最優活惰比及高活性組分質量煤種淺析

供稿|隋月斯，王剛，劉波，王亞楓，池學平

SUI Yue-si1, WANG Gang1, LIU Bo2, WANG Ya-feng3, CHI Xue-ping4

內容導讀

煤的活惰比是指煤中活性組分與惰性組分的比值?；钚越M分質量與煤的變質程度息息相關，而煤的鏡質組平均最大反射率是目前國際上公認標志煤的變質程度最佳的一個指標。本文通過引入鏡質組活性權方程，得出加權活惰比，結合焦化廠特定來煤實際，作出CSR-A/I曲線，得到最優活惰比區間為2.9～3.1，對應高活性組分質量煤種的平均最大反射率R′max區間為1.29～1.49。配入高活性組分質量煤種后，配煤中優質活性組分得到有效提高，在一定范圍內可多配入成本較低的瘦煤和1/3焦煤，同時提高焦炭質量。運用最優活惰比理論，對同一煤種的不同單種煤進行最優區間評估，可以充分利用單種煤特性，優化配煤，提高焦炭質量。

煤的多樣性及成因復雜性造成煤在使用過程中表現出千差萬別的性質。目前各種理論都存在一定局限，尚未形成普適的精確配煤理論，不能全面反映煤的結焦性質，需要深入研究每種理論的優缺點，并加以綜合運用才能有所成效。煤的活惰比是煤巖理論中的重要指標之一，指煤中活性組分(煤在加熱過程中能軟化熔融生成膠質體的組分)與惰性組分(煤在加熱過程中不軟化、形成焦炭光學組織中絲炭和破片的組分)的比值?；疃璞入m然可以表征煤的活性組分在數量上的性質，以及惰性組分的構成，但是不能表征活性組分在質量上的性質，這也使它在應用中受到很大的限制?；钚越M分質量與煤的變質程度息息相關，而煤的鏡質組平均最大反射率是目前國際上公認標志煤的變質程度最佳的一個指標[1]。根據煤巖配煤原理，配合煤中存在最優活惰比，即活性組分數量與惰性組分數量達到最佳比值時，焦炭強度最好[2]。同時為了更好地表征煤的活性成分的數量性質和質量性質，更好地體現煤的結焦性，引入加權活性方程優化活惰比。由于各單種煤中活性組分質量不一樣，配煤中活性組分與惰性組分合適比例只適用于該配煤中僅有的煤種[3]。不同焦化廠用煤各有自身特點，生搬硬套理論容易脫離生產實際。因此，需要結合焦化廠實際煤種特性，找出最優活惰比，充分利用各煤種特性，優化配煤，改善焦炭質量。

試驗方法

加權活性方程

根據武漢科技大學戴中蜀的鏡質組活性權函數方程[1]，不同變質程度煤種的活性成分質量加權程度不同，使變質程度不同的煤的活性成分具有加和性，可以更好地體現煉焦煤的結焦性質。

式中，ρv為鏡質組活性權函數值；R為鏡質組反射率。根據式(1)作曲線圖(圖1)。

圖1 活性權函數曲線圖

小焦爐試驗

取10種焦化廠現有煉焦單種煤，其中焦煤5種，分別是J1、J2、J3、J4和J5；肥煤2種，分別是F1和F2；1/3焦煤2種，分別是1/3J1和1/3J2，瘦煤1種，S1。測出每種單種煤鏡質組反射率以及活惰比，并根據方程(1)得出加權活惰比。對各單種煤做40 kg小焦爐煉焦試驗，分別測出焦炭反應后強度CSR。

工業焦爐配煤煉焦試驗

統計焦化廠實際用煉焦煤不同煤種的活惰比、粘結指數G值和鏡質組平均最大反射率Rmax。先做6種配煤方案(方案0～5)的工業煉焦試驗，測對應指標。再做4種方案的煉焦試驗(方案6～9)，并測定對應指標，進行高活性組分質量煤種試驗對比。

結果與討論

小焦爐試驗

◆ 最優活惰比

10種單種煤的鏡質組反射率、A/I、加權A/I和CSR見表1。由表1作加權A/I-CSR擬合曲線圖，見圖2。瘦煤S1單獨煉焦CSR結果很小，而肥煤F2偏離過大未在圖中顯示。

◆ 試驗結果分析

根據表1和圖2可以得出最優活惰比區間為2.9～3.1，極值點在3.0左右，在最優活惰比區間內，煤中活性組分與惰性組分匹配合理，成焦過程中相互作用完全，對應的焦炭質量(CSR＞52%)也較好。當活性組分逐漸降低，粘結組分不足以粘結惰性組分后，焦炭裂紋增加、強度降低；當活性組分逐漸增大，粘結組分過多，惰性組分不足，則會使焦炭氣孔壁變薄，導致焦炭質量降低。在引用鏡質組活性權函數后，配煤中各單種煤活性組分具有了加和性，如果忽略單種煤之間自瘦化作用，單種煤和配合煤均可以參考最優活惰比，優化配煤，提高焦炭質量。

表1 不同單種煤指標

圖2 加權A/I-CSR擬合曲線

另外，根據表1，可以通過最佳活惰比區間得出對應的提升焦炭質量貢獻最大的變質程度區間，即平均隨機反射率R′ran區間為1.21～1.40，根據轉換公式(2)(煉焦煤范圍內，R′max和R′ran具有線性關系)可以算出平均最大反射率R′max區間為1.29～1.49，表明在此區間的煤種對改善配煤活性組分質量效果最好。

工業焦爐試驗

對焦化廠實際用煉焦煤各單種煤的A/I、粘結指數G值和R′max進行統計(表2)。焦煤、肥煤、1/3焦煤和瘦煤，分別用J、F、1/3J和S表示，其中FJ是焦煤中的一種單種煤。

表2 各單種煤指標統計

最優活惰比理論在工業焦爐試驗中的應用，具體配比及檢測結果見表3。

表3 配煤方案及指標對比表

◆ 最優活惰比應用及高活性組分質量煤種

由表3可知，除了方案0的活惰比較大外，方案1～5的活惰比均接近最優活惰比區間2.9～3.1，焦炭質量也好于方案0，這與前述最優活惰比理論相驗證。另外，選取高活性組分質量煤種的活惰比范圍在2.9～3.1，最大反射率R′max區間為1.29～1.49。根據統計表2可以看出FJ煤的活惰比范圍在1.8～3.4，最大反射率R′max區間為1.3～1.4，G值為87～95很高，它是焦煤組中單種煤中最符合條件的。方案1～5是在方案0的基礎上加大FJ煤比例，同時提高瘦煤比例，焦、肥煤比例均為55%、1/3焦煤與瘦煤比例均為45%不變，可以看出焦炭質量均好于方案0。加入少量的高活性組分質量煤種，其加入比例雖小，但是加強配煤活性物組分質量的作用卻很大，小比例的加入就可以非常有效的改善配煤的高質量活性成分含量，因此可以加入更多的成本更低的瘦煤和1/3焦煤與之匹配，得到的焦炭質量熱強度CSR更高。此外FJ煤的價格與其他焦、肥煤價格相當，因此具有高性價比，但其受資源量及成本影響，可以少量配入，達到提高成本較低的瘦煤和1/3焦煤配入比例、提高焦炭質量的目的。

方案1～3是保持其他煤種比例不變情況下，加大焦煤中的FJ煤比例，焦炭質量CSR表現不明顯。由此可見，單純提高FJ煤比例意義不大，雖然提高了配煤中的高質量活性成分比例，但是對應惰性組分配合比例沒有對應變化，焦炭質量變化不大。方案4與方案2對比，加大1/3焦比例、降低瘦煤比例，焦炭熱強度CSR下降，這是由于配煤中活性成分加大造成。方案5進一步加大FJ煤比例，同時提高瘦煤比例，降低1/3焦比例，對應焦炭質量較高。

取方案0及方案5對應焦炭試樣，通過電鏡掃描檢測的焦炭微觀結構圖見圖3。

圖3 焦炭的SEM圖：(a) 方案0；(b) 方案5

由圖3可以看出，方案5對應的焦炭的微觀形態更好，基質質地更加均勻致密，結合界面不明顯，這說明在加大FJ煤后，焦煤與肥煤比例適當時，配煤的高質量活性組分質量及數量充裕，提高瘦煤比例后，配煤中的活性組分與惰性組分匹配性更好，在成焦過程中界面反應更加充分，相互作用程度更大，因此焦炭界面結合更好，氣孔壁更厚，對CO2的吸附性降低，熔損劣化反應減緩，進而焦炭熱強度CSR得到提高，能保持較高的骨架支撐作用。因此，配入高活性組分質量煤后，配煤中優質活性組分得到有效提高，在達到活性組分質量和數量均較好、容惰能力很強的條件下，在一定范圍內多配入瘦煤不但降低成本還能提高焦炭質量。

◆ 高活性組分質量煤種判定方法應用

方案6與方案7的配比相同，方案8與方案9的配比也相同，僅對應煤種所用單種煤不同，統計各煤種的活惰比、R′max分布見表4。

由表4可以看出方案6與方案7的煤種配比相同，但同煤種選用來自不同礦點的單種煤，選用肥煤種中的F2肥煤配煤后對應的焦炭質量更好一些。這是因為F2肥煤的活惰比(2.1～3.9)比F1(2.1～5.5)更接近最優活惰比區間，因此對改善焦炭質量作用更大。另外，方案9使用了J3焦煤，其特征就是活惰比(5.1～12.0)偏大，超出最佳活惰比范圍很多，對提高配煤中活性組分質量貢獻變小，造成活性組分過多，焦炭質量有所下降。因此，運用最優活惰比理論，對各單種煤進行最優區間評估，關注其中高效改善活性組分質量煤種以及偏離高質區間的煤種，可以為優化配煤、提高焦炭質量提供參考。

表4 不同單種煤在相同配比下的情況統計

結束語

(1) 引入鏡質組活性權方程后，得到加權活惰比，結合特定焦化廠來煤情況作CSR-A/I曲線，得出最優活惰比區間為2.9～3.1。高效改善配煤活性組分質量的平均最大反射率R′max區間為1.29～1.49。

(2) 通過配入高活性組分質量煤種后，配煤中優質活性組分得到有效提高，在達到活性組分質量和數量均較好、容惰能力很強的條件下，在一定范圍內多配入成本較低的瘦煤可以提高焦炭質量。

(3) 運用最優活惰比理論，對相同煤種不同單種煤進行最優區間評估，注重關注其中高效改善活性組分質量煤種以及偏離高質區間的煤種，為充分利用煤種特性、優化配煤、提高焦炭質量提供參考。