張 文 成

(寶山鋼鐵股份有限公司研究院 梅鋼技術(shù)中心，江蘇 南京 210039)

0 引 言

煤巖學方法中的反射率分布和煤巖顯微組分是研究煉焦煤性能的基礎(chǔ)指標之一，其為國際煤分類的關(guān)鍵指標以及國外煉焦配煤的關(guān)鍵控制指標。在國內(nèi)促使煤巖學在中國焦化領(lǐng)域得到普及的主要原因是混煤判斷問題[1]，但隨著煉焦煤資源日益復雜，僅從煤巖反射率分布來判定混煤已不能滿足生產(chǎn)需求。為此需通過深入對應用煤巖學研究，開展煤巖學方法在異常煉焦煤煤質(zhì)評價中應用。

煤巖學方法與傳統(tǒng)煉焦煤指標相比具有很多優(yōu)點，通過反射率分布和煤巖顯微組分可更多反映煤質(zhì)特性，且不受灰分、硫分等因素影響。煤巖自動檢測技術(shù)的發(fā)展已促進煤巖學方法的應用[2-3]。國內(nèi)外許多學者對煤巖學在煉焦煤評價中的應用進行廣泛深入的研究。在煤巖反射率應用方面，韓劍[4]利用煤巖分析鑒別單種煤質(zhì)量，由此分析混煤程度及強化煤源的監(jiān)控；何海東[5]應用煤巖反射率測定系統(tǒng)實現(xiàn)了混煤的鑒定和煤質(zhì)異常原因分析；齊洪濤[6]利用鏡質(zhì)組反射率確定單種煤是否為混煤及其混煤程度，對評價和鑒別單種煤質(zhì)量發(fā)揮重要作用；姚伯元[7]針對商品煤反射率分布圖判別方法中存在的問題進行研究，提出新的分類方法，將具有1個凹口的相同牌號和相鄰牌號的混煤均可視為單煤；胡德生[8]利用反射率分布圖提出鏡質(zhì)組黏結(jié)指數(shù)，克服直接使用煤巖鏡質(zhì)組反射率值不能反映出混煤對煤質(zhì)影響的不足；張文成[9]利用煤巖反射率分布圖提出微強黏比WQN概念，彌補用反射率方差進行混煤評價的不足；龐克亮[10]根據(jù)鏡質(zhì)組反射率直方分布圖的正態(tài)分布特點優(yōu)化配煤結(jié)構(gòu)，提高焦炭質(zhì)量；JAMES等[11]研究大分子含量和有機化學方面的差異，指出單一的反射率指標也不能完全確定煤炭等級。在煤巖顯微組分應用方面，楊友輝[12]根據(jù)計算得到的各煤種加權(quán)活惰比得出配合煤的活惰比，以配合煤的最佳活惰比為準則，指導配煤并預測焦炭質(zhì)量；邊春楊[13]研究認為成焦過程中惰質(zhì)組也有著不容忽視的作用，鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組的合理配比及相互作用也決定最終的焦炭質(zhì)量；白向飛[1]認為對于同一煤樣的合適活惰比其實未有定論，應根據(jù)實際用煤情況而定，生搬硬套“活惰比”概念可能誤導生產(chǎn)；TARA 等[14]研究大分子的結(jié)焦行為，通過比較樣品熱解前后的光學圖像，認為煤的顯微組分對結(jié)焦行為起到關(guān)鍵作用；王越等[15]研究煤巖自動測試系統(tǒng)在煤焦異常判定領(lǐng)域如焦炭異常判別、混入焦炭(半焦)甄別、化產(chǎn)油收率高等研究中應用。

目前學者們對煤巖學在混煤評價方面的研究較多，而對煉焦混煤從應用的角度進行分類的研究卻較少，因而煤巖學方法針對異常煤判定后可制定相應的應對措施，對于穩(wěn)定焦炭質(zhì)量具有重要意義。以下實驗利用圖像法煤巖分析設(shè)備開展對不同混煤的巖相特性研究，科學解讀反射率分布及煤巖學組分特性，以期為混煤判別與應用提供參考，發(fā)揮反射率在科學配煤中的作用。

1 試驗方法

1.1 試驗樣品

試驗樣品均取自生產(chǎn)樣品9個，其中焦煤5個、肥煤2個、1/3焦煤1個、蘭炭1個，樣品的質(zhì)量特性見表1。

1.2 試驗方法與設(shè)備

1.2.1儀器設(shè)備

煤巖分析設(shè)備為BRICC-M型全自動煤巖分析系統(tǒng)，配置反射偏光顯微鏡ZEISS Imager A2m、Epiplan-Neofluar反差增強型油浸物鏡，數(shù)值孔徑為1.0，顯微鏡總放大倍數(shù)為500倍；另配置在線數(shù)碼相機加拿大PixeLINK、感光元件CCD芯片、自動掃描物臺BRICC SCAN及控制器，其中芯片尺寸2/3英寸，灰階為16bit。全自動煤巖分析系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 BRICC-M型全自動煤巖分析系統(tǒng)

1.2.2煤巖反射率自動測定

煤巖反射率自動測定參照國家標準GB/T 40485—2021煤的鏡質(zhì)體隨機反射率自動測定-圖像分析法進行分析，主要步驟包括圖像采集、反射率測試2個部分。

(1)圖像采集。利用ZEISS Imager A2m偏光顯微鏡上部45°分光鏡調(diào)節(jié)反射光進入顯微相機，利用BRICC SCAN電動平臺實現(xiàn)煤巖光片的自動移動，分別選擇煉焦煤樣品進行實驗，采集過程實時自動調(diào)焦，采集900幅圖。

(2) 反射率測試。利用藍寶石(GBW 13403)、釔鋁石榴石(GBW 13402)及釓鎵石榴石(GBW 13401)3個反射率測試一級標準物質(zhì)得到標準曲線。利用圖像法煤巖自動測試系統(tǒng)進行測試分析，得到反射率分布。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 鏡質(zhì)組反射率分析

鏡質(zhì)組反射率測定實現(xiàn)自動化、科學化則更有利于煤巖反射率的推廣應用。對采集的900幅圖片自動識別鏡質(zhì)組并測定反射率，如圖2所示。其中，綠色標記點為自動識別的鏡質(zhì)組，可以人工復檢鏡質(zhì)組組分，若有標記錯誤則可修改，實現(xiàn)過程可追溯。另外，采用圖像法可達到幾十萬個測點，得到的反射率分布更具有代表性。

圖2 煤巖鏡質(zhì)組反射率自動測試

2.2 由反射率分布判定混煤

檢測得到反射率分布，其最主要目的是將其用于判斷是否為混煤，根據(jù)商品煤的煤巖判定標準分為單一煤層煤及多個凹口混煤等6個編碼，由于國標規(guī)定得較為細致，因而給實際應用帶來困惑。在煉焦配煤實際應用的角度，混煤主要分為3類，即包括同類煉焦煤混煤、混入低品質(zhì)煉焦煤的混煤和混入非煉焦煤的混煤。

2.2.1同類煉焦煤的混煤

同類煉焦煤的混煤主要常見于同類焦煤的混煤，主要是由于焦煤類的反射率范圍相對較寬從1.1%～1.6%，為了調(diào)整灰分、硫分，通常將2個及以上煤層或礦點的煤混洗，不同變質(zhì)程度的焦煤容易形成2個峰。JM1和JM2的混煤反射率直方圖如圖3、4所示。

圖3 同類焦煤混煤JM1的反射率直方圖

由圖3可知，鏡質(zhì)組反射率方差為0.22，變異系數(shù)為0.16，按國標判定為混煤，直方圖中2個主峰在1.15%和1.45%，反射率為1.33%，小焦爐DI轉(zhuǎn)鼓強度為83.5%，反應后強度為66.1%；由圖4可知，鏡質(zhì)組反射率方差為0.16，變異系數(shù)為0.11，按國標判定為混煤，直方圖中2個主峰值分別在1.25%和1.45%，反射率為1.48%，小焦爐DI轉(zhuǎn)鼓強度為81.9%，反應后強度為68.5%。盡管其2個峰或方差較大，由于同為焦煤類，其煉焦性能不會因混煤而劣化太多，因此對于同類混煤一般為可接受。

2.2.2混入低質(zhì)煉焦煤的混煤

不同類煉焦煤的混煤主要指混入低質(zhì)煉焦煤，此為最常見的混煤方式，如在焦煤中混入1/3焦煤或氣煤，不僅屬于同類煤的混洗問題，有可能為了經(jīng)濟利益而故意混入。JM3和JM4的混煤反射率直方圖如圖5、6所示。

圖5 混煤JM3反射率分布

由圖5可知，鏡質(zhì)組反射率方差為0.18，變異系數(shù)為0.17，按國標判定為混煤，直方圖中2個主峰在0.85%和1.20%，反射率為1.08%，小焦爐DI轉(zhuǎn)鼓強度為79.6%，反應后強度為62.2%。由圖6可知，鏡質(zhì)組反射率方差為0.18，變異系數(shù)為0.14，按國標判定為混煤，直方圖中2個主峰在0.90%和1.35%，反射率為1.34%，小焦爐DI轉(zhuǎn)鼓強度為79.5%，反應后強度為61.6%。低品質(zhì)煉焦煤2個峰之間的差別較大，混入反射率在0.7%～0.9%范圍內(nèi)的氣煤或1/3焦煤，此類混煤引起單種煤的煉焦特性下降，在使用過程中宜采取分峰剝離的方式，通過分峰分別計入不同煤類，保證真正焦煤和肥煤等強黏煤的比例，降低對焦炭質(zhì)量影響。

2.2.3混入低變質(zhì)煤的混煤

低變質(zhì)煤主要指長焰煤或不黏煤，在煤巖反射率分布圖中常表現(xiàn)為有拖尾，混入低變質(zhì)煤的混煤反射率分布如圖7、8所示。

由圖7可知，鏡質(zhì)組反射率方差為0.18，變異系數(shù)為0.17，按國標判定為混煤；直方圖中2個主峰在0.50%和1.10%，反射率為1.03%，小焦爐DI轉(zhuǎn)鼓強度為74.6%，反應后強度為48.7%。

由圖8可知，鏡質(zhì)組反射率方差為0.16，變異系數(shù)為0.17，按國標判定為混煤；直方圖中2個主峰在0.55%和0.90%，反射率為0.93%，小焦爐DI轉(zhuǎn)鼓強度為74.4%，反應后強度為50.3%。

圖8 混入低變質(zhì)煤的混煤SJ1之反射率分布

上述混煤中反射率在0.4%～0.6%范圍內(nèi)的低變質(zhì)煤，由于低質(zhì)煤的混入而造成煉焦煤的煉焦特性較差。

該配煤煉焦得到的焦炭有黑點的問題，如圖9所示；在顯微鏡下觀察呈現(xiàn)無反光的惰性成分，如圖10所示。

圖9 低變質(zhì)混煤煉焦后的焦炭表面

圖10 低變質(zhì)混煤煉焦后的焦炭在顯微鏡下的形貌

將該焦炭進行反應性和反應后強度試驗，發(fā)現(xiàn)其中的黑點優(yōu)先發(fā)生反應，反應后在焦球形成孔洞，造成焦炭反應性增加，焦炭反應后強度降低?；烊氲妥冑|(zhì)煉焦煤的混煤煉焦焦炭反應后實物如圖11所示，由此進一步驗證孔洞是由無黏結(jié)的大塊長焰煤引起，此與王越等的研究結(jié)論一致[16]。但在實際生產(chǎn)過程中應避免混入低變質(zhì)煤，因個別煤種通常會引起焦炭質(zhì)量的較大波動。

圖11 混入低品質(zhì)煉焦煤的混煤煉焦焦炭反應后實物

2.3 由煤巖顯微組分判定異常煤

2.3.1由鏡質(zhì)組的邊緣龜裂判定煤氧化

JM5為進口煉焦煤，由于運輸及海關(guān)過程較長而造成煉焦煤的氧化，其基氏流動度或奧亞膨脹度下降。在顯微鏡下觀察鏡質(zhì)組，發(fā)現(xiàn)鏡質(zhì)組的邊緣出現(xiàn)龜裂，如圖12所示。

圖12 煤氧化在顯微鏡下的邊緣龜裂特性

煤的氧化導致煉焦煤黏結(jié)性能下降，引起焦炭冷熱強度波動，因而特別針對周期較長的進口煤，煤的氧化則為更應關(guān)注的指標之一。

2.3.2由顯微組分特性判定蘭炭的混入

在煉焦煤種混入蘭炭，由于蘭炭的反射率較高，自動測定時蘭炭常被誤判為絲質(zhì)組，因此煤巖鏡質(zhì)組反射率自動分析時通常不能檢測出蘭炭。試驗選取混入揮發(fā)分為11.36%的蘭炭LT1，其在顯微鏡下的特征如圖13所示。

圖13 蘭炭在顯微鏡下的組分特征

通過觀察蘭炭在顯微鏡下的組分特性，可以判斷出是否有蘭炭。蘭炭在煉焦過程中起到惰性物的作用，直接配入蘭炭會造成焦炭的質(zhì)量波動。另外，在噴吹用無煙煤中混入蘭炭，可以通過煤巖組分對其進行判定，但由于蘭炭的可磨性及燃燒性能并不差，因而適當混入蘭炭不會對高爐噴吹造成較大的影響。

2.3.3由顯微組分特征判定工業(yè)廢渣的混入

FM2是1種肥煤，煉焦煤各項宏觀指標均無異常，小焦爐試驗冷態(tài)強度76.1%正常，但焦炭反應后強度35.2%很低。FM2煤的反射率分布如圖14所示。

圖14 FM2煤的反射率分布

從圖14可看出，F(xiàn)M2煤的鏡質(zhì)組反射率為1.06%，方差為0.12，屬于基本正常。通過觀察顯微鏡組分可發(fā)現(xiàn)非煤組分，如圖15所示。

圖15 工業(yè)廢渣在顯微鏡下的組分特征

由圖15中工業(yè)廢渣在顯微鏡下的組分特征分析可知，在煉焦煤中混入非煤物質(zhì)，該非煤物質(zhì)被界定為工業(yè)廢渣，但由于在自動分析中廢渣的光學特性和鏡質(zhì)組不同而不能檢出。煉焦煤中混入工業(yè)廢渣而造成煉焦配煤的成焦性能降低，焦炭反應性增加，焦炭反應后強度降低。通過灰成分分析，其CaO含量高達8%，其催化指數(shù)MCI達到7.44，遠高于其他煉焦煤，進一步印證在煉焦煤中已混入工業(yè)廢渣。

3 結(jié) 論

(1)煤巖反射率的應用主要用于判定混煤，從煉焦配煤應用的角度將混煤分為3類，即同類混煤、混入低質(zhì)煉焦煤和混入低變質(zhì)煤，3類混煤應區(qū)別對待，尤其需避免混入低變質(zhì)非煉焦煤。

(2)煤巖顯微組分是對煤巖反射率自動測定系統(tǒng)的補充，通過觀察顯微組分特征，可以判斷煉焦煤的氧化、混入蘭炭及混入工業(yè)廢渣等是引起煉焦煤異常的主要原因。

(3)煤巖學方法是判定煉焦煤異常的主要技術(shù)手段，但煤質(zhì)評價也不應過度依賴煤巖特性分析。由于煉焦煤形成的復雜性，針對煤巖特性較好的煤，其煉焦特性也可能較差，因此應更深刻理解煤巖指標對傳統(tǒng)指標具有補充作用，而非對傳統(tǒng)指標起到完全替代作用。