張明星, 杜 屏
(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院, 江蘇 張家港 215625)
煉焦煤包括氣煤、氣肥煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧瘦煤及過渡煤種1/3焦煤等。我國煉焦煤資源占世界煉焦煤總量的13%左右,其中大部分是氣煤和1/3焦煤,占比45%;肥煤和焦煤僅有35%左右,其中還包括氣肥煤,這說明焦肥煤屬于稀缺資源。同時(shí),由于我國高爐的大型化,對入爐焦炭質(zhì)量要求越來越高[1-2],使焦化廠不斷增加焦肥煤比例來提高焦炭質(zhì)量。由此可見,對煉焦煤種特別是對優(yōu)質(zhì)焦肥煤的合理評價(jià)和使用是今后需要重點(diǎn)關(guān)注的方向。
現(xiàn)階段國內(nèi)鋼廠煉焦煤來源主要包括長協(xié)采購、國內(nèi)市場采購及國外采購三部分。長協(xié)采購主要用以長期穩(wěn)定焦炭質(zhì)量,國內(nèi)市場采購和國外采購量隨市場價(jià)格而波動(dòng)。國外采購主要以澳大利亞昆士蘭州煤炭資源為主。如表1所示為國內(nèi)某鋼廠常見17種煉焦煤。
表1 常見煤種
基氏流動(dòng)度的測定采用美國普瑞6100型塑性儀。Ts為開始軟化溫度,即攪拌槳第一次達(dá)到1 ddpm時(shí)的溫度,Tf為最后流動(dòng)溫度,即攪拌槳最后一次達(dá)到1 ddpm時(shí)的溫度;塑性區(qū)間是這兩者之間的差值Tf-Ts。
單種煤焦炭采用40 kg側(cè)裝小焦?fàn)t煉焦,入爐煤干基質(zhì)量41 kg,堆密度0.75 t/m3,入爐煤水分10%,結(jié)焦時(shí)間18 h,出爐焦餅中心溫度960 ℃左右。
2.1.1 工業(yè)分析
肥煤工業(yè)分析如表2所示。
表2 肥煤工業(yè)分析
4個(gè)肥煤均屬中高灰煤,肥煤1屬于中硫煤,肥煤4屬于中高硫煤,其他為低硫煤。肥煤1變質(zhì)程度相對較高,屬中等揮發(fā)分煙煤,其他肥煤屬中高揮發(fā)分煙煤。
2.1.2 鏡質(zhì)組反射率及煤巖組成
肥煤鏡質(zhì)組反射率和煤巖組成如表3所示。
表3 肥煤鏡質(zhì)組反射率和煤巖組成
肥煤鏡質(zhì)組平均最大反射率區(qū)間為0.9~1.2,4個(gè)肥煤鏡質(zhì)組反射率滿足肥煤特征。方差S在0.1~0.2之間,屬簡單混煤[3-5],即原煤采洗加工過程中出現(xiàn)的少量混雜,非刻意混配。肥煤1和肥煤2鏡質(zhì)組含量相對較高,肥煤3和肥煤4惰質(zhì)組含量相對較高[6]。
2.1.3 熱塑性及黏結(jié)性
肥煤工藝性質(zhì)如表4所示。4個(gè)肥煤G值(黏結(jié)指數(shù))都很高,屬特強(qiáng)黏煤,膠質(zhì)層最大厚度Y偏低,沒有達(dá)到肥煤標(biāo)準(zhǔn)(大于25 mm)。肥煤2的基氏流動(dòng)度MF最大,肥煤4的基氏流動(dòng)度MF最低且塑性區(qū)間比其他肥煤低15 ℃左右。
表4 肥煤工藝性質(zhì)
2.1.4 結(jié)焦性
肥煤制焦炭顯微組分由各向同性,細(xì)粒鑲嵌,粗粒鑲嵌和絲炭及破片組成,如表5所示。其中各向同性,細(xì)粒鑲嵌和粗粒鑲嵌等組織由鏡質(zhì)組高溫干餾時(shí)經(jīng)軟化、熔融,形成膠質(zhì)體,膠質(zhì)體中產(chǎn)生中間相小球,小球吸收周圍液相不斷長大,小球表面張力無法維持其形態(tài)使其破裂分散等階段,最終固化殘留在焦炭中,形成各種顯微組分[7]。絲炭及破片由煤中的惰性組分經(jīng)少量變形產(chǎn)生[8]。
表5 肥煤單種煤焦炭質(zhì)量
肥煤1和肥煤2的鏡質(zhì)組含量相比肥煤3和肥煤4高出10%左右,對應(yīng)焦炭顯微組分中,前者粗粒鑲嵌明顯高于后者。肥煤3和肥煤4惰質(zhì)組含量高于肥煤1和肥煤2,使其對應(yīng)焦炭顯微組分中絲炭及破片含量高于肥煤1和肥煤2。焦炭機(jī)械強(qiáng)度和熱性質(zhì)很大程度上取決于其顯微組分[9],粗粒鑲嵌內(nèi)的石墨碳按層狀排列,各光學(xué)單元之間彼此咬合,組織致密,微孔小,含量高的焦炭相應(yīng)質(zhì)量較好。絲炭及破片在顯微鏡下可以觀察到大量孔洞,組織不夠致密,含量高使焦炭質(zhì)量下降。肥煤1和肥煤2對應(yīng)焦炭粗粒鑲嵌大于70%,焦炭機(jī)械強(qiáng)度和熱性質(zhì)好。肥煤3和肥煤4對應(yīng)焦炭絲炭及破片平均高出前者10%,焦炭質(zhì)量尤其是熱性質(zhì)下降明顯。
如圖1所示為肥煤2的粗粒鑲嵌組織,如圖2所示為肥煤3的絲炭及破片組織。絲炭及破片中含有大量孔洞,相比之下粗粒鑲嵌組織比較致密,有利于提高焦炭質(zhì)量。圖1中右側(cè)可見兩個(gè)氣孔的合并瞬間,肥煤2基氏流動(dòng)度大,膠質(zhì)體表面張力有助于促進(jìn)氣孔形成球形并相互碰撞合并,兩個(gè)氣孔球形度都很高。由于球形氣孔與不規(guī)則氣孔相比不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,所以球形氣孔多的焦炭質(zhì)量較好。
圖1 肥煤2粗粒鑲嵌組織 圖2 肥煤3絲炭及破片
2.2.1 工業(yè)分析
焦煤工業(yè)分析如表6所示。
表6 焦煤工業(yè)分析
進(jìn)口焦煤硫含量普遍較低,進(jìn)口焦煤2屬特低硫煤,進(jìn)口焦煤1屬低硫煤,焦煤6屬中硫煤,其余屬中高硫煤。焦煤6屬中灰煤,其他焦煤屬中高灰煤。6個(gè)焦煤均屬中等揮發(fā)分煙煤。
2.2.2 鏡質(zhì)組反射率及煤巖組成
焦煤鏡質(zhì)組反射率和煤巖組成如表7所示。焦煤鏡質(zhì)組平均最大反射率區(qū)間為1.2~1.5,焦煤6鏡質(zhì)組反射率偏高,其它焦煤在區(qū)間內(nèi)。進(jìn)口焦煤1是單一煤層煤,進(jìn)口焦煤2、焦煤3、焦煤4、焦煤6屬簡單混煤,焦煤5為具1個(gè)凹口的混煤。焦煤鏡質(zhì)組含量高,幾乎都在60%以上。
表7 焦煤鏡質(zhì)組反射率和煤巖組成
2.2.3 熱塑性及黏結(jié)性
焦煤工藝性質(zhì)如表8所示。6個(gè)焦煤的G值(黏結(jié)指數(shù))較高,最大膠質(zhì)層厚度Y適中,基氏流動(dòng)度MF差距不大。進(jìn)口焦煤的塑性區(qū)間低于國內(nèi)焦煤10 ℃左右,進(jìn)口焦煤1的膠質(zhì)體開始軟化溫度比其他焦煤高出近20 ℃。
表8 焦煤工藝性質(zhì)
2.2.4 結(jié)焦性
焦煤制焦炭顯微組分由各向同性,細(xì)粒鑲嵌,粗粒鑲嵌,纖維及片狀,絲炭及破片組成,如表9所示。與肥煤制焦炭相比,顯微組分中出現(xiàn)少量纖維及片狀組織。纖維及片狀組織各向異性程度大,石墨碳層面排列較鑲嵌組織整齊,致密性更高,其機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)于鑲嵌組織。但與此同時(shí),由于其光學(xué)單元尺寸大,溶損反應(yīng)產(chǎn)生的裂紋很容易擴(kuò)展貫穿其組織,使其熱性質(zhì)下降。相比,鑲嵌結(jié)構(gòu)由大量小尺寸致密組織構(gòu)成,溶損反應(yīng)產(chǎn)生的裂紋容易走向分叉、終止而很難發(fā)展并貫穿整個(gè)組織,所以鑲嵌結(jié)構(gòu)特別是粗粒鑲嵌熱性質(zhì)優(yōu)于纖維及片狀。經(jīng)上分析,焦煤制焦炭整體機(jī)械強(qiáng)度稍優(yōu)于肥煤制焦炭而熱性質(zhì)與之相當(dāng),可能與焦炭中含有少量纖維及片狀組織有關(guān)。
如圖3所示為進(jìn)口焦煤1的絲炭及破片組織,如圖4所示為焦煤6的粗粒鑲嵌組織。雖然進(jìn)口焦煤1絲炭及破片含量高,但其尺寸小,均勻地鑲嵌于其他組織之中[10]。對比圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn),進(jìn)口焦煤1的絲炭及破片尺寸明顯比肥煤3小。圖4中焦煤6粗粒鑲嵌組織發(fā)展好,部分已經(jīng)發(fā)展成纖維結(jié)構(gòu),其粗粒尺寸明顯大于圖1中肥煤2的粗粒結(jié)構(gòu)。
表9 焦煤單種煤焦炭質(zhì)量
圖3進(jìn)口焦煤1絲炭及破片 圖4 焦煤6粗粒鑲嵌組織
2.3.1 工業(yè)分析
1/3焦煤工業(yè)分析如表10所示。4個(gè)1/3焦煤都是低硫、中高揮發(fā)分煙煤,1/3焦煤1近似于特低硫煤且屬低灰煤,其他屬中灰煤。
表10 1/3焦煤工業(yè)分析
2.3.2 鏡質(zhì)組反射率及煤巖組成
1/3焦煤鏡質(zhì)組反射率和煤巖組成如表11所示。1/3焦煤鏡質(zhì)組平均最大反射率區(qū)間為0.8~0.9。1/3焦煤3鏡質(zhì)組變質(zhì)程度偏高,其他1/3焦
表11 1/3焦煤鏡質(zhì)組反射率和煤巖組成
煤在區(qū)間上限。方差在0.1~0.2之間,屬簡單混煤。與焦煤和肥煤相比,1/3焦煤鏡質(zhì)組含量低,穩(wěn)定組含量高。
2.3.3 熱塑性及黏結(jié)性
1/3焦煤工藝性質(zhì)如表12所示。4個(gè)1/3焦煤G值,Y值均適中,屬中黏煤。1/3焦煤1的基氏流動(dòng)度MF最大,塑性區(qū)間最寬,1/3焦煤4基氏流動(dòng)度MF及塑性區(qū)間均較低。4個(gè)1/3焦煤的膠質(zhì)體開始軟化溫度差距只有3 ℃,非常接近。
表12 1/3焦煤工藝性質(zhì)
2.3.4 結(jié)焦性
1/3焦煤制焦炭含有大量各向同性和細(xì)粒鑲嵌。各向同性由無定形碳隨機(jī)無規(guī)律排列,微孔大,致密性差,焦炭質(zhì)量較鑲嵌組織差。又因細(xì)粒鑲嵌組織性能不如粗粒鑲嵌組織,1/3焦煤制焦炭機(jī)械強(qiáng)度和熱性質(zhì)整體低于焦肥煤制焦炭。具體如表13所示。
表13 1/3焦煤單種煤焦炭質(zhì)量
2.4.1 工業(yè)分析
瘦焦煤及瘦煤工業(yè)分析如表14所示。3個(gè)瘦焦煤均為低揮發(fā)分煙煤。瘦焦煤1為中硫、低灰煤,瘦焦煤2為特低硫、中高灰煤,瘦煤3為中高硫、中灰煤。
表14 瘦焦煤及瘦煤工業(yè)分析
2.4.2 鏡質(zhì)組反射率及煤巖組成
瘦焦煤及瘦煤鏡質(zhì)組反射率和煤巖組成如表15所示。瘦焦煤鏡質(zhì)組平均最大反射率在1.5~1.7,瘦煤在1.7~1.9。瘦焦煤1和瘦焦煤2鏡質(zhì)組反射率滿足典型瘦焦煤特征,瘦煤3偏向于貧煤。瘦焦煤1為單一煤層煤,其它屬簡單混煤。瘦焦煤及瘦煤鏡質(zhì)組含量高于焦煤,是鏡質(zhì)組含量最高煤種,瘦焦煤2鏡質(zhì)組含量接近80%。
表15 瘦焦煤及瘦煤鏡質(zhì)組反射率和煤巖組成
2.4.3 熱塑性及黏結(jié)性
瘦焦煤及瘦煤工藝性質(zhì)如表16所示。2個(gè)瘦焦煤性質(zhì)相近,瘦焦煤2黏結(jié)性略好于瘦焦煤1。瘦煤3黏結(jié)性接近于貧瘦煤。瘦煤3進(jìn)行基氏流動(dòng)度實(shí)驗(yàn)時(shí),膠質(zhì)體沒有流動(dòng)性。
表16 瘦焦煤及瘦煤工藝性質(zhì)
2.4.4 結(jié)焦性
與其他煤制焦炭相比,瘦焦煤制焦炭含有大量纖維及片狀組織。根據(jù)上面的分析,纖維及片狀組織機(jī)械強(qiáng)度好而熱性質(zhì)稍差,和瘦焦煤1和瘦焦煤2結(jié)焦性吻合。瘦煤3偏貧瘦煤,無法單獨(dú)煉焦,沒有結(jié)焦性數(shù)據(jù)。具體如表17所示。
表17 瘦焦煤及瘦煤單種煤焦炭質(zhì)量
肥煤膠質(zhì)體熱塑性和黏結(jié)性明顯優(yōu)于其他煤種,在配合煤中的作用是增加膠質(zhì)體數(shù)量,擴(kuò)大膠質(zhì)體的塑性區(qū)間,提高流動(dòng)度以及增強(qiáng)活性組分對惰性組分的黏結(jié)能力。
肥煤1和肥煤2的G值高,塑性區(qū)間適中,單種煤焦炭粗粒鑲嵌組織大于70%,應(yīng)劃分為A類肥煤[11]。肥煤3單種煤焦炭質(zhì)量稍差,劃分為B類肥煤。肥煤4單種煤焦炭質(zhì)量和肥煤3相近,但塑性區(qū)間偏低,劃分為C類肥煤。
焦煤單種煤焦炭機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)于其他煤種,熱性質(zhì)與肥煤相近。
焦煤6在國內(nèi)焦煤中硫含量較低,G值高,塑性區(qū)間和流動(dòng)性好,單種煤焦炭粗粒鑲嵌組織大于70%且含大量大尺寸粗粒鑲嵌組織,劃分為A類焦煤。進(jìn)口焦煤1,進(jìn)口焦煤2,焦煤5單種煤焦炭質(zhì)量略低,進(jìn)口焦煤1和進(jìn)口焦煤2塑性區(qū)間低,焦煤5硫含量最大,這3個(gè)煤種劃為B類焦煤。焦煤3和焦煤4單種煤焦炭熱性質(zhì)明顯不如其它煤種,劃為C類焦煤。
1/3焦煤資源豐富,低灰低硫,從資源合理利用角度考慮,應(yīng)該多配用該類煤種。
1/3焦煤1在同類煤中灰分、硫分較低,塑性區(qū)間和流動(dòng)性較好,單種煤焦炭細(xì)粒鑲嵌組織大于50%,焦炭質(zhì)量好于其他以各向同性組織為主的1/3焦煤,屬A類1/3焦煤。1/3焦煤2單種煤焦炭質(zhì)量稍差,劃為B類1/3焦煤。1/3焦煤3單種煤焦炭M40低,1/3焦煤4塑性區(qū)間和流動(dòng)性差,可劃為C類1/3焦煤。
瘦焦煤和瘦煤黏結(jié)性低,瘦煤3的G值只有12,該類煤的配用應(yīng)綜合考慮配合煤的黏結(jié)性能,視情況調(diào)節(jié)。
2個(gè)瘦焦煤指標(biāo)相近,瘦焦煤1單種煤焦炭質(zhì)量優(yōu)于瘦焦煤2,劃為A類瘦焦煤,瘦焦煤2劃為B類瘦焦煤。瘦煤3變質(zhì)程度高,各項(xiàng)指標(biāo)均不如瘦焦煤1和瘦焦煤2,劃為C類瘦煤。
(1)該鋼廠煉焦煤灰分偏高,多配1/3焦煤有利于焦炭降灰、降硫,同時(shí)由于其煤種黏結(jié)性普遍較強(qiáng),可以多配加瘦焦煤和瘦煤。
(2)優(yōu)質(zhì)焦肥煤單種煤焦炭顯微組分粗粒鑲嵌組織大于70%,優(yōu)質(zhì)1/3焦煤應(yīng)含有大量細(xì)粒鑲嵌組織。
(3)基氏流動(dòng)度大的肥煤產(chǎn)生的氣孔球形度好,應(yīng)力集中小,焦炭質(zhì)量好。進(jìn)口焦煤雖然單種煤焦炭顯微組分中絲炭及破片組織含量高,但由于其尺寸小,分布均勻,焦炭質(zhì)量也較好。