配煤成本低与焦炭质量优如何兼得？———焦炭灰分控制技术应用研究

张启锋曹银平刘全程乐意
焦炭质量有冷热强度、灰分、硫分和粒度共8项指标，当其8项指标控制水平越高，则该焦炭越具有优质焦炭的水平，满足高炉用焦需求的程度就越高。

但是，近年来国内炼焦煤煤质劣化以及低灰低硫优质强黏煤资源紧缺，给焦炭质量的控制带来了严重影响。

迫于资源现状和生产成本的压力，国内外绝大多数钢铁企业对焦炭质量的控制，在焦炭冷热强度与灰分、硫分之间呈现“翘翘板”现象，即为保冷热强度，焦炭灰分均控制较高。

不过，多年来，宝钢在配煤技术的研究领域及焦炭质量的控制方式上，遵循“低配煤成本同时兼顾焦炭综合质量不劣化”的原则，即在控制配煤成本的前提下，追求焦炭冷热强度不劣化的同时，对焦炭灰分也进行严格控制。

焦炭灰分预测及影响因素分析
在炼焦过程中，煤里的灰分全部残留在焦炭里，所以焦炭灰分的直接影响因素即是炼焦配合煤的灰分。

当配合煤灰分一定时，单位吨煤生产出来的焦炭量也影响焦炭灰分的高低，而单位吨煤生产出的焦炭量高低的影响因素是配合煤挥发分。

因此，在炼焦过程中，剔除炼焦工艺操作过程对焦炭灰分的影响，单纯从配煤角度分析，决定焦炭灰分高低有配合煤灰分和配合煤挥发分两个因素。

经预测，配合煤灰分上升，焦炭灰分同步上升；配合煤挥发分下降，焦炭灰分同步下降。

在配合煤挥发分一定的前提下，配合煤灰分每增加1%，焦炭灰分约增加1.3%；而在配合煤灰分一定的前提下，配合煤挥发分（干基）每降低1%，焦炭灰分将降低0.1%~0.2%。

配合煤
灰分对焦炭灰分的影响程度是配合煤挥发分对焦炭灰分影响程度的11.5倍~12.5倍。

也就是说，对于焦炭灰分的影响，90%是由配合煤灰分造成的，10%是由配合煤挥发分造成的。

从2007年开始，国内炼焦煤性质普遍劣化，表现在黏结性变差、灰分上升、肥煤挥发分上升等方面，各个钢铁企业一般都在配煤生产中采用增加焦煤和肥煤的配入比例来保证焦炭冷热强度不下降，这样势必造成焦炭的灰分增加。

从2007年开始，由于资源紧张，宝钢进厂炼焦煤除主焦煤之外，所有煤炭的灰分都普遍上升，其中肥煤上升了0.3%左右；1/3焦煤上升了0.2%左右；气煤上升了0.2%左右，瘦煤上升了0.4%左右。

同时，肥煤挥发分的普遍上升，加剧了配煤生产中肥煤灰分对焦炭灰分的影响程度。

因此，在保证焦炭冷热强度不劣化的前提下，控制焦炭灰分可以采用以下途径：寻找低灰资源；开发低灰1/3焦煤资源；肥煤对焦炭灰分的影响程度要大于其他煤种，采用低肥煤技术进行配煤。

石油焦在配煤生产中的应用
石油延迟焦是石油加工副产品，其灰分很低（<1.0%）。

延迟焦的灰分特别低是其一大特点，其灰分大多在0.5%以下，所以它用作炼焦配煤的降灰潜力最大。

宝钢从2009年初开始对石油焦在炼焦配煤生产中替代瘦煤使用的可行性进行研究，并在瘦煤资源紧张和灰分上升的情况下投入大生产试验。

小焦炉试验和大生产试验数据表明，在配煤结构相近的情况下，配入石油焦可以获得低灰冶金焦，通常规律是每增加1%石油焦，焦炭
灰分下降0.1个百分点。

因此，石油延迟焦是优良的降灰剂。

小焦炉试验中采用石油焦完全替代瘦煤，焦炭冷热强度均无明显变化，其中DI15015反而提高了0.9%。

大生产试验采用石油焦部分替代瘦煤，替代3%，瘦煤与石油焦总比例降低2%时，焦炭热强度无变化，DI15015提高了2%；替代5%，瘦煤与石油焦总比例降低1%时，焦炭热强度降低0.7%，DI15015提高了约3%。

瘦煤作为炼焦配煤的瘦化剂，可以降低配合煤的挥发分，在配煤结构合理的情况下可以提高焦炭的粒度与冷强度，而石油焦也具有低挥发分，同样可以起到降低配合煤的挥发分和瘦化剂的作用。

因此，石油焦的配用对焦炭灰分有明显的改善作用；并且在配合煤黏结性能足够的前提下，配入3%~6%的石油焦，焦炭热强度不会降低，相反还有利于改善焦炭的DI15015强度。

神府长焰煤在配煤生产中的应用
长焰煤为低硫、低灰、低变质程度的非炼焦煤，如果将其添加配合煤中炼焦可以起到降低配合煤的硫分和灰分的作用，从而能降低所炼焦炭的灰分与硫分。

为了了解长焰煤应用于配煤炼焦时对焦炭质量的影响规律，研究者选取了不同的配煤方案，用长焰煤取代配合煤中的部分气煤，进行4kg坩埚配煤炼焦，长焰煤添加比例从1%到7%，观察所得焦炭气孔率、焦炭显微强度及焦炭粒焦反应性的变化规律。

结果显示，随着长焰煤比例的增加，焦炭的粒焦反应性和显微强度出现了明显的裂化，特别是配加7%长焰煤后，焦炭质量已经不能满足高炉对焦炭质量的要求。

这主要是由于低变质程度的长焰煤分子很
大且疏松，结构不紧密，结构单元的侧链、氧含量及含氧官能团较多，交联键也较多，加热时不能形成分子量适中的非挥发分液相物质，从而不能软化熔融。

在配煤炼焦过程中，必须依靠具有黏结性的炼焦煤热解过程中形成的熔融物质黏结成焦，是被黏结对象。

在配合煤中添加长焰煤，直接影响了配合煤的黏结性和结焦性。

随着配合煤中长焰煤配入比例的增大，配合煤的黏结性逐渐下降，这直接影响到所得焦炭的冷态强度和热性质，致使其劣化。

在坩埚试验的基础上进行70kg小焦炉试验，研究者通过小焦炉放大试验，进一步论证添加长焰煤炼焦对焦炭质量的影响。

实验采用D1、D2、D3三种基础配煤方案，并且分别用3%、5%、7%长焰煤替代等量的气煤进行配煤炼焦。

结果显示，随着长焰煤的配入比例的增加，焦炭反应后强度CSR、焦炭转鼓强度DI呈现下降趋势，其中焦炭冷强度下降幅度较小，但是热性质劣化幅度较大。

而且不同的基准方案，下降的幅度不一样。

因此，选择合适的基准方案，可以适当控制焦炭质量下降幅度，将长焰煤使用比例控制在3%~4%，同时优化常规配煤结构，生产出的焦炭可满足高炉的需求。

从焦炭质量指标来看，添加3%~4%的长焰煤进行配煤炼焦，焦炭质量能够达到一级冶金焦指标以上的要求。

添加5%的长焰煤，焦炭质量冷热强度均有所下降，虽然仍能满足质量要求，但从安全起见，采用合理的配煤方案，添加3%~4%长焰煤进行炼焦配煤，所得焦炭质量可满足大高炉冶金用焦要求。

无烟煤在配煤生产中的应用
我国无烟煤资源较为丰富，占全国煤田探明可采储量的12%。

按现行煤炭分类，无烟煤共分为3小类，即无烟煤1号（WY1）、无烟煤2号（WY2）和无烟煤3号（WY3），它们在化学结构、物理特性方面各有差异，根据无烟煤的性质不同，可有不同的利用途径。

无烟煤1号（WY1）属于煤化程度较低的年青无烟煤，选择性质接近瘦煤的年青无烟煤，适量配入可满足焦炭质量的要求。

无烟煤挥发分范围为3%~14%，在选择无烟煤炼焦过程中，其挥发分越高，配入时对焦炭质量的影响就越小。

研究发现，当挥发分大于8%时，适量代替瘦煤配入对焦炭质量影响不明显。

镜质组随机反射率指标的选择，不仅结合了煤岩配煤的原理，而且由于相对于挥发分指标来说，Rr不受煤样灰组分的干扰，能更精确判断煤的变质程度。

当无烟煤镜质组随机反射率低于3.0时，适量代替瘦煤配入对焦炭质量影响不明显。

因此，选择挥发分指标和煤岩指标作为无烟煤替代瘦煤使用的关键指标。

煤在热解过程中发生一系列多阶段反应，可以概括为前期的热分解反应和后期的热缩聚反应两类。

当加热煤时，伴随着挥发分、水、轻烃类的析出，化学键断裂，自由基生成；进一步加热，煤经历热解最高峰，此时热分解最大，产生的自由基最多，随后热缩聚开始增强，自由基之间结合增加，热解体固化，自由基数量下降，最终聚合形成焦炭。

无烟煤的炼焦过程，实质上是一个热解炭化过程，其过程涉及自由基的生成、消失等变化，了解无烟煤在热解炭化过程中的变化对其与煤料配合在热解炭化过程中作用机理的研究至关重要。

3种无烟煤的自由基浓度Ng在室温下差别很大，随着变质程度增高，自由基浓度Ng急剧下降。

随热解温度升高，3种无烟煤的电子顺磁共振（ESR）参数呈规律性变化。

3种无烟煤与黏结剂配料在热解过程中的ESR参数也呈明显的规律性变化，总体规律是：随热解温度增加，自由基浓度Ng增高，达到最大值后急剧下降；与无烟煤单独热解的变化规律相似，3种无烟煤和黏结剂配料的炭化所得焦炭质量是无烟煤1号配料最好，无烟煤2号配料次之，无烟煤3号配料最差。

小焦炉试验和大生产试验数据表明，在配煤结构相近情况下，配入无烟煤可以降低冶金焦灰分，通常规律是每增加1%石油焦，焦炭灰分下降0.05个百分点。

因此，低灰无烟煤也是优良的降灰剂。

小焦炉试验中采用无烟煤大比例替代瘦煤，焦炭冷热强度均有所下降。

大生产采用3%~4%无烟煤替代瘦煤，焦炭冷热强度无明显变化，可满足大高炉生产焦炭质量的要求。

宝钢直属厂部的生产实绩表明，近几年来强黏煤的使用比例变化不大，而低灰非炼焦煤（石油焦、长焰煤、低灰无烟煤）使用比例在逐步增加，焦炭的强度指标维持一个稳定较好的水平，焦炭的灰分在不断下降。

（此文刊登于《中国冶金报》2015年12月10日6版）
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