1、炼焦配煤优化1 炼焦配煤概念及相关指标1.1 基本概念（1）炼焦用煤是指在焦炉炼焦条件下，用于生产一定质量焦炭的原料煤。（2）炼焦煤是指单种煤炼焦时，可以生成具有一定块度和机械强度的焦炭的煤。这类煤具有一定粘结性（能够在高温条件下融化、粘接其他物质） 。炼焦煤按变质程度可以划分为气煤、肥煤、气肥煤、1/3 焦煤、焦煤和瘦煤。（3）炼焦是将炼焦煤在密闭的焦炉内隔绝空气高温加热放出水分和吸附气体，随后分解产生煤气和焦油等，剩下以碳为主体的焦炭。（4）炼焦配煤是指将几种不同类别的炼焦用煤，按一定比例配合作为加入炼焦炉炼焦的过程。1.2 炼焦煤的相关指标（1）水分将煤加热到 105110 并保持恒温，
2、直至煤样处于恒重时，煤样的失重即为煤样水分的质量，该质量占煤样质量的百分比即为水分。配合煤的水分大小稳定性对焦炉操作、焦炭产量和质量以及环保、炉体寿命有很大影响。配合煤的水分一般在 412%。（2）细度炼焦用煤使用小于 3mm 粒级所占的含量（细度）作为入炉煤的细度。炼焦用煤的粒度组成对焦炭质量影响很大，要根据不同煤种进行粉碎和筛分。对于硬度较高的气煤等煤种要细破碎，对于易粉碎的焦煤和肥煤可有较大的粒度。常规炼焦（顶装煤）时为 75%80%，配型煤炼焦时约 85%，捣固炼焦时为 90%以上。（3）灰分将煤在 815的条件下完全燃烧后所得的残渣作为煤的灰分，残渣占煤样质量的百分数，称为煤的灰分产
3、率。焦炭的灰分主要来自配合煤，配合煤灰分可按各单种煤灰分用加和计算，也可直接测定。在炼焦过程中，煤的灰分全部转入焦炭，配合煤的灰分控制值可根据焦炭灰分要求按下式计算：(1-1),%coalcokeAK其中， 、 分别为煤和焦炭的灰分， 为全焦率，%coalAcke（4）硫分配合煤硫分可以按单种煤硫分加权得到，也可以直接测定。在炼焦过程中，煤中的部分硫酸盐和硫化铁转化为 FeS、CaS、FenSn+1 而残留在焦炭中，另一部分如有机硫则转化为气态硫化物，在流经高温焦炭层缝隙时，部分与焦炭反应生成复杂的硫碳复合物而装入焦炭，其余部分则随煤气排除，随出炉煤气带出的硫量因煤中硫的存在形态及炼焦温度而异
4、。煤中硫分转入焦炭的百分率：(1-2)=10%SS残 复 煤 气煤 煤则配合煤的硫分控制值可按焦炭硫分要求用下式计算：(1-3)KS煤 焦 ，其中， ， 分别为煤、焦炭中的硫分， %S煤 焦（5）煤化度通常可以用可燃基挥发分 和镜质组平均最大反射率 表示。dafVmaxR挥发分 是指在高温（900 ）条件下，将煤隔绝空气加热一定时间，煤dafV的有机质发生热解反应，呈气态析出的小分子化合物。煤的镜质组反射率是指镜质组在绿光中的反射光强相对于垂直入射光强的百分比。在粉煤光片上测得的大量随机反射率的平均值即为平均随机反射率。（6）粘结性煤的粘结性是指烟煤在干馏时产生的胶质体粘结自身和惰性物料的能力
5、。煤的粘结性是指单种煤或配合煤在工业焦炉的炼焦条件下，粘结成块并最终形成具有一定块度和强度的焦炭的能力。通常用粘结指数（G ）或胶质层指数（Y）表示。粘结指数 G 的测量通过将煤样与标准煤在坩埚内混匀后，在马弗炉中灼烧一定时间，冷却后称量焦渣的重量，根据计算公式得到该种煤的粘结指数，其值一般在 5872。胶质层最大厚度 Y（mm）是煤在胶质层测定仪中所测得的指标，它代表煤的粘接性、胶质体流动性、热稳定性及透气性等，一般在 1722mm 范围内。2 炼焦配煤的意义配煤炼焦可以起到合理利用焦炭资源，保证炼焦生产，为高炉提供合格焦炭的作用。在我国发展炼焦配煤主要基于以下几点：（1）炼焦煤储量不容乐观
6、我国虽然是煤炭生产大国，但主要是动力煤，用于炼焦的焦煤和肥煤储量较少。根据国家安监局统计数据，我国炼焦煤占世界查明储量的 13%，占我国煤炭总量的 26.63%，主焦煤和肥煤分别占炼焦煤的 21%和 13%。加之随着近年来国家推行大型焦炉，不断提高炉容淘汰落后产能，未来对于优质肥煤和焦煤的需求量将会大量增加。因此，必须大力发展炼焦配煤技术，扩大炼焦用煤的范围，缓解资源紧缺带来的压力。（2）煤炭分布不均匀我国煤炭资源的地理分布极不平衡。呈现出成煤时代多、分布面积广、分布不平衡现象。大体上是北多南少，西多东少，具有天然的区域分异性。煤炭资源的分布与消费区分布极不协调，华东地区 87%的煤炭资源储量
7、集中在安徽、山东，而工业主要在以上海为中心的长江三角洲地区；中南地区煤炭资源的 72%集中在河南，而工业主要在武汉和珠江三角洲地区；西南煤炭资源的 67%集中在贵州，而工业主要在四川；东北地区 52%的煤炭资源集中在黑龙江，而工业则集中在辽宁。（3）炼焦用煤质量较差虽然我国炼焦用煤中的焦煤、肥煤黏结性好，但一般属于较难洗选的煤，洗精煤的灰分和硫分都很高，导致用量受到一定限制。我国所产的气煤和弱黏结性煤黏结性差，但属于易选煤，灰分和硫分较低，其资源储量比较丰富，价格相对便宜。因而在配煤炼焦中，配入适量的气煤和弱黏结煤，因其挥发分高、收缩度大、便于推焦，且煤气焦化产品回收也多，有利于焦化产品的回收
8、利用。3 炼焦配煤理论配配煤原理主要建立在结焦原理基础上，分为三大类。第一类是以烟煤的大分子结构及其热解过程中由于胶质状塑性体的形成，使固体煤粒粘结的塑性成焦原理；第二类是基于煤的岩相组成的差异，决定于煤粒有活性与无活性之分；第三类是以 60 年代以来发展起来的中间相成焦原理，该原理认为烟煤在热解过程中产生的各向同性胶质体中，随热解进行会形成有大的片状分子排列而成的聚合液晶，也叫中间相。3.1 胶质层叠加原理该理论认为：配合煤中各单种煤的胶质体的软化区间和温度间隔能较好地搭接，使得配合煤在炼焦过程中，能在较大的温度范围内处于塑性状态，从而改善粘结过程，并保证焦炭结构的均匀性。各煤种的塑性温度区
9、间不同如图 1所示，其中肥煤的开始软化温度最早，塑性温度区间最宽；瘦煤固化温度最晚，塑性温度区间最窄；焦煤，1/3 焦煤，肥煤，气煤，瘦煤适当配合可扩大配合煤的塑性温度范围。这种方法的缺点是所用煤必须为单种煤，配煤比例还需要通过实验确定。图 1 不同煤种的塑性温度区间3.2 互换性原理煤的有机质可分为活性组分和非活性组分（惰性组分）两大类。日本城博提出用粘结组分和纤维质组分来指导配煤，按照他的观点，评价炼焦配煤的指标，一是粘结组分（相当于活性组分）的数量，这标志煤粘结能力的大小；另一是纤维质组分（相当于非活性组分）的强度，它决定焦炭的强度。要制得强度好的焦炭，配合煤的粘结组分和纤维质组分应有适
10、宜的比例，而且纤维质组分应有足够的强度。当配合煤达不到相应要求时，可以用添加粘结剂或瘦化剂的办法加以调整，据此提出了互换性配煤原理图，由图 2 可形象地看出：图 2 互换性配煤原理该理论对配煤的指导作用在于解释了影响焦炭质量的因素，但是无法定量的给出配煤比。3.3 传氢共炭化理论炼焦煤和非炼焦煤如沥青类有机物共炭化时，如能得到结合较好的焦炭，称为不同煤料的共炭化。由于主焦煤量愈来愈少，因此不用或少用主焦煤的配煤方法得以发展。大量采用非粘结煤与弱粘结煤，通过添加剂从化学、物理性能上对这些煤进行改质，在共碳化过程中达到类似优质炼焦煤的水平，以改善焦炭的质量。以上方法都是按照“以焦、肥煤为主，气、肥
11、、焦按一定比例配合”的模式配煤，现代焦炉几乎都沿用这种由多种炼焦煤配合炼焦的模式。现行配煤技术不足之处在于很少吸取近代焦化基础理论方面所获得的成果，始终停留在定性的、经验的配煤阶段，这样难免使煤料调配不精或不准。造成这一结果的主要原因是现行的配煤技术是以现行炼焦煤分类为基础，这样的分类方法有诸多问题，它对配煤技术的作用是有一定限度的。3.4 煤岩学配煤理论煤岩学是用研究岩石的方法来研究煤的学科。它以显微镜为主要工具，兼用肉眼和其他技术手段，研究自然状态下煤的岩相组成、成因、性质、变质程度及加工利用性质。煤岩学起始于 1830 年，英国的 Hutton 为煤岩学奠定了基础。他发明了光片技术，19
12、19 年，英国 M.Stopes 提出了将宏观煤岩成分划分为4 中类型：镜煤、亮煤、暗煤和丝炭。促使了煤岩学的系统发展。1928 年E.Stach 发明了粉煤光片，从而促进了应用煤岩学的发展。反射率测定方法的应用对煤岩学的发展起了重大作用，自 20 世纪 70 年代以来，由于计算机技术和图像分析设备的应用，煤岩学得到更加迅速的发展和广泛的应用。随着煤质基础工作的深入和配煤技术的发展，科学配煤几乎离不开煤岩学，目前各国发展的配煤技术几乎都与煤岩学发生联系，主要是基于以下几个基本原理。（1）煤是不均匀的有机物混合体，这些有机物的性质不同，在配煤中的作用不同，因此可以说每一种煤都是天然的配煤。（2）
13、活性成分的反射率分布图解是炼焦煤性质的首要指标，各种煤的活性成分质量不均一，质量差别很大，所含的活性成分的组成也不同，因此每一种煤的活性成分反射率图解呈正态分布。（3）另一个重要的指标是惰性成分含量，惰性成分和活性成分都是配煤中不可或缺的成分，配煤中主要视不同活性成分与适量惰性成分的组合。（4）成焦过程中，煤粒间并不是互熔成均一的焦块，而是通过煤粒间的界面反应，键合而联结起来的，当然也还有物理结合的过程。目前公认镜质组平均最大反射率（如图 3 所示）是代表煤变质程度的最佳参数，因为镜质组是煤中的主要组分，在整个变质过程中，特别是在烟煤变质程度阶段，镜质组的反射率成线性规律变化，变化幅度也较大，
14、同时镜质组反射率的测试排除了其它煤岩组分和矿物的干扰，比挥发分更具有优越性。它为定性分析和定量配煤提供了理论依据。大量生产实践证明，配合煤镜质组的反射率分布应尽可能均匀，没有太大的凹口，曲线连续，最高峰在 1.21.3%之间。图 3 理想的配煤反射率曲线图3.5 配煤试验工具的发展在配煤实验工具方面，20 世纪 50 年代是通过在生产中的现代焦炉炭化室中，按规定的位置和操作，放置于特定规格、装满配合煤的铁箱，在炭化室与煤料一起炭化，然后将铁箱中的焦炭做转鼓实验，以此来判断配煤方案的优劣；60 年代，铁箱实验被 200kg 小焦炉试验替代，消除了铁箱试验时种种不稳定因素，并且对生产焦炉的模拟性也
15、较好；70 年代，200kg 小焦炉在设备和操作方面进一步得到完善；90 年代以来，试验焦炉进一步小型化，典型的有 20kg 和40kg 试验焦炉，都采用了电加热自动控制，得到了广泛应用。4 炼焦配煤方案的优化最优化配煤炼焦一般分两种情况：一是在给定煤源、焦炭质量满足某一条件下，使得配合煤的成本达到最低的配煤方案；二是在可能条件下使焦炭质量达到最优的配煤方案。优化理论的一般过程如图 4 所示：确定目标函数、寻找约束条件，求解优化方程。No输入煤种及其煤质分析数据输入每种煤的最大使用量焦炭质量要求优化方程组的求解约束条件矛盾Yes确定最优化配煤方案输出结果图 4 优化配煤的一般求解过程目标函数有经济最大化， ，其中 为 煤的价格， 为 煤的配入量。iZcxi ix约束条件有焦炭的质量指标约束(灰分，硫分，强度等)、配比最低限度约束、炼焦煤源约束、某些特殊质量要求等。该类方程为单目标线性规划方程，可以采用单纯形方法求解。
