千树塔矿区长焰煤配煤炼焦对焦炭质量的影响研究

史 晓 亮

(山西金岩能源科技有限公司 质检中心，山西 吕梁 032300)

0 引 言

我国炼焦煤资源日益匮乏[1]，尤其2021年煤价整体居高不下，因而将某些非炼焦用煤配入炼焦已是常态。在保障焦炭质量的前提下，既要降低配煤成本且还需增加化产品回收率，合理采用非炼焦煤进行配煤炼焦已成为必然趋势[2-3]。

长焰煤是变质程度最低的1种烟煤，其煤化程度仅高于褐煤，黏结性弱，一般不结焦，主要作为动力和化工用煤。大部分焦化厂利用其低硫、低灰、高挥发分且价格相对低廉的特性，将其配入炼焦具有经济效益。配用一定比例的长焰煤可基本保证焦炭的热态强度要求，同时可缓解炼焦煤资源不足的问题，有效降低炼焦配煤成本[4-5]。

榆林千树塔矿区面积约8.655 8 km2，可采长焰煤储量为73.07 Mt，服务年限为45.1 a，主要可采煤层为3号煤层，煤层厚度较大，煤层厚度为9.75 m～11.21 m，平均厚度10.61 m，赋存稳定，水文地质条件及构造简单[6]。研究千树塔矿区长焰煤的特性以及根据配入比例的不同以确定千树塔长焰煤配煤炼焦对焦炭质量的影响，此举具有重要的现实意义。

1 样品采集与试验

1.1 长焰煤及主焦煤的采样与分析

按照GB/T 475—2008《商品煤样人工采取方法》，在同兴昌选煤厂采集陕西榆林千树塔矿区长焰煤,在盛渊选煤厂采集山西吕梁黄家沟矿区主焦煤的精煤样品作为试验样品。按照GB/T 40485—2021《煤的镜质体随机反射率自动测定图像分析法》、GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》、GB/T 214—2007《煤中全硫的测定方法》、GB/T 1574—2007《煤灰成分分析方法》、GB/T 5447—2014《烟煤黏结指数测定方法》、GB/T 479—2016《烟煤胶质层指数测定方法》、GB/T 5450—2014《烟煤奥阿膨胀计试验》、GB/T 25213—2010《煤的塑性测定恒力矩吉氏塑性仪法》对长焰煤和主焦煤样品进行煤岩分析、工业分析、全硫、煤灰成分、黏结指数、胶质层指数、奥亚膨胀度、吉氏流动度等测试。

1.2 单种煤及配煤炼焦方案

采用黄家沟焦煤和千树塔长焰煤进行配煤，其小焦炉炼焦试验3种配煤方案如下:①方案1:黄家沟焦煤与千树塔长焰煤配比为9∶1；②方案2:黄家沟焦煤与千树塔长焰煤配比为8∶2;③方案3:黄家沟焦煤与千树塔长焰煤煤配比为7∶3。 对千树塔长焰煤与黄家沟主焦煤按GB/T 474—2008《煤样的制备方法》分别进行制样。首先将采集的样品铺在铁板上，使其自然烘干，然后全部通过3 mm圆孔筛，筛上物用锤式破碎机进行破碎。破碎程度控制指标为长焰煤细度92%、主焦煤细度88%。破碎后的精煤经堆锥四分法缩分，分别装入塑料袋，封口存放等待试验。

配煤炼焦样品的制备:按照上述3种方案，分别采取相应质量的长焰煤和主焦煤，2种煤均匀混合后进行工业分析；添加10 kg自来水，混合均匀后检测煤样水分，使其达到9.0%左右;以顶装方式装入预升温度为800 ℃的100 kg试验焦炉，炼焦时间24 h。

1.3 小焦炉试验

采用ZKJL-100-4C型100 kg电加热试验焦炉进行炼焦试验。该试验焦炉采用碳化硅砖，碳化室的长、宽、高分别为580 mm、450 mm、800 mm，碳化室有效尺寸为550 mm×450 mm×800 mm。碳化室两侧分设1个加热火道，每个加热火道可独立控温，预升温度达到800 ℃时将试验样品装入碳化室，开始启动炼焦程序，炼焦时间、炼焦终温分别为24 h、1 050 ℃，焦饼中心温度达到950 ℃，产生的荒煤气由碳化室顶部上升管排出。成熟后的焦炭由推焦机推至熄焦车内，经熄焦(水熄)后，按照GB/T 2001—2013《焦炭工业分析测定方法》、GB/T 4000—2017《焦炭反应性及反应后强度试验方法》进行焦炭工业分析、机械强度、反应性和反应后强度测试。

2 试验结果

2.1 原料煤煤质特征

千树塔长焰煤和黄家沟焦煤的煤质检验结果见表1、表2。

由表1和表2可见，千树塔长焰煤属于低硫、低灰、低黏结、高挥发分的低变质烟煤，其胶质体数量少，黏结指数为16，胶质层最大厚度为0，结焦性极差。千树塔煤灰成分中碱性物质含量偏高、酸性物质含量偏低。黄家沟矿区焦煤属于中硫、中灰、中等挥发分、中高黏结的中等变质烟煤，其胶质体数量较多，质量较好，灰成分中碱性物质含量偏低、酸性物质含量偏高，具有良好的结焦性[7-8]。

表1 千树塔长焰煤与黄家沟焦煤的煤质特征Table 1 The coal quality characteristics of qianshuta long flame coal and Huangjiagou coking coal

表2 千树塔长焰煤与黄家沟焦煤的灰成分测试结果Table 2 Test results of ash composition of Qianshuta long flame coal and Huangjiagou coking coal

千树塔长焰煤和黄家沟焦煤均为单一煤类[9-10]，其煤岩分析如图1、图2所示。

图1 千树塔长焰煤的镜质体反射率分布Fig.1 Vitrinite reflectance distribution of Qianshuta long flame coal

图2 黄家沟焦煤的镜质体反射率分布Fig.2 The vitrinite reflectance distribution of Huangjiagou coking coal

2.2 配煤煤质分析

千树塔长焰煤和黄家沟焦煤的配合煤煤质分析结果见表3和表4。

表3 不同方案配煤工业分析及黏结性指标测试结果Table 3 The industrial analysis of different coal blending schemes and test results of cohesion index

表4 不同方案配煤煤灰成分测试结果Table 4 Test results of coal ash composition in different blending schemes

从表3和表4可看出，随着长焰煤比例的增加，配合煤的硫分、灰分、黏结指数、Y值、基氏流动度、奥阿膨胀度逐渐降低，挥发分、X值逐渐增高。其煤灰成分中碱性物质含量逐渐增加、酸性物质含量逐渐减少。

2.3 试验焦炭质量分析

将黄家沟焦煤、方案1、方案2、方案3分别在相同的试验条件下进行试验焦炉炼焦实验，各试验所炼焦炭全部用自来水均匀熄灭，焦炭质量分析结果见表5。

表5 黄家沟焦煤试验的焦炭分析结果Table 5 The analysis results of Huangjiagou coking coal test

3 讨 论

3.1 长焰煤配煤炼焦对成焦率的影响

成焦率是煤经干馏转为焦炭的百分率，主要取决于煤质[11]。以下方案的装煤干基总量均为100 kg，通过对焦炭进行称量并换算为干基以计算不同试验条件下千树塔长焰煤配煤炼焦的成焦率。黄家沟焦煤、方案1、方案2、方案3的焦炭干基总量(kg)分别为80.02、77.19、73.32、71.16，其相应方案的成焦率分别为80.02%、77.19%、73.32%、71.16%。千树塔长焰煤不同添加量对成焦率的关系如图3所示。由图3可知，随着千树塔长焰煤比例的增加，成焦率呈下降趋势。

图3 千树塔长焰煤添加量对成焦率的影响Fig.3 The influence of the coking rate to the amount of Qianshuta long flame coal added

3.2 长焰煤配煤炼焦对焦炭质量的影响

千树塔长焰煤变质程度低，含氧量高，热分解产物的分子量小，液态产物很少，黏结性极弱，结焦性差。黄家沟焦煤结胶质体流动度高、黏结性和结焦性好，煤灰成分中碱金属含量适中[12-15]，单煤炼制焦炭强度高[16]。 通过试验表明，随着千树塔长焰煤在主焦煤中配入量的增加，焦炭的硫分(St,d)、灰分(Ad)、反应后强度(CSR)、抗碎强度(M25)均有不同程度的下降，耐磨强度(M10)变差，其影响关系如图4所示。

图4 千树塔长焰煤添加量对焦炭质量的影响Fig.4 Effect of amount of Qianshuta long flame coal to coke quality

4 结 语

采用榆林千树塔矿区长焰煤和吕梁黄家沟主焦煤，将长焰煤以10%、20%、30%分别配入主焦煤中进行100 kg小焦炉试验，对单煤及配合煤进行工业分析、黏结性指标分析、灰成分分析，对所炼焦炭进行工业分析、反应性及反应后强度和机械强度分析。通过对千树塔矿区长焰煤配煤炼焦对焦炭质量影响的试验结果分析，得出以下结论:

(1)千树塔长焰煤的灰分、硫分低，可降低与黄家沟焦煤炼焦配煤所得焦炭的灰分和硫分。

(2)千树塔长焰煤挥发分高、结焦性差、煤灰成分中碱金属含量偏高， 一般情况下在炼焦配煤中长焰煤的配入量宜在10%～20%，可基本保证焦炭的成焦率和反应后强度要求并有效降低配煤成本，具体配入量根据各煤种的结焦特性进行控制。

(3)利用千树塔长焰煤配煤炼焦具有明显的优势,既可缓解炼焦煤资源不足的压力,还能促进矿区煤炭资源的有效利用。