入爐煤性質(zhì)對搗固焦炭性能的影響

史 媛，劉向勇，孫超祺，吳 瓊，李鳳霞，郭 琴，史世莊

（1.武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢，430081；2.武漢平煤武鋼聯(lián)合焦化有限責(zé)任公司，湖北武漢，430082）

入爐煤性質(zhì)對搗固焦炭性能的影響

史 媛1，劉向勇2，孫超祺1，吳 瓊1，李鳳霞1，郭 琴1，史世莊1

（1.武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢，430081；2.武漢平煤武鋼聯(lián)合焦化有限責(zé)任公司，湖北武漢，430082）

采用30種配煤方案，在堆積密度為1.1 t／m3的條件下進(jìn)行搗固煉焦試驗(yàn)，利用線性回歸分析方法研究入爐煤性質(zhì)對焦炭性能的影響。結(jié)果表明，焦炭性能指標(biāo)與入爐煤性質(zhì)指標(biāo)之間具有良好的相關(guān)性；適當(dāng)降低入爐煤的揮發(fā)分有利于提高焦炭的冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度，而增加入爐煤的黏結(jié)指數(shù)有利于提高焦炭的耐磨強(qiáng)度，但不利于提高焦炭的抗碎強(qiáng)度；適當(dāng)降低入爐煤的揮發(fā)分和催化指數(shù)、提高其黏結(jié)指數(shù)有利于改善焦炭的高溫反應(yīng)性。

搗固煉焦；焦炭性能；入爐煤性質(zhì)；線性回歸分析

搗固煉焦是一種在裝煤推焦車的煤箱內(nèi)用搗固機(jī)將配合煤搗實(shí)后推入炭化室內(nèi)進(jìn)行高溫干餾的煉焦工藝，其最大特點(diǎn)是提高了入爐煤的堆積密度，可多配入高揮發(fā)性煤和弱黏結(jié)性煤，從而降低煉焦成本［1］。研究表明，在堆積密度約為1.1 t／m3的條件下?lián)v固煉焦所得焦炭的質(zhì)量最佳［2］，而入爐煤性質(zhì)與焦炭性能之間的定量關(guān)系還有待于進(jìn)一步研究。本文擬采用30種配煤方案，在堆積密度為1.1 t／m3的條件下進(jìn)行搗固煉焦試驗(yàn)，分析入爐煤性質(zhì)對焦炭性能的影響，并嘗試建立入爐煤性質(zhì)指標(biāo)與焦炭性能指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)式，以期為焦炭的質(zhì)量預(yù)測提供參考。

1 試驗(yàn)原料與方法

1.1 原料

原料取自武漢平煤武鋼聯(lián)合焦化有限責(zé)任公司的生產(chǎn)用單種煤，包括氣煤、氣肥煤、1／3焦煤、肥煤、焦煤和瘦煤等共23種。將取回的單種煤進(jìn)行分析、粉碎供煉焦試驗(yàn)用。

1.2 配煤方案

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)需要，共選用30種配煤方案，各方案中入爐煤的揮發(fā)分（Vdaf）控制在24.76%～33.67%，黏結(jié)指數(shù)（G）控制在50.9～87.3，灰分（Ad）控制在9.58%～9.99%。

1.3 焦炭的制備

煉焦試驗(yàn)在5 kg試驗(yàn)焦?fàn)t中進(jìn)行。將入爐煤的水分調(diào)至10%，裝入鐵箱的干煤量為7 kg，入爐煤細(xì)度（小于3 mm）控制在95%以上。將鐵箱中的煤人工搗固至堆積密度為1.1 t／m3，當(dāng)爐膛的溫度為800℃時(shí)將鐵箱入爐，程序升溫，焦餅中心溫度為950℃時(shí)出焦，結(jié)焦時(shí)間為5.5 h，濕法熄焦。

1.4 煤與焦炭的質(zhì)量分析

配合煤的Mad、Ad、Vdaf按GB／T 212—2008測定，St，d按GB／T 214—2007采用YX－DL型一體化定硫儀測定，黏結(jié)指數(shù)G按GB／T 5447—1997測定。

焦炭的Mad、Ad、Vdaf按GB／T 2001—1991測定，St，d按GB／T 2286—1991采用YX－DL型一體化定硫儀測定，CRI、CSR按GB／T 4000—2008測定，M25、M10參照GB／T 2006—1994用實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)鼓測定。

入爐煤灰成分分析參照GB／T 1574—2007采用美國Thermo Elemental公司生產(chǎn)的IRISAdvantage全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀（ICPAES）測定，并按式（1）計(jì)算灰成分的礦物質(zhì)催化指數(shù)MCI。

式中：Amd、Vmd分別為煤的干基灰分和干基揮發(fā)分，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 入爐煤性質(zhì)對焦炭硫分和灰分的影響

在常規(guī)煉焦過程中，入爐煤中的硫部分轉(zhuǎn)入焦炭中，部分轉(zhuǎn)入荒煤氣中，其轉(zhuǎn)化比例取決于入爐煤的性質(zhì)［3－4］。為了探討搗固煉焦中硫的轉(zhuǎn)化規(guī)律，即焦炭的硫分與入爐煤硫分之間的關(guān)系，將30組搗固煉焦試驗(yàn)所得焦炭的硫分（St，d，j）對入爐煤的硫分（St，d，m）進(jìn)行回歸分析，回歸方程如下：

式（2）表明，焦炭的硫分與入爐煤的硫分呈正線性關(guān)系且具有良好的相關(guān)性。將入爐煤的硫分代入式（2）可得焦炭硫分的計(jì)算值（Sct，d，j），其與實(shí)測值（Smt，d，j）之間的關(guān)系如圖1所示，由圖1可見，計(jì)算值與實(shí)測值比較吻合，二者之差均在試驗(yàn)誤差范圍之內(nèi)。

圖1 焦炭硫分計(jì)算值與實(shí)測值的關(guān)系Fig.1 Relationship between calculated St.d，jand measured S t.d，j

在常規(guī)煉焦過程中，入爐煤中的灰分全部轉(zhuǎn)入焦炭中，焦炭灰分與入爐煤灰分之間的關(guān)系主要取決于入爐煤性質(zhì)和煉焦工藝條件［1］。將30組搗固煉焦試驗(yàn)所得焦炭的灰分（Ad，j）對入爐煤的灰分（Ad，m）進(jìn)行回歸分析，回歸方程如下：

式（3）表明，焦炭的灰分與入爐煤的灰分呈正線性關(guān)系且具有良好的相關(guān)性。將入爐煤的灰分代入式（3）得到焦炭灰分的計(jì)算值（Acd，j），其與實(shí)測值（Amd，j）之間的關(guān)系見圖2，由圖2可見二者誤差很小。

圖2 焦炭灰分計(jì)算值與實(shí)測值的關(guān)系Fig.2 Relationship between calculated Ad，jand measured Ad，j

2.2 入爐煤性質(zhì)對焦炭冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度的影響

當(dāng)備煤、煉焦工藝條件確定之后，焦炭的冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度（抗碎強(qiáng)度M25和耐磨強(qiáng)度M10）主要取決于入爐煤的性質(zhì)，其中對焦炭冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度影響程度較大的幾項(xiàng)指標(biāo)為入爐煤的揮發(fā)分、黏結(jié)指數(shù)和灰分。

以30組試驗(yàn)所得焦炭的耐磨強(qiáng)度（M10）對入爐煤的揮發(fā)分（Vdaf）、黏結(jié)指數(shù)（G）和灰分（Ad，m）進(jìn)行多元回歸分析，回歸方程如下：

式（4）表明，焦炭的耐磨強(qiáng)度與入爐煤的黏結(jié)指數(shù)呈負(fù)線性相關(guān)，與入爐煤的揮發(fā)分和灰分呈正線性相關(guān)，且相關(guān)性良好。這表明，在試驗(yàn)條件下，要想提高焦炭的耐磨強(qiáng)度（即降低M10的值），應(yīng)適當(dāng)增加入爐煤的黏結(jié)性，降低入爐煤的揮發(fā)分和灰分。將入爐煤的揮發(fā)分、黏結(jié)指數(shù)和灰分代入式（4）得到焦炭耐磨強(qiáng)度的計(jì)算值（Mc10），其與實(shí)測值（Mm10）之間的關(guān)系見圖3。

圖3 焦炭耐磨強(qiáng)度計(jì)算值與實(shí)測值的關(guān)系Fig.3 Relationship between calculated M10and measured M 10

以30組試驗(yàn)所得焦炭的抗碎強(qiáng)度（M25）對入爐煤的揮發(fā)分（Vdaf）、黏結(jié)指數(shù)（G）和灰分（Ad，m）進(jìn)行多元回歸分析，回歸方程如下：M25＝99.126 38－0.029 7G－0.600 67Vdaf＋

式（5）表明，焦炭的抗碎強(qiáng)度與入爐煤的黏結(jié)指數(shù)和揮發(fā)分呈負(fù)線性相關(guān)，與入爐煤的灰分呈正線性相關(guān)，且相關(guān)性良好。這表明，在試驗(yàn)條件下，要想提高焦炭的抗碎強(qiáng)度（即提高 M25的值），應(yīng)適當(dāng)降低入爐煤的黏結(jié)性和揮發(fā)分，增加其灰分。將入爐煤的揮發(fā)分、黏結(jié)指數(shù)和灰分代入式（5）得到焦炭抗碎強(qiáng)度的計(jì)算值（Mc25），其與實(shí)測值（Mm25）之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 焦炭抗碎強(qiáng)度計(jì)算值與實(shí)測值的關(guān)系Fig.4 Relationship between calculated M25and measured M25

比較式（4）和式（5）可知，適當(dāng)降低入爐煤的揮發(fā)分有利于提高焦炭的耐磨強(qiáng)度和抗碎強(qiáng)度，而增加入爐煤的黏結(jié)指數(shù)則有利于提高焦炭的耐磨強(qiáng)度，但不利于提高焦炭的抗碎強(qiáng)度。這是因?yàn)?，入爐煤揮發(fā)分的增加，使焦炭的氣孔率增大，氣孔壁變薄，收縮量增加，收縮應(yīng)力增大，裂紋增多，從而降低了焦炭抵抗摩擦力破壞和沖擊力破壞的能力，使得焦炭的耐磨強(qiáng)度和抗碎強(qiáng)度均劣化；提高入爐煤的黏結(jié)性使焦炭的熔融性得以改善，有利于提高焦炭的耐磨強(qiáng)度，但由于入爐煤的堆積密度較大，煤粒間的空隙減小，用較少的膠質(zhì)體就能將煤粒黏結(jié)起來，這時(shí)再提高入爐煤的黏結(jié)性就會使入爐煤的黏結(jié)能力過剩，使焦炭的收縮應(yīng)力增大，裂紋增多，不利于改善焦炭的抗碎強(qiáng)度，因此，當(dāng)入爐煤的黏結(jié)性較好時(shí)，搗固煉焦不能改善焦炭的抗碎強(qiáng)度，甚至還會使其劣化［5］。

2.3 入爐煤性質(zhì)對焦炭高溫反應(yīng)性的影響

當(dāng)備煤、煉焦工藝條件確定之后，焦炭的高溫反應(yīng)性（反應(yīng)性CRI和反應(yīng)后強(qiáng)度CSR）主要取決于入爐煤的性質(zhì)，其中對焦炭高溫反應(yīng)性影響程度較大的幾項(xiàng)指標(biāo)為入爐煤的揮發(fā)分、黏結(jié)指數(shù)和灰成分礦物質(zhì)催化指數(shù)［6］。

以30組試驗(yàn)所得焦炭的反應(yīng)性（CRI）對入爐煤的揮發(fā)分（Vdaf）、黏結(jié)指數(shù)（G）和灰成分礦物質(zhì)催化指數(shù)（MCI）進(jìn)行多元回歸分析，回歸方程如下：

式（6）表明，焦炭的反應(yīng)性與入爐煤的揮發(fā)分和催化指數(shù)呈正線性相關(guān)，與入爐煤的黏結(jié)指數(shù)呈負(fù)線性相關(guān)，且相關(guān)性良好。也就是說，要想降低焦炭的反應(yīng)性，應(yīng)適當(dāng)降低入爐煤的揮發(fā)分和催化指數(shù)，適當(dāng)提高其黏結(jié)指數(shù)。將入爐煤的揮發(fā)分、黏結(jié)指數(shù)和催化指數(shù)代入式（6）得到焦炭反應(yīng)性的計(jì)算值（CRIc），其與實(shí)測值（CRIm）之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 焦炭反應(yīng)性的計(jì)算值與實(shí)測值的關(guān)系Fig.5 Relationship between calculated CRI and measured CRI

以30組試驗(yàn)所得焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度（CSR）對入爐煤的揮發(fā)分（Vdaf）、黏結(jié)指數(shù)（G）和灰成分礦物質(zhì)催化指數(shù)（MCI）進(jìn)行多元回歸分析，回歸方程如下：

式（7）表明，焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度與入爐煤的揮發(fā)分和催化指數(shù)呈負(fù)線性相關(guān)，與入爐煤的黏結(jié)指數(shù)呈正線性相關(guān)，且相關(guān)性良好。也就是說，要想提高焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度，應(yīng)適當(dāng)降低入爐煤的揮發(fā)分和催化指數(shù)，適當(dāng)提高其黏結(jié)指數(shù)。將入爐煤的揮發(fā)分、黏結(jié)指數(shù)和催化指數(shù)代入式（7）得到焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度的計(jì)算值（CSRc），其與實(shí)測值（CSRm）之間的關(guān)系如圖6所示。

綜合式（6）和式（7）可知，要想改善焦炭的高溫反應(yīng)性（降低CRI、提高CSR），應(yīng)適當(dāng)降低入爐煤的揮發(fā)分和催化指數(shù)，提高其黏結(jié)指數(shù)。這是因?yàn)椋霠t煤的揮發(fā)分增加，焦炭的氣孔率和比表面增大，焦炭與CO2發(fā)生碳溶損反應(yīng)（C＋CO2═══2CO）的幾率增加，從而使焦炭的反應(yīng)性提高、反應(yīng)后強(qiáng)度降低；入爐煤的催化指數(shù)增大，對焦炭碳溶損反應(yīng)的催化能力提高，也會使焦炭的反應(yīng)性提高、反應(yīng)后強(qiáng)度降低；入爐煤的黏結(jié)指數(shù)增大，焦炭的熔融性得到改善，焦質(zhì)結(jié)構(gòu)致密，氣孔率和比表面積減小，焦炭與CO2的碳溶損反應(yīng)幾率降低，從而使焦炭的反應(yīng)性降低、反應(yīng)后強(qiáng)度提高。

圖6 焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度的計(jì)算值與實(shí)測值的關(guān)系Fig.6 Relationship between calculated CSR and measured CSR

3 結(jié)論

（1）入爐煤性質(zhì)對搗固煉焦所制焦炭的性能影響顯著，焦炭性能指標(biāo)與入爐煤性質(zhì)指標(biāo)之間具有良好的相關(guān)性。

（2）適當(dāng)降低入爐煤的揮發(fā)分和灰分、增加其黏結(jié)指數(shù)有利于提高焦炭的耐磨強(qiáng)度。

（3）適當(dāng)降低入爐煤的黏結(jié)指數(shù)和揮發(fā)分、增加其灰分有利于提高焦炭的抗碎強(qiáng)度。

（4）適當(dāng)降低入爐煤的揮發(fā)分和催化指數(shù)、提高其黏結(jié)指數(shù)有利于改善焦炭的高溫反應(yīng)性。

［1］ 姚昭章，鄭明東.煉焦學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2005：130－131.

［2］ 史世莊，雷耀輝，張康華，等.堆積密度對搗固煉焦焦炭性能的影響［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，13（4）：285－288.

［3］ 王慧，曹素梅，史世莊，等.煉焦煤與焦炭間硫轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究［J］.燃料與化工，2011，42（2）：7－10.

［4］Shi Shizhuang，Liu Zhiping.Sulfur transfer law from coking coal to coke［C／CD］／／Proceedings of the Twenty－Third Annual International Pittsburgh Coal Conference.Pittsburgh：University of Pittsburgh，2006.

［5］ 鄭文華.搗固煉焦技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用［J］.河南冶金，2008，16（1）：6－8，15.

［6］ 楊俊和，馮安祖，杜鶴桂.礦物質(zhì)催化指數(shù)與焦炭反應(yīng)性關(guān)系［J］.鋼鐵，2001，36（6）：5－9.

［責(zé)任編輯 尚 晶］

Effect of coal charge properties on stamping coke quality

Shi Yuan1，Liu Xiangyong2，Sun Chaoqi1，Wu Qiong1，Li Fengxia1，Guo Qin1，Shi Shizhuang1
（1.College of Chemical Engineering and Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.Wuhan Pingmei－WISCO United Coking and Chemical Co.，Ltd.，Wuhan 430082，China）

Thirty coal blending schemes were selected for the stamping coking experiment when the bulk density was 1.1 t／m3.With linear regression analysis，the influence of the coal charge properties on the coke quality was investigated.The results show that good correlation exists between the indexes of the coke quality and the coal charge properties.Reducing the volatile content of the coal charge appropriately can improve the abrasive strength of the coke，while increasing the caking index can improve the abrasion resistance but damage the crushing resistance of the coke.Reducing the volatile content and the mineral catalytic index and raising the caking index of the coal charge can improve the high－temperature reactivity of the coke.

stamping coking；coke quality；coal charge property；linear regression analysis

TQ522.16

A

1674－3644（2012）03－0186－04

2011－09－09 作者簡介：史 媛（1987－），女，武漢科技大學(xué)碩士生.E－mail：sleep870123＠163.com 通訊作者：史世莊（1956－），男，武漢科技大學(xué)教授.E－mail：shisz1956＠126.com