煤中灰分的組成對(duì)焦炭質(zhì)量的影響

-.z煤中灰分的組成對(duì)焦炭質(zhì)量的影響時(shí)間：2021-4-9|點(diǎn)擊：99|字體：大小房承宣嚴(yán)加才〔開(kāi)灤煤化工研究開(kāi)發(fā)中心，**063611)煉焦煤的灰分一樣、而灰分的組成不同時(shí)，對(duì)焦炭質(zhì)量的影響較大，目前在這方面的研究較少。本文著重研究了煤中灰分組成的差異對(duì)焦炭微觀構(gòu)造和焦炭質(zhì)量的影響，這對(duì)于提高焦炭質(zhì)量，改善高爐反響效率，降低高爐焦比具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。1

實(shí)驗(yàn)方案及內(nèi)容實(shí)驗(yàn)選擇西北煤〔A、B、C〕和東部煤〔D、E)為樣品，對(duì)其進(jìn)展灰分及其組成分析、脫灰處理、脫灰前后煤種煉焦實(shí)驗(yàn)以及焦炭構(gòu)造和質(zhì)量分析。1.1

煤灰分及其組成的測(cè)定按照國(guó)標(biāo)GB212-91有關(guān)煤的灰分測(cè)定方法規(guī)定的灰化條件，將分析煤樣燒成煤灰。灼燒后的煤灰利用JY38S單道掃描型高頻耦合等離子直讀光譜儀進(jìn)展分析測(cè)試煤灰分的組成。1.2

坩堝煉焦、40kg焦?fàn)t煉焦及焦炭反響性的測(cè)定將脫灰前后的煤試樣粒度控制在3mm以下，入爐煤水分控制在8％左右，坩堝爐升溫速度開(kāi)場(chǎng)以5～7℃/min加熱至400℃，然后將升溫速度調(diào)整為3℃/min，直至焦餅中心溫度到達(dá)950℃。保溫40min后通入氮?dú)猓範(fàn)t膛溫度冷卻到200℃以下，取出焦炭。40kg配煤煉焦實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)際焦?fàn)t，鐵箱兩側(cè)用耐高溫硅酸鋁纖維板模擬炭化室爐墻，煤樣細(xì)度在80％左右，水分10％左右，結(jié)焦時(shí)間為18h，焦餅中心溫度1050℃左右。坩堝焦的焦炭反響性在粒焦反響性〔PRI〕裝置上測(cè)定，取20g粒度為3～6mm枯燥后的焦樣，以20～25℃/min升溫至400℃，通入氮?dú)獗Ｗo(hù)，繼續(xù)升溫至1100℃，切換成CO2氣體，流量為0.5L/min，反響時(shí)間為120min。然后通入氮?dú)獗Ｗo(hù)冷卻至室溫，以反響前后焦樣損失的質(zhì)量百分率作為粒焦的反響性指標(biāo)。40kg焦?fàn)t的煉焦配煤方案見(jiàn)表1。40kg焦?fàn)t焦炭反響性和反響后強(qiáng)度按國(guó)標(biāo)GB/T4000-1996測(cè)定方法測(cè)定。表1

西北煤的配煤煉焦方案方案號(hào)配比方案號(hào)配比C1肥煤、焦煤各25%，1/3焦煤10%，氣煤32%，瘦煤8%C4用B煤替代10%的1/3焦煤C5用C煤替代15%焦煤C2用B煤替代15%肥煤C6用C煤替代25%焦煤C3用B煤替代25%肥煤C7用C煤替代10%的1/3焦煤1.3

焦炭光學(xué)組織及顯微構(gòu)造分析按照GB1997-89進(jìn)展焦炭試樣的制備，使用NIKON-II偏反光光學(xué)顯微鏡。按照GB8899-88進(jìn)展煤的顯微組分和礦物的測(cè)定，用焦炭光學(xué)組織指數(shù)〔OTI〕來(lái)表征焦炭光學(xué)組織的各向異性程度。2

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論2.1

煤的灰分及其組成分析試驗(yàn)用5種單種煤的根本性質(zhì)見(jiàn)表2，其灰分組成見(jiàn)表3。比照表2數(shù)據(jù)，西北煤的灰分與東部煤的灰分含量相差不大，且揮發(fā)分適中，但C煤的粘結(jié)指數(shù)G值明顯高于同類焦煤D煤，同為肥煤的A煤、B煤的G值也比E煤高出很多。將表3堿性氧化物、酸性氧化物、堿土金屬分別歸類于表4中。表2

試驗(yàn)用5種單種煤的根本性質(zhì)〔％〕煤號(hào)MadAdVdafGA煤〔肥煤〕0.589.0830.88103B煤〔肥煤〕0.338.8627.79103C煤〔焦煤〕0.7510.6922.7898D煤〔焦煤〕0.799.4423.3587E煤〔肥煤〕1.9611.0127.8392表3

煤灰的組成分析數(shù)據(jù)〔％〕煤樣西北煤東部煤A煤B煤C煤D煤E煤SiO229.7036.2047.2046.8248.75Al2O317.4012.9715.9235.9434.91Fe2O316.4019.1715.865.097.80CaO15.3014.7510.852.932.23MgO7.527.624.120.921.14K2O1.401.571.531.070.20Na2O3.523.751.970.410.77P2O50.820.400.82－1.94TiO20.690.570.592.122.00BaO0.350.200.190.140.14MnO20.190.060.0540.0150.07V2O50.020.0240.028－－稀土0.010.0270.016－－其他6.702.690.854.550.05合計(jì)100.00100.00100.00100.00100.00表4

煤灰的組成分分類〔％〕煤樣西北煤東部煤A煤B煤C煤D煤E煤酸性氧化物47.1249.1763.1282.7683.66堿性氧化物4.925.323.501.480.97堿土金屬40.5042.3731.6611.2213.38由表3、表4可見(jiàn)，D煤和E煤的硅鋁含量很高，總量都超過(guò)80%，堿金屬含量很低。而A煤、B煤、C煤的灰成分中，酸性氧化物含量相差很明顯，堿性氧化物總量是東部煤的3～4倍。此外鋇、錳、稀土金屬元素含量也相當(dāng)高。由此可見(jiàn)，西北煤中的礦物質(zhì)硅鋁含量低，而正催化作用強(qiáng)的礦物質(zhì)含量高。用加拿大CCRA法來(lái)計(jì)算煤的堿度指數(shù)為：MBI=[100%Ad×(Na2O+K2O+CaO+MgO+Fe2O3)]/[(100－Vd)×(SiO2+Al2O3)]式中的MBI為煤的堿度指數(shù)；Vd為煤的揮發(fā)分；Ad為煤的灰分。寶鋼預(yù)測(cè)模型提供的礦物質(zhì)催化指數(shù)為：MCI=100%Ad×{(2.2Na2O+1.9K2O+1.6CaO+0.93MgO+Fe2O3)/[(100－Vd)×(SiO2+0.41Al2O3+2.5TiO2)]}**工業(yè)大學(xué)課題組的修正礦物質(zhì)指數(shù)為：MMCI=100%Ad×{(2.85Na2O+1.9K2O+1.03CaO+0.43MgO+Fe2O3+2.34BaO)/[(100－Vd)×(SiO2+0.74Al2O3+2.5TiO2)]}根據(jù)公式和表2數(shù)據(jù)計(jì)算上述各煤種的催化指數(shù)，其結(jié)果見(jiàn)表5。表5

煤的催化指數(shù)值〔％〕煤樣西北煤東部煤A煤B煤C煤D煤E煤MBI11.1511.837.681.921.42MCI18.0316.8611.192.623.89MMCI10.039.716.881.681.72由表5可看出，西北單種煤的灰催化指數(shù)是東部煤的5～6倍。西北煤本身也有差異，C煤的灰催化指數(shù)要明顯低于A煤和B煤，前者是后者的2/3左右。MBI計(jì)算最大值的B煤為11.83，最小值的E煤為1.42。同理，MCI最大值是最小值的6.9倍，MMCI最大值是最小值的6.0倍。不同的催化指數(shù)公式計(jì)算結(jié)果都說(shuō)明：礦物質(zhì)的組成不同，其催化指數(shù)相差很大，由此也可看出，礦物質(zhì)催化指數(shù)高是西北煤的主要特征。2.2

灰成分變化對(duì)焦炭反響性的影響表6列出了C煤和D煤用鹽酸進(jìn)展脫灰試驗(yàn)的結(jié)果，從表5可看出,C煤的灰分脫除率較高，而D煤的脫除率較低，C煤的堿金屬、鈣、鎂、鐵含量較高，它們均較容易溶解于酸。D煤的硅含量高，相對(duì)來(lái)說(shuō)難以脫除。此外，煤的粒徑也影響其脫除效果，由于要用于煉制坩堝焦，煤粒徑在3mm左右，不利于徹底脫灰。脫灰后各煤種的揮發(fā)分和G值都無(wú)明顯變化，脫灰前后的粒焦反響性見(jiàn)表7。表6

煤脫灰前后的根本性質(zhì)〔％〕煤種處理方式MadAdΔAdVdafΔVdafGΔGC煤脫灰前0.7510.693.1822.780.43981脫灰后1.027.5122.3597D煤脫灰前0.798.511.3422.350.76872脫灰后0.937.1721.5985表7

脫灰前后的粒焦反響性PRI

〔％)焦炭種類C煤脫灰C煤D煤脫灰D煤PRI52.5441.9422.9220.87由表7可看出，C煤和D煤在灰分、粘結(jié)性和結(jié)焦性相差不大的情況下，粒焦反響性的相差很大。究其原因是由于二者的灰分組成差異造成的。C煤中含正催化作用的堿金屬和堿土金屬比例太高，受催化作用影響焦炭在高溫下與CO2反響加??；D煤脫灰前后的PRI由22.92％降到20.87%；而C煤脫灰前后的PRI從52.54％降到41.94%，說(shuō)明C煤脫灰后的PRI明顯降低，這也證明了高含量堿金屬的存在是造成C煤焦炭相比同類煤焦炭熱態(tài)性能較差的原因。西北煤配煤方案中，盡量不改變配合煤中的氣、肥、焦、瘦比例，保持揮發(fā)分、結(jié)焦過(guò)程中膠質(zhì)體和惰性物質(zhì)數(shù)量不變，只考慮由于西北煤的配入引起的變化，其配煤的根本性質(zhì)見(jiàn)表8。表8

配煤的根本性質(zhì)〔％〕配煤方案MadAdVdafGC11.139.3528.2981C21.029.1128.5388C31.459.4428.0291C41.409.8826.5987C51.329.8227.5188C61.269.8424.1587C71.539.5425.5583配煤方案C2～C7的灰分、揮發(fā)分和G值與根底方案相差不大，僅考慮替代煤種引起礦物質(zhì)含量變化對(duì)焦炭質(zhì)量的影響。本試驗(yàn)研究測(cè)試了煉焦配煤所得焦炭的冷態(tài)強(qiáng)度、塊焦反響性、反響后強(qiáng)度以及焦炭的光學(xué)組織等性質(zhì)。配合煤所得各焦炭的冷態(tài)強(qiáng)度見(jiàn)圖1。圖1

各配煤方案所得的焦炭冷態(tài)強(qiáng)度圖1的試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，B煤替代15％的肥煤〔C2方案〕后所得焦炭的冷態(tài)強(qiáng)度無(wú)變化；B煤替代25％的肥煤〔C3方案〕后所得焦炭的冷態(tài)強(qiáng)度只下降1個(gè)百分點(diǎn)；B煤替代10%的1/3焦煤〔C4方案〕后所得焦炭的冷態(tài)強(qiáng)度變?yōu)?8.3%，略有提高。C煤替代15%、25％的焦煤以及10％的1/3焦煤后，焦炭的冷態(tài)強(qiáng)度都略有提高。由此可見(jiàn)，西北煤作為配煤時(shí)，沒(méi)有降低焦炭的冷態(tài)強(qiáng)度，反而稍有提高。6個(gè)替代配煤煉焦試驗(yàn)方案所得焦炭的反響性和反響后強(qiáng)度見(jiàn)圖2和圖3。圖3

配煤替代后焦炭的反響性變化圖3

配煤替代后焦炭的反響后強(qiáng)度變化從圖2和圖3可看出，與根底方案比較，焦炭的反響性都有不同程度的提高，反響后強(qiáng)度都有所降低。7種配煤方案焦炭的灰催化指數(shù)見(jiàn)圖4,與焦炭反響性和焦炭反響后強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖5、圖6。圖4

配煤替代焦炭灰催化指數(shù)的變化由圖4可知，焦炭的灰催化指數(shù)都隨西北煤的配入量有不同程度的提高，配入量增多時(shí)，灰催化指數(shù)明顯增大。由圖5、圖6可看出，灰催化指數(shù)與焦炭反響性、反響后強(qiáng)度都有著明顯的線性相關(guān)性，由F檢驗(yàn)知道F＞F0.01(1,5)=16.26，同樣相關(guān)系數(shù)R也在置信水平上顯著。綜上所述，當(dāng)灰成分有顯著差異的西北煤配煤時(shí)，配煤的結(jié)焦性能和灰分含量變化不大，高溫炭化后的焦炭冷態(tài)強(qiáng)度也沒(méi)有變化，但明顯惡化了焦炭的熱反響性和反響后強(qiáng)度。2.3

配煤的焦炭光學(xué)組織與熱性質(zhì)的關(guān)系7種配煤焦炭的光學(xué)組織見(jiàn)表9。隨著西北煤的配入，配合煤所得的焦炭的OTI值相應(yīng)降低，各向同性I+FF含量增加。根底煤樣的OTI值為137.7，隨著配入量的增加，各向同性組織明顯增多，粗粒鑲嵌的含量有所下降。一般來(lái)說(shuō)，不同顯微組織的反響性順序?yàn)椋篎B＞I＞Mf＞Mc＞Mm＞Fi＞F,即各向異性程度越高的組織反響性越小。焦炭的各向同性組織的反響活性大于各向異性組織，各向同性在高溫下容易發(fā)生分解反響，從而使其反響性增大。例如，方案C3的OTI值最低為106.1，其熱反響性對(duì)應(yīng)的最高為48.2%。表9

各配煤所得焦炭的光學(xué)組織焦炭光學(xué)組織CRI%IMfMmMcLFFI+FFOTIC109.930.931.60.427.027.0137.735.7C21.519.133.814.0031.633.1116.241.0C3014.329.816.1039.839.8106.148.2C41.711.143.616.2027.429.1132.439.4C5010.638.120.4031.031.0127.641.1C607.238.416.7037.737.7117.446.3C704.944.416.7034.034.0127.139.9光學(xué)組織的各項(xiàng)成分可以從微觀的角度表現(xiàn)焦炭的構(gòu)造，西北煤的配入不僅增加了焦炭的溶損反響，而且也改變了焦炭的微觀構(gòu)造，使得耐CO2反響能力較強(qiáng)的各向異性組織減少，從而在溶損催化和微觀構(gòu)造方面都影響了焦炭質(zhì)量。由此可見(jiàn)，礦物質(zhì)對(duì)焦炭在高爐內(nèi)降解是通過(guò)2條途徑實(shí)現(xiàn)的：一是通過(guò)對(duì)溶損反響的催化作用，使焦炭溶損反響加劇，反響性增高，反響后強(qiáng)度降低；二是影響其微觀構(gòu)造，使得以礦物質(zhì)微粒為中心的易于和CO2反響的各向同性組織增加。3

結(jié)論〔1〕西北煤的粘結(jié)性優(yōu)于東部煤，灰分含量相差不大，但灰分的組成差異很大，灰催化指數(shù)高，MBI計(jì)算最大值