動(dòng)態(tài)配煤下焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)模型的研究

1、1 文獻(xiàn)綜述 1.1 研究背景近幾十年，隨著高爐的大型化、富氧噴吹煤粉等技術(shù)的發(fā)展，高爐生產(chǎn)對(duì)焦炭質(zhì)量的要求愈來愈高，穩(wěn)定和改善焦炭質(zhì)量已成為焦化行業(yè)所面臨的主要課題之一。但用配煤煉焦實(shí)驗(yàn)來指導(dǎo)配煤存在工作量大、試驗(yàn)周期長等特點(diǎn)，生產(chǎn)上需要尋求更為快速、準(zhǔn)確、科學(xué)的預(yù)測(cè)焦炭質(zhì)量的方法。寶鋼配煤工作主要依靠煉焦試驗(yàn)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏精確的焦炭強(qiáng)度模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，然而根據(jù)煤質(zhì)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)焦炭質(zhì)量，在世界范圍已經(jīng)引起重視。日本新日鐵采用煤的最大流動(dòng)度和煤灰堿度指數(shù)AI來預(yù)測(cè)CSR和CRI,美國內(nèi)陸鋼鐵公司應(yīng)用新日鐵方法進(jìn)行焦炭預(yù)測(cè)時(shí)，由于原料煤膠質(zhì)體流動(dòng)度過高，且灰成分中含堿過多導(dǎo)致新日鐵模型不適用,于

2、是采用煤的硫分和煤的塑性溫度范圍以及煤灰堿度指數(shù)來預(yù)測(cè)焦炭強(qiáng)度，并認(rèn)為僅根據(jù)煤巖特征并不能精確預(yù)測(cè)焦炭的熱性質(zhì)。日本鋼管公司則考慮了煉焦工藝條件對(duì)焦炭質(zhì)量的影響，增加了火道溫度這一工藝因素對(duì)焦炭質(zhì)量的影響。加拿大炭化研究所(CCRA)則采用膨脹度，配合煤揮發(fā)分和堿度指數(shù)來預(yù)測(cè)焦炭熱性質(zhì)；英國鋼鐵公司還采用煤的反射率和鐵、鈣、硅含量來預(yù)測(cè)。我國酒鋼采用以煤的揮發(fā)分或反射率和惰性成分含量預(yù)測(cè)?？梢姡捎谂涿簩?shí)踐和工藝條件不同，已有的預(yù)測(cè)方法和模型有各自的適用范圍，且需在大生產(chǎn)實(shí)踐中不斷修正。目前可供預(yù)測(cè)焦炭質(zhì)量的不同模型應(yīng)考慮到配煤的種類。1.2 配煤煉焦技術(shù)1.2.1 配煤煉焦的意義配煤煉焦就是

3、將幾種不同類別的煉焦用煤按一定比例配合作為加入煉焦?fàn)t煉焦的原料。配煤煉焦在合理利用煉焦煤資源、保證煉焦生產(chǎn)的順利進(jìn)行和提高焦炭質(zhì)量等方面有重要的意義。(1)中國煉焦用煤產(chǎn)量較多，約占全國原煤總產(chǎn)量的40以上，煤種也較全，但中國煤炭儲(chǔ)量中，煉焦用煤只占27。在煉焦用煤資源中高揮發(fā)分、黏結(jié)性中等的1/3焦煤和氣煤約占45，中等揮發(fā)分、黏結(jié)性較好的煙煤如焦煤、肥煤約占21和15，低揮發(fā)分的瘦煤和貧瘦煤也占20左右。由此資源特點(diǎn)可以看出，在煉焦用煤中，黏結(jié)性好的焦煤和肥煤資源比例比較小，必須采用配煤的方法和多用氣煤和1/3焦煤的技術(shù)，擴(kuò)大煉焦用煤資源，配煤煉焦的主要意義就在于此。(2)在煉焦技術(shù)上，大

4、多數(shù)煉焦用煤單獨(dú)煉焦都不能煉出符合高爐對(duì)焦炭強(qiáng)度的質(zhì)量要求的焦炭，而黏結(jié)性較好的主焦煤即使能用其單煤練出強(qiáng)度合格的焦炭，但由于在煉焦過程中要產(chǎn)生較強(qiáng)的膨脹壓力，而影響焦?fàn)t的壽命或造成推焦困難的問題，而肥煤雖有較好的黏結(jié)性，但單獨(dú)煉焦時(shí)，練成的焦炭易形成部分蜂窩焦而影響焦炭強(qiáng)度，因此在煉焦生產(chǎn)上都不采用單種煤煉焦，而是將幾種類別的煉焦用煤配合使用，發(fā)揮各類煤在煉焦時(shí)的特點(diǎn)，揚(yáng)長避短，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而以經(jīng)濟(jì)合理的配煤方案練出質(zhì)量符合要求的焦炭。(3)中國煉焦用煤中的焦煤、肥煤雖然黏結(jié)性好，但這兩類煤在中國一般都是較難洗選的煤，洗精煤的灰高、硫高，使其用量受到一定限制，而中國所產(chǎn)的氣煤和弱黏結(jié)性煤在煉

5、焦中雖然黏結(jié)性差，但他們易選，灰低、硫低，其資源又較豐富，儲(chǔ)量大、產(chǎn)量高、煤價(jià)相對(duì)較低，因而在配煤煉焦中，在一定比例的焦煤和肥煤基礎(chǔ)上配入適量的氣煤和弱黏結(jié)煤，因其揮發(fā)分高、收縮度大、便于推焦，且煤氣焦化產(chǎn)品回收也多，有利于焦化產(chǎn)品的回收利用，又能使焦炭質(zhì)量符合煉鐵高爐的技術(shù)要求。因此，現(xiàn)代化煉焦廠一般都根據(jù)資源特點(diǎn)采用配煤煉焦，使煉焦用煤資源得到合理利用，同時(shí)也改善了焦炭的質(zhì)量，還可優(yōu)化生產(chǎn)、降低成本，從而使配煤煉焦成為煉焦工業(yè)必然采用的基本措施。1.2.2 配煤煉焦原理多年來，煉焦配煤理論發(fā)展較快，形成了多種配煤原理或配煤技術(shù)。最直觀的配煤原理是膠質(zhì)層重疊原理，以煙煤的大分子結(jié)構(gòu)及其熱解過

6、程中由于膠質(zhì)狀塑性體的形成，使固體煤粒粘結(jié)的塑性成焦，由于不同煙煤所形成膠質(zhì)狀塑性體的數(shù)量和質(zhì)量不同，導(dǎo)致粘結(jié)的強(qiáng)弱差別，并隨氣體析出數(shù)量和速度的差異，得到不同質(zhì)量的焦炭；第二類是基于煤的巖相組成不同，決定煤粒有活性組分和非活性之分，煤粒之間的粘結(jié)是在其表面進(jìn)行，則以活性組分為主的煤粒相互間成流動(dòng)狀結(jié)合型，固化后不再存在粒子的原形，而以非活性組分為主的煤粒相互間的粘結(jié)則呈接觸結(jié)合型，固化后保留粒子的輪廓，從而決定最后形成焦炭的質(zhì)量，即所謂的表面結(jié)合成焦原理；第三類是20世紀(jì)60年代后期發(fā)展起來的中間相成焦原理認(rèn)為煙煤在熱解過程中產(chǎn)生的各向同性液體中，隨熱解進(jìn)行會(huì)形成由大分子的片狀分子排列而成的

7、聚合液晶，即新的各向異性流動(dòng)相態(tài)中間相，成交過程就是這種中間相在各向同性膠質(zhì)體基體中的長大、融并和固化過程，不同的煙煤表現(xiàn)為不同的中間相發(fā)展深度，最后形成不同質(zhì)量和不同光學(xué)組織的焦炭。近年來由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，以信息和計(jì)算機(jī)為主的配煤專家系統(tǒng)，其原理更加考慮單種煤的特性，包括常規(guī)的粘結(jié)性和煤的光學(xué)組織對(duì)焦炭質(zhì)量的貢獻(xiàn)，把模糊的配煤理論數(shù)值化，引入性能價(jià)格比、質(zhì)量權(quán)重、煉焦專家經(jīng)驗(yàn)等概念，為焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)奠定了較好的基礎(chǔ)。 圍繞上述配煤理論形成了一系列的焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)方法。(1) 膠質(zhì)層重疊原理配煤煉焦時(shí)除了按加和方法根據(jù)單種煤的灰分、硫分控制配合煤的灰分、硫分以外,要求配合煤中各單種煤的膠質(zhì)體

8、的軟化區(qū)間和溫度間隔能較好地搭接，這樣可使配合煤在煉焦過程中，能在較大的溫度范圍內(nèi)煤料處于塑性狀態(tài)，從而改善粘結(jié)過程，并保證焦炭的結(jié)構(gòu)均勻。不同牌號(hào)煉焦煤的塑性溫度區(qū)間見表1.1所示，各種煤的塑性溫度區(qū)間不同，其中肥煤的開始軟化溫度較早，塑性溫度區(qū)間最寬,瘦煤固化溫度最晚，塑性溫度區(qū)間最窄，氣煤、1/3焦煤、肥煤、瘦煤適當(dāng)配合可擴(kuò)大配合煤的塑性溫度范圍。這種以多種煤相互搭配、膠質(zhì)層彼此重疊的配煤原理，曾長期指導(dǎo)我國的配煤技術(shù)。表1.1不同煤化度煤的塑性溫度范圍煤種揮發(fā)分范圍(Vdaf)塑性溫度范圍/氣煤>37290420肥煤2904501/3焦煤330430氣肥煤310400焦煤3704

9、30瘦煤420480周師庸教授曾提出以兩種煤煉焦的界面結(jié)合指數(shù)來評(píng)價(jià)其界面結(jié)合的好壞，并認(rèn)為各種煤的膠質(zhì)體之間實(shí)際上均有一定的重疊，只不過不同類型單種煤之間的結(jié)合情況差異很大。同樣他認(rèn)為配煤中一定要求有一定量的基礎(chǔ)煉焦煤，既能夠包容低揮發(fā)份的弱黏煤，也能夠包容高揮發(fā)分的弱黏煤。(2) 互換性配煤原理根據(jù)煤巖學(xué)原理，煤的有機(jī)質(zhì)可分為活性組分和非活性組分(惰性組分)兩大類。日本城博提出用粘結(jié)組分和纖維質(zhì)組分來指導(dǎo)配煤,按照他的觀點(diǎn)，評(píng)價(jià)煉焦配煤的指標(biāo)，一是粘結(jié)組分(相當(dāng)于活性組分)的數(shù)量，這標(biāo)志煤粘結(jié)能力的大?。涣硪皇抢w維質(zhì)組分(相當(dāng)于非活性組分)的強(qiáng)度，它決定焦炭的強(qiáng)度.煤的吡啶抽出物為粘結(jié)組分

10、，殘留部分為纖維質(zhì)組分，將纖維質(zhì)組分與一定量的瀝青混合成型后干餾，所得焦塊的最高耐壓強(qiáng)度表示纖維質(zhì)組分強(qiáng)度。要制得強(qiáng)度好的焦炭，配合煤的粘結(jié)組分和纖維質(zhì)組分應(yīng)有適宜的比例，而且纖維質(zhì)組分應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。當(dāng)配合煤達(dá)不到相應(yīng)要求時(shí)，可以用添加粘結(jié)劑或瘦化劑的辦法加以調(diào)整，據(jù)此提出了圖互換性配煤原理圖，由圖1.1可形象地看出：圖1.1 互換性配煤原理1) 獲得高強(qiáng)度焦炭的配合煤要求是：提高纖維質(zhì)組分的強(qiáng)度(用線條的密度表示)，并保持合適的粘結(jié)組分(用黑色的區(qū)域表示)和纖維質(zhì)比例范圍。2) 粘結(jié)組分多的弱粘結(jié)煤，由于纖維質(zhì)組分的強(qiáng)度低,要得到強(qiáng)度高的焦炭，需要添加瘦化組分或焦粉之類的補(bǔ)強(qiáng)材料。3) 一

11、般的弱粘結(jié)煤，不僅粘結(jié)組分少，且纖維質(zhì)組分的強(qiáng)度低，需要同時(shí)增加粘結(jié)組分或添加粘結(jié)劑和瘦化組分或焦粉之類的補(bǔ)強(qiáng)材料，才能得到強(qiáng)度好的焦炭。4) 高揮發(fā)的非粘結(jié)煤，由于粘結(jié)組分更少，纖維質(zhì)組分強(qiáng)度低，應(yīng)在添加粘結(jié)劑和補(bǔ)強(qiáng)材料的同時(shí)，對(duì)煤料加壓成型，才能得到強(qiáng)度好的焦炭。5) 無煙煤只有強(qiáng)度較高的纖維質(zhì)組分，需添加粘結(jié)劑，才能得到足夠強(qiáng)度的焦炭6。(3) 共炭化原理煉焦煤和非煉焦煤如瀝青類有機(jī)物共炭化時(shí)，如能得到結(jié)合較好的焦炭，稱為不同煤料的共炭化。共炭化產(chǎn)物與單獨(dú)炭化相比，焦炭的光學(xué)性質(zhì)有很大差異，合適的配合煤料(包括添加物的存在)在炭化時(shí)，由于塑性系統(tǒng)具有足夠的流動(dòng)性，使中間相有適宜的生長條件

12、，或在各種煤料之間的界面上，或使整體煤料炭化后形成新的連續(xù)的光學(xué)各向異性焦炭組織，它不同與各單種煤單獨(dú)炭化時(shí)的焦炭光學(xué)組織。對(duì)不同性質(zhì)的煤與各種瀝青類物質(zhì)進(jìn)行的共炭化研究表明，瀝青不僅作為粘結(jié)劑有助于煤的粘結(jié)性，而且可使煤的炭化性能發(fā)生變化，發(fā)展了碳化物的光學(xué)各向異性程度，這種作用稱為改質(zhì)作用，這類瀝青黏結(jié)劑又被稱為改質(zhì)劑。共炭化過程傳氫對(duì)煤的改質(zhì)有重要影響，瀝青在共炭化時(shí)起著氫的傳遞介質(zhì)作用，為描述氫的轉(zhuǎn)移情況，可定量地用瀝青與煤的供氫能力及受氫能力來描述。瀝青的供氫能力遠(yuǎn)高于煤，為煤的35倍，氣煤的受氫能力遠(yuǎn)高于其供氫能力，而瀝青的受氫能力可忽略不計(jì)。因此煤與瀝青共炭化時(shí)，瀝青對(duì)煤有傳氫作

13、用，兩者的受氫能力差別愈大，瀝青對(duì)煤的改質(zhì)活性愈強(qiáng)；此外煤的受氫能力愈大，共炭化時(shí)瀝青對(duì)煤的改質(zhì)活性也愈強(qiáng)。隨著焦炭光學(xué)結(jié)構(gòu)的研究，把共炭化的概念用于煤與瀝青類有機(jī)物的炭化過程，以考察瀝青類有機(jī)質(zhì)與煤配合后煉焦對(duì)改善焦炭質(zhì)量的效果。共炭化產(chǎn)物與單獨(dú)炭化相比，焦炭的光學(xué)性質(zhì)有很大的差異，合適的配合煤料（包括添加物存在）在共炭化時(shí)，由于塑性系統(tǒng)具有足夠的流動(dòng)性，使中間相有適宜的生長條件，或在各種煤料之間的界面上，或使整體煤料炭化后形成新的連續(xù)的光學(xué)各向異性焦炭組織，它不同于各單個(gè)煤單獨(dú)炭化時(shí)的焦炭光學(xué)組織。(4) 煉焦配煤專家系統(tǒng)配煤專家系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的配煤概念，綜合利用了

14、煤數(shù)據(jù)庫、焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)方法、煉焦專家經(jīng)驗(yàn)以及過程控制原理，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本最小、優(yōu)質(zhì)煉焦煤用量最小或弱黏結(jié)煤用量最大為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)完善煉焦煤資源規(guī)劃具有極大的推動(dòng)作用。專家系統(tǒng)用于配煤原理是：根據(jù)煉焦配煤生產(chǎn)過程和煤質(zhì)歷史數(shù)據(jù)的水平，在給定的決策水平、工藝控制水平和生產(chǎn)操作水平條件下，由專家控制器、執(zhí)行控制器實(shí)現(xiàn)專家配煤過程。其中，專家控制器是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)推理，由計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定的焦炭質(zhì)量和知識(shí)庫中的焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)模型和規(guī)模規(guī)則以及專家經(jīng)驗(yàn)計(jì)算出個(gè)單種煤的配合比例。專家控制器給出每一種配合煤的流量信號(hào)，由執(zhí)行控制器給出準(zhǔn)確地控制運(yùn)行皮帶的速率和下煤量。該專家系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、焦炭質(zhì)量控制模型

15、系統(tǒng)和配煤控制系統(tǒng)。與數(shù)據(jù)庫配套的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，采用Access開發(fā)，在Windows下運(yùn)行，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理、統(tǒng)計(jì)表格管理以及反射率分布圖管理等多種功能。焦炭質(zhì)量控制模型包括：標(biāo)準(zhǔn)單種煤性質(zhì)與歸屬；配合煤與單種煤的關(guān)系；焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)等。1.2.3 配煤煉焦技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) (1) 區(qū)域性配煤中國煉焦用煤的分布很不均勻，并且鐵路運(yùn)力緊張，這些不利因素限制了國內(nèi)企業(yè)使用統(tǒng)一的配煤比。對(duì)國內(nèi)不同地區(qū)焦化企業(yè)使用的生產(chǎn)配煤方案進(jìn)行研究可以發(fā)現(xiàn)，盡管各企業(yè)的配煤思路仍然采用了氣煤、氣肥煤、肥煤、1/3焦煤、焦煤、瘦煤幾大類配合，但是各類煤使用的比例卻大不相同，都盡力使用本地區(qū)或鄰近地區(qū)產(chǎn)量大的煤種，

16、區(qū)域性特征比較明顯，如華東地區(qū)的焦化企業(yè)使用的各類煤的比例比較均衡，中南地區(qū)使用1/3焦煤和焦煤的比例比較大，東北地區(qū)使用肥煤和焦煤的比例比較大，1/3焦煤的比例比較小，西南地區(qū)使用的煤料比較單一，以1/3焦煤和焦煤為主，幾乎不使用瘦煤。盡管國內(nèi)焦化企業(yè)使用的生產(chǎn)配煤方案具有很強(qiáng)的地域性特點(diǎn)，但是所煉制的焦炭均能滿足當(dāng)?shù)馗郀t生產(chǎn)的需要。(2) 精確配煤現(xiàn)在實(shí)行的按照氣煤、氣肥煤、肥煤、1/3焦煤、焦煤、瘦煤幾大類的模式，在中國的煉焦史上確實(shí)發(fā)揮了重大的作用。但是，隨著煤炭市場的變革，國內(nèi)煉焦企業(yè)使用的單種煤料普遍增加，由原來的10多種增加到2030種，甚至有的企業(yè)多達(dá)8090家，尤其是以焦煤和

17、1/3焦煤的品種最多，而且配入量一般較大，它們的質(zhì)量波動(dòng)對(duì)焦炭的質(zhì)量影響非常大，即使使用同一配煤比，因?yàn)槭褂昧瞬煌V區(qū)的1/3焦煤和焦煤，焦炭質(zhì)量也有很大差異。因此，現(xiàn)在逐步提出了精確配煤的思路，將原來按照大類配煤的模式轉(zhuǎn)換成為按照煤料進(jìn)行配煤的精確配煤。精確配煤是根據(jù)單種煤的工藝性質(zhì)確定其在配合煤中的配入比例，或者是將各大類煤按照工藝性質(zhì)的不同進(jìn)一步地細(xì)分成若干小類，以各小類煤參與配煤。實(shí)現(xiàn)精確配煤的關(guān)鍵在于如何選擇合適的煤質(zhì)指標(biāo)對(duì)單種煤的工藝性質(zhì)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，然后確定其在配合煤中的合適比例。現(xiàn)在，一些焦化企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐證明，對(duì)單種煤的工藝性質(zhì)進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)必須借助煤巖學(xué)的指標(biāo)，如鏡質(zhì)組反射

18、率分布圖和惰性組分含量等。此外，實(shí)現(xiàn)精確配煤，還必須具備充足的煤場和科學(xué)的煤場管理體系以及完善的配煤系統(tǒng)。(3) 擴(kuò)大煉焦用煤范圍中國的煉焦煤資源相對(duì)貧乏，而且地區(qū)分布很不均勻，如山西省的煉焦煤資源占全國的1/2以上，產(chǎn)量也占全國的1/4以上，而湖北、浙江、海南、廣東、廣西等省(自治區(qū))幾乎沒有煉焦煤資源。因此合理使用煉焦煤資源、擴(kuò)大煉焦用煤的范圍成為焦化企業(yè)普遍關(guān)注的問題。我國低煤化度煤資源豐富，包括弱黏煤、不黏煤、氣煤和年輕的1/3焦煤等，目前用于煉焦的比例很少。低煤化度煤產(chǎn)量較大，普遍易洗、低硫和煤氣產(chǎn)率高，如能在煉焦配煤中增加低煤化度煤用量，不僅可以降低焦炭灰分、硫分，并提高化學(xué)產(chǎn)品產(chǎn)

19、率，而且還能節(jié)約稀缺的煉焦煤資源。由于低煤化度煤黏結(jié)性較差，目前我國使用低煤化度煤的焦化企業(yè)較少。從全國煉焦用煤資源的合理利用和發(fā)展趨勢(shì)看，增加煉焦配煤中低煤化度煤的配比勢(shì)在必行，而且潛在的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。在煉焦配煤中增加低煤化度煤的配入量可以采用以下方法。1) 配型煤 將低煤化度煤中摻入黏結(jié)劑制成型煤，可以配入到煉焦配煤中煉焦。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，型煤的配入量可以達(dá)到30。2) 對(duì)低煤化度煤進(jìn)行預(yù)熱改質(zhì)提高其結(jié)焦性 有學(xué)者的研究表明，通過對(duì)低煤化度煤快速加熱，實(shí)現(xiàn)其快速預(yù)熱以脫除主要含氧官能團(tuán)后，可望提高其黏結(jié)性與供氫能力。經(jīng)預(yù)熱改質(zhì)的低煤化度煤煉出的焦炭，平均孔徑縮小，最大壁厚增加

20、和各向異性提高，這一系列的顯微結(jié)構(gòu)變化表明，改質(zhì)煤的結(jié)焦性得到了顯著提高。在保證焦炭質(zhì)量的前提下，改質(zhì)的低煤化度煤配入量可以達(dá)到10以上。此外，一些焦化企業(yè)在煉焦配煤中添加無煙煤和焦粉、焦油渣也取得了成功。(3) 配煤專家系統(tǒng)的開發(fā)專家控制系統(tǒng)作為一種智能控制，將人的感性經(jīng)驗(yàn)和定理算法結(jié)合，能夠處理各種定性和定量的、精確的和模糊的信息，為從定性到定量的綜合集成技術(shù)提供了現(xiàn)實(shí)手段。自瑞典學(xué)者K.J.Astrom提出專家控制的概念以來，鑒于它所表現(xiàn)出來的在層次結(jié)構(gòu)上控制方法上和知識(shí)表達(dá)上的靈活性，受到了廣泛關(guān)注。近幾年來，在冶金化工等復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)控制中，專家控制系統(tǒng)已經(jīng)獲得了成功應(yīng)用。將專家控制系

21、統(tǒng)應(yīng)用于焦化生產(chǎn)中，建立煉焦配煤專家系統(tǒng)是今后配煤技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。通過建立具有焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)、配煤比計(jì)算、配煤流量控制的配煤專家控制系統(tǒng)，可保證焦炭質(zhì)量，合理地利用煤炭資源。根據(jù)焦化理論和生產(chǎn)所獲得的工業(yè)數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，以群體專家經(jīng)驗(yàn)得到的定性知識(shí)構(gòu)成規(guī)則模型，將解析的數(shù)學(xué)模型與基于知識(shí)的規(guī)則模型相結(jié)合，采用數(shù)學(xué)方法建立焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，提出配煤比計(jì)算的實(shí)用方法，并實(shí)時(shí)控制配煤流量。目前，國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)和焦化企業(yè)已經(jīng)高度重視配煤專家系統(tǒng)的開發(fā)，目的在于用配煤專家系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的配煤模式。1) 配煤專家系統(tǒng)的組成a開放式的數(shù)據(jù)庫 包括煤料數(shù)據(jù)庫、單種煤煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫、單種煤煉焦數(shù)據(jù)庫、配合煤煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫

22、、煉焦工藝參數(shù)和焦炭質(zhì)量數(shù)據(jù)庫。b 數(shù)學(xué)模型 配合煤質(zhì)量預(yù)測(cè)模型、焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)模型。c 專家知識(shí)和自學(xué)習(xí)系統(tǒng)。d 輸入、輸出系統(tǒng)和控制執(zhí)行系統(tǒng)。e 校修正模型系統(tǒng)。f 優(yōu)化配煤系統(tǒng)。2) 配煤專家系統(tǒng)的主要功能a已知單種煤煤質(zhì)性能以及配煤比，計(jì)算出配合煤的性質(zhì)。b預(yù)測(cè)焦炭的灰分與硫分、冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度M40、M10及反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度等指標(biāo)。c結(jié)合焦炭質(zhì)量，確定配合煤的比例，可結(jié)合專家知識(shí)，以經(jīng)濟(jì)成本為優(yōu)化模型的目標(biāo)，將焦炭質(zhì)量等作為約定因素，給出較佳的配煤比，以供企業(yè)安排生產(chǎn)。d對(duì)預(yù)測(cè)模型求出的數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)比較，通過系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)功能不斷優(yōu)化模型，提高精度。e通過控制系統(tǒng)，對(duì)實(shí)際的配煤工藝進(jìn)行控

23、制。寶鋼花了10年的時(shí)間，逐步總結(jié)了寶鋼優(yōu)秀配煤專家所積累的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，并歸納論文多年來煉焦配煤的研究成果，已經(jīng)開發(fā)出具有多項(xiàng)功能的煉焦配煤專家系統(tǒng)，并在生產(chǎn)中加以應(yīng)用。該專家系統(tǒng)功能有煤炭資源管理和煤炭市場分析，煤炭計(jì)價(jià)功能，年度配煤方案確定，煤炭質(zhì)量跟蹤，計(jì)劃和日常配煤比制定，配煤在高爐中使用跟蹤，煤場管理，焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)及模型校驗(yàn)。實(shí)踐證明，配煤專家系統(tǒng)的核心在于配煤數(shù)學(xué)模型的建立。選用合適的煤質(zhì)指標(biāo)和科學(xué)的建模方法是決定配煤數(shù)學(xué)模型精確度的關(guān)鍵問題。并且專家系統(tǒng)運(yùn)行后還必須定期對(duì)配煤數(shù)學(xué)模型進(jìn)行校驗(yàn)，防止煉焦煤源的局部變化對(duì)配煤數(shù)學(xué)模型精確度的影響。此外，還需要指出的是，影響焦炭質(zhì)量因素

24、是多方面的，可分為原料煤性質(zhì)的影響和生產(chǎn)工藝影響兩方面。各焦化廠的生產(chǎn)工藝又不相同，因此配煤專家系統(tǒng)的建立必須以各廠實(shí)際情況為基礎(chǔ)，通過采集大量的配煤煉焦實(shí)際數(shù)據(jù)，建立適合本廠實(shí)際情況的配美專家系統(tǒng)。建立具有廣泛適應(yīng)性的配煤專家系統(tǒng)是一個(gè)非常龐大的系統(tǒng)工程，必須聯(lián)合各地區(qū)的大型焦化企業(yè)共同研究開發(fā)，才有可能實(shí)現(xiàn)7。1.2.4 配煤工藝提高焦炭質(zhì)量的方法配合煤是把不同變質(zhì)程度的煉焦煤按適當(dāng)比例配合起來利用各種煤在性質(zhì)上的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而使配合煤的質(zhì)量優(yōu)于單種煤的質(zhì)量，以生產(chǎn)符合質(zhì)量要求的焦炭，這對(duì)合理利用煤資源、節(jié)約優(yōu)質(zhì)煉焦煤、擴(kuò)大煉焦煤資源具有重要意義。因此，研究各單種煤的特性和它們?cè)谂浜厦褐械?/p>

25、相容性以及在焦?fàn)t中的成焦特性，是配煤技術(shù)的關(guān)鍵。(1) 提高煤料的堆密度，可以改善焦炭質(zhì)量因?yàn)槎衙芏忍岣撸毫ｉg的間隙減小，在煉焦過程中膠質(zhì)體易于填滿空隙，氣體不易析出，膠質(zhì)體的膨脹性和流動(dòng)性都增加，使煤粒間的接觸更加緊密，形成結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)的焦炭。另外，堆密度高，煉焦過程中半焦收縮小，因而焦炭裂紋少，提高了焦炭的強(qiáng)度。沒料堆密度于焦炭強(qiáng)度關(guān)系如圖所示。煤搗固工藝、配型煤工藝、煤干燥工藝和煤預(yù)熱工藝等方法，都可以使煤的堆密度增加。煤料的堆密度隨著煤料水分含量的變化而變化，這已被許多的研究結(jié)果所證實(shí)，而且各種研究幾乎都得到類似的結(jié)論，改變裝爐煤水分，煤料堆密度發(fā)生如圖所示的變化，水分為710時(shí)，煤料的

26、堆密度最小，水分在此值的基礎(chǔ)上逐漸增加或減少時(shí)，堆密度逐漸增大；但水分減少時(shí)堆密度增加較快。值得注意的是，雖然煤料水分大，具有使堆密度增大的優(yōu)點(diǎn)，但水分太大的煤料煉焦時(shí)，除對(duì)爐墻起到激冷的熱沖擊外，對(duì)焦炭質(zhì)量帶來不良的影響，尤其對(duì)焦炭的耐磨指標(biāo)M10影響更甚。M10值隨著水分的增加而增加，不過，影響的程度視煤料的黏結(jié)性不同而有所不同。當(dāng)水分不變、堆密度增大時(shí)，M10和 M40值減?。划?dāng)煤料的堆密度不變化時(shí)，干煤煉焦所得的焦炭的M10和 M40值均比濕煤煉焦時(shí)好。由此可見，煤料水分變化時(shí)，一方面，煤料堆密度變化，影響焦炭質(zhì)量；另一方面使加熱速度變化影響焦炭質(zhì)量。因此，在水分變化時(shí)，弱黏結(jié)性煤和對(duì)

27、加熱速度特別敏感的材料，其M10值變化比較突出，而優(yōu)質(zhì)焦煤的M10值的變化卻不太明顯。(2) 煤料粒度組成對(duì)堆密度的影響在實(shí)際的煉焦配煤中，煤的顆粒組成與煤料堆密度之間的關(guān)系是很復(fù)雜的。備煤工藝不同或粉碎機(jī)的負(fù)荷改變，以及配煤煤種的變化會(huì)改變煤粒的粒度組成。許多研究工作已經(jīng)證明，煤料的粒度組成與堆密度關(guān)系密切，而且往往是煤料的粒度和水分都對(duì)堆密度產(chǎn)生影響。由此可見，煤的粒度越大，堆密度越大；粒度越小，堆密度越小。在煉焦配煤規(guī)定的水分范圍內(nèi)，煤粉碎得越細(xì)，堆密度則越小。其主要原因是煤的顆粒小時(shí)，單位容積內(nèi)煤的總粒數(shù)多，總的比表面積大，因而堆密度變小；而顆粒較大時(shí)，單位容積內(nèi)煤的粒數(shù)少，總比表面積

28、少，所以堆密度變大。但是，干燥煤(水分小于4)或預(yù)熱煤的堆密度與篩分組成的關(guān)系與濕煤不同。例如，在很大的粒度組成的范圍內(nèi)，同一粒度的煤粒，干燥煤或預(yù)熱煤比濕煤的堆密度高，而且曲線變化的趨向也有所不同。適當(dāng)增加煤料的細(xì)度和煤料過細(xì)粉碎對(duì)焦炭強(qiáng)度的影響是不同的，適當(dāng)增加煤料細(xì)度有利于提高焦炭強(qiáng)度。因?yàn)槊毫现械亩栊越M分細(xì)碎，在一定程度上消除了由于煤料的不均勻性(惰性組分大顆?？尚纬闪鸭y中心)所引起的不均衡收縮，使煤中惰性組分的比表面積增加，使成焦過程中鄰層間的黏結(jié)力降低，收縮應(yīng)力減小，煤料的散密度提高，鄰層間的溫度梯度減小，使收縮梯度降低。這些都導(dǎo)致焦炭裂紋降低，提高了焦炭的強(qiáng)度。煤料過細(xì)粉碎反而降

29、低了焦炭強(qiáng)度。因?yàn)槊褐谢钚越M分粒度過細(xì)，膠質(zhì)體的流動(dòng)性降低，黏結(jié)性下降，煤料過細(xì)使散密度下降，煤粒間接觸情況變壞，煤料過細(xì)使惰性組分表面積增大，對(duì)膠質(zhì)體液相的吸附量相對(duì)增加。而煤料液體量不因細(xì)度變化而改變，故使煤料的黏結(jié)性降低。這些都導(dǎo)致焦炭強(qiáng)度降低。(3) 配添加物在裝爐煤中配入適量的黏結(jié)劑和抗裂劑等非煤添加物，可改善其結(jié)焦性。配黏結(jié)劑工藝適用于高流動(dòng)度的高揮發(fā)分煤料，可增大焦炭塊度、提高焦炭機(jī)械強(qiáng)度、改善焦炭氣孔結(jié)構(gòu)。這兩種工藝也可同時(shí)并用，相輔相成。例如在煉制優(yōu)質(zhì)鑄造焦時(shí)，必須配入足夠數(shù)量的低灰、低硫石油焦等抗裂劑，同時(shí)配入數(shù)量匹配的黏結(jié)劑，才能鑄造焦達(dá)到塊度大、強(qiáng)度高、灰分低、硫分低、

30、氣孔率低和反應(yīng)性低等全優(yōu)指標(biāo)。常用的配煤黏結(jié)劑有煤焦油黏結(jié)劑、煤焦油瀝青黏結(jié)劑、石油瀝青黏結(jié)劑和煤石油瀝青混合黏結(jié)劑等。(4) 配煤抗裂劑常用的配煤抗裂劑有粉狀焦炭(焦粉)、粉狀半焦(半焦粉)和粉狀延遲焦。各種抗裂劑的共性是揮發(fā)分比煉焦煤低得多，但不同抗裂劑有不同的特性。(5) 配型煤配型煤工藝是將一部分煤料在入爐前配入黏結(jié)劑壓成型塊，然后與散狀煤料配合裝爐。配型煤工藝的優(yōu)點(diǎn)有以下三個(gè)：1) 配型煤粒間的間隙小，有助于改善煤料的黏結(jié)性；2) 配型煤可提高煤料的堆密度；3) 可以多配用弱黏結(jié)性或非黏結(jié)性的高惰性組分煤。(6) 煤調(diào)濕裝爐煤調(diào)濕工藝是將裝爐煤預(yù)先干燥，使水分控制在56，并保持穩(wěn)定后

31、再裝爐?？梢栽谝欢ǔ潭壬细纳平固抠|(zhì)量，并穩(wěn)定焦?fàn)t操作，降低煉焦耗熱量。1.2.5 配煤技術(shù)存在的問題 雖然配煤技術(shù)在逐步的提高，但我國廣大配煤工作者目前大多仍根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，以揮發(fā)分Vdaf表征煤階，以膠質(zhì)層最大厚度Y值代表煤的結(jié)焦性，以粘結(jié)指數(shù)G代表的粘結(jié)性指標(biāo)指導(dǎo)配煤，上述各種配煤方法都有一定的實(shí)踐基礎(chǔ)，在一定范圍的應(yīng)用中都能獲得良好的效果。然而，這些方面都存在著地區(qū)、煤種的局限性，要實(shí)際采用還得結(jié)合本地的實(shí)際情況作相應(yīng)的修正。由于近年來常規(guī)的煤質(zhì)分析不能滿足用戶對(duì)煤質(zhì)檢驗(yàn)的要求，而常規(guī)配煤一般采用加權(quán)平均法計(jì)算配合煤的分析數(shù)據(jù)，沒有考慮煤的內(nèi)在質(zhì)量對(duì)焦炭質(zhì)量的影響，這些方法對(duì)于煤質(zhì)接近的煤

32、實(shí)行配煤是可行的，但對(duì)于煤質(zhì)差異較大的煤是不能采用此方法的，因?yàn)槊禾吭诮範(fàn)t內(nèi)焦化時(shí)涉及到煤的揮發(fā)分的析出規(guī)律等多種因素?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明，由兩種揮發(fā)分不同的煤組成的配合煤，其揮發(fā)分析出并不是簡單的將兩種單種煤的揮發(fā)分析出按一定的比例相加，而目前焦化廠所用的洗精煤均是由不同變質(zhì)程度的煤混合而成的。因此，常規(guī)配煤存在的弊端是影響配煤煉焦和焦炭質(zhì)量的主要因素。對(duì)于焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)方面，曾作過許多研究工作，建立了多種預(yù)測(cè)焦炭質(zhì)量的數(shù)學(xué)模型，對(duì)指導(dǎo)某些企業(yè)的煉焦配煤起到了一定的作用，但目前煉焦配煤的數(shù)學(xué)模型主要采用線性模型，應(yīng)用線性方法描述煉焦配煤相關(guān)指標(biāo)的可加性，認(rèn)為配合煤和單種煤的特性和參數(shù)之間只是簡

33、單的加權(quán)平均關(guān)系，根據(jù)配煤和煉焦過程的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過線性系統(tǒng)的辨識(shí)方法，獲得預(yù)測(cè)配合煤和焦炭質(zhì)量的數(shù)學(xué)模型，并由此來確定配煤比。然而，由于數(shù)學(xué)模型難于嚴(yán)密地描述配煤和煉焦過程各參數(shù)間的復(fù)雜關(guān)系，僅僅基于數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)方法難于獲得精確的配煤比。而且大量的實(shí)踐證明：單種煤與配合煤及配合煤與焦炭質(zhì)量的質(zhì)量指標(biāo)之間存在著復(fù)雜的非線性關(guān)系，研究者很難掌握其機(jī)理，因此采用傳統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確而有效地預(yù)測(cè)存在許多的困難。1.3 焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)模型焦炭在高爐中起四個(gè)作用：提供熱源、還原劑、滲碳和料柱骨架作用。利用煤和配合煤的各種實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的性質(zhì)指標(biāo)預(yù)測(cè)焦炭質(zhì)量，可以用次數(shù)較少的配煤實(shí)驗(yàn)，確定經(jīng)濟(jì)合理的配煤比。隨著

34、媒質(zhì)指檢測(cè)標(biāo)的自動(dòng)化，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使焦炭預(yù)測(cè)技術(shù)直接用于配煤作業(yè)的日常管理，因此焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)技術(shù)得到世界各國普遍重視。在煉焦行業(yè)使用模型幫助預(yù)測(cè)焦炭質(zhì)量是很普遍的做法。焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)從廣義上講，包括焦炭的灰分、硫分等化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，冷態(tài)強(qiáng)度指標(biāo)以及熱態(tài)性質(zhì)指標(biāo)。為了科學(xué)的提高焦炭質(zhì)量，確定煤的性能參數(shù)是很重要的，因?yàn)閰?shù)能夠控制焦炭的質(zhì)量,進(jìn)而確定一個(gè)煤種選擇的預(yù)測(cè)方法,以取得高的質(zhì)量和低的成本。1.3.1 焦炭灰分與硫分預(yù)測(cè)焦炭的灰分硫分與配合煤的灰分、硫分有直接的關(guān)系，在生產(chǎn)狀況穩(wěn)定的條件下，兩者存在較好的線形關(guān)系。因此，不同的企業(yè)依據(jù)煉焦生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)，建立了焦炭灰分、硫分預(yù)測(cè)模型。

35、預(yù)測(cè)模型中考慮焦炭的成焦率k、配合煤干基揮發(fā)分Vd、焦炭的干基揮發(fā)分Vd等。表1.2 焦炭灰分(Ad)和硫分(St,d)預(yù)測(cè)模型采用單位灰分預(yù)測(cè)模型硫分預(yù)測(cè)模型山西焦化上海寶鋼內(nèi)蒙包鋼韶鋼集團(tuán)法 國波 蘭1.3.2 焦炭冷態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(cè)焦炭冷態(tài)強(qiáng)度指(M40、M10下同)預(yù)測(cè)所采用的指標(biāo)一般為煤化度指標(biāo)和黏結(jié)性指標(biāo)。預(yù)測(cè)方法的的總趨勢(shì)是從宏觀參數(shù)向包括煤巖指標(biāo)在內(nèi)的微觀參數(shù)發(fā)展，從僅以媒質(zhì)參數(shù)預(yù)測(cè)向包括工藝參數(shù)在內(nèi)的預(yù)測(cè)指標(biāo)發(fā)展。預(yù)測(cè)方法基本可以分為三類：第一類以沒煤的工藝指標(biāo)為參數(shù)，如Vdaf與C.I.、MF、G、y的組合；第二類是以煤巖指標(biāo)為參數(shù)；第三類在考慮配合煤指標(biāo)的同時(shí)，也考慮煉焦煤準(zhǔn)備

36、和煉焦工藝條件。(1)揮發(fā)分黏結(jié)性參數(shù)預(yù)測(cè)法1) VdafC.I.法該法的黏結(jié)性參數(shù)采用黏結(jié)力指數(shù)C.I.(Caking Index)，是以1g空氣干燥粉煤樣與9g無水焦粉混合后，在950±20下炭化7min后，以炭化產(chǎn)物中大于297的篩上物占原料(10g)的百分率作為C.I.值。以Vdaf和C.I.兩個(gè)參數(shù)作圖這種方法對(duì)于預(yù)測(cè)配入大量弱黏結(jié)性煤的配合煤所得焦炭的質(zhì)量比較靈敏。2) VdafMF法該法以基氏最大流動(dòng)度作為黏結(jié)性指標(biāo)。日本佐田等曾在炭化室高5.5m，寬450mm的焦?fàn)t上進(jìn)行了一系列試驗(yàn)后得到如下回歸方程： (1.1) (1.2)3) VdafG法北京煤化所在進(jìn)行中國煙煤

37、分類方案研究的基礎(chǔ)上，提出用黏結(jié)指數(shù)G作為黏結(jié)性指標(biāo)。鞍鋼通過多年生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析得出了用Vdaf和G預(yù)測(cè)焦炭質(zhì)量強(qiáng)度的回歸方程： (1.3) (1.4)包頭鋼鐵公司根據(jù)1997年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，也建立了同樣的焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，并在95的信度下顯著相關(guān)： (1.5) (1.6)在預(yù)測(cè)配合煤的焦炭強(qiáng)度時(shí)，配合煤的揮發(fā)份可以近似用單種煤的揮發(fā)份以加和性確定。但配合煤的實(shí)測(cè)G值和由單種煤G值按加和性計(jì)算所得配合煤G值有一定偏差，鞍鋼的試驗(yàn)表明，煤的黏結(jié)性差別不大時(shí)，G值有加和性，黏結(jié)性差別較大時(shí)，如肥煤和貧瘦煤之間，G值的加和性存在偏差。韶鋼根據(jù)歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，提出校正黏結(jié)指數(shù)： (1.7)并給出預(yù)測(cè)公

38、式： (1.8) (1.9)(2)Gb因子-煤巖參數(shù)預(yù)測(cè)法Simonis于1965年根據(jù)魯爾膨脹度測(cè)定值推導(dǎo)的Gb因子，通過回歸方程預(yù)測(cè)焦炭強(qiáng)度，1969年又進(jìn)一步將Gb因子與煤巖組分相結(jié)合，發(fā)展了Gb因子預(yù)測(cè)技術(shù)。Gb因子是以魯爾膨脹度曲線為基礎(chǔ)計(jì)算的： (1.10)預(yù)測(cè)焦炭M40和M10的方程為： (1.11) (1.12)式中 取決于Vdaf和Gb因子的K值系數(shù)；取決于Vdaf的系數(shù)，相當(dāng)于k=0時(shí)的M40；取決于Vdaf和Gb因子的粒度校正系數(shù)；、回歸系數(shù)。(3)煤巖指標(biāo)預(yù)測(cè)法煤巖指標(biāo)預(yù)測(cè)簡稱CBI-SI預(yù)測(cè)法，首先有前蘇聯(lián)阿莫索夫在1957年提出，后經(jīng)美國夏皮洛在1961年作了改進(jìn)，

39、日本的小島鴻次郎于20世紀(jì)60年代后期進(jìn)一步發(fā)展，并于1974年在新日鐵得到應(yīng)用。(4)煤巖參數(shù)和黏結(jié)性參數(shù)預(yù)測(cè)法1)鏡質(zhì)組反射率-奧亞膨脹度預(yù)測(cè)法2)鏡質(zhì)組反射率-惰性組分含量預(yù)測(cè)法3)鏡質(zhì)組反射率-黏結(jié)性指數(shù)預(yù)測(cè)法4)鏡質(zhì)組反射率-最大流動(dòng)度預(yù)測(cè)法5)鏡質(zhì)組反射率-惰性組分-容惰能力預(yù)測(cè)法(5)由于操作工藝因素的多變，僅以煤料性質(zhì)預(yù)測(cè)焦炭強(qiáng)度的方法，常因操作條件與提出預(yù)測(cè)方程或圖表時(shí)的工藝條件不同，而影響預(yù)測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。因此焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)方法發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)是同時(shí)包括煤料性質(zhì)和操作參數(shù)兩方面的指標(biāo)。1)VdafMFD預(yù)測(cè)法2)VdafGD預(yù)測(cè)法山西煤焦集團(tuán)采用多元回歸分析的辦法，找出了配合

40、煤干燥無灰基揮發(fā)份Vdaf黏結(jié)指數(shù)G配合煤細(xì)度D和配煤灰分Ad與焦炭強(qiáng)度的關(guān)系： (1.13) (1.14)(5)過程模擬預(yù)測(cè)法隨著市場經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和煤炭價(jià)格的放開，焦化企業(yè)煉焦用煤品種不斷增加，且煤種變化快，煤質(zhì)波動(dòng)大。因此，最優(yōu)化配煤與焦炭質(zhì)量過程模擬技術(shù)得到發(fā)展，一方面焦炭的灰分硫分抗碎強(qiáng)度M40和耐磨強(qiáng)度M10以及焦炭的熱性質(zhì)等指標(biāo)與配合煤或者單種煤質(zhì)量指標(biāo)存在函數(shù)關(guān)系，通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，建立焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)模型；另一方面，在一定的精度范圍內(nèi)，利用預(yù)測(cè)的反模型求解單種煤配合比例以及可能引起的焦炭質(zhì)量波動(dòng)范圍，并保證配煤成本最低。該系統(tǒng)對(duì)于煉焦系統(tǒng)的科學(xué)決策具有重

41、要的作用.但是，該系統(tǒng)涉及大量的基礎(chǔ)信息，以及煉焦專家的經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)仍需進(jìn)行艱苦的努力。利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算如圖所示。圖1.2 計(jì)算機(jī)運(yùn)算框圖1.3.3 焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度的預(yù)測(cè)方法焦炭在高溫下的強(qiáng)度叫做反應(yīng)后強(qiáng)度，在國際上稱為CSR (Coke Strength after Reaction)。據(jù)國外一些鋼鐵企業(yè)的研究，CSR的增加，在高爐操作中可使?fàn)t料移動(dòng)穩(wěn)定，透氣阻力變得低而穩(wěn)定，從而降低燃料使用率，并改善出渣，所有這些均有助于改進(jìn)高爐的性能。因此探索、改進(jìn)和提高冶金焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度值的研究在國外煉焦行業(yè)中已受到廣泛關(guān)注。隨著對(duì)外貿(mào)易的發(fā)展，國外用戶對(duì)CSR的要求，使得“CSR”也漸漸被中國的焦化

42、企業(yè)所認(rèn)識(shí)，并也開始研究焦炭的這種性能。此外，還有不少研究表明，焦炭的硫分對(duì)焦炭的反應(yīng)性亦有一定的影響。對(duì)于灰分各成分的催化作用順序，不同的研究者給出的結(jié)果不盡相同，甚至同一研究者在不同的研究中，也給出了不同的結(jié)果14。(1)我國測(cè)定焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度的方法在GB400083中已有詳細(xì)規(guī)定：將塊度為20±1mm的焦炭200g置于電爐內(nèi)，在1100±5時(shí)與二氧化碳反應(yīng)2h；反應(yīng)后的焦炭,經(jīng)I型轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)后，大于10mm粒級(jí)的焦炭占反應(yīng)后焦炭的重量百分?jǐn)?shù)稱焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度。該數(shù)值在國標(biāo)中以符號(hào)Sar表示，其計(jì)算式為： (1.15)(2)NSC(日本鋼鐵公司)的預(yù)測(cè)方法1980年，NSC

43、公布了基于煤的反射率和惰性組分含量來預(yù)測(cè)CSR的模型。當(dāng)反射率在1.4%以內(nèi)時(shí)，CSR隨反射率的增加而增加；最高的CSR得源于最佳的惰性組分值。在最佳惰性組分值以上，惰性物增加或煤的反射率在1.4%1.5%以上，則CSR要降低。美國內(nèi)陸公司(Inland Steel Company)對(duì)上述預(yù)測(cè)方法稍作了修改。內(nèi)陸公司專家通過23個(gè)單種煤和17種混合煤用NEC預(yù)測(cè)方法與實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)相比較后認(rèn)為，NEC方法不能確切預(yù)測(cè)出焦炭的CSR，該法相關(guān)系數(shù)低(0.40),標(biāo)準(zhǔn)偏差大(9.39)。他們還認(rèn)為NSC方法預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)CSR吻合不好的原因是由于煤有較高的可塑性或較高的堿含量造成的，因此不能只根據(jù)巖相

44、特性來預(yù)測(cè)。(3)神戶鋼鐵預(yù)測(cè)方法這種方法指定和二氧化碳反應(yīng)后的焦炭強(qiáng)度為反應(yīng)強(qiáng)度指數(shù)(RSI)，其RSI的確定與NEC方法不同。Kobe鋼鐵預(yù)測(cè)方法是基于煤的平均反射率、最大流動(dòng)度和堿含量： (1.16) (1.17)內(nèi)陸公司專家用該法預(yù)測(cè)的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較后證實(shí)，其預(yù)測(cè)值比實(shí)測(cè)數(shù)要低得多，預(yù)測(cè)值相對(duì)于實(shí)測(cè)值的校正系數(shù)是0.74標(biāo)準(zhǔn)偏差是10.75。因?yàn)榉瓷渎屎妥畲罅鲃?dòng)度是相互關(guān)聯(lián)的，因此只用反射率、流動(dòng)度和堿性并沒有正確表達(dá)出控制CSR的全部因素。(4)英國鋼鐵（BSC）、BCRA和NKK的預(yù)測(cè)方法BSC和BCRA預(yù)測(cè)法是對(duì)NSC預(yù)測(cè)法的發(fā)展，而NKK對(duì)CSR提出了預(yù)測(cè)方法,幾種預(yù)測(cè)方法

45、均考慮了焦炭結(jié)構(gòu)的特性。BSC方法包括了煤的反射率的確定和焦炭灰分的含量；BCRA方法包括了煤中氧和碳含量的確定以及煤的最大流動(dòng)速度、惰性組分、堿性物質(zhì)的確定，還有焦炭中孔數(shù)/cm2的確定。NKK方法采用了焦炭的微結(jié)構(gòu)，并將其用在預(yù)測(cè)程序中。內(nèi)陸公司專家認(rèn)為：NSC和Kobe的預(yù)測(cè)方法沒能完全考慮所有控制CSR的煤的質(zhì)量參數(shù)，它們不能充分地從煤的分析中正確預(yù)測(cè)焦炭的CSR。BSC、BCRA和NKK的預(yù)測(cè)方法把焦炭的特性考慮到預(yù)測(cè)公式中，因此也不能用來估算未經(jīng)過焦化的煤的CSR。(5)內(nèi)陸公司的預(yù)測(cè)方法內(nèi)陸公司的專家認(rèn)為，煤中各種參數(shù)的相互作用和影響及其結(jié)合對(duì)CSR造成的影響是復(fù)雜的，但煤的流變

46、特性、等級(jí)、硫和灰的化學(xué)組分是對(duì)CSR極其重要的影響因素。如表1.3所示表1.3 CSR的回歸分析式號(hào)回歸等式流變學(xué)參數(shù)1塑性范圍0.726.62最大流動(dòng)度()0.588.13自由膨脹指數(shù)()0.489.02巖相參數(shù)4反射率(反射率)20.588.25有機(jī)惰性組分0.2211.0化學(xué)參數(shù)6催化指數(shù)0.2211.04預(yù)測(cè)等式7塑性范圍-催化指數(shù)0.806.3CSR和巖相特性的關(guān)系CSR隨著射率的增加而提高，但隨著反射率進(jìn)入煉焦煤高等級(jí)區(qū)域內(nèi)而減少。具有良好CSR的焦炭都是由反射率為1.0%的低等級(jí)煤到反射率為1.4%的高等級(jí)煤、同時(shí)具有很寬的可塑范圍(>100)的煤所制得的。以可塑范圍取代

47、反射率可取得較高的CSR預(yù)測(cè)精度。CSR和煤中無機(jī)物的關(guān)系煤灰含量、總堿量和灰中各組分含量與CSR的高低成反相關(guān)關(guān)系。這是由于某些無機(jī)物有生成二氧化碳的催化劑作用。內(nèi)陸公司CSR預(yù)測(cè)方法中的統(tǒng)計(jì)分析表明，CSR 因大量鉀、鈉、硫和鐵的存在而降低(活性增加)。這些無機(jī)物被看作生成二氧化碳反應(yīng)的催化指數(shù)。但要找出簡單的相關(guān)關(guān)系是困難的。通過Gieseler可塑測(cè)定儀可測(cè)定出煤的可塑溫度范圍；通過重量法可從煤的灰分組成數(shù)據(jù)中確定煤的堿性指數(shù)(AL)： (1.19)催化指數(shù)(CI)由下式計(jì)算可得： (1.20)對(duì)CSR的預(yù)測(cè)可進(jìn)一步利用CSR的相加性予以輔佐，從而有助于在對(duì)各種煤進(jìn)行測(cè)試獲得CSR后，

48、算出混合煤樣的CSR，并進(jìn)行合理的配煤工作。除了根據(jù)煤的性質(zhì)來預(yù)測(cè)以外, 要使CSR達(dá)到較高值,溫度也起著重大作用。據(jù)一些研究表明，最終結(jié)焦溫度越高且升溫速度愈快時(shí)，CSR趨向提高；但要注意的是， 轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度在升溫速度小、最終結(jié)焦溫度高時(shí)達(dá)最高值。這些影響條件均需在實(shí)際操作中根據(jù)煤的性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)后進(jìn)行修正15。眾所周知，CRI越低并且CSR越高，表明焦炭質(zhì)量越好16。1.4 主要研究內(nèi)容及目的（1）研究內(nèi)容：1）預(yù)測(cè)焦炭質(zhì)量的參數(shù)的確定2）焦炭灰分、硫分等與煤質(zhì)的關(guān)系3）焦炭機(jī)械強(qiáng)度與煤質(zhì)的關(guān)系4）焦炭熱態(tài)性能與煤質(zhì)等的關(guān)系5）焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)模型在生產(chǎn)中的應(yīng)用（2）研究目的本研究擬從實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和生

49、產(chǎn)實(shí)驗(yàn)兩方面著手。即先弄清楚單種煤的煤質(zhì)和灰成分，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行配煤煉焦實(shí)驗(yàn)，建立實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型；在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，研究生產(chǎn)焦炭，建立生產(chǎn)焦炭與生產(chǎn)配煤、灰成分之間的數(shù)學(xué)模型。最后將兩個(gè)數(shù)學(xué)模型合并、分析、確定最佳數(shù)學(xué)模型。2 實(shí)驗(yàn)方案及方法2.1 實(shí)驗(yàn)方案單種煤取樣配合煤焦炭制樣煤樣粘結(jié)性指數(shù)G膠質(zhì)層指數(shù)Y焦樣工藝分析試樣分析定硫S元素分析煤樣水分、灰分揮發(fā)分 工業(yè)分析數(shù)據(jù)分析焦樣結(jié)果與討論熱性質(zhì)分析反應(yīng)性CRI反應(yīng)后強(qiáng)度CSR圖2.1 試驗(yàn)方案流程圖2.2 實(shí)驗(yàn)分析方法2.2.1 煤質(zhì)分析（1） 煤的工業(yè)分析：Mad、Ad、Vdaf、FCad等指標(biāo)，按照國標(biāo)GB212-91煤的工業(yè)

50、分析方法測(cè)定；（2） 煙煤的粘結(jié)指數(shù)：GR.I指標(biāo)按照國標(biāo)GB5447-85煙煤粘結(jié)指數(shù)測(cè)定方法測(cè)定；（3） 煙煤的膠質(zhì)層指數(shù)：Y、X值按照國標(biāo)GB479-87煙煤膠質(zhì)層指數(shù)測(cè)定方法測(cè)定； （4） 煙煤奧亞膨脹度： b、a、T1、T2、T3等指標(biāo)按照國標(biāo)GB5450-85煙煤奧亞膨脹度試驗(yàn)測(cè)定；（5） 煤樣的縮分與制樣：煤樣的縮制按國際GB474-83方法進(jìn)行；（6）煤的硫分St,d按GB214-83煤中全硫的測(cè)定方法測(cè)定。（7）煤的灰成分分析：K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、SiO2、TiO2參照國標(biāo)GB1574-79、GB4634-84煤灰成分測(cè)定方法用基譜測(cè)定；

51、2.2.2 焦炭分析（1）焦炭的工業(yè)分析：Mad、Ad、Vdaf、FCad等指標(biāo)按照國標(biāo)GB212-91焦炭工業(yè)分析測(cè)定方法測(cè)定；（2）焦炭的硫分分析：St.ad按照國家GB/T2286-91焦炭全硫含量的測(cè)定測(cè)定；（3）焦炭的反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度：CRI、CSR等指標(biāo)按照GB/T4000-83焦炭的反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度測(cè)定方法測(cè)定；（4）焦炭的冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度：M40、M10等指標(biāo)按照國際GB/T2006-94冶金焦機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)定方法測(cè)定；（5）焦炭的灰成分分析K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、SiO2、TiO2參照國標(biāo)GB1574-79、GB4634-84煤灰成分測(cè)定方法用

52、基譜測(cè)定；3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1配煤煉焦試驗(yàn)的結(jié)果與討論首先進(jìn)行了常規(guī)煉焦實(shí)驗(yàn)配煤方案如表3-1所示。黃陵新汶靈石田莊棗莊平八介休峰峰哈爾蓋五陽鶴壁韓城13551814181264555253518141812645553838141218126455541008151218126455551201013101812645556150101010181264555720010105181264555825010551812645559200101515101032555102501010201050010100配合煤的煤質(zhì)如表3-2所示。MadAdVdafSt,dGYMCI1號(hào)1.659.

53、6724.740.6176.8713.63.312號(hào)1.579.4125.280.5876.8814.23.293號(hào)1.789.4225.40.6175.2514.43.284號(hào)1.819.9325.890.5771.3716.13.515號(hào)1.839.5825.750.5969.7713.83.376號(hào)1.9210.2625.650.6271.8512.33.667號(hào)2.39.4625.280.6271.3915.33.448號(hào)1.919.3925.230.6470.7812.73.519號(hào)1.919.5427.050.6271.3216.33.8410號(hào)2.419.0126.290.6268.0416.23.81表3.2 搗固煉焦配合煤煤質(zhì)分析表AdSt,dVdaf