高硫煤在炼焦配煤中的应用实践

玄振法，郭会良，赵 磊，武 康，张 侠

（山东泰山钢铁集团有限公司，山东 济南 271100）

1 我国炼焦煤资源状况

随着高炉大型化的发展，对焦炭的要求也越来越高，低灰、低硫、高强度的焦炭已成为炼铁和焦化工作者关注的重点［1］。在我国炼焦煤种类虽然比较齐全，但是分布和产量却差别较大。其中优质的强黏结性主焦煤和肥煤储量仅占全国炼焦煤总储量的30%左右［2］。其中有一半以上的肥煤含硫量较高，1/3的焦煤也是高硫煤。

中国炼焦煤占世界总储量的26.25%，已查明的资源储量达2 765 亿t，基础储量为1 263 亿t，而炼焦煤储量仅占我国煤炭总储量7.65%，优质炼焦煤则更少。我国炼焦煤主要为气煤、焦煤、瘦煤和肥煤，炼焦煤资源不仅比重小，而且品种也不均衡，其中低变质的气煤居多，占全国炼焦煤查明资源储量的38.4%，其次为焦煤和肥煤，分别占比21.4%、16.9%。强黏结性的优质资源稀缺，这就造成在我国焦炭生产过程中焦煤和肥煤比例不足，1/3 焦煤和气煤过多的状况。我国炼焦煤行业经过多年的发展，其野蛮式开发积累的问题开始出现，主要问题有后备炼焦煤资源不足、优质炼焦煤资源被过度开发以及产出存在结构性矛盾等问题。

在《煤炭产品品种和等级划分》中，煤炭硫份等级划分9 级以上（含9 级）的煤（含硫量＞2%）称为中高硫煤，此煤不适合炼焦使用。中高硫煤资源总量大约占全国煤炭资源总量的9.33%，而山东省的炼焦煤资源主要以低变质、高挥发的气煤和1/3 焦煤为主，其硫分在0.4%～0.75%。从全国的炼焦煤资源情况和焦炭质量要求来看，利用高热强度、高黏结的高硫焦煤在炼焦配煤中势在必行。本研究主要探讨如何利用好省内低硫的炼焦煤资源，优化配煤方案，增加强黏结性、高硫炼焦煤的配用，以达到稳定焦炭热强度、控制焦炭硫分和降低炼焦配煤成本的目的。

2 煤中硫的迁移规律

煤中的硫主要以无机硫和有机硫两种形态存在，无机硫的主要形态是硫化物（大部分以黄铁矿FeS2硫形态存在）、硫酸盐（主要为硫酸钙和硫酸铁等）和元素硫（微量）。无机硫中以硫铁矿形式存在的硫占绝大部分，并以大块团聚或是非常精细的小颗粒（直径0.1～0.6 μm）镶嵌在煤的大分子结构里。以硫酸盐形态存在的硫数量很少超过煤总量的0.1%，煤种硫分以有机硫为主，占比达到80%以上。

煤中的有机硫绝大多数属于煤质大分子结构的一部分，以桥键形式连接煤质大分子的各个环，与煤的大分子网络结构交联在一起。煤中的有机硫约占总硫的1/3～1/2，按其结构可以分为脂肪族硫、芳香族和杂环族硫三类。包括硫醚（脂肪族或芳基）、硫醇（脂肪族或芳基）、噻吩、环硫醚等。最主要的几种有机硫为二苯并噻吩、噻吩、脂肪族硫醚等。含硫官能团的反应性与和硫原子相连的取代基结构有关。硫醇、硫醚比较活泼，在成煤过程中，硫醇依次向硫醚、噻吩结构转化。

煤在焦炉中的热解温度约为1 000～1 100 ℃，煤中的无机硫中的硫酸盐的分解温度约为1 350℃，所以硫酸盐硫基本上不分解而进入焦碳中，而硫化铁硫、元素硫和各类有机硫在800 ℃时可完全分解，所以硫化铁硫及各类有机含硫化合物逐渐分解，一部分以气体形式释放，少量冷凝在焦油中，另一部分含硫气体与在高温下进一步与煤中有机质发生反应生成更稳定的有机硫，从而进入焦碳的碳硫复合体［3］。根据以上硫元素迁移转化规律，一般炼焦生产中约30%～40%的硫分以气体的形式逸出，约60%～70%最终固定于焦炭中。

单种煤硫的转化率△S与其挥发分Vdaf之间的关系如图1所示。

图1 单种煤硫的转化率△S与其挥发分Vdaf之间的关系

由图1可知，随着挥发分的增加，由煤到焦硫的转化率是逐渐降低的，这是因为煤化度越低，煤中所含的有机硫含量越多。而在热解（炼焦）过程中绝大部分有机硫以H2S、COS、噻吩等含硫化合物的形式转入煤气或煤化工产品中。而煤的硫分一般取决于成煤环境。海陆交替相或浅海相沉积的煤层，煤中的硫含量就比较高。内陆环境或滨海三角洲平原环境下形成的煤，硫含量就比较低；有机硫的含量一般取决于煤化度。因此，在炼焦生产中，除了降低配合煤的硫分外，也可以通过多配一些低煤化度、高挥发分的气煤，以降低硫的转化率而降低焦炭的硫分。

3 高硫煤质量分析评估

为了更好地分析高硫煤的理化质量和热性能，通过煤的工业分析、岩相分析以及小焦炉试验等分析手段对不同高硫煤进行全面的分析［4］，结合泰山钢铁1 780 m3高炉对焦炭质量的要求，选择适合的高硫煤加以利用。

3.1 高硫煤的工业及岩相分析

为筛选符合我厂配合煤需求的高硫以及稳定焦炭质量的目的，分别选取山西柳林、兑镇矿区高硫焦煤、离石矿区的高硫肥煤以及山东新汶矿区的高硫气肥煤进行工业及岩相分析，详见表1。

表1 高硫煤的工业分析

从表1可知，柳林和兑镇高硫煤中反射率区间1.2%～1.7%占比分别达到91.80%和91.50%，标准偏差分别为0.08和0.06，离石高硫煤中反射率区间0.8%～1.2%达到94.90%，新汶高硫煤中反射率区间0.7%～0.9%达到87.70%，以上4 种煤的镜质组反射率分布图均呈正态分布，标准偏差均＜0.10，说明煤种均为单一煤种。其中两个高硫焦煤和高硫肥煤具有黏结指数高，胶质层指数大，表明以上煤种具有良好的结焦性和黏结性，能够单独炼焦。新汶气肥煤具有较高的黏结性，在结焦过程能够形成大量的胶质体，具备较强的融惰能力。

3.2 高硫焦、肥煤的试验分析

为进一步验证高硫焦煤和高硫肥煤能否替代泰山钢铁焦化厂现用的焦煤和肥煤作为配煤的基础煤种，对以下三种高硫进行小焦炉试验与现用煤种进行比对，比对情况详见表2。

表2 高硫焦、肥煤与常用煤种小焦炉试验对比

从表2中可以看出，新增的高焦煤因具有较高的黏结性，热强度要比常用煤的热强度要高一些，M40和M10的情况基本一致，高硫煤的硫转化率基本上在62%～68%，相对要好于常用煤的硫转化率。通过表1 和表2 的数据来看，以上三种高硫煤都符合配煤炼焦的需求。

3.3 柳林高硫焦煤的小焦炉情况

柳林高硫焦煤的小焦炉试验结果为：焦炭反应后强度77.30%，反应性14.70%，M4087.36%，M105.12%，焦炭粒径＞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%。

从以上数据可知，柳林高硫焦煤具有较高的热强度，冷强度，焦炭的粒径均匀，20、45 倍显微镜结构（详见图2、3），焦炭结构致密，气孔分布均匀。通过对该煤种的一系列的检测实验，在炼焦配煤过程中，该焦煤可以起到焦炭骨架的作用，从而提高焦炭机械强度，是优质的炼焦原料。

图2 20倍显微结构

图3 45倍显微结构

3.4 高硫气肥煤的工业分析

山东能源翟镇煤矿高硫气肥煤的工业分析情况，详见表3。

表3 翟镇气肥煤工业分析

从表3中可知，翟镇气肥煤的胶质体温度间隔大于100 ℃，具有较好的塑性范围。通过40 kg 小焦炉试验，翟镇气肥煤硫分的逸出率达到55%～60%，仅40%左右的硫残留在焦炭中，高于一般的煤炭热转化脱硫率，对焦炭生产是有利的。

4 高硫煤使用情况和实施效果

在对高硫煤的工业分析、岩相分析及小焦炉试验的基础上，结合泰山钢铁焦化厂现有配煤结构及炼焦煤资源的实际情况，增加省内气煤、省外贫瘦煤的用量，降低优质焦、肥煤的用量，以达到满足1 780 m3高炉对焦炭质量Ad≤12.8%、St.d≤0.85%、CSR≥68.5%、粒径≥42 mm的要求，降低炼焦配煤成本的目的。为确定高硫煤合理的配比及成本情况，设定不同的配比方案进行小焦炉试验进行对比分析详见表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质量

从表4、5 中可以得出，配加30%高挥发、低硫的气煤和1/3焦煤时，配用高黏结的山西柳林、兑镇地区的高硫焦煤10%、翟镇气肥煤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 稳定在68.5%以上，粒径大于44 mm，配煤成本下降47～89元。

5 结语

（1）配加新矿气肥煤后，焦炭的冷态数据保持稳定，其粒度分布保持原有水平且有向好的趋势，焦炭粒径从42 mm 提升到42.95 mm，灰分、硫分稳定。配加翟镇气肥煤前后每吨干煤产煤气量分别为328 m3和335 m3，配加气肥煤后吨干煤的煤气发生量约增加了7 m3。

（2）高硫煤因具有良好的结焦性和黏结性，在结焦过程能够形成大量的胶质体，具备较强的融惰能力可与省内的1/3 焦煤、气煤等低挥发烟煤形成互补，提高了低挥发烟煤的用量，并能生产出满足高炉需求的焦炭。在稳定焦炭质量的同时，配用高硫煤炼焦既节约了优质焦肥煤的用量，扩大了炼焦煤的使用范围。同时，高硫煤配用大大降低了生产成本，为企业创造了良好的经济效益。