配煤技术中国内外煤资源与优化配煤技术检测方案(金相显微镜)

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.2-1、国内煤资源情况 2.2、国外煤资源情况 石焦集团总工程师 教授级高工 高志军 省管专家 2008.8 目 录1、背景·2、国内外煤资源情况.3、优化配煤技术3.1、高炉对焦炭质量的要求和焦化生产面临的问题3.2、焦炭质量的控制与预测3.2.1、炼焦煤的评价与分类及分组3.2.2、根据炼焦煤煤质指标控制与预测焦炭质量 3.3、推动配煤技术进步，合理利用宝贵的炼焦煤 资源 3.3.1、采用煤岩配煤技术开展科学配煤 3.3.2、应用煤岩学进行焦炭质量预测 3.3.3、建立配煤专家系统 3.4、重视煤灰成份对焦炭质量的影响4、结语 1、背景 2、国内外煤资源情况 我国煤炭资源丰富，但炼焦用煤种只占已查明煤炭资源储量的26%(2675亿吨)，至2001年底，中国炼焦煤种探明可采储量为660亿吨。在炼焦煤种资源中，由于煤的性质和质量等原因，并非所有的煤均可用于炼焦。目前实际生产的炼焦煤中约有50%用于生产炼焦精煤，其它均作为动力煤使用，使炼焦用煤更趋紧张。中国炼焦煤种分类资源储量分布见表2-1。 表2-1中国炼焦煤种分类资源储量分布 煤种 瘦煤、贫瘦煤 焦煤 肥煤、 气肥煤 气煤、 1/3焦煤 其它 占煤炭查明资 源储量% 4.17 6.20 3.36 12.00 0.51 占炼焦煤查明储量% 15.89 23.61 12.81 45.73 1.96 由表2-1可见，中国炼焦煤品种齐全，但分布不均匀，·气煤、 1/3焦煤在炼焦煤查明储量中约占46%，而配煤的主要组分焦煤 只占24%左右，肥煤和气肥煤合计仅占约13%，不仅如此，由于 我国焦煤、肥煤储量中有部分高灰、高硫、难洗选的煤，不适 用于炼焦，故优质焦煤和肥煤占查明煤炭资源储量的比例不足 6%和3%，焦煤和肥煤实属炼焦用煤的稀缺品种。炼焦煤各分类 煤种产量分布(2003年)见表2-2。 表2-22003年中国炼焦煤种分煤种产量分布 煤种 瘦煤、贫瘦煤 焦煤 肥煤、 气肥煤 气煤、 1/3焦煤 其它 各分类煤种产量% 13.02 19.44 19.62 40.63 7.29 从炼焦煤各分类煤种产量比例可见，气煤、1/3焦煤，瘦煤、贫瘦煤的产量略低于相应煤种的查明储量，肥煤、肥气煤产量远高于查明储量，而焦煤产量略低于查明储量。但是，由于灰分、硫分，粘结性等因素，真正作为炼焦用煤入洗的炼焦原煤仅占炼焦煤种产量的50%左右，资源回收率较低，部分炼焦煤仅作为动力煤使用。 七个煤矿分别是： 黑水矿(Blackwater mine) 1400万吨/年(炼焦煤+动力煤)； 峰景矿(Peak down mine ) 900万吨/年；萨阿吉矿 (Saraji mine) 800万吨/年；诺唯驰矿 (Norwich park mine ) 550万吨/年(炼焦煤+低挥发份煤)格瑞高矿 (Gregary mine)1130万吨/年；克里诺姆矿(Crinum mine) 430万吨/年； Hay point运输码头。 项目 单 诺唯驰 位Norw ich Park 萨阿 吉 Sar aji 峰景 Peak Dow ns 伊拉瓦拉Ill a- warra 河畔 River-一side 贡耶 拉 Goo n- vella 黑水 Bla ck- water 格瑞 高 Gre gor y Mar % 10 10 9.5 10 10 10 10 8.5 Vad % 17.8 19 20.5 22.5 22 23.8 27 33.5 Aad % 9.9 9.7 9.7 9.5 9.8 8.9 8 6.5 Sad % 0.65 0.62 0.6 0.42 0.55 0.52 0.5 0.6 CSN/FSI 9 8.5 8.5 7.5 7.5 8 6 9 磷(煤中) )9% 0.04 0.03 0.035 0.07 0.007 0.02 0.06 0.032 碱(灰中) % 1.5 1.6 1.3 1.4 1.3 1.2 2 1.1 a % 21 21 22 20 21 21 21 27 b % 55 75 80 60 65 90 10 125 项目 单 位 诺唯驰立 Norw ich Park 萨阿 吉 sa ra ji 峰景 Peak Do wn S 伊拉 瓦拉 Il la warra 河畔River side 贡耶 拉 Go on yella 黑水 Bl ac k- water 格瑞 高 Gre gor y ddpm 100 200 350 1750 500 1100 400 7500 Rmax 1.63 1.55 1.4 1.27 1.2 1.17 1.03 0.92 X mm 7 12 18 31 26 30 37 35 Y mm 15 15 19 21 21 22 13 19 M40 82 84 84 85 81 80 76 72 M10 8 7 7 7 7 7 9 8 CSR 67 74 74 73 72 68 35 60 炉壁压力(psi) 4.5 0.5 < 0. 5 < 0. 5 0. 5 < 0. 5 0. 5 ≤0.5 2.2.2、澳大利亚某矿业煤公司煤资源情况 澳大利亚也有碱金属或铁含量较高，所得焦炭热性质很差的煤，企业在采购时应格外注意。如澳大利亚某矿业公司煤质指标详见表2一4。 表2-4澳大利亚某矿业公司煤质指标 煤样名称 工业分析/% 碱/% 全水 M 内水分 Mad 灰分 A 挥发分 V'dgaf 全硫St..d 灰中碱 A-1 6.3 2.38 9.02 32.73 0.49 5.75 A-2 7.8 2.01 8.23 26.55 0.56 5.52 A-3 7.0 1.64 8.62 28.42 0.40 8.98 表2-4澳大利亚某矿业公司煤质指标示(续一) 煤样名称 膨胀序数 CSN 最大反射 率 Rmax 奥亚膨胀度 T℃ a% b% A-1 7 1.13 389 437 470 15 77 A-2 61/2 1.24 408 460 481 18 11 A-3 41/2 1.06 391 452 476 22 27 煤样名称 粘结指数 G 基氏流动度 胶质层指数mm T℃ Tmax TC max度 /min X Y A-1 89 408 446 482 11310 28.5 14.0 A-2 76 428 463 491 72 44.0 12.0 A-3 74 420 462 484 313 47.0 13.5 表2-5澳大利亚某矿业公司焦炭质量指标c(卖二) 2.3.1、充分利用国外优质炼焦煤资源 我国炼焦煤中优质焦煤和肥煤十分缺乏，开采和使用比例严重失调。为解决我国经济长期稳定发展与炼焦煤资源供应的协调，东部沿海省份应考虑多从国外进口优质焦、肥煤，各边境省份可从临近国家进口炼焦煤，减轻国内资源和运输压力，保护我国的炼焦煤资源。目前我国主要从澳大利亚和加拿大等国进口炼焦煤。政府应制定政策鼓励进口优质炼焦煤，同时限制炼焦煤出口。 煤沥青、焦油渣加入配煤中可提高配合煤的粘结性，减少强粘结性煤的配入量或增加弱粘结性煤的配入量。该方法适于配煤粘结性偏低、强粘结性煤缺乏或煤沥青销路不畅的企业应用。随着我国焦炭产量的激增及煤焦油加工能力的提高，焦油渣和煤沥青产量大幅度提高，为炼焦配煤配加提供了物质基础。配加煤沥青或焦油渣炼焦会带来装煤困难和上升管结石墨等问题，可采用与煤料压块装炉—即型块配煤方式解决。 对于配煤粘结性较高的企业，可以考虑配加优质的不粘煤、无烟煤、延迟焦、焦粉等，既可以针对性地改善焦炭质量，又可以节省炼焦煤资源。 3、优化配煤技术 3.1、高炉对焦炭质量的要求和焦化生产面临的问题 由于高炉容积日趋增大和风口喷煤量日渐提高，焦炭在高炉中停留时间随之增长，焦炭在高炉中劣化加剧。因此，提高焦炭质量是企业的紧迫任务。 目前，评价焦炭质量的主要指标有：灰、硫、Mao、Mc10反应性 (CRI)和反应后强度 (CSR) 我国几家大型钢铁企业的大型高炉焦炭质量达到以下指标：Aad≤12.5、St，d≤0.7、M40≥82、M10≤7、CRI≤30、CSR≥57。有些企业的焦炭质量远高于以上指标。 为合理地使用炼焦煤，炼焦生产企业对其进行分类及分组组和评价，据此，指导炼焦生产出质量满足用户要求的焦炭。通常，炼焦生产企业依据国家烟煤分类标准对炼焦用煤的分类和分组方法进行采购、使用。但由于国标烟煤分类技术指标的局限性和煤结构的复杂性，使得属于同一牌号的炼焦煤单独炼焦时，得到的焦炭质量相差悬殊，在炼焦配煤中的作用有很大差异。因此如何对炼焦用煤进行评价、分类、分组，从而合理采购和使用，对炼焦生产企业就是一项十分重要白的研究课题。 中国现行煤分类以挥发分为主要分类指标，煤的挥发分是表征煤的变质程度的指标。同一种煤中的镜质组、丝质组和稳定组具有不同产率的挥发分。煤中稳定组含量高的煤，用挥发分表征煤的变质程度会比实际偏低；反之，丝质组含量低，煤的变质程度会比实际偏高。另一项分类指标是煤的粘结性指标，粘结指数G、胶质层最大厚度Y和奥阿膨胀度b。其中，胶质层厚度仅仅是煤胶质体数量的指标，不是质量指标。因此，胶质层厚度相近的煤，焦炭质量可以相差很大。对于炼焦工作者来说，目前的煤分类，对于不同煤田相同牌号的煤在炼焦过程中不经炼焦试验不能确认其是否有互换性。 常用的评价炼焦用煤的技术指标主要有：挥发分Vdaf、灰分Ad、全硫Std、镜质组平均最大反射率Rmax、粘结指数G、胶质层最大厚度Y等。煤的变质程度：挥发分和镜质组平均最大反射率均是反映煤的变质程度的技术指标。挥发分测定方法简单、迅速、准确，但影响煤的挥发分的因素有：煤岩组成。煤的粘结性：选用粘结指数G，其意义是烟煤干馏时粘结其自身或外来的惰性物质的能力。胶质体数量：胶质层最大厚度Y表示胶质体的数量，不能反映胶质体的质量。为全面反应煤的粘结特性，还经常使用奥阿膨胀度和基氏流动度指标。结焦性：结焦性通常以单种煤或配合煤用40公斤或200公斤试验焦炉炼焦试验得到的焦炭强度来表示。按照评价方法应简单、迅速、科学合理的原则，首先用煤的灰分、挥发分、胶质层厚度、粘结指数初步评价煤的变质程度、胶质体数量、粘结性；用煤的镜质组反射率进一步分析煤的变质程度，用煤的反射率分布图分析煤的混质程度。最后进行试验焦炉炼焦试验评价煤的结焦性。综合考虑煤的各项指标后，划分类别和组别。 3.2.2、根据炼焦煤煤质指标控制与预测焦炭 质量 3.2.2.3、焦炭冷强度M40、M10的控制与预 焦炭热强度CRI、CSR主要与配合煤的反射率分布、粘结性和结焦性、惰性组分含量、灰成分(灰催化指数)等指标相关。在气煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤在配煤中煤种齐全且配比范围合理的条件下，焦炭的热强度也能实现一定程度的控制与预测。焦化企业大多是根据生产数据和经验预测和控制焦炭热强度，也有企业根据生产数据/和经验得出的统计公式或预测模型预测和控制焦炭热强度。但焦炭热强度的控制和预测远比其他指标难。实际情况是：大部分企业其他指标控制较好，而热强度指标波动大且较难控制，规律难寻。 根据生产经验：焦化厂生产配煤的工艺指标一般可以控制在：Vad25~28%，Y 15~18mm，粘结指数G 72~82，奥亚膨胀度b30~50%，基氏流动度100~2000，反射率Rrdm 1.00~1.08，惰性组分28~32%。配煤比合理，控制好这些指标，正常情况下，就能生产出较好的焦炭。尤其是冷态强度能达到一，二级冶金焦炭质量标准。热态强度多数情况可以达到较好水平，但可能波动较大。 3.3、推动配煤技术进步，合理利用宝贵的炼焦煤资源 随着高炉冶炼技术的提高，要求焦炭质量――灰、硫、冷强度和热强度稳定和提高。传统的经验配煤由于不能很好地实现从定性到定量的转化，尤其是对热强度的控制滩以奏效，若原料煤中有混合煤，就使得焦炭质量控制更加困难，企业只好多配用优质炼焦煤来保证焦炭各项质量指标不低于目标值，使企业的配煤成本增加且浪费了宝贵的优质炼焦煤。采用煤岩学配煤是解决这一问题的有效方法。 3.3.1、采用煤岩配煤技术开展科学配煤 3.3.1.1、煤岩配煤技术的概念 煤岩配煤技术是根据煤岩学的原理，利用煤岩学的检测方法和煤岩参数，指导炼焦原料煤管理、配合及其它煤焦工艺参数的调整，预测、控制焦炭质量，以达到稳定、提高焦炭质量、合理利用煤炭资源、降低生产成本的技术理论和技术方法。煤岩配煤的发展已经形成几条公认的基本原理： (1)煤是不均一的物质，煤是一种复杂的有机物质和无机物质的混合体。煤中有机物质的性质不同，在配煤中的作用不同。因此，可以说每种煤都是天然的配煤。根据煤在加热过程中的变化，把煤的有机物质按其在加热过程中能熔融并产生活性键的成分，视作有粘结性的活性成分；加热不能熔融的、不产生活性键的为没有粘结性的惰性成分。 3.3.1.2、煤岩学在炼焦煤采购和日常管理中的应用 由于焦炭产能的大幅度增加，炼焦煤供应紧张，一家焦化企业用几十种煤的情况非常普遍。由于煤分类的局限性和煤的复杂性，再采用简单的按煤分类牌号堆放炼焦煤的方法就会出现配煤比没变，但焦炭质量明显变化的现象，为确保炼铁生产稳定，只能按焦炭质量下限进行生产，炼铁焦比高，配煤成本高，煤资源利用不合理。解决的方法是：按照单种煤的镜质组反射率基本一致，反射率分布图围成的面积绝大部分重叠(见图3一24)，粘结性能和炼焦特性相近分类的原则进行堆放，就能使焦炭质量稳定，从而合理利用煤资源，降低了配煤成本。 研究表明，配合煤中单种煤的煤种结构不同，最佳配煤的反射率分布图的特征也不同。因此，应把配合煤反射率分布图特征也作为控制配煤的一个指标。 具体做法：按配煤方案中各单种煤镜质组反射率分布，通过加权平均得出配煤的反射率分布，并力求调整到理想的配合煤的反射率分布图。应避免有明显凹口的配合煤反射率分布图出现，因为这样可使配合煤在结焦过程中保证塑性状态的良好衔接和合适的焦炭光学显微组织组成的形成，保证焦炭在结焦过程中和形成焦炭的微观结构得到优化。.这种方法的应用使许多企业提高了配煤的水平，稳定了焦炭质量，减少了优质炼焦煤的配入量。 图3-25配合煤的反射率分布图 由于煤岩指标、数据众多和处理的复杂性以及煤质与焦炭质量之间的非线性关系，采用传统的经验配煤、经验公式和线性模型很难适应当前配煤工作的需要。采用人工神经网络及遗传算法结合计算机技术，通过采集大量配煤炼焦试验数据，运用这些新型数据处理方法来建立焦炭质量预测模型是近年来煤岩配煤工作的主要特点。这种综合了煤岩配煤理论、现代数学处理方法和计算机技术的配煤方法使配煤技术从经验的和定性的阶段进入科学的和数值化定量的新阶段。由于煤岩指标的采用，使配煤水平和焦炭质量指标预测精度明显提高，口中钢集团鞍山热能研究院的研究工作证明了以上观点，见表3一1、表3一2、表3一3、表3一4。 表3-1焦炭M4的预测 编号 实测值 采用煤质指标/ 采用煤岩指标 预测值 误差% 预测值 误差% HR-9 76.5 75.4 1.4 76.6 0.1 HR-10 74.1 79.9 7.8 76.1 2.7 HR-11 77.6 78.1 0.6 77.4 0.3 HR-12 78.3 76.4 2.4 77.4 1.1 HR-13 79.9 80.2 0.4 80.3 0.5 表3-2焦炭M 的预测 编号 实测值 采用煤质指标 采用煤岩指标 预测值 误差% 预测值 误差% HR-9 6.1 5.8 4.9 6.1 0 HR-10 6.5 7.6 16.9 6.6 1.5 HR-11 6.3 6.7 6.3 6.3 0 HR-12 6.4 5.6 12.5 6.3 1.6 HR-13 5.7 5.6 1.8 5.7 0 表3-3焦炭CRI的预测 编号 实测值 采用煤质指标 采用煤岩指标 预测值 误差% 预测值 误差% HR-9 38.5 41.4 7.5 38.3 0.5 HR-10 40.5 44.9 10.9 40.8 0.7 HR-11 39.0 40.5 3.8 39.6 1.5 HR-12 39.5 39.6 0.3 38.6 2.3 HR-13 35.0 33.6 4.0 34.5 1.4 表3一4 焦炭CSR的预测 编号 实测值 采用煤质指标 采用煤岩指标 预测值 误差% 预测值 误差% HR-9 51.2 50.1 2.1 52.1 1.8 HR-10 48.7 48.5 0.4 47.9 1.6 HR-11 50.8 45.6 10.2 51.4 1.2 HR-12 50.4 53.4 6.0 52.4 4.0 HR-13 56.2 57.6 2.5 54.6 2.8 信息技术、计算机技术和自动化技术使建立配煤专家系统成为可能。在建立了焦炭质量数值预测模型的基础上结合专家经验、煤焦数据库、生产管理流程可以建立针对具体焦化厂的配煤专家系统。 配煤专家系统的应用将煤资源、煤质指标、煤炭价格、焦炭质量要求、专家经验、煤焦历史数据等诸多因素相互关联，采用现代数学方法进行数值预测和方案优化，达到少用优质焦、肥煤，合理利用煤炭资源，降低配煤成本，提高配煤技术水平、管理水平和自动化水平等目的。 3.3.3.2、数据库模块 数据库主要包括：煤资源信息数据库和煤焦信息数据库。 煤资源信息数据库的功能主要是负责存储单种煤信息。主要包括单种煤的储量、开采、煤质、距离、价格、供应量等信息。 煤焦信息数据库的主要功能是负责存储配合煤、实验焦炉焦炭和生产焦炉焦炭的信息。 科学的煤场管理系统不仅有利于焦化厂全面、准确地掌握原料煤的信息，使配煤工作顺利进行，而且会使优化配煤、合理配煤成为可能。 煤场管理模块主要包括煤场来煤质量管理、煤场信息管理、煤资源采购管理等。煤场管理系统提供焦化厂原料煤供配系统、生产管理系统等综合指标和数据，是厂领导和生产技术人员分析本厂生产运行状态的依据。煤场管理模块根据进场煤堆放方式、进场煤质量管理、生产用煤管理等信息实现来煤质量、煤场储量、煤消耗等报表；向配煤系统提供准确的煤质、煤量等信息；并向原料煤采购系统提出采购请求。 ①进场煤的混煤鉴别 目前大多数焦化厂使用的单种煤往往都有不同程度的混洗现象，依据常规的分析手段，如工业分析、粘结指数测定等得出的煤质数据又不能有效的鉴别混煤，这给焦化厂的配煤工作带来了不便，甚至在经济上造成损失。应采用煤镜质组反射率方法有效鉴别混煤，煤场管理模块据此进行分别管理。 ②进厂煤的合理分类堆放 煤场中同一牌号的来煤，各供应商间的性质差别不一，若将同一牌号各供应商来煤不加区别地堆成一堆，就可能造成同一堆煤的性质波动较大。因此，必须准确区分同一种煤的各供应商间的来煤性质的差别，确保将性质相近的来煤堆成一堆，使煤场中各堆煤的性质得到均一、稳定。煤场管理模块根据煤资源信息数据库中和当前分析数据对来煤进行合理分堆和管理。 (2))煤场信息管理 煤场管理是根据煤场来煤情况和实际生产用煤状况建立的煤场信息动态跟踪系统，包括来煤信息、煤场信息、生产用煤信息。主要提供煤场内当时各种单种煤的现有库存量、具体堆放位置、对各单种煤的煤质数据和精确评价等信息。这样就能够实现煤场入库管理和显示煤场煤堆消耗现状的数据以及每堆煤煤质指标的实时计算，并具有进厂煤质量数据的录入、修改、删除、查询等功能。 (3)煤资源采购管理 根据煤资源数据库信息、炼焦配煤用煤方案及煤场存煤信息综合比较分析，通过专家系统可以确定企业合理煤资源供给策略及紧急状态下的煤资源供给策略并提出采购计划。 3.3.3·4焦炭质量预测模块 在配煤专家系统中，焦炭质量预测模块是专家系统的核心部分，焦炭质量预测模块的质量直接关系到配煤专家系统的使用效果。 目前，焦炭质量主要通过机械强度(M40、M，)， 焦炭热性质(CRI、 CSR)， 硫、灰分等几个指标来表征。在焦化厂备煤和炼焦工艺等条件稳定的情况下，焦炭质量主要决定于炼焦煤的性质。炼焦煤性质和焦炭质量之间的关系不是线性的。因此，本专家系统主要通过结合专家经验、合适的煤质指标、先进的数学处理方法等手段来建立焦炭质量预测模型，以保证焦炭质量预测的稳定性。 (1)专家经验 我国传统的经验配煤，要求配合煤的煤质指标保持在一定的范围内。专家系统应吸收其中的有益经验。同时，将专家经验纳入专家系统，可使预测模型对配合煤的煤质指标及单种煤的配入比例等进行指标设定及科学地调整，使配煤保持在合理的范围内。 (2)选择合适的煤质指标 3.3.3.5配煤优化模块 炼焦配煤优化决策模型可以根据焦炭质量预测模型、用户对焦炭质量的要求、煤场各种煤的质量、价格和库存量等信息，以专家经验为指导自动计算出满足焦炭质量要求的配煤成本最低的配煤方案。 3.4、重视煤灰成份对焦炭质量的影响 焦炭的机械强度和热强度都与煤阶、煤的粘结性及 焦炭光学显微组织、气孔结构密切相关，焦炭的反应性和反应后强度还与炼焦煤中灰成分有很大关系。煤灰成分中的碱金属、碱土金属和金属氧化物对焦炭与CO2反应具有明显的催化作用，致使焦炭反应性增大、反应后强度下降。如2.2.2节，表2-4所列出的澳大利亚某矿业公司的三种炼焦煤碱金属含量均很高，其焦炭的反应性高和反应后强度低。因此，焦化企业应将煤灰成分作为焦炭的反应性和反应后强度的预测参数，并作为炼焦煤日常采购、管理和配煤的控制指标。 4、结：1语