1、煤中灰分的組成對焦炭質量的影響時間：2012-4-9|點擊：99|字體：大小房承宣 嚴加才（開灤煤化工研究開發中心，唐山063611) 煉焦煤的灰分相同、而灰分的組成不同時，對焦炭質量的影響較大，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構和焦炭質量的影響，這對于提高焦炭質量，改善高爐反應效率，降低高爐焦比具有重要的現實指導意義。1 實驗方案及內容 實驗選擇西北煤（A、B、C）和東部煤（D、E)為樣品，對其進行灰分及其組成分析、脫灰處理、脫灰前后煤種煉焦實驗以及焦炭結構和質量分析。1.1 煤灰分及其組成的測定 按照國標GB 212-91有關煤的灰分測定方法規定的灰化條

2、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行分析測試煤灰分的組成。1.2 坩堝煉焦、40kg焦爐煉焦及焦炭反應性的測定 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57/min加熱至400，然后將升溫速度調整為3/min，直至焦餅中心溫度達到950。保溫40min后通入氮氣，使爐膛溫度冷卻到200以下，取出焦炭。 40kg配煤煉焦實驗模擬實際焦爐，鐵箱兩側用耐高溫硅酸鋁纖維板模擬炭化室爐墻，煤樣細度在80左右，水分10左右，結焦時間為18h，焦餅中心溫度1050左右。 坩堝焦的焦炭反應性在粒焦反應性（PRI）裝

3、置上測定，取20g粒度為36mm干燥后的焦樣，以2025/min升溫至400，通入氮氣保護，繼續升溫至1100，切換成CO2氣體，流量為0.5L/min，反應時間為120min。然后通入氮氣保護冷卻至室溫，以反應前后焦樣損失的質量百分率作為粒焦的反應性指標。40kg焦爐的煉焦配煤方案見表1。40kg焦爐焦炭反應性和反應后強度按國標GB/T 4000-1996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

4、25%肥煤C7用C煤替代10%的1/3焦煤1.3 焦炭光學組織及顯微結構分析 按照GB1997-89進行焦炭試樣的制備，使用NIKON-II偏反光光學顯微鏡。按照GB8899-88進行煤的顯微組分和礦物的測定，用焦炭光學組織指數（OTI）來表征焦炭光學組織的各向異性程度。2 實驗結果及討論2.1 煤的灰分及其組成分析 試驗用5種單種煤的基本性質見表2，其灰分組成見表3。對比表2數據，西北煤的灰分與東部煤的灰分含量相差不大，且揮發分適中，但C煤的粘結指數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 試驗用5種單

5、種煤的基本性質（）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 煤灰的組成分析數據（）煤樣西北煤東部煤A煤B煤C煤D煤E煤SiO229.7036.2047.2046.8248.75Al2O317.4012.9715.9235.9434.91Fe2O316.4019.1715.865.097.80CaO15.3014.7510.852.932.23MgO7.527.624.120.921.14K2

6、O1.401.571.531.070.20Na2O3.523.751.970.410.77P2O50.820.400.821.94TiO20.690.570.592.122.00BaO0.350.200.190.140.14MnO20.190.060.0540.0150.07V2O50.020.0240.028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4.925.32

7、3.501.480.97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34倍。此外鋇、錳、稀土金屬元素含量也相當高。由此可見，西北煤中的礦物質硅鋁含量低，而正催化作用強的礦物質含量高。用加拿大CCRA法來計算煤的堿度指數為： MBI = 100%Ad (Na2O+K2O+CaO+MgO+Fe2O3) /(100Vd)(SiO2+Al2O3) 式中的MBI為煤的堿度指數；Vd為煤的揮發分；Ad為煤的灰分。 寶鋼預測模型提供的礦

8、物質催化指數為： MCI = 100%Ad(2.2Na2O+1.9K2O+1.6CaO+0.93MgO+Fe2O3) /(100Vd)(SiO2+0.41Al2O3+2.5TiO2) 安徽工業大學課題組的修正礦物質指數為： MMCI=100%Ad(2.85Na2O+1.9K2O+1.03CaO+0.43MgO+Fe2O3+2.34BaO) /(100Vd)(SiO2+0.74Al2O3+2.5TiO2) 根據公式和表2數據計算上述各煤種的催化指數，其結果見表5。表5 煤的催化指數值（）煤樣西北煤東部煤A煤B煤C煤D煤E煤MBI11.1511.837.681.921.42MCI18.0316.8

9、611.192.623.89MMCI10.039.716.881.681.72 由表5可看出，西北單種煤的灰催化指數是東部煤的56倍。西北煤本身也有差異，C煤的灰催化指數要明顯低于A煤和B煤，前者是后者的2/3左右。MBI計算最大值的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。不同的催化指數公式計算結果都表明：礦物質的組成不同，其催化指數相差很大，由此也可看出，礦物質催化指數高是西北煤的主要特征。2.2 灰成分變化對焦炭反應性的影響 表6列出了C煤和D煤用鹽酸進行脫灰試驗的結果，從表5可看出, C煤的灰分脫除率較高，而D煤的

10、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分和G值都無明顯變化，脫灰前后的粒焦反應性見表7。表6 煤脫灰前后的基本性質（）煤種處理方式MadAdAdVdafVdafGGC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性PRI （)焦炭種類C煤脫灰C煤D煤脫灰D煤PR

11、I52.5441.9422.9220.87 由表7可看出，C煤和D煤在灰分、粘結性和結焦性相差不大的情況下，粒焦反應性的相差很大。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，保持揮發分、結焦過程中膠質體和惰性物質數量不變，只考慮由于西北煤的配入

12、引起的變化，其配煤的基本性質見表8。表8 配煤的基本性質 （）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C2C7的灰分、揮發分和G值與基礎方案相差不大，僅考慮替代煤種引起礦物質含量變化對焦炭質量的影響。本試驗研究測試了煉焦配煤所得焦炭的冷態強度、塊焦反應性、反應后強度以及焦炭的光學組織等性質。配合煤所得各焦炭的冷態強度見圖1。圖1 各配煤方案所得的焦炭冷態強度 圖

13、1的試驗結果表明，B煤替代15的肥煤（C2方案）后所得焦炭的冷態強度無變化；B煤替代25的肥煤（C3方案）后所得焦炭的冷態強度只下降1個百分點；B煤替代10%的1/3焦煤（C4方案）后所得焦炭的冷態強度變為78.3%，略有提高。C煤替代15%、25的焦煤以及10的1/3焦煤后，焦炭的冷態強度都略有提高。由此可見，西北煤作為配煤時，沒有降低焦炭的冷態強度，反而稍有提高。6個替代配煤煉焦試驗方案所得焦炭的反應性和反應后強度見圖2和圖3。圖3 配煤替代后焦炭的反應性變化 圖3 配煤替代后焦炭的反應后強度變化 從圖2和圖3可看出，與基礎方案比較，焦炭的反應性都有不同程度的提高，反應后強度都有所降低。7

14、種配煤方案焦炭的灰催化指數見圖4, 與焦炭反應性和焦炭反應后強度的關系見圖5、圖6。圖4 配煤替代焦炭灰催化指數的變化 由圖4可知，焦炭的灰催化指數都隨西北煤的配入量有不同程度的提高，配入量增多時，灰催化指數明顯增大。由圖5、圖6可看出，灰催化指數與焦炭反應性、反應后強度都有著明顯的線性相關性，由F檢驗知道FF0.01(1,5)=16.26，同樣相關系數R也在置信水平上顯著。 綜上所述，當灰成分有顯著差異的西北煤配煤時，配煤的結焦性能和灰分含量變化不大，高溫炭化后的焦炭冷態強度也沒有變化，但明顯惡化了焦炭的熱反應性和反應后強度。2.3 配煤的焦炭光學組織與熱性質的關系 7種配煤焦炭的光學組織見

15、表9。隨著西北煤的配入，配合煤所得的焦炭的OTI值相應降低，各向同性I +FF含量增加。基礎煤樣的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性順序為：FBIMfMcMmFiF, 即各向異性程度越高的組織反應性越小。焦炭的各向同性組織的反應活性大于各向異性組織，各向同性在高溫下容易發生分解反應，從而使其反應性增大。例如，方案C3的OTI值最低為106.1，其熱反應性對應的最高為48.2% 。表9 各配煤所得焦炭的光學組織焦炭光學組織CRI%IMfMmMcLFFI+FFOTIC109.930.931.60.427.027.01

16、37.735.7C21.519.133.814.0031.633.1116.241.0C3014.329.816.1039.839.8106.148.2C41.711.143.616.2027.429.1132.439.4C5010.638.120.4031.031.0127.641.1C607.238.416.7037.737.7117.446.3C704.944.416.7034.034.0127.139.9 光學組織的各項成分可以從微觀的角度表現焦炭的結構，西北煤的配入不僅增加了焦炭的溶損反應，而且也改變了焦炭的微觀結構，使得耐CO2反應能力較強的各向異性組織減少，從而在溶損催化和微觀結構方面都影響了焦炭質量。由此可見，礦物質對焦炭在高爐內降解是通過2條途徑實現的：一是通過對溶損反應的催化作用，使焦炭溶損反應加劇，反應性增高，反應后強度降低；二是影響其微觀結構，使得以礦物質微粒為中心的易于和CO2反應的各向同性組織增加。3 結論 （1）西北煤的粘結性優于東部煤，灰分含量相差不大，但灰分的組成差異很大，灰催化指數高，MBI計算最大值B煤為