加拿大与中国煤炭分类与处理的初步比较

*Ting Lu, P. Eng. and Gerard Laman

Tetra Tech, WEI 555 West Hastings Street Vancouver, Canada V6B 1M1

(*Corresponding author: ting.lu@wardrop.com)

摘要

这篇文献比较了加拿大所采用美国试验材料学会（ASTM）煤炭分类标准与中国所采用GB标准。两种炼焦煤分类标准的初步联系在此建立起来。在GB分类体系中，有9种炼焦煤被用于炼焦配合煤，分别为贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、½中粘煤、弱粘煤、1/3焦煤、气煤和气肥煤。贫瘦煤大致等同于低挥发分烟煤；瘦煤、焦煤和肥煤大致等同于中挥发分烟煤；½中粘煤、弱粘煤、1/3焦煤和气煤等同于中挥发分至高挥发分烟煤；气肥煤含有比高挥发分烟煤更高的挥发分。

本文亦比较了两国通常使用的粘结性指标。这些指标包括加拿大使用的自由膨胀系数（FSI）和最大流动度（maximum fluidity），以及中国主要使用的粘结指数（GR.I.）和最大胶质层厚度（Y值）。从实验中可以发现，最大流动度与粘结指数具有比Y值更高的关联。 本文最后部分简要讨论了炼焦煤处理过程和典型炼焦煤质量。最近，两国都有一种使用重介质旋流器的趋势。在加拿大，传统的两产品重介质旋流器（two-product cyclone）更被偏爱，而在中国，三产品重介质旋流器被更广泛地使用。

关键词：煤炭等级系统比较，ASTM，GB，结焦性，洗煤方式

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术语表

ASTM b CSN CSR ddpm dmmf FSI FAS GB R. I GR.I maf mmf P Pm Qgr ROM S Y

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American Society for Testing and Materials maximum dilatation Crucible swelling index number Coke strength, after reaction dial division per minute dry mineral matter free basis free swelling index free alongside ship standard GB/T5751-1986 Roga Index caking index moist ash free mineral matter free phosphorus transmittance gross calorific value run of mine sulphur plastic layer thickness 美国材料试验协会 最大膨胀度 坩埚膨胀系数 焦炭反应后强度 吾氏流动度 干燥无矿物质基 自由膨胀系数 船边交货 GB /T5751-1986标准 罗加指数 粘结指数 恒湿无灰基 无矿物质基 磷 透光率 总热值（高位发热量） 原矿 硫 胶质层厚度 引言

煤可以被简单地分为两类：1）用于燃烧提供热能的电煤；2）用于炼制钢铁行业所使用焦炭的炼焦煤。炼焦煤含有比电煤更高的热能。除此之外，在碳化过程中它提供独特的胶质性，最终产生被称为“焦炭”的高碳多孔体。焦炭是钢铁行业中最重要的原料之一。

生产一吨焦炭大概需要1.4吨炼焦煤。生产一吨粗钢通常需要0.5-0.6吨焦炭作为还原剂、热源及高炉中支撑骨架。据估计，70%的钢铁通过使用高炉生产，其余的通过电炉生产。

自1996年以来，炼焦煤售价显著上涨。来自美国能源部门的能源情报署数据显示，1996年第一季度平均价格为46美元/短吨，在2008年末达到最高点156元/短吨，由于经济下滑，在2009年第三季度下降到111美元/短吨。近期，2011年第一季度价格为170美元/短吨。以上所有价格均为FAS（船边交货）价。

最近，高卖价和钢铁市场的积极预期驱使人们积极获取炼焦煤。在工作中，我们发现在煤炭分类系统及主要炼焦特性中存在一些不同。本文试图呈现两种体系中的异同，以及主要炼焦煤质量参数。中国炼焦配煤的要求同样在本文中呈现出。本文最后部分比较了中国与加拿大所使用的洗煤方法的异同。

煤的等级分类（COAL CLASSIFICATION BY RANK COMPARISON）

加拿大采用的煤炭分类方法是基于固定碳和干燥无矿物质基（dmmf）热值的ASTM等级体系，这一体系作为煤炭分类一般性准则，被加拿大于1938年采取使用。表1列出了在ASTM标准下的煤炭等级分类法。烟煤类别是唯一用于炼焦的组别，它主要根据挥发分的不同分为3类，包括低挥发分烟煤、中挥发分烟煤和高挥发分烟煤。而高挥发分烟煤又根据恒湿无矿物质基（mmf）热值，按递减顺序进一步分为A、B、C级别。 表 1 - 煤的等级分类 (ASTM D-388) 挥发分 煤炭等级 % 干燥无矿物质基dmmf I 无烟煤类别 变质无烟煤 无烟煤 半无烟煤（瘦煤） II 烟煤 低挥发分烟煤 中挥发分烟煤 高挥发分烟煤A 高挥发分烟煤B 高挥发分烟煤C III 次烟煤 次烟煤A 次烟煤B 次烟煤C IV 褐煤 褐煤A 褐煤B < 2% 2% ~ 8% 8% ~ 14% 14% ~ 22% 22% ~ 31% > 31% > 31% > 31% >31% ≥ 14,000 13,000 ~ 14,000 10,500 ~ 13,000 10,500 ~ 11,500 9,500 ~ 10,500 8,300 ~ 9,500 6,300 ~ 8,300 < 6,300 ≥ 32.6 30.2 ~ 32.6 24.4 ~ 30.2 24.4 ~ 26.7 22.1 ~ 24.4 19.3 ~ 22.1 14.7 ~ 19.3 < 14.7 ≥ 7791.58 7217.97 ~ 7791.58 5831.73 ~ 7217.97 5831.73 ~ 6381.45 5282.02 ~ 5831.73 4612.81 ~ 5282.02 3513.38 ~ 4612.81 < 3513.38 不结焦 不结焦 普遍结焦 英热/磅 (Btu/ lb) 恒湿无矿物质基mmf 高位发热量范围 兆焦/千克 (MJ/kg) 恒湿无矿物质基mmf 千卡/千克(Kcal/Kg) 恒湿无矿物质基mmf 不结焦 结焦特性

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中国煤炭分类由国标GB/T5751-1986定义，如表2所示。有九种烟煤表现出炼焦特性，包括贫瘦煤、瘦煤、焦煤、1/3焦煤、肥煤、气肥煤、气煤、1/2中粘煤和弱粘煤。处理挥发分值，GB标准采用了3种炼焦特性来区分不同的烟煤种类。这些炼焦特性包括根据罗加指数(ISO335-1974)修改而来的粘结指数(GR.I.)、最大胶质层厚度(Y, mm)、和最大膨胀度(b,%)。恒湿无灰基(maf)高位发热量与透光率(Pm)仅用于区分褐煤。 中国煤炭分类 (GB/T5751-1986) 类别 组群 中文 无烟煤 无烟煤1号 无烟煤2号 无烟煤3号 烟煤 贫煤 贫瘦煤 瘦煤 焦煤 1/3焦煤 肥煤 气肥煤 气煤 1/2中粘煤 弱粘煤 不黏煤 长焰煤 褐煤 褐煤1 褐煤2 代号 WY-01 WY-02 WY-03 PM PS SM' JM 1/3JM FM QF QM 1/2ZN RN BN CY HM1 HM2 干燥无灰基挥发分 Vdaf % ≤3.5 3.5 - 6.5 6.5 - 10 10 - 20 10 - 20 10 - 28 10 - 28 28 - 37 10 - 37 >37 28 - 37 20 - 37 20 - 37 20 - 37 >37 >37 >37 粘结指数 GR.I ≤5 5 - 20 20 - 65 50 - 65 >65 >85 >85 35 - 65 30 - 50 5 - 30 ≤5 ≤5 Y值 mm ≤25 ≤25 >25 >25 ≤25 最大膨胀率 b % ≤150 ≤220 >150 >220 ≤220 透光率 Pm % >50 ≤30 30 - 50 恒湿无灰基总热值 Qgr, maf MJ/kg ≤23.9 注：最新的煤炭分类国标为：GB/T 5751-2009

两种分类体系中炼焦煤的挥发分对比如图1所示。GB和ASTM煤炭分类法的普遍联系为：贫瘦煤等同于低挥发分烟煤；瘦煤、焦煤和肥煤似乎属于低、中挥发分烟煤类别；1/2中粘煤、弱粘煤、1/3焦煤和气煤等同于中、高挥发分烟煤；气肥煤含有比高挥发分烟煤更高的挥发分。

图1 GB和ASTM烟煤分类的对比

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GB炼焦煤挥发分范围较ASTM的炼焦煤范围更为广泛。例如，肥煤的挥发分为10%-37%；瘦煤和焦煤的挥发分约为10%-28%。更广的挥发分范围意味着炼焦煤质量潜在的高波动。这也意味着需要其他炼焦参数来进一步区分GB炼焦煤。这将在下一部分讨论。

炼焦煤质量要求

现代高炉需要由优质炼焦煤冶炼的高质量焦炭。 化学成分、灰分和水分

炼焦煤最重要的化学成分包括硫、磷和碱金属（钠、钾）。这些特性，连同水分和灰分，应该根据对炼铁过程的影响进行控制。煤中的硫会转移到焦炭中并会影响钢或铁的质量。尽管在炼铁过程中硫可以被去除，但是成本太高。灰分会从煤转移到焦炭中并影响炉渣生产的铁水质量。碱金属会减弱焦炭强度并腐蚀高炉耐火砖。大多数高炉要求焦炭为7%-9%灰分、0.65%- .85%硫、0.03%-0.06%磷和0.2%-0.4%碱金属。 粘结特性

评估粘结特性的参数可以分为三类：1）描述炼焦过程中流动物质数量与质量的参数，包括胶质层最大厚度（maximum plastic layer thickness）、最大流动度（maximum fluidity）和最大膨胀度（maximum dilatation）；2）描述焦炭剖面图和几何学的参数，比如自由膨胀系数（FSI）、葛金焦型（Grey-King index）和坩埚膨胀系数（Crucible swelling index number ,CSN）；3）关于煤炭结合惰性物质的粘结能力的参数，包括罗加指数（Roga Index , G. I.）。

自由膨胀系数、最大流动度和最大膨胀度在北美地区更为流行，而中国通常使用粘结指数、胶质层最大厚度和最大膨胀度。自由膨胀系数、粘结指数、胶质层最大厚度、最大流动度将在下文探讨。 ·自由膨胀系数FSI

FSI是初步评估煤炭粘结特性最简单的方法。燃烧后产生的焦渣可以通过肉眼观测来与标准形状比较。数字0-9被指定（ASTM D-720）用于描述不同的轮廓。典型的FSI值如表3所示。不列颠哥伦比亚省东北和东南煤矿生产的炼焦精煤的FSI值通常在6-8之间。

表3 FSI典型值

煤炭类型 不粘结 弱粘结 中粘结 强粘结 FSI值 0 1~2 2~4 4~9 ·粘结指数Caking Index (GR.I.) 粘结指数是中国最广泛使用的用以衡量煤炭粘结能力的参数(GB47-85)。粘结指数源自罗加指数（Roga Index (R. I.)），通过将标准无烟煤样的粒度从0.1mm改变为0.2mm，并将转鼓实验次数从3次减少至2次。此外，对于G值低于18的弱粘煤，测试样和标准样之间的混合比率做了修正。粘结指数的应用可以方便罗加指数高于80的高等级炼焦煤的分类。表4比较了典型G值和罗加指数。

表4 中国炼焦煤典型G值和罗加指数 煤种 罗加指数 粘结指数 贫煤 - 5-20 瘦煤 10-60 20-65 焦煤 60-85 >50 1/3焦煤 - >65 肥煤 80-92 >85 气肥煤 - >85 气煤 15-90 30-65 1/2中粘煤 - 30-50 弱粘煤 10-40 5-30 ·最大流动度和最大胶质层厚度 最大流动度和最大胶质层厚度都是与炼焦过程中塑化相（plastic phase）有关的参数。这些被用于预测测试煤样的粘结能力。最大流动度在北美和澳大利亚广泛使用，而最大胶质

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层厚度在中国更为广泛使用。

①、最大流动度。根据ASTM标准，最大流动度是根据被加热的精煤样（< 0.5 mm）以受控的加热速率测量的，精煤样中，在恒转矩下插有搅棒。煤样软化的同时，搅棒开始旋转。搅棒旋转的速度以每分钟的度盘分划（dial division per minute (ddpm)）为单位，与温度同时记录(ASTM D2639)。

研究人员发现所测量的最大流动度的记录值与镜质组反射率存在线性关联。Grieve于1996年报告称原矿煤样线性关联为r2=0.6。报告中，大不列颠哥伦比亚(BC)炼焦煤的典型平均流动度值被摘取并列在表5中。大不列颠哥伦比亚(BC)东北部煤田为“和平河煤田”，包括3座主要煤层。大不列颠哥伦比亚(BC)东南部的Kootenay煤田包含3座煤田。

表 5 – 大不列颠哥伦比亚炼焦原煤典型流动度 煤田/煤层 BC东北部 BC东南部 初始软化温度 421.5 437.5 最大流动度温度 重新凝固温度 46.1 467 493 493 流动温度范围 71 55.5 最大流动度ddpm 440.4 192.8 ②、最大胶质层厚度

最大胶质层厚度是根据原苏联尼·姆·萨保什尼科夫(L. M. Sapozhnikov)于1932年提出的测试步骤进行测量的(GB/T429)。除了最大厚度，最终膨胀压降（final drop of the expansion- pressure）曲线X值和体积曲线（volume curve）也源于此测试。在这个测试中，煤样以固定速率加热来模仿结焦过程。由于温度逐渐上升，容器中将产生不同的等温表面。最大胶质层厚度通过向样品中插入探针手工测量。测试结尾，当胶质物质变为“半焦”时样品将收缩，煤样减少的垂直距离即为X值。当液相（liquid phase）出现时，煤样的体积被记录为体积曲线。

一些主要炼焦煤的典型最大胶质层厚度如图2所示，根据中国主要焦炭生产商所发表的数据。

图2 中国主要炼焦煤的挥发分与最大胶质层厚度

③、流动度与胶质层厚度的关系

胶质层厚度描述胶质体数量，而流动度关注液体的流动能力。二者之间存在部分关联，由于煤样中镜质组含量是液体产生的主要因素。

陈测试了超过400种中国烟煤的黏接特性并对结果做出统计分析（陈，1985）。表6改

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编自参考论文。从中可发现最大胶质层厚度与最大流动度之间存在一个0.66的关联系数。粘结指数（GR.I.和R. I.）与最大流动度展现了更强的关联：GR.I.的关联系数为0.86，R. I.的关联系数为0.87。似乎最大流动度与粘结指数存在更大关联，而非最大胶质层厚度。 煤的粘结性指数间的关联系数 粘结指数 GR.I. GR.I. R.I. CSN G.K. Y b Logαmax 1.00 0.98 0.78 0.94 0.83 0.73 0.86 罗加指数 R.I. 0.98 1 0.77 0.91 0.80 0.69 0.87 坩埚膨胀系数 CSN 0.78 0.77 1.00 0.80 0.63 0.58 0.37 葛金焦型 G.K. 0.94 0.91 0.80 1.00 0.86 0.83 0.88 最大胶质层厚度 Y 0.83 0.80 0.63 0.86 1.00 0.92 0.66 最大膨胀度 b 0.73 0.69 0.58 0.83 0.92 1.00 0.76 Logαmax 0.86 0.87 0.37 0.88 0.66 0.76 1.00 ④、最大膨胀度（b, %）

此参数在北美（ASTM D-5515）和中国（GB/T50）均广泛使用。煤样被精磨至0.25mm（60目），然后压缩成60mm厚的圆柱体。之后煤样被放置于标有刻度的管状体中，顶部为标有刻度的活塞。管状体在火炉中以3℃/分钟的速率从330℃加热至600℃。活塞的运动作为最初煤柱长度的总的百分比记录下来，并记录相应温度。 ⑤、炼焦煤强度

焦炭强度被用于评估炼焦煤质量也用于衡量焦炭在高炉中表现。与CO2反应后的焦炭强度，和滚筒实验是评估的通常方法。考虑到本文目的，焦炭强度将不予讨论。

中国的炼焦配煤

炼焦配煤通过向主焦煤中混入质量较差的煤炭进行。根据所需焦炭的使用要求，不同强度和特性的焦炭可生产出来。作为混煤基础的主焦煤在中国所使用的煤种包括焦煤、肥煤、1/3焦煤。这些煤种通常的重量混入比例为20%-30%。中国的基础焦煤比例不高，约为35%，并且含硫量较高，以传统的洗煤技术难以去除。这些因素决定了中国钢铁行业对于高质量炼焦煤的需求量巨大。中国的典型炼焦混煤要求如表7所示。

表7 中国典型炼焦煤质量要求 描述 炼焦煤性质 灰分 % <10 全硫 % <1 挥发分 % 25 至 30 Y 值 mm 15 至 20 常规分析、岩相分析、全硫确定、粘结性质相关分析是确定混入比例中主要的四个方面，焦炭生产商将根据粘结性质与各自成本、所采用炼焦技术及不同市场所需焦炭性质来确定混煤比例。

炼焦煤处理工艺比较

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