最优活惰比及高活性组分质量煤种浅析

供稿|隋月斯，王刚，刘波，王亚枫，池学平

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

内容导读

煤的活惰比是指煤中活性组分与惰性组分的比值。活性组分质量与煤的变质程度息息相关，而煤的镜质组平均最大反射率是目前国际上公认标志煤的变质程度最佳的一个指标。本文通过引入镜质组活性权方程，得出加权活惰比，结合焦化厂特定来煤实际，作出CSR-A/I曲线，得到最优活惰比区间为2.9～3.1，对应高活性组分质量煤种的平均最大反射率R′max区间为1.29～1.49。配入高活性组分质量煤种后，配煤中优质活性组分得到有效提高，在一定范围内可多配入成本较低的瘦煤和1/3焦煤，同时提高焦炭质量。运用最优活惰比理论，对同一煤种的不同单种煤进行最优区间评估，可以充分利用单种煤特性，优化配煤，提高焦炭质量。

煤的多样性及成因复杂性造成煤在使用过程中表现出千差万别的性质。目前各种理论都存在一定局限，尚未形成普适的精确配煤理论，不能全面反映煤的结焦性质，需要深入研究每种理论的优缺点，并加以综合运用才能有所成效。煤的活惰比是煤岩理论中的重要指标之一，指煤中活性组分(煤在加热过程中能软化熔融生成胶质体的组分)与惰性组分(煤在加热过程中不软化、形成焦炭光学组织中丝炭和破片的组分)的比值。活惰比虽然可以表征煤的活性组分在数量上的性质，以及惰性组分的构成，但是不能表征活性组分在质量上的性质，这也使它在应用中受到很大的限制。活性组分质量与煤的变质程度息息相关，而煤的镜质组平均最大反射率是目前国际上公认标志煤的变质程度最佳的一个指标[1]。根据煤岩配煤原理，配合煤中存在最优活惰比，即活性组分数量与惰性组分数量达到最佳比值时，焦炭强度最好[2]。同时为了更好地表征煤的活性成分的数量性质和质量性质，更好地体现煤的结焦性，引入加权活性方程优化活惰比。由于各单种煤中活性组分质量不一样，配煤中活性组分与惰性组分合适比例只适用于该配煤中仅有的煤种[3]。不同焦化厂用煤各有自身特点，生搬硬套理论容易脱离生产实际。因此，需要结合焦化厂实际煤种特性，找出最优活惰比，充分利用各煤种特性，优化配煤，改善焦炭质量。

试验方法

加权活性方程

根据武汉科技大学戴中蜀的镜质组活性权函数方程[1]，不同变质程度煤种的活性成分质量加权程度不同，使变质程度不同的煤的活性成分具有加和性，可以更好地体现炼焦煤的结焦性质。

式中，ρv为镜质组活性权函数值；R为镜质组反射率。根据式(1)作曲线图(图1)。

图1 活性权函数曲线图

小焦炉试验

取10种焦化厂现有炼焦单种煤，其中焦煤5种，分别是J1、J2、J3、J4和J5；肥煤2种，分别是F1和F2；1/3焦煤2种，分别是1/3J1和1/3J2，瘦煤1种，S1。测出每种单种煤镜质组反射率以及活惰比，并根据方程(1)得出加权活惰比。对各单种煤做40 kg小焦炉炼焦试验，分别测出焦炭反应后强度CSR。

工业焦炉配煤炼焦试验

统计焦化厂实际用炼焦煤不同煤种的活惰比、粘结指数G值和镜质组平均最大反射率Rmax。先做6种配煤方案(方案0～5)的工业炼焦试验，测对应指标。再做4种方案的炼焦试验(方案6～9)，并测定对应指标，进行高活性组分质量煤种试验对比。

结果与讨论

小焦炉试验

◆ 最优活惰比

10种单种煤的镜质组反射率、A/I、加权A/I和CSR见表1。由表1作加权A/I-CSR拟合曲线图，见图2。瘦煤S1单独炼焦CSR结果很小，而肥煤F2偏离过大未在图中显示。

◆ 试验结果分析

根据表1和图2可以得出最优活惰比区间为2.9～3.1，极值点在3.0左右，在最优活惰比区间内，煤中活性组分与惰性组分匹配合理，成焦过程中相互作用完全，对应的焦炭质量(CSR＞52%)也较好。当活性组分逐渐降低，粘结组分不足以粘结惰性组分后，焦炭裂纹增加、强度降低；当活性组分逐渐增大，粘结组分过多，惰性组分不足，则会使焦炭气孔壁变薄，导致焦炭质量降低。在引用镜质组活性权函数后，配煤中各单种煤活性组分具有了加和性，如果忽略单种煤之间自瘦化作用，单种煤和配合煤均可以参考最优活惰比，优化配煤，提高焦炭质量。

表1 不同单种煤指标

图2 加权A/I-CSR拟合曲线

另外，根据表1，可以通过最佳活惰比区间得出对应的提升焦炭质量贡献最大的变质程度区间，即平均随机反射率R′ran区间为1.21～1.40，根据转换公式(2)(炼焦煤范围内，R′max和R′ran具有线性关系)可以算出平均最大反射率R′max区间为1.29～1.49，表明在此区间的煤种对改善配煤活性组分质量效果最好。

工业焦炉试验

对焦化厂实际用炼焦煤各单种煤的A/I、粘结指数G值和R′max进行统计(表2)。焦煤、肥煤、1/3焦煤和瘦煤，分别用J、F、1/3J和S表示，其中FJ是焦煤中的一种单种煤。

表2 各单种煤指标统计

最优活惰比理论在工业焦炉试验中的应用，具体配比及检测结果见表3。

表3 配煤方案及指标对比表

◆ 最优活惰比应用及高活性组分质量煤种

由表3可知，除了方案0的活惰比较大外，方案1～5的活惰比均接近最优活惰比区间2.9～3.1，焦炭质量也好于方案0，这与前述最优活惰比理论相验证。另外，选取高活性组分质量煤种的活惰比范围在2.9～3.1，最大反射率R′max区间为1.29～1.49。根据统计表2可以看出FJ煤的活惰比范围在1.8～3.4，最大反射率R′max区间为1.3～1.4，G值为87～95很高，它是焦煤组中单种煤中最符合条件的。方案1～5是在方案0的基础上加大FJ煤比例，同时提高瘦煤比例，焦、肥煤比例均为55%、1/3焦煤与瘦煤比例均为45%不变，可以看出焦炭质量均好于方案0。加入少量的高活性组分质量煤种，其加入比例虽小，但是加强配煤活性物组分质量的作用却很大，小比例的加入就可以非常有效的改善配煤的高质量活性成分含量，因此可以加入更多的成本更低的瘦煤和1/3焦煤与之匹配，得到的焦炭质量热强度CSR更高。此外FJ煤的价格与其他焦、肥煤价格相当，因此具有高性价比，但其受资源量及成本影响，可以少量配入，达到提高成本较低的瘦煤和1/3焦煤配入比例、提高焦炭质量的目的。

方案1～3是保持其他煤种比例不变情况下，加大焦煤中的FJ煤比例，焦炭质量CSR表现不明显。由此可见，单纯提高FJ煤比例意义不大，虽然提高了配煤中的高质量活性成分比例，但是对应惰性组分配合比例没有对应变化，焦炭质量变化不大。方案4与方案2对比，加大1/3焦比例、降低瘦煤比例，焦炭热强度CSR下降，这是由于配煤中活性成分加大造成。方案5进一步加大FJ煤比例，同时提高瘦煤比例，降低1/3焦比例，对应焦炭质量较高。

取方案0及方案5对应焦炭试样，通过电镜扫描检测的焦炭微观结构图见图3。

图3 焦炭的SEM图：(a) 方案0；(b) 方案5

由图3可以看出，方案5对应的焦炭的微观形态更好，基质质地更加均匀致密，结合界面不明显，这说明在加大FJ煤后，焦煤与肥煤比例适当时，配煤的高质量活性组分质量及数量充裕，提高瘦煤比例后，配煤中的活性组分与惰性组分匹配性更好，在成焦过程中界面反应更加充分，相互作用程度更大，因此焦炭界面结合更好，气孔壁更厚，对CO2的吸附性降低，熔损劣化反应减缓，进而焦炭热强度CSR得到提高，能保持较高的骨架支撑作用。因此，配入高活性组分质量煤后，配煤中优质活性组分得到有效提高，在达到活性组分质量和数量均较好、容惰能力很强的条件下，在一定范围内多配入瘦煤不但降低成本还能提高焦炭质量。

◆ 高活性组分质量煤种判定方法应用

方案6与方案7的配比相同，方案8与方案9的配比也相同，仅对应煤种所用单种煤不同，统计各煤种的活惰比、R′max分布见表4。

由表4可以看出方案6与方案7的煤种配比相同，但同煤种选用来自不同矿点的单种煤，选用肥煤种中的F2肥煤配煤后对应的焦炭质量更好一些。这是因为F2肥煤的活惰比(2.1～3.9)比F1(2.1～5.5)更接近最优活惰比区间，因此对改善焦炭质量作用更大。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，超出最佳活惰比范围很多，对提高配煤中活性组分质量贡献变小，造成活性组分过多，焦炭质量有所下降。因此，运用最优活惰比理论，对各单种煤进行最优区间评估，关注其中高效改善活性组分质量煤种以及偏离高质区间的煤种，可以为优化配煤、提高焦炭质量提供参考。

表4 不同单种煤在相同配比下的情况统计

结束语

(1) 引入镜质组活性权方程后，得到加权活惰比，结合特定焦化厂来煤情况作CSR-A/I曲线，得出最优活惰比区间为2.9～3.1。高效改善配煤活性组分质量的平均最大反射率R′max区间为1.29～1.49。

(2) 通过配入高活性组分质量煤种后，配煤中优质活性组分得到有效提高，在达到活性组分质量和数量均较好、容惰能力很强的条件下，在一定范围内多配入成本较低的瘦煤可以提高焦炭质量。

(3) 运用最优活惰比理论，对相同煤种不同单种煤进行最优区间评估，注重关注其中高效改善活性组分质量煤种以及偏离高质区间的煤种，为充分利用煤种特性、优化配煤、提高焦炭质量提供参考。