高硫煤在煉焦配煤中的應用實踐

玄振法，郭會良，趙 磊，武 康，張 俠

（山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 濟南 271100）

1 我國煉焦煤資源狀況

隨著高爐大型化的發展，對焦炭的要求也越來越高，低灰、低硫、高強度的焦炭已成為煉鐵和焦化工作者關注的重點［1］。在我國煉焦煤種類雖然比較齊全，但是分布和產量卻差別較大。其中優質的強黏結性主焦煤和肥煤儲量僅占全國煉焦煤總儲量的30%左右［2］。其中有一半以上的肥煤含硫量較高，1/3的焦煤也是高硫煤。

中國煉焦煤占世界總儲量的26.25%，已查明的資源儲量達2 765 億t，基礎儲量為1 263 億t，而煉焦煤儲量僅占我國煤炭總儲量7.65%，優質煉焦煤則更少。我國煉焦煤主要為氣煤、焦煤、瘦煤和肥煤，煉焦煤資源不僅比重小，而且品種也不均衡，其中低變質的氣煤居多，占全國煉焦煤查明資源儲量的38.4%，其次為焦煤和肥煤，分別占比21.4%、16.9%。強黏結性的優質資源稀缺，這就造成在我國焦炭生產過程中焦煤和肥煤比例不足，1/3 焦煤和氣煤過多的狀況。我國煉焦煤行業經過多年的發展，其野蠻式開發積累的問題開始出現，主要問題有后備煉焦煤資源不足、優質煉焦煤資源被過度開發以及產出存在結構性矛盾等問題。

在《煤炭產品品種和等級劃分》中，煤炭硫份等級劃分9 級以上（含9 級）的煤（含硫量＞2%）稱為中高硫煤，此煤不適合煉焦使用。中高硫煤資源總量大約占全國煤炭資源總量的9.33%，而山東省的煉焦煤資源主要以低變質、高揮發的氣煤和1/3 焦煤為主，其硫分在0.4%～0.75%。從全國的煉焦煤資源情況和焦炭質量要求來看，利用高熱強度、高黏結的高硫焦煤在煉焦配煤中勢在必行。本研究主要探討如何利用好省內低硫的煉焦煤資源，優化配煤方案，增加強黏結性、高硫煉焦煤的配用，以達到穩定焦炭熱強度、控制焦炭硫分和降低煉焦配煤成本的目的。

2 煤中硫的遷移規律

煤中的硫主要以無機硫和有機硫兩種形態存在，無機硫的主要形態是硫化物（大部分以黃鐵礦FeS2硫形態存在）、硫酸鹽（主要為硫酸鈣和硫酸鐵等）和元素硫（微量）。無機硫中以硫鐵礦形式存在的硫占絕大部分，并以大塊團聚或是非常精細的小顆粒（直徑0.1～0.6 μm）鑲嵌在煤的大分子結構里。以硫酸鹽形態存在的硫數量很少超過煤總量的0.1%，煤種硫分以有機硫為主，占比達到80%以上。

煤中的有機硫絕大多數屬于煤質大分子結構的一部分，以橋鍵形式連接煤質大分子的各個環，與煤的大分子網絡結構交聯在一起。煤中的有機硫約占總硫的1/3～1/2，按其結構可以分為脂肪族硫、芳香族和雜環族硫三類。包括硫醚（脂肪族或芳基）、硫醇（脂肪族或芳基）、噻吩、環硫醚等。最主要的幾種有機硫為二苯并噻吩、噻吩、脂肪族硫醚等。含硫官能團的反應性與和硫原子相連的取代基結構有關。硫醇、硫醚比較活潑，在成煤過程中，硫醇依次向硫醚、噻吩結構轉化。

煤在焦爐中的熱解溫度約為1 000～1 100 ℃，煤中的無機硫中的硫酸鹽的分解溫度約為1 350℃，所以硫酸鹽硫基本上不分解而進入焦碳中，而硫化鐵硫、元素硫和各類有機硫在800 ℃時可完全分解，所以硫化鐵硫及各類有機含硫化合物逐漸分解，一部分以氣體形式釋放，少量冷凝在焦油中，另一部分含硫氣體與在高溫下進一步與煤中有機質發生反應生成更穩定的有機硫，從而進入焦碳的碳硫復合體［3］。根據以上硫元素遷移轉化規律，一般煉焦生產中約30%～40%的硫分以氣體的形式逸出，約60%～70%最終固定于焦炭中。

單種煤硫的轉化率△S與其揮發分Vdaf之間的關系如圖1所示。

圖1 單種煤硫的轉化率△S與其揮發分Vdaf之間的關系

由圖1可知，隨著揮發分的增加，由煤到焦硫的轉化率是逐漸降低的，這是因為煤化度越低，煤中所含的有機硫含量越多。而在熱解（煉焦）過程中絕大部分有機硫以H2S、COS、噻吩等含硫化合物的形式轉入煤氣或煤化工產品中。而煤的硫分一般取決于成煤環境。海陸交替相或淺海相沉積的煤層，煤中的硫含量就比較高。內陸環境或濱海三角洲平原環境下形成的煤，硫含量就比較低；有機硫的含量一般取決于煤化度。因此，在煉焦生產中，除了降低配合煤的硫分外，也可以通過多配一些低煤化度、高揮發分的氣煤，以降低硫的轉化率而降低焦炭的硫分。

3 高硫煤質量分析評估

為了更好地分析高硫煤的理化質量和熱性能，通過煤的工業分析、巖相分析以及小焦爐試驗等分析手段對不同高硫煤進行全面的分析［4］，結合泰山鋼鐵1 780 m3高爐對焦炭質量的要求，選擇適合的高硫煤加以利用。

3.1 高硫煤的工業及巖相分析

為篩選符合我廠配合煤需求的高硫以及穩定焦炭質量的目的，分別選取山西柳林、兌鎮礦區高硫焦煤、離石礦區的高硫肥煤以及山東新汶礦區的高硫氣肥煤進行工業及巖相分析，詳見表1。

表1 高硫煤的工業分析

從表1可知，柳林和兌鎮高硫煤中反射率區間1.2%～1.7%占比分別達到91.80%和91.50%，標準偏差分別為0.08和0.06，離石高硫煤中反射率區間0.8%～1.2%達到94.90%，新汶高硫煤中反射率區間0.7%～0.9%達到87.70%，以上4 種煤的鏡質組反射率分布圖均呈正態分布，標準偏差均＜0.10，說明煤種均為單一煤種。其中兩個高硫焦煤和高硫肥煤具有黏結指數高，膠質層指數大，表明以上煤種具有良好的結焦性和黏結性，能夠單獨煉焦。新汶氣肥煤具有較高的黏結性，在結焦過程能夠形成大量的膠質體，具備較強的融惰能力。

3.2 高硫焦、肥煤的試驗分析

為進一步驗證高硫焦煤和高硫肥煤能否替代泰山鋼鐵焦化廠現用的焦煤和肥煤作為配煤的基礎煤種，對以下三種高硫進行小焦爐試驗與現用煤種進行比對，比對情況詳見表2。

表2 高硫焦、肥煤與常用煤種小焦爐試驗對比

從表2中可以看出，新增的高焦煤因具有較高的黏結性，熱強度要比常用煤的熱強度要高一些，M40和M10的情況基本一致，高硫煤的硫轉化率基本上在62%～68%，相對要好于常用煤的硫轉化率。通過表1 和表2 的數據來看，以上三種高硫煤都符合配煤煉焦的需求。

3.3 柳林高硫焦煤的小焦爐情況

柳林高硫焦煤的小焦爐試驗結果為：焦炭反應后強度77.30%，反應性14.70%，M4087.36%，M105.12%，焦炭粒徑＞80 mm 占比43.92%，60～80 mm 占比32.47%，40～60 mm 占比17.83%，＜20 mm占比5.78%。

從以上數據可知，柳林高硫焦煤具有較高的熱強度，冷強度，焦炭的粒徑均勻，20、45 倍顯微鏡結構（詳見圖2、3），焦炭結構致密，氣孔分布均勻。通過對該煤種的一系列的檢測實驗，在煉焦配煤過程中，該焦煤可以起到焦炭骨架的作用，從而提高焦炭機械強度，是優質的煉焦原料。

圖2 20倍顯微結構

圖3 45倍顯微結構

3.4 高硫氣肥煤的工業分析

山東能源翟鎮煤礦高硫氣肥煤的工業分析情況，詳見表3。

表3 翟鎮氣肥煤工業分析

從表3中可知，翟鎮氣肥煤的膠質體溫度間隔大于100 ℃，具有較好的塑性范圍。通過40 kg 小焦爐試驗，翟鎮氣肥煤硫分的逸出率達到55%～60%，僅40%左右的硫殘留在焦炭中，高于一般的煤炭熱轉化脫硫率，對焦炭生產是有利的。

4 高硫煤使用情況和實施效果

在對高硫煤的工業分析、巖相分析及小焦爐試驗的基礎上，結合泰山鋼鐵焦化廠現有配煤結構及煉焦煤資源的實際情況，增加省內氣煤、省外貧瘦煤的用量，降低優質焦、肥煤的用量，以達到滿足1 780 m3高爐對焦炭質量Ad≤12.8%、St.d≤0.85%、CSR≥68.5%、粒徑≥42 mm的要求，降低煉焦配煤成本的目的。為確定高硫煤合理的配比及成本情況，設定不同的配比方案進行小焦爐試驗進行對比分析詳見表4、5。

表4 高硫煤的不同配加比例 %

表5 不同配比下配合煤及焦炭質量

從表4、5 中可以得出，配加30%高揮發、低硫的氣煤和1/3焦煤時，配用高黏結的山西柳林、兌鎮地區的高硫焦煤10%、翟鎮氣肥煤10%，焦炭的硫分在0.90%左右，M40在87.40%左右，M10在6.20%左右，焦炭CSR 穩定在68.5%以上，粒徑大于44 mm，配煤成本下降47～89元。

5 結語

（1）配加新礦氣肥煤后，焦炭的冷態數據保持穩定，其粒度分布保持原有水平且有向好的趨勢，焦炭粒徑從42 mm 提升到42.95 mm，灰分、硫分穩定。配加翟鎮氣肥煤前后每噸干煤產煤氣量分別為328 m3和335 m3，配加氣肥煤后噸干煤的煤氣發生量約增加了7 m3。

（2）高硫煤因具有良好的結焦性和黏結性，在結焦過程能夠形成大量的膠質體，具備較強的融惰能力可與省內的1/3 焦煤、氣煤等低揮發煙煤形成互補，提高了低揮發煙煤的用量，并能生產出滿足高爐需求的焦炭。在穩定焦炭質量的同時，配用高硫煤煉焦既節約了優質焦肥煤的用量，擴大了煉焦煤的使用范圍。同時，高硫煤配用大大降低了生產成本，為企業創造了良好的經濟效益。