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贫瘦煤为主制备型焦的工艺方案探讨
籍永华，秦丙克，王春霞，石开仪
(六盘水师范学院化学与化学工程系，贵州 六盘水 553004)
摘 要：研究了以玉舍贫瘦煤为主要煤种制备型焦的工艺方案，利用正交试验考察了成型煤粒度组成、贫瘦煤配入比例、炭化速率、炭化时间、炭化终温等工艺条件对型焦质量的影响。通过对型焦质量检测结果比较分析，结果表明，最佳的工艺条件为：成型煤粒度小于1mm，贫瘦煤配入比例70%，炭化速率4℃/min，炭化时间4h，炭化终温900℃，此时制得的型焦符合国家二级冶金焦的要求。
关 键 词：贫瘦煤；型焦；工艺条件；正交试验
中国煤炭资源丰富但分布不均衡，其中对钢铁工业有很大影响的炼焦煤类储量并不丰富，只占煤炭总储量的30%左右，同时结焦性和黏结性均很好的肥煤和焦煤中很大一部分属于高灰、高硫、难选煤[1-2]。随着中国钢铁产量的逐年增加，对焦炭的需求量也日益加大。因此研究采用弱黏结煤进行配煤炼焦对于中国合理利用煤炭资源，节约优质的炼焦煤十分必要[3]。
自19世纪人们生产冷压型焦以来，型焦作为冶金、铸造用焦发展迅速。由于型焦工艺可以用较宽范围的煤种生产冶金焦、铸造焦和其他非高炉用焦，同时减少炼焦过程中对环境的污染，所以具有广阔的市场前景。本文以贫瘦煤为主要原料，采用冷压成型工艺制备型焦，研究了不同工艺条件对型焦质量的影响。
1 试验方法
选用玉舍贫瘦煤和盘县焦煤作为原料煤，煤质分析结果如表1所示。根据原料煤的煤质分析结果，结合配煤原理，在固定黏结剂质量分数为5%，成型水分质量分数为10%(不计入型煤质量)的条件下，采用正交试验进行了成型煤粒度组成、贫瘦煤配入比例、炭化速度、炭化时间和炭化终温等5个工艺条件与型焦质量的关系试验，正交试验表见表2。
成型时，每个型煤的质量定为50g，将贫瘦煤和焦煤按照上面设计好的试验方案中的配比分别称量，然后倒入烧杯中，加入10%蒸馏水混合后搅拌均匀，之后倒入成型模具中。在20MPa的压力下压实成型。得到规格尺寸为45mm×20mm的圆柱形煤块。制备好的型煤在室内放置一定时间后，进行下一步的炼焦试验。将压制好的型块放入方形铁盒中，密封后放入马弗炉中，按照设计的试验方案炭化成焦。
2 结果与讨论
对各种工艺方案下炼得的型焦进行质量检测，结果如表3所示。
考察每种工艺条件对型焦质量的影响时，采用的方法是先找出每一因素具体指标下的最佳方案，然后再进行比较分析。
2.1 粒度组成对型焦质量的影响
各粒度组成下的最优方案中的型焦质量指标数据见表4，原料煤的粒度组成主要影响型焦的强度，粒度组成与抗碎强度M40和耐磨强度M10的关系见图1。
从图1可以看出，当原料煤的粒度组成为1mm时，抗碎强度M40达到最大值，随后抗碎强度随着粒度组成的增大而减小；耐磨强度M10在粒度组成为1mm时达到最小值，之后随着粒度组成的增大而增大。配煤炼焦时，如果原料煤的粒度组成过粗，一方面由于黏结剂与煤粒黏和不均匀，成型时不易被压实；另一方面煤粒间有过多的黏结剂覆盖，容易引起炭化时型焦膨胀压力过大，产生裂纹[4]。粒度组成过细，不仅会增加粉碎机的动力消耗，使生产能力降低，增加装炉操作难度，同时由于细度过高时，会使黏结性煤产生“破黏”现象，降低焦炭质量[5-6]。综合考虑上述因素，以贫瘦煤为主制备型焦时，要制得强度好的焦炭，适宜的原料煤粒度组成应小于1mm。
2.2 贫瘦煤配入比例对型焦质量的影响
不同贫瘦煤配入比例下的最优方案中的型焦质量指标如表5所示，贫瘦煤配入比例与型焦灰分、硫分的关系如图2所示，与型焦强度的关系如图3所示。
配煤炼焦时，焦炭的灰分和硫分几乎全部来源于配合煤的灰分和硫分，所以要降低型焦的灰分和硫分，必须要降低配煤的灰分和硫分。从图2可以看出，当贫瘦煤配入比例为70%时，型焦灰分最低，随后随着贫瘦煤配入比例的增大而增大，这是由于配煤中贫瘦煤的灰分比较高。型焦硫分大体上随着贫瘦煤配入比例的增大而减小，这是由于配煤中贫瘦煤的硫分比较低。
从灰分来看，贫瘦煤配入的越少越有利于降低型焦的灰分从硫分来看，贫瘦煤配入的越多越有利于降低型焦的硫分。另外，试验中焦煤的挥发分比较高，配入过多会造成配合煤的挥发分高，炼焦时焦炭的收缩系数大，易产生裂纹，从而使焦炭的块度和强度降低，如图3所示。所以综合考虑上述因素，贫瘦煤配入比例选择70%比较适宜。
2.3 炭化速率对型焦质量的影响
不同炭化速率下的最优方案数据如表6所示，型焦强度与影响其强度的主要因素———炭化速率[7]的关系如图4所示。由图4可以看出，炭化速率为4℃/min时，型焦的抗碎强度最大，耐磨强度最低。所以，最佳炭化速率选为4℃/min。
2.4 炭化时间对型焦质量的影响
不同炭化时间下的最优方案数据如表6所示，炭化时间与型焦强度的关系如图4所示。从图4可以看出，当炭化时间为4h时，型焦的抗碎强度达到最大值，耐磨强度达到最小值。配煤炼焦时，在一定范围内，炭化时间越长，型焦强度越好。但炭化时间不能过长，过长会导致型焦内部颗粒间桥键断裂，黏结剂与小颗粒融合部分会因为聚合脱氢产生多孔结构，进而降低型焦的强度，因此需要控制炭化时间，避免出现“过火”现象。所以最佳炭化时间选择为4h。
2.5 炭化终温对型焦质量的影响
不同炭化终温下的最优方案数据如表7所示，炭化终温与型焦强度的关系如图5所示。由图5可以看出，当炭化终温为800℃时，型焦的抗碎强度最大，耐磨强度最低，但此时型焦Vdaf比较大，说明炭化终温不够高，型焦不够成熟。当炭化终温为900℃时，型焦的Vdaf比较小，且此时抗碎强度比较大，耐磨强度比较小，所以，最佳炭化终温定为900℃。
2.6 最佳工艺方案下型焦质量全面分析评价
通过对以上成型煤的粒度组成、贫瘦煤配入比例、炭化速率、炭化时间和炭化终温几种影响型焦质量的工艺条件进行分析，得出最佳工艺条件为：成型煤粒度等于1mm，贫瘦煤配入比例为70%，炭化速率4℃/min，炭化时间4h，炭化终温900℃，在此工艺条件下炼得的型焦质量指标如表8所示。由表8可以看出，在最佳工艺条件下制得的型焦符合国家二级冶金焦的质量要求。
3 结论
通过对贫瘦煤为主制备型焦的工艺方案研究，得到最佳工艺方案是：成型煤粒度等于1mm，贫瘦煤配入比例为70%，炭化速率4℃/min，炭化时间4h，炭化终温900℃，在此工艺方案下炼得的型焦质量各项指标均达到了国家二级冶金焦要求。这将有利于扩大炼焦煤资源，降低钢铁企业炼焦成本。
参 考 文 献：
[1] Chen Peng，Ma Jing-sheng.Petrographic Characteristics ofChinese Coals and Their Application in Coal Utilization Process[J].Fuel，2002，81(1)：1389.
[2] 朱子宗，廖占平，杨舫，等.利用新型煤粉改性剂优化炼焦配煤[J].煤炭学报，2010(35)：194.
[3] 廖占平，朱子宗，刁岳川，等.煤粉改性剂对非炼焦煤配煤炼焦的影响[J].钢铁，2010，45(7)：13.
[4] 王燕芳，高晋生，吴春来，等.工艺条件对型焦质量的影响[J].煤炭转化，1998，21(4)：29.
[5] 项茹，薛改凤，张雪红，等.不同粒度气煤和瘦煤参与配煤炼焦比较[J].煤炭转化，2010，33(3)：59.
[6] 罗道成，刘俊峰.无烟煤配入瘦煤和焦粉制备优质型焦[J].煤炭科学技术，2006，34(8)：61.
[7] 张玉君.用晋城无烟粉煤生产型焦的试验研究[J].选煤技术，1999(6)：17.
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