster analysis based on CRI and CSR

从图1和表1可知，第I组炼焦煤有12个，其焦炭的M40、M10分别在77.7%～88.0%、6.7%～9.7%，焦炭机械强度最优，煤种包含焦煤和肥煤；第II组炼焦煤有8个，其焦炭M40、M10分别在71.2%～78.7%、10.7%～12.7%,焦炭机械强度次之,煤种包含气肥煤、气煤、1/3焦煤和肥煤;第III组炼焦煤有5个，其焦炭M40、M10分别在68.0%～70.3%、12.0%～16.7%，煤种包含气肥煤、气煤、1/3焦煤和焦煤；第IV和第V组各自有1个炼焦煤，焦炭M40和M10分别为77.0%、19.9%和57.3%、11.0%，煤种分别为焦煤和1/3焦煤。

从图2聚类分析结果谱系并结合表1可看出；

(1) 第I组炼焦煤有1个，其焦炭CRI和CSR分别为71.7%和28.0%，即第I组焦炭反应性最高，但反应后强度较低，为气肥煤；

(2) 第II组炼焦煤有5个，其焦炭CRI、CSR分别在42.8%～50.2%、27.6%～40.5%，焦炭热性质次之，煤种包含气煤和1/3焦煤；

(3) 第III组炼焦煤有1个，其焦炭CRI和CSR分别为36.2%和28.1%，为1/3焦煤；

(4) 第IV组炼焦煤有7个，其焦炭CRI、CSR分别在33.4%～39.2%、39.4%～51.2%，煤种包含气肥煤、气煤、肥煤和焦煤；

(5) 第V组炼焦煤有8个，其焦炭CRI、CSR分别在24.4%～28.9%、50.0%～63.2%，煤种包含肥煤和焦煤；

(6)第VI组炼焦煤有5个，其焦炭CRI、CSR分别在14.3%～20.3%、63.5%～75.0%，煤种包含肥煤和焦煤。

总体而言，依据炼焦煤焦炭反应性(CRI)和反应后强度(CSR)分组，第I组～第IV组焦炭的CRI较高、CSR低，可以作为提高焦炭反应性的主要炼焦煤；第V组和第VI组焦炭CRI较低、CSR较好，可以用来改善焦炭反应后强度的辅助炼焦煤。在配煤时应注意保证焦炭的机械强度，此时可选择依据焦炭M40和M10分组中的第I组和第II组炼焦煤。同时，即使根据焦炭热性质被分在相同的组，在焦炭反应性接近的情况下，其反应后强度也有一定差异，此时选择焦炭CSR相对高的炼焦煤对保证焦炭质量有利。因此，研究中将CSR/CRI比值作为炼焦煤选择的重要参数。

在焦炭反应性接近的情况下，建议选择焦炭CSR/CRI比值高的炼焦煤，确保在能提高焦炭反应性的同时又可保证焦炭的反应后强度。结合焦炭机械强度分组结果、热性质指标分组结果以及综合考虑CSR/CRI比值，可得到6种炼焦煤选择和配用的等级。

(1) 气肥煤:无主选，次选XJ，辅助XW；

(2) 气煤:主选DT，次选JC；

(3) 1/3焦煤:主选LS、DS，次选SY，辅助JX、NS；

(4) 肥煤:主选JZ、XN、HZ，辅助LD、LQ、GZ、ML；

(5) 焦煤:主选WG、XF，次选JY、TQ、DD、LJ、XQ，辅助DY、LH、GY、TL；

(6) 瘦煤:无主选，次选DZ、HL。

4 2 kg焦炉配煤实验研究

在炼焦煤应用性细化分类基础上，使用2 kg实验焦炉进行高反应性焦炭制备的初步配煤实验研究，2 kg焦炉实验方案见表3。

表3 2 kg实验焦炉配煤方案Table 3 Coal blending scheme of 2 kg coke oven %

方案1针对顶装焦炉设置生产配比，其中编号为DS 的1/3焦煤配入13%、编号为JZ的肥煤配入7%、编号为ML的肥煤配入11%、编号分别为LH、TQ、GY和TL的焦煤合计配入50%、编号为HL的瘦煤配入14%。

方案2～方案9为在尽量保证焦炭反应后强度的条件下有效提高焦炭的反应性而制定的配煤方案。方案2～方案4在方案1的基础上增加了1/3焦煤比例或配入气肥煤及气煤，从而降低瘦煤占比或不配入瘦煤，主选炼焦煤占比分别为60%、14%和30%。

方案5～方案9在前述方案的基础上，配煤以主选炼焦煤为主，次选和其他炼焦煤为辅，主选炼焦煤占比在85%～90%。

部分配合煤指标和焦炭质量指标分别见表4、表5。1号生产方案的焦炭反应性和反应后强度分别为29.2%和50.5%，在使用炼焦煤与方案1基本一致的情况下，方案2～方案4的焦炭反应性提高，反应后强度有不同程度降低；方案5～方案9在前述方案的基础上，配煤以主选炼焦煤为主、次选和其他炼焦煤为辅，主选炼焦煤占比在85%～90%，方案5和方案8的焦炭反应性分别提高4.6个百分点和3.9个百分点，焦炭反应后强度也满足要求；由此可见，通过对炼焦煤焦炭机械强度和热性质进行分组并结合CSR/CRI进行炼焦煤的选择来获得高反应性焦炭的配煤方案具有可行性。

表4 配合煤的煤质指标Table 4 The coal property of blending coal

表5 2 kg实验焦炉焦炭热性质Table 5 CRI and CSR of coke in 2 kg coke oven %

5 结 论

将聚类分析应用于高反应性焦炭的原料煤优选过程，首先使用聚类分析方法对炼焦煤的机械强度和热性质分别进行聚类分析，再结合CSR/CRI比值对各类型炼焦煤制备高反应性焦炭的适宜程度进行分类，从而得到适合进行高反应性焦炭制备的炼焦煤；然后根据选煤结果进行高反应性焦炭的配煤炼焦实验研究，最终获得满足焦炭反应后强度要求的高反应性焦炭和配煤方案,得到的主要结论汇总如下：

(1) 使用聚类分析方法依据炼焦煤焦炭CRI和CSR指标对29个炼焦煤进行分组，第I组～第IV组炼焦煤所得焦炭的CRI较高、CSR较低，可将其作为提高焦炭反应性的主要炼焦煤；第V组和第VI组炼焦煤所得焦炭的CRI较低、CSR较高，可将其用以改善焦炭反应后强度的辅助炼焦煤。

(2) 将炼焦煤所炼焦炭的CSR和CRI比值作为炼焦煤选择的重要参数，在焦炭反应性接近的情况下选择焦炭CSR和CRI比值高的炼焦煤，确保在能够提高焦炭反应性的同时又可保证焦炭的反应后强度。

(3) 依据炼焦煤所炼焦炭的CRI和CSR分组，在配煤时尤其应注意保证焦炭的机械强度，此时可选择焦炭M40和M10分组中的第I组和第II组炼焦煤。

(4) 结合焦炭机械强度、热性质指标分组结果以及综合考虑CSR/CRI比值，得到炼焦煤选择和配用的等级。29个炼焦煤中比较适合进行高反应性焦炭制备的炼焦煤主要包括编号为DT的气煤、编号为LS和DS的1/3焦煤、编号为JZ和XN及HZ的肥煤、编号为WG和XF的焦煤等。

(5) 依据炼焦煤分组、选择和配用等级进行高反应性焦炭对比实验方案制定，在满足焦炭反应后强度要求的前提下，使用主选炼焦煤的5号配煤方案、8号配煤方案所得的焦炭反应性较生产方案分别提高4.6个百分点、3.9个百分点。