煤中灰分的組成對焦炭質(zhì)量的影響

./煤中灰分的組成對焦炭質(zhì)量的影響時(shí)間：2012-4-9|點(diǎn)擊：99|字體：大小房承宣嚴(yán)加才〔開灤煤化工研究開發(fā)中心,XX063611>

煉焦煤的灰分相同、而灰分的組成不同時(shí),對焦炭質(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焦炭微觀結(jié)構(gòu)和焦炭質(zhì)量的影響,這對于提高焦炭質(zhì)量,改善高爐反應(yīng)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,對其進(jìn)行灰分及其組成分析、脫灰處理、脫灰前后煤種煉焦實(shí)驗(yàn)以及焦炭結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分析。1.1

煤灰分及其組成的測定

按照國標(biāo)GB212-91有關(guān)煤的灰分測定方法規(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)行分析測試煤灰分的組成。1.2

坩堝煉焦、40kg焦?fàn)t煉焦及焦炭反應(yīng)性的測定

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,坩堝爐升溫速度開始以5～7℃/min加熱至400℃,然后將升溫速度調(diào)整為3℃/min,直至焦餅中心溫度達(dá)到950℃。保溫40min后通入氮?dú)?使?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。

坩堝焦的焦炭反應(yīng)性在粒焦反應(yīng)性〔PRI裝置上測定,取20g粒度為3～6mm干燥后的焦樣,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,反應(yīng)時(shí)間為120min。然后通入氮?dú)獗Ｗo(hù)冷卻至室溫,以反應(yīng)前后焦樣損失的質(zhì)量百分率作為粒焦的反應(yīng)性指標(biāo)。40kg焦?fàn)t的煉焦配煤方案見表1。40kg焦?fàn)t焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度按國標(biāo)GB/T4000-1996測定方法測定。表1

西北煤的配煤煉焦方案方案號配比方案號配比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)組織及顯微結(jié)構(gòu)分析

按照GB1997-89進(jìn)行焦炭試樣的制備,使用NIKON-II偏反光光學(xué)顯微鏡。按照GB8899-88進(jìn)行煤的顯微組分和礦物的測定,用焦炭光學(xué)組織指數(shù)〔OTI來表征焦炭光學(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種單種煤的基本性質(zhì)見表2,其灰分組成見表3。對比表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種單種煤的基本性質(zhì)〔％煤號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,D煤和E煤的硅鋁含量很高,總量都超過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,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>]}

XX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)果都表明：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

灰成分變化對焦炭反應(yīng)性的影響

表6列出了C煤和D煤用鹽酸進(jìn)行脫灰試驗(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,相對來說難以脫除。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值都無明顯變化,脫灰前后的粒焦反應(yīng)性見表7。表6

煤脫灰前后的基本性質(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

脫灰前后的粒焦反應(yīng)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,粒焦反應(yīng)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反應(yīng)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,其配煤的基本性質(zhì)見表8。表8

配煤的基本性質(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值與基礎(chǔ)方案相差不大,僅考慮替代煤種引起礦物質(zhì)含量變化對焦炭質(zhì)量的影響。本試驗(yàn)研究測試了煉焦配煤所得焦炭的冷態(tài)強(qiáng)度、塊焦反應(yīng)性、反應(yīng)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)果表明,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,西北煤作為配煤時(shí),沒有降低焦炭的冷態(tài)強(qiáng)度,反而稍有提高。6個(gè)替代配煤煉焦試驗(yàn)方案所得焦炭的反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度見圖2和圖3。圖3

配煤替代后焦炭的反應(yīng)性變化圖3

配煤替代后焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度變化

從圖2和圖3可看出,與基礎(chǔ)方案比較,焦炭的反應(yīng)性都有不同程度的提高,反應(yīng)后強(qiáng)度都有所降低。7種配煤方案焦炭的灰催化指數(shù)見圖4,與焦炭反應(yīng)性和焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度的關(guān)系見圖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)與焦炭反應(yīng)性、反應(yīng)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)度也沒有變化,但明顯惡化了焦炭的熱反應(yīng)性和反應(yīng)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?；A(chǔ)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。一般來說,不同顯微組織的反應(yīng)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應(yīng)性越小。焦炭的各向同性組織的反應(yīng)活性大于各向異性組織,各向同性在高溫下容易發(fā)生分解反應(yīng),從而使其反應(yīng)性增大。例如,方案C3的OTI值最低為106.1,其熱反應(yīng)性對應(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)焦炭的結(jié)構(gòu),西北煤的配入不僅增加了焦炭的溶損反應(yīng),而且也改變了焦炭的微觀結(jié)構(gòu),使得耐CO2反應(yīng)能力較強(qiáng)的各向異性組織減少,從而在溶損催化和微觀結(jié)構(gòu)方面都影響了焦炭質(zhì)量。由此可見,礦物質(zhì)對焦炭在高爐內(nèi)降解是通過2條途徑實(shí)現(xiàn)的：一是通過對溶損反應(yīng)的催化作用,使焦炭溶損反應(yīng)加劇,反應(yīng)性增高,反應(yīng)后強(qiáng)度降低；二是影響其微觀結(jié)構(gòu),使得以礦物質(zhì)微粒為中心的易于和CO2反應(yīng)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