任 華 偉

(1.河北中煤旭陽能源有限公司 煤炭研究所，河北 邢臺(tái) 054001；2.河北省煤化工工程技術(shù)研究中心，河北 邢臺(tái) 054001)

0 引 言

我國(guó)煤炭資源具有優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源緊缺的特點(diǎn)，由此決定我國(guó)適宜發(fā)展搗固煉焦技術(shù)[1-2]。2021年全國(guó)焦炭產(chǎn)量為4.64億t，搗固焦約占焦炭總產(chǎn)量的60%以上，已投產(chǎn)搗固焦?fàn)t超過400座，其中最大爐型為6.78 m。搗固煉焦技術(shù)的快速發(fā)展可在豐富焦炭產(chǎn)品、節(jié)約煉焦煤資源以及降低生產(chǎn)成本等方面起到促進(jìn)作用，并由此推動(dòng)我國(guó)煉焦技術(shù)的進(jìn)步[3]。

但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于配入了大比例的弱黏結(jié)性煤或高揮發(fā)分煤，加上對(duì)搗固焦的研究不夠深入，大部分焦化和煉鐵工作者認(rèn)為搗固焦屬于“劣質(zhì)品”，其與頂裝焦在實(shí)際質(zhì)量上存在較大差異，很難應(yīng)用到大型高爐中。因而以下分析對(duì)比搗固焦與頂裝焦的質(zhì)量差異，再延伸到配煤理論、方法的差異分析，由此解釋質(zhì)量區(qū)別的緣由，以促進(jìn)搗固焦質(zhì)量改善和配煤技術(shù)進(jìn)步。

1 搗固焦與頂裝焦的質(zhì)量差異

當(dāng)釆用相同配煤比時(shí)，搗固焦的質(zhì)量要優(yōu)于頂裝焦，此由其先進(jìn)的工藝所決定。但由于配煤質(zhì)量、生產(chǎn)工藝及裝備水平在實(shí)際生產(chǎn)中不盡相同，使各搗固焦產(chǎn)品與同類別頂裝焦在冶金性能或在高爐中的表現(xiàn)有一定差別。較多搗固焦由于塊度小而無法檢測(cè)M40，故冷態(tài)強(qiáng)度一般用M25和M10表征，M25能達(dá)到90%以上，M10在8%以下；頂裝焦普遍塊度較大，可用M40和M10表征冷態(tài)強(qiáng)度，M40能達(dá)到85%～90%，M10在5%～8%；搗固焦與頂裝焦的冷態(tài)強(qiáng)度基本對(duì)等。熱態(tài)強(qiáng)度方面，搗固焦CSR一般在55%～65%，一些定制的搗固焦或大型高爐用搗固焦CSR能達(dá)到65%以上；頂裝焦CSR一般在62%～72%，總體比搗固焦稍高一些。

在焦炭塊度方面，搗固焦總體塊度更加均勻，但大于80 mm的大塊焦較少，平均粒度在43 ～48 mm；而頂裝焦的大塊焦較多，塊度相對(duì)較大，平均粒度一般能達(dá)到45 mm以上，有的甚至達(dá)到50 mm以上[4]。焦炭堆積密度為焦炭視密度與焦塊之間的空隙體積之比。由于焦塊之間的空隙體積之比與平均粒度成反比，搗固焦平均粒度小，其空隙體積之比較大；而搗固焦的視密度又稍大于頂裝焦[5]，故搗固焦的堆積密度大于頂裝焦，可達(dá)到(600～650)kg/m3或更高，而頂裝焦的堆積密度為(400～520)kg/m3。因此，針對(duì)相同的焦炭批重，搗固焦的體積要比頂裝焦的體積小很多，即相同焦比的搗固焦在高爐內(nèi)焦窗厚度減小則會(huì)影響高爐爐況的透氣性，從而制約其在大型高爐中作用發(fā)揮[6]。此外，搗固焦顯氣孔率和總氣孔率明顯低于頂裝焦炭。

個(gè)別企業(yè)焦炭氣孔率參數(shù)見表1。

表1 部分企業(yè)焦炭氣孔率參數(shù)Table 1 Parameters of coke porosity in some enterprises

由表1可知，搗固焦顯氣孔率平均為36.4%，總氣孔率為40.2%，頂裝焦顯氣孔率平均在41.5%，總氣孔率為49.7%，搗固焦的顯氣孔率、總氣孔率分別比頂裝焦的低5.1%和9.5%。

搗固焦與頂裝焦的微觀形貌分別如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可知，搗固焦以微小孔徑的氣孔為主，氣孔相對(duì)獨(dú)立，氣孔形狀不規(guī)則，存在“扁狀”氣孔，氣孔壁粗糙；頂裝焦炭氣孔孔徑較大，深度較淺，氣孔壁碳基體結(jié)構(gòu)相對(duì)致密，微裂紋也很少。

圖1 典型搗固焦微觀形貌Fig.1 Micro-morphology of typical SC-battery coke

圖2 典型頂裝焦微觀形貌Fig.2 Micro-morphology of typical TC-battery coke

針對(duì)同類別的焦炭，搗固焦的外觀整體具有細(xì)長(zhǎng)、裂紋明顯、表面粗糙等特點(diǎn)，頂裝焦的外觀整體具有方塊、表面平整、銀灰更亮等特點(diǎn)。搗固工藝使焦炭氣孔直徑減小、氣孔率降低，進(jìn)而降低焦炭CRI，但搗固焦的氣孔結(jié)構(gòu)不規(guī)則、孔壁薄厚不一等因素導(dǎo)致其在高爐中的不確定性[7-9]。

2 搗固焦與頂裝焦的配煤方法比較

配煤差異和工藝差異是造成搗固焦與頂裝焦質(zhì)量差異的主要原因，其中配煤差異占主導(dǎo)地位。由于搗固焦技術(shù)產(chǎn)生及應(yīng)用較晚，故現(xiàn)有很多配煤技術(shù)均基于頂裝焦工藝，使得部分配煤理論和方法已不能很好地指導(dǎo)搗固焦配煤生產(chǎn)，為此迫使廣大搗固焦企業(yè)結(jié)合各自的煤源情況、焦炭質(zhì)量需求等建立不同的搗固焦配煤方法。

2.1 配煤理論和方法的差異

當(dāng)前應(yīng)用較多的配煤理論主要涵括三類，分別是膠質(zhì)層重疊原理、互換性原理和共炭化原理[10-11]。不同配煤理論建立在不同的成焦機(jī)理上，因而不同配煤理論的適用對(duì)象和場(chǎng)景有所不同，應(yīng)對(duì)其加以區(qū)分對(duì)待。

互換性配煤原理更適用于搗固焦配煤，即其利用活性組分和惰性組分概念來指導(dǎo)配煤，通過調(diào)節(jié)不同活性含量煤的比例，使配合煤的活性組分和惰性組分比例達(dá)到適宜比例；當(dāng)活性組分與惰性組分比例達(dá)不到適宜比例時(shí)，可以添加黏結(jié)劑或瘦化劑的辦法加以調(diào)整。以此為基礎(chǔ)的配煤方法一般沒有固定的配煤結(jié)構(gòu)，將煤主要分為活性組分為主的煤和惰性組分為主的煤兩大類，控制配合煤活惰比達(dá)到要求即可生產(chǎn)出合格焦炭。

頂裝焦配煤主要依據(jù)膠質(zhì)層重疊原理進(jìn)行配煤，即要求配合煤中各單種煤膠質(zhì)體的軟化區(qū)間、溫度間隔能較好地實(shí)現(xiàn)搭接，在煉焦過程中可使配合煤能在較大的溫度范圍內(nèi)處于塑性狀態(tài)，進(jìn)而改善配合煤的黏結(jié)過程，從而保證焦炭的結(jié)構(gòu)均勻[12]。該種以多種煤互相搭配、膠質(zhì)層彼此重疊的配煤原理，曾長(zhǎng)期主導(dǎo)蘇聯(lián)和我國(guó)的配煤技術(shù)。以此為基礎(chǔ)的配煤方法一般是以焦煤、肥煤為主且氣煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤按一定比例配合的常規(guī)經(jīng)驗(yàn)配煤方法。

2.2 用煤結(jié)構(gòu)及配煤指標(biāo)的差異

由于搗固焦工藝具有先天優(yōu)勢(shì)，因而若要得到化學(xué)成分、強(qiáng)度等指標(biāo)都不低于頂裝焦的搗固焦，可配入大比例的弱黏結(jié)性煤或高揮發(fā)分煤，故搗固焦與頂裝焦在用煤結(jié)構(gòu)及配煤指標(biāo)方面存在明顯的差異，如以焦肥煤比例作為衡量指標(biāo)，搗固焦的焦肥煤比例一般為20%～45%甚至更低，頂裝焦一般為55%～85%。統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)搗固焦企業(yè)與頂裝焦企業(yè)配煤情況，搗固焦與頂裝焦配煤結(jié)構(gòu)、頂裝焦入爐煤質(zhì)量對(duì)比分別見表2、表3。

表2 搗固焦與頂裝焦配煤結(jié)構(gòu)對(duì)比Table 2 Comparison of coal blending structures between SC-battery coke and TC-battery coke %

表3 搗固焦與頂裝焦入爐煤質(zhì)量對(duì)比Table 3 Comparison of coal quality between SC-battery coke and TC-battery coke

從表2和表3可看出，搗固焦配煤中一般配入不黏煤、弱黏煤、貧煤，或配入無煙煤[13]，山西個(gè)別企業(yè)最高配用比例合計(jì)達(dá)到20%，主要用于降灰、降成本，但存在非黏結(jié)顆粒邊界和催化指數(shù)高等問題，影響焦炭熱態(tài)強(qiáng)度，需增加高流動(dòng)度氣肥煤及對(duì)其預(yù)粉碎，從而確保焦炭強(qiáng)度。搗固焦入爐煤揮發(fā)分較高，一般在27%～31%；G、Y值控制較低，一般在65～75、11 ～13 mm。頂裝焦用煤結(jié)構(gòu)及配煤指標(biāo)不僅跟搗固焦有差異，不同爐型之間也存在差異。6 m頂裝焦?fàn)t焦肥煤比例一般在55%～65%，高揮發(fā)分煤主要是1/3焦煤和氣煤，低揮發(fā)分煤主要是瘦煤和貧瘦煤，少部分企業(yè)業(yè)會(huì)配入一些貧煤；入爐煤揮發(fā)分適中，一般在25%～28%；G值和Y值中等，一般在75～80和14 ～16 mm。7 m及以上頂裝焦?fàn)t對(duì)于原料煤質(zhì)量要求更高，焦肥煤比例一般在70%～85%，再配入10%～20%的1/3焦煤和5%～15%的瘦焦煤或瘦煤，不配入貧瘦煤和貧煤；入爐煤揮發(fā)分控制較低，一般在22%～26%；G、Y值控制較高，一般在80～85、15 ～18 mm。另外，搗固焦與頂裝焦在入爐煤水分和硫分上也有一定差異，搗固焦入爐煤水分要求在10.5%～12%，以確保煤餅合格率，不出現(xiàn)塌煤餅情況；頂裝焦入爐煤水分通?？筛鶕?jù)各地區(qū)煤的水分而定，實(shí)際上一般在10%左右。搗固焦入爐煤硫分控制較低，一般在0.75%～0.85%，此由焦炭硫分需求所決定。因?yàn)閾v固焦產(chǎn)品大部分應(yīng)用于中小型高爐，而該高爐未配備精脫硫工藝，所以對(duì)焦炭硫分控制較嚴(yán)格。頂裝焦入爐煤硫分要求不高，一般為0.8%～1.0%，大都用于基本配備有精脫硫工藝的中大型高爐。

全國(guó)不同地區(qū)焦化企業(yè)配煤結(jié)構(gòu)詳見表4。由表4可知，不同區(qū)域和不同煤源、不同焦炭產(chǎn)品和不同高爐需求、不同焦?fàn)t爐型和不同生產(chǎn)條件等均會(huì)導(dǎo)致不同的配煤結(jié)構(gòu)。同樣是5.5 m搗固焦?fàn)t，河北、山東和內(nèi)蒙企業(yè)由于不同的煤源致使配煤結(jié)構(gòu)存在較大差異。河北省煤炭資源中的焦煤、肥煤及1/3焦煤相對(duì)豐富且其黏結(jié)性較高，故可搭配部分弱黏煤和貧煤等；山東省以高揮發(fā)分煤資源為主，所以氣煤、1/3焦煤在當(dāng)?shù)亟够髽I(yè)配煤結(jié)構(gòu)中占比較高，配合煤揮發(fā)分最高達(dá)31%；內(nèi)蒙煤資源以烏海中高硫肥煤、1/3焦和鄂爾多斯不黏煤為主且進(jìn)口蒙古煤有優(yōu)勢(shì)，但各煤灰中堿金屬含量高，對(duì)熱態(tài)強(qiáng)度影響大，故焦肥煤比例稍高。再如針對(duì)7.63 m搗固焦，由于高爐的需求不同，導(dǎo)致安徽MG焦化和江蘇SG焦化的配煤結(jié)構(gòu)大不相同，安徽MG焦化焦炭供4 700 m3大高爐使用，而江蘇SG焦化焦炭供5 800 m3大高爐使用，所以江蘇SG焦化對(duì)焦炭質(zhì)量要求更高，配煤中焦肥煤比例更高。此外，在同一區(qū)域內(nèi)由于焦?fàn)t爐型、熄焦工藝、結(jié)焦時(shí)間等生產(chǎn)條件不同也會(huì)較大程度影響配煤結(jié)構(gòu)，其炭化室越高越寬的焦?fàn)t則要求強(qiáng)黏結(jié)性煤比例越高；在采用干熄焦工藝的配煤中，焦肥煤比例較濕熄焦低5%以上；較短的長(zhǎng)結(jié)焦時(shí)間可降低焦肥煤比例。總之，每個(gè)焦化企業(yè)應(yīng)遵照配煤原則且最大程度使用當(dāng)?shù)孛嘿Y源，確定最佳的生產(chǎn)工藝條件，并根據(jù)用戶需求生產(chǎn)合格質(zhì)量的焦炭產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化。

表4 不同地區(qū)企業(yè)配煤結(jié)構(gòu)對(duì)比Table 4 Comparison of coal blending structures of enterprises in different regions %

2.3 配煤優(yōu)化方向與配煤思路的差異

由于搗固焦企業(yè)通常以獨(dú)立焦化廠為主且以追求利潤(rùn)最大化為目標(biāo)，故配煤優(yōu)化方向更多傾向于降低配煤成本。因從成本考慮則導(dǎo)致?lián)v固焦在配煤上煤源不固定，其熱態(tài)強(qiáng)度易出現(xiàn)波動(dòng)，因而在企業(yè)質(zhì)量管理中以關(guān)注熱態(tài)強(qiáng)度指標(biāo)為主。

頂裝焦企業(yè)基本為鋼鐵企業(yè)焦化廠，配煤優(yōu)化方向首先是穩(wěn)定和提升焦炭質(zhì)量，保證配比穩(wěn)定，考慮成本較少。頂裝焦的配煤總體穩(wěn)定，其熱態(tài)強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定，而焦?fàn)t爐溫、出爐計(jì)劃等生產(chǎn)工藝條件波動(dòng)不可避免，對(duì)冷態(tài)強(qiáng)度的影響較大，致使企業(yè)質(zhì)量管理中以關(guān)注冷態(tài)強(qiáng)度指標(biāo)為主。

在配煤思路上兩者也有明顯差異，呈現(xiàn)“兩多兩少”特點(diǎn)。搗固焦配煤應(yīng)遵循“多肥少焦、多氣少瘦”原則，即多用黏結(jié)性強(qiáng)、塑性范圍寬的肥煤，利用其較好的配伍性，可以配用更多低黏結(jié)性煤；焦煤雖自身有較好的結(jié)焦性和強(qiáng)度，但帶動(dòng)其他煤的能力有限，無法搭配更多的低黏結(jié)性煤。氣煤的揮發(fā)分高，但黏結(jié)性較強(qiáng)，利用搗固焦工藝增加堆密度，使熱解產(chǎn)生氣體逸出時(shí)遇到的阻力增大，在膠質(zhì)體內(nèi)的停留時(shí)間延遲，氣體中帶自由基的原子團(tuán)或熱分解的中間產(chǎn)物有更充分的時(shí)間相互作用[14-15]，使得氣煤高揮發(fā)分的弊端得以克服，此為搗固焦可多配入高揮發(fā)分煤的緣由[16]。瘦煤的揮發(fā)分性低，也有一定結(jié)焦性，但黏結(jié)性弱且塑性溫度偏高、范圍偏窄，不能產(chǎn)生較多的膠質(zhì)體去包融其他煤，總體不及氣煤。

此外，肥煤和氣煤價(jià)格低于焦煤和瘦煤，資源量多于焦煤和瘦煤，故搗固焦配煤中應(yīng)該多使用肥煤和氣煤。頂裝焦煤配煤應(yīng)以“多焦少肥、多瘦少氣”為原則，因頂裝焦低黏結(jié)性煤配用量少，各煤種本身的黏結(jié)性和結(jié)焦性都不錯(cuò)，僅需要個(gè)別優(yōu)質(zhì)的焦煤起骨架作用。

另外，頂裝焦配合煤揮發(fā)分控制要求較低，需多配一些低揮發(fā)分的煤種，有利于提升焦炭強(qiáng)度和塊度。但無論如何，搗固焦和頂裝焦均需確保配合煤各指標(biāo)在合理控制范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

(1) 現(xiàn)有行業(yè)內(nèi)生產(chǎn)和銷售的搗固焦冷態(tài)強(qiáng)度與頂裝焦持平，雖氣孔率較低、氣孔結(jié)構(gòu)好于頂裝焦，但熱態(tài)強(qiáng)度和焦炭塊度低于頂裝焦，在高爐內(nèi)焦窗厚度減小，總體在大高爐應(yīng)用中效果不及頂裝焦。搗固焦在未來需走高質(zhì)路線，以滿足大型高爐更加苛刻的質(zhì)量需求。

(2) 因區(qū)域、煤源、焦炭等級(jí)、高爐需求、焦?fàn)t爐型等各不相同，搗固焦與頂裝焦之間在配煤原理、思路和方法上存在較大差異，此為造成焦炭質(zhì)量差異的主要原因。

(3) 廣大搗固焦企業(yè)應(yīng)結(jié)合各自的煤源情況以及焦炭質(zhì)量需求等客觀因素，從而有效建立適合自身的搗固焦配煤結(jié)構(gòu)，并加強(qiáng)搗固配煤技術(shù)研究，充分利用搗固焦該先進(jìn)煉焦技術(shù)，實(shí)現(xiàn)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。