刘 义 程 欢 张 倩 梁英华 黄世平

(1.河钢集团有限公司，050023 石家庄；2.华北理工大学化学工程学院，063210 河北唐山)

0 引 言

近年来，随着焦化行业迅速发展，传统意义上的所谓“优质”炼焦煤在炼焦行业中出现短缺和价格上涨等问题[1-3]。为降低焦炭生产成本，保证焦炭质量，开展低成本精细配煤结构的研究和应用具有现实意义。目前，我国炼焦行业主要以炼焦煤的工业分析指标[4-7]、煤岩指标[8-9]和黏结性与结焦性指标[10]为基准，通过试验焦炉开展配煤研究，以焦炭冷态强度指标和热性质指标(反应性指标CRI和反应后强度指标CSR)为目标量，指导炼焦配煤及结构优化[11-12]。胡德生等[13]以煤岩学为基础，改变配煤中的惰性组分，从而确定煤岩配煤参数，建立了焦炭强度预测模型。田英奇等[14]从镜质组反射率角度优化配煤方案，降低了焦炭的反应性指标CRI，提高了反应后强度指标CSR。王伟[15]利用挥发分质量分数w(Vdaf)、镜质体反射率Rmax、硫质量分数w(St，d)和基氏流动度lgα等煤质指标，建立了焦炭冷强度和热性质的非线性预测模型。朱子宗等[16]以挥发分质量分数w(Vdaf)和黏结指数G为自变量，以焦炭抗碎强度M25和耐磨强度M10为因变量，建立了焦炭冷态强度的预测模型。宝钢集团通过完善炼焦煤质量评价指标，结合现代数学分析模型，建立了焦炭冷强度、反应性指标CRI和反应后强度指标CSR的多维预测数学模型，并根据此模型优化了配煤方案，降低了配煤成本[17]。

长期以来，由于反应性指标CRI与反应后强度指标CSR之间具有显著的线性负相关性，考虑到焦炭在高炉中起到料柱骨架的重要作用，实际上主要依据焦炭的反应后强度指标CSR来判定焦炭质量[18-23]。为保证高炉稳定顺行，高炉要求较高的反应后强度指标CSR。但由于高炉容积、矿石质量与结构等差异，反应后强度指标CSR与高炉稳产顺行的关系并不明显[24-27]。同时，较高的反应后强度指标CSR导向，需要配入大比例强黏结性煤，导致焦炭生产成本偏高[28-31]。另有研究表明，一些低反应后强度指标CSR的焦炭同样可以用来大高炉炼铁[32](如宝武集团八钢高炉冶炼[33])，焦炭的热强度很差，但同样适合高炉炼铁。也有研究对唯反应后强度指标CSR评价焦炭质量的观点提出了质疑[34-40]。以焦炭反应后强度指标CSR为主导的炼焦配煤技术，制约了我国低成本精细配煤炼焦体系的发展[41-45]。因此，迫切需要全面认识焦炭质量，提出新的低成本精细配煤炼焦体系。

本实验通过自主开发全新的焦炭综合热性质检测装置和全自动分析方法，得到焦炭的综合热性质指标信息，开展低成本精细配煤结构研究，并通过工业焦炉和高炉的生产实践，验证该技术的适应性。

1 实验部分

1.1 煤样及配煤方案设计

本实验炼焦配煤所采用的煤样包括兖矿气煤(YK)、中硫肥煤(ZL)、镇城底肥煤(ZCD)、屯兰焦煤(TL)、西曲焦煤(XQ)、介选焦煤(JX)、中焦焦煤(ZJ)和潞安瘦煤(LA)。

基于河钢集团焦化企业的生产配比，设计配煤优化方案(见表1)。各单种原料煤的煤质评价指标见表2。由表1可知，基准方案中，气煤、肥煤、焦煤、瘦煤的配比分别为12%，34%，44%，10%。方案1主要是增配廉价的气煤替代焦煤，幅度为3%；方案2增配廉价的瘦煤替代焦煤，幅度同样为3%；方案3同时增配气煤和瘦煤替代肥煤和焦煤，增配气煤和瘦煤的幅度分别为6%和5%，减配肥煤和焦煤的幅度分别为4%和7%，强黏煤减少11%；方案4继续增配气煤和瘦煤，增配幅度分别为13%和10%，对应肥煤减少14%和焦煤减少9%，总体替代幅度达23%。

表1 配煤结构优化方案(%*)Table 1 Optimized scheme of coal blending structure(%*)

表2 各单种原料煤的煤质评价指标Table 2 Property evaluation index of each single raw coal

由表2可知，虽然气煤和瘦煤的黏结性指标较差(YK的黏结指数G值为73.91、胶质层指数Y值为10.5 mm、无膨胀；LA的黏结指数G值为15.89、胶质层指数Y值为4.0 mm、无膨胀)，但在配煤中具有低灰、低硫的优势(YK灰分的w(Ad)为7.89%，硫分的w(St，d)为0.53%；LA灰分的w(Ad)为8.50%，硫分的w(St，d)为0.52%)。

1.2 煤质分析

煤质分析包括工业分析、硫的质量分数、煤岩指标、黏结性与结焦性指标。工业分析按照GB/T 212-2008测量；硫的质量分数按照GB/T 214-2007测量；煤岩指标按照GB/T 6948-2008测量；黏结指数G按照GB/T 5447-2014测量；胶质层指数按照GB/T 479-2000测量，奥亚膨胀度按照GB/T 5450-1997测量。

1.3 炼焦试验

根据表1配煤方案，采用新型环保40 kg焦炉进行炼焦试验。试验焦炉装煤量为40 kg(干基)，装炉煤细度为75%～85%(质量分数，下同)，水分控制在10%左右，堆密度维持在0.75 t/m3。入炉炉膛温度为800 ℃，升温速率为3 ℃/min，最高加热温度设定为1 050 ℃，结焦时间为20 h，熄焦方式采用干法熄焦。

1.4 焦炭性质测定

焦炭性质测定包括焦炭的机械强度、国标热性质以及自主开发的综合热性质测定。

1.4.1 机械强度测定

焦炭的机械强度测定按照GB/T 2006-2008，指标包括抗碎强度指标M25和耐磨强度指标M10。

1.4.2 热性质测定

采用GB/T 4000-2017的方法测定反应性指标CRI和反应后强度指标CSR。

1.4.3 综合热性质测定

焦炭综合热性质测定装置如图1所示。装置包括供气单元、加热与控制、反应器、红外监测等部分。

测量步骤与方法如下：

选取有代表性的焦炭试样，按GB/T 4000-2017要求制备试样，即粒度为23 mm～25 mm的焦炭试样200 g，共6份焦炭试样；

实验开始时，焦样在流量5 L/min的N2气氛保护下，以5 ℃/min的升温速率由室温分别升至反应的指定温度(6种试样样品反应温度分别为1 050 ℃，1 100 ℃，1 150 ℃，1 200 ℃，1 250 ℃和1 300 ℃)，当温度到达指定温度后，恒温10 min；

当温度稳定后，将N2切换为流量5 L/min的CO2气体，使焦炭试样与CO2气体发生反应，通过红外分析仪监测焦炭溶损反应尾气中CO2体积分数的变化，计算得到焦炭的动态溶损率，直至溶损到25%；

反应结束后，将焦炭试样在流量为5 L/min的N2气氛保护下冷却至室温，采用GB/T 4000-2017所述方法，得到焦炭等溶损反应25%后强度(CSR25)。

1.5 焦炭微观结构表征

焦炭微观结构表征包括焦炭光学组织和气孔结构。

1.5.1 光学组织表征

焦炭光学组织测定参照YB/T 077-1995，包括各向同性、细粒镶嵌、中粒镶嵌、粗粒镶嵌、不完全纤维状、完全纤维状、片状、丝质及破片、基础各向异性和热解碳。根据各光学组织各向异性程度的不同对其进行赋值，并加和得到光学组织各向异性程度指数OTI[37-45]。

1.5.2 气孔结构表征

采用MAC SmartScope 2000 series全自动智能型焦炭气孔测定仪(鞍山科翔仪器仪表有限公司)测定焦炭气孔结构。选取具有代表性的焦炭试样进行切割处理，获得边长为2 cm～3 cm的立方体块状待测试样。选取焦块的一个侧面进行打磨，获得满足测定要求的光滑合格表面。测定的焦炭气孔结构参数包括平均孔径D(μm)、平均壁厚L(μm)和孔隙率P(%)。

2 结果与讨论

2.1 炼焦煤性质

基准方案和4种优化方案入炉炼焦煤的工业分析和煤岩指标分析结果见表3。由表3可知，为模拟工业炼焦煤的含水量，5种炼焦煤Mad的质量分数均在10%左右。配合煤灰分的质量分数变化取决于单种煤灰分的质量分数，由于气煤和瘦煤灰分的质量分数较低(见表2)，因而替换肥煤和焦煤后各方案配煤灰分的质量分数呈现降低趋势，由基准方案的9.89%逐渐降低到方案4的7.73%。同样，随着气煤和瘦煤的增配，各方案的配煤硫分的质量分数也呈现降低的趋势，由基准方案的1.07%逐渐降低到方案4的0.91%。基准方案和4个优化方案配煤的镜质组平均最大反射率Rmax介于1.21%～1.34%之间，同样是由气煤、瘦煤反射率不同所致，随瘦煤量增加，反射率增大，而气煤量增加，反射率减少，与挥发分的变化规律恰好相反[46-47]。

表3 炼焦煤基本性质Table 3 Basic properties of coking coals

表4所示为不同优化方案配煤的黏结性指标测定结果。由表4可知，与基准方案配煤比较，使用气煤、瘦煤替换焦煤和肥煤后，黏结指数、最大胶质层厚度、奥亚膨胀度等指标均有所下降[48-49]。如G值由86.7降低到79.4；Y值降幅较大，由基准配煤的22.5 mm减少到13.5 mm；b值由67%降低到32%。

表4 炼焦煤的黏结性测定结果Table 4 Test results of coking indexes of coking coals

2.2 焦炭冷热强度

图2所示为不同配煤制备焦炭的机械强度。由图2可知，基准方案焦炭的抗碎强度M25值为89.8%，适当增加气煤或瘦煤时，方案1和方案2焦炭的M25值略有升高，分别为91.0%和90.2%。进一步提高气煤和瘦煤比例，M25指标明显降低，显然抗碎强度M26与配煤的黏结性不足有关。耐磨强度M10显示，方案1、方案2和方案3所得的焦炭M10值与基准方案值接近，而方案4焦炭的M10值则明显升高(7.2%)。综合抗碎强度M25和耐磨强度M10的变化可知，焦炭的冷态强度变化趋势与表4中黏结性指标的变化规律存在一定对应关系，表明原方案焦煤和肥煤的替代量超过10%后，焦炭冷态强度劣化严重。

图2 不同配煤制备焦炭的机械强度Fig.2 Mechanical strength of coke perpared in different coal blendings

图3所示为国标条件下测定的焦炭反应性指标CRI和反应后强度指标CSR。由图3可知，就焦炭反应性指标CRI而言，单独增加3%的气煤(方案1)，焦炭的CRI值变化不大，维持在22%～23%之间。单独增加3%的瘦煤(方案2)，焦炭的CRI值略有上升，增加到23.85%。同时增配气煤和瘦煤时，焦炭的CRI值增加明显，方案3和方案4的CRI值分别达到24.86%和28.15%。由焦炭反应后强度CSR来看，方案1与基准方案相比，焦炭CSR值变化不大，维持在65%～66%之间，而方案2和方案3的焦炭反应后强度CSR略有下降，分别为63.36%和62.41%，方案4的焦炭反应后强度CSR则显著降低，仅为57.84%。总体上，除方案1以外，随着气煤和瘦煤的增配，焦炭反应性CRI升高，反应后强度CSR降低。

图3 不同配煤制备焦炭的国标热性质指标Fig.3 National standard thermal property index of cokeperpared in different coal blendings

综合传统焦炭冷态和热态性质指标数据，方案1较为理想。

2.3 焦炭综合强度

表5所示为不同配煤制备焦炭的综合热性质。图4所示为不同温度下等溶损反应后强度CSR25随反应温度的变化。由表5可知，在1 050 ℃和1 100 ℃温度下，焦炭等溶损反应后强度CSR25随着增配气煤和瘦煤而呈现的变化规律与国标条件下测定的CSR指标变化规律类似，均为方案1焦炭的CSR25值与基准方案焦炭的CSR25值变化不大。方案2和方案3焦炭的CSR25值有所降低，方案4焦炭的CSR25值呈现显著下降。较高的反应温度下，除方案4外，CSR25指标随替换气煤和瘦煤的增加稍有增加，如1 200 ℃，1 250 ℃和1 300 ℃温度条件下均为方案1、方案2和方案3焦炭的CSR25指标与基准方案焦炭的CSR25值相比有所升高。

表5 不同配煤制备焦炭的综合热性质Table 5 Comprehensive thermal property of coke perpared in different coal blendings

由图4可知，同一配比下随反应温度的增加，CSR25值出现最小值，在反应温度1 150 ℃左右。不同配比结构的CSR25值变化规律并不一致，故适宜的CSR25评价方法仍需探讨。增配气煤和瘦煤，焦炭的高温区热强度有所升高，这可能与配煤结构改变导致焦炭随反应温度变化的溶损劣化机制发生转变有关，也可能与高温下焦炭的再石墨化有关。总体来讲，如果采用综合热性质指标衡量焦炭的热强度，方案1、方案2和方案3的CSR25值均与基准方案焦炭的CSR25值接近。

2.4 焦炭光学组织

基准方案和4种优化方案焦炭的光学组织检测结果见表6。由表6可知，与基准方案的焦炭比较，增配气煤时焦炭的各向同性组织的体积分数稍有增加，由基准方案的2.8%增至方案1的3.1%。增配少量瘦煤时，各向同性组织的体积分数变化不大，方案2焦炭的各向同性组织为2.7%。随气煤或瘦煤比例的增加，各向同性组织的体积分数增加，方案3焦炭的各向同性组织的体积分数为3.9%，方案4焦炭的各向同性组织的体积分数则高达7.5%。

表6 焦炭光学组织的检测结果Table 6 Test results of optical texture of coke

对于各向异性组织的体积分数，随着用气煤、瘦煤替代焦煤和肥煤比例的增加，纤维状和片状结构的体积分数减少，配比越高降低的幅度越大。对应镶嵌状组织的体积分数增加，如基准方案焦炭镶嵌状组织的体积分数为58.4%，增配气煤、瘦煤或者两者同时增配，方案1、方案2和方案3焦炭的镶嵌状组织的体积分数均明显提高，分别为64.2%，66.0%和64.4%。持续同时增配气煤和瘦煤，方案4焦炭的镶嵌状组织的体积分数又比前三个方案有所降低，为59.2%。这与气煤形成的焦炭以镶嵌状为主、瘦煤的基础各向异性程度较高有关。

就光学各向异性程度OTI指数而言，基准方案焦炭的OTI指数为122.6。增配气煤，方案1焦炭的OTI指数降低至117.9。方案2焦炭由于中粒和粗粒镶嵌组织含量增加，OTI指数略有升高至123.7。同时增配气煤和瘦煤，方案3焦炭的OTI指数降低到110.4，方案4焦炭的OTI指数最低(86.0)。其变化规律与光学组织含量变化有关。

2.5 焦炭气孔结构

不同优化方案焦炭的气孔结构检测结果见表7。由表7可知，基准方案焦炭的平均孔径D、平均壁厚L和孔隙率P分别为84.88 μm，79.67 μm和51.95%。增配气煤，方案1焦炭的平均孔径和平均壁厚均降低，分别为76.52 μm和57.72 μm，而气孔率反而上升至53.77%。增配瘦煤，方案2焦炭的平均孔径变化不大，为81.97 μm，但平均壁厚下降，为60.02 μm，气孔率略有升高，为52.65%。同时增配气煤和瘦煤，方案3焦炭的孔隙率变化不大(为51.92%)，平均孔径和平均壁厚有所降低(分别为72.75 μm和68.39 μm)，表明气煤增加时焦炭的微孔增加，瘦煤有助于充填气孔，减缓因孔隙发展和壁厚变薄引起的焦炭劣化。但当气煤和瘦煤配入量过多时，配合煤的黏结能力不足，方案4焦炭的微孔会过度发展(平均孔径为64.99 μm)、气孔壁变薄(平均壁厚为50.66 μm)、气孔率明显上升(气孔率为57.65%)。

表7 焦炭气孔结构的检测结果Table 7 Test results of coke pore structure

2.4 工业性验证

依据基准方案和优化方案所得焦炭质量，在河钢集团工业焦炉进行了7 m顶装焦炉配煤炼焦验证。工业试验开展由方案1、方案2和方案3逐步实施，采用每个方案配比生产出的焦炭用于3 500 m3容积的大高炉炼铁生产，根据高炉的实际运行情况，判定各个方案是否可行，每个方案有效性的验证时间不低于1个月。根据高炉冶炼实践结果发现，采用方案1、方案2和方案3，高炉操作的经济技术指标(包括焦比、煤比和有效容积利用系数等)基本保持稳定不变，证明方案1、方案2和方案3在技术上均是可行的。

3种低成本精细配煤结构优化方案的经济核算见表8。由表8可知，基准方案的配煤成本为1 157元/t。优化方案1的配煤成本为1 144元/t，成本降低13元/t。优化方案2的配煤成本为1 147元/t，成本降低10元/t，优化方案3的配煤成本为1 122元/t，成本降低35元/t。

表8 三种低成本精细配煤结构优化方案的经济核算Table 8 Economic calculation of three low cost fine coal blending structure optimization schemes

综合考虑3种优化方案的技术可行性和经济性，最终选择优化方案3作为实际生产配比，长期的实际生产实践显示，炼焦成本大幅度降低，而且这种焦炭用于3 500 m3容积的大高炉炼铁生产，高炉冶炼比以前更加地稳定顺行。

3 结 论

1) 以焦炭传统国标热性质指标CSR为目标量进行配煤结构优化，只有增配少量(3%)气煤的方案1较为理想，而采用新提出的焦炭综合热性质指标CSR25可知，增配气煤和瘦煤等弱黏结煤逐步放大至方案3的11%，焦炭的高温区热强度均有一定升高，但在1 100 ℃测得的传统CSR指标却无法反映出这一信息。因此，传统国标热性质指标可能在一定程度上限制了配煤结构优化的幅度。

2) 由焦炭的微观结构表征指标可知，随着气煤的增配，焦炭光学组织的各向异性程度降低，镶嵌状组织的体积分数增加，且气孔结构中小气孔数量增多。而瘦煤的增配，可能在一定程度上对气孔起到充填作用，减缓了因孔隙发展和壁厚变薄引起的焦炭劣化。以上因素，均有可能是引起焦炭综合热性质指标中高温区热强度有所升高的重要原因。

3) 调整后的配煤结构优化方案，生产成本大幅降低35元/t，工业实践证实所得焦炭可用于3 500 m3容积大高炉炼铁。