煉焦煤中灰分對焦炭熱性能的影響

武晉晶

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)煤質(zhì)加工處檢測中心，山西 介休 032000）

引 言

焦炭在冶金中起著骨架作用。近年來，隨著高爐生產(chǎn)大型化及煉鐵工藝的不斷改進(jìn)，對焦炭質(zhì)量要求越來越高，被眾多廠家所重視。焦炭的冷強(qiáng)度、反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度作為評價焦炭質(zhì)量優(yōu)劣的指標(biāo)，已列入了焦炭日常檢測中［1-3］。

焦炭中灰分的大小對強(qiáng)度和高爐指標(biāo)有重要的影響。研究表明，焦炭在高爐內(nèi)被加熱到高于煉焦溫度時，由于焦質(zhì)與灰分的熱膨脹性不同，焦炭沿灰分顆粒周圍產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)大，使焦炭碎裂粉化，強(qiáng)度降低。同時，理論計算結(jié)果和生產(chǎn)實(shí)踐證明，焦炭灰分每增加1%，高爐焦比提高約2%，石灰石用量增加約2.5%，高爐產(chǎn)量下降約3%。煤灰成分包括數(shù)十種礦物質(zhì)，以氧化物的形式表示，而被研究的有10多種，如K2O、Na2O、CaO等。研究表明，根據(jù)對焦炭碳溶反應(yīng)的強(qiáng)弱，將灰分劃分為強(qiáng)、正催化劑，弱、正催化劑，強(qiáng)、負(fù)催化劑，弱、負(fù)催化劑［4-9］。

本文通過對集團(tuán)公司各單種焦煤的結(jié)焦性指標(biāo)和灰分及相應(yīng)的焦炭反應(yīng)性、反應(yīng)后強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究了焦炭的反應(yīng)性與灰分堿性催化指數(shù)之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

干燥箱；智能馬弗爐，常州市方嘉電子儀器有限公司；自動測硫儀，徐州東翔電子科技有限公司。

黏結(jié)指數(shù)測定儀；全自動膠質(zhì)層測定儀、奧亞膨脹度測定儀，常州市方嘉電子儀器有限公司。

4510 F原子吸收分光光度計，上海精密科學(xué)儀器有限公司；723N可見分光光度計，上海精密科學(xué)儀器有限公司；

搗固機(jī)；落下試驗(yàn)機(jī)；焦炭機(jī)械強(qiáng)度測定轉(zhuǎn)鼓；試驗(yàn)小焦?fàn)t；焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度測定儀，鞍山科翔儀器儀表有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 煤的工業(yè)分析和硫分（Mad、Ad、Vdaf、St，d等指標(biāo)）

按照GB/212-2008《煤的工業(yè)分析方法》測定；GB214-2007《煤中全硫的測定方法》［10］。

1.2.2 煤的結(jié)焦性（GR.I、Y、X、b、a、T1、T2、T3）

按照GB/5447-1997《煙煤黏結(jié)指數(shù)測定方法》、GB/479-2000《煙煤膠質(zhì)層指數(shù)測定方法》、奧亞膨脹度GB/5450-1997《煙煤奧亞膨脹度試驗(yàn)》測定。

1.2.3 煤的灰成分分析（K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、SiO2、TiO2）

GB/1574-2007《煤灰成分測定方法》。

1.2.4 小焦?fàn)t實(shí)驗(yàn)及焦炭的工業(yè)分析和硫分分析

按照GB/2001-91《焦炭工業(yè)分析測定方法》、GB/T2286-2008《焦炭全硫含量的測定》測定。

1.2.5 焦炭的反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度（CRI、CSR）及冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度（M40、M10）

按照GB/T4000-2008《焦炭的反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度測定方法》、GB/T2006-2008《焦炭機(jī)械強(qiáng)度的測定方法》測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤樣的選取和煤質(zhì)分析

實(shí)驗(yàn)所選煤樣均來自山西焦煤汾西礦業(yè)所屬礦井。

汾礦各煤種的工業(yè)分析、結(jié)焦性指標(biāo)如表1所示。

由表1可知，宜興煤（FM36）、曙光煤（FM36）、雙柳煤（FM26）屬肥煤，賀西煤（JM25）、中興煤（JM15）、高陽煤（JM15）、水峪煤（JM25）、柳灣煤（JM25）屬焦煤，紫金煤（1/3JM）屬1/3焦煤。同時可知，除高陽、水峪、紫金精煤的灰分小于10%，柳灣精煤灰分小于11.5%外，其余煤的灰分均小于11%。對于硫分來說，水峪、高陽、柳灣煤均屬于中高硫煤，其余煤的灰分均為低硫煤。從表1中可看出，宜興、曙光、雙柳、紫金煤基氏最大流動度對數(shù)值4～5，而賀西、柳灣為3～4，水峪煤2～3，中興煤1～2，高陽煤對數(shù)值小于1。

表1 各單種煤的煤質(zhì)分析

2.2 單種煤的灰分分析

經(jīng)過研究證明，煤灰成分的10多種礦物質(zhì)（氧化物）中，堿性氧化物（K2O、Na2O）是焦炭碳溶反應(yīng)的強(qiáng)、正催化劑；堿土金屬（MgO、CaO、BaO）和過渡金屬（V2O5、MnO2、Fe2O3、CuO、ZnO）是弱、正催化劑，TiO2是強(qiáng)、負(fù)催化劑；硼族氧化物中B2O3是強(qiáng)、負(fù)催化劑，而Al2O3對焦炭的碳溶反應(yīng)并無影響；碳族氧化物中PbO2是正催化劑、SiO2對焦炭的反應(yīng)性沒有影響［11-12］?？梢钥闯?，對焦炭碳溶反應(yīng)增大起正催化作用的有 K2O、Na2O、Fe2O3、BaO、CaO、V2O5、MnO、CuO、ZnO、PbO2，其作用大小順序?yàn)镵2O＞Na2O＞BaO＞CaO＞Fe2O3＞PbO2＞ZnO＞V2O5＞CuO＞MgO≈MnO2；對焦炭碳溶反應(yīng)起負(fù)催化作用、使碳溶反應(yīng)減小的有B2O3、TiO2，其作用順序?yàn)锽2O3＞TiO2；對焦炭碳溶反應(yīng)幾乎不起作用的有 Al2O3、SiO2。

本實(shí)驗(yàn)中，我們?nèi)?K2O、Na2O、MgO、CaO、Fe2O3、Al2O3、TiO2、SiO28種灰分，根據(jù)各種灰分對焦炭反應(yīng)性催化作用的不同而將各種成分加以量化，見表2。模擬出了灰分催化指數(shù)MCI，定義為式（1）。

表2 單種煤的煤灰成分分析

從表2看出，灰分中主要成分為SiO2和Al2O3，兩者相加為79%～92%。堿金屬化合物對焦炭的正催化能力最強(qiáng)，堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)（K2O＋Na2O）來說，除中興、曙光、水峪大于1%外，其余大部分接近1%。而堿土金屬（CaO、MgO）對焦炭的正催化作用僅次于堿金屬，曙光、高陽、水峪、柳灣的堿土金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%～6%，其余礦均小于2%。而對于過渡金屬氧化物Fe2O3，除宜興和賀西占灰分總量小于2%以外，其余在2%～8%。通過計算，曙光、高陽、水峪、柳灣的催化指數(shù)均大于2；柳灣最高，為3.95。

2.3 單種煤的焦炭指標(biāo)分析

為了研究各礦煤質(zhì)、灰成分與焦炭熱反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度之間的關(guān)聯(lián)性，對各礦精煤進(jìn)行了40kg小焦?fàn)t實(shí)驗(yàn)（入爐全水分8%～10%，堆密度均在0.97t/m3左右），并對焦炭進(jìn)行工業(yè)分析，測定了焦炭的機(jī)械強(qiáng)度、反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度。如表3所示。

表3 單種煤的焦炭指標(biāo)分析

由表3可以看出，宜興、中興、雙柳、賀西的焦炭反應(yīng)性均在20.0以下，其余礦的煤焦炭反應(yīng)性在20.0～30.0。而相對應(yīng)的反應(yīng)后強(qiáng)度，宜興、中興、雙柳、賀西均在70.0%～80.0%，曙光、紫金、水峪在60.0%～70.0%。其中，高陽的最低，柳灣次之。

2.4 各單種煤的煤灰成分與焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度關(guān)系

根據(jù)表2及表3中的數(shù)據(jù)，將MCI對CRI和CSR作圖，可以得到煤灰成分催化指數(shù)與焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度的關(guān)系，如圖1所示。由圖1可知，焦炭的反應(yīng)性CRI隨著灰分催化指數(shù)的增加而增大；焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度CSR隨著灰分催化指數(shù)MCI的增加而減小。此規(guī)律性與已經(jīng)研究過的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

圖1 灰分催化指數(shù)與焦炭熱性質(zhì)的關(guān)系

3 結(jié)論

1）對各單種煉焦煤堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)（K2O＋Na2O）來說，除中興、曙光、水峪大于1%，其余大部分接近1%。而堿土金屬（CaO、MgO）對焦炭的正催化作用僅次于堿金屬，曙光、高陽、水峪、柳灣的堿土金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%～6%，其余礦均小于2%。而對于過渡金屬氧化物Fe2O3，除宜興和賀西占灰分總量小于2%以外，其余在2%～8%。通過計算，曙光、高陽、水峪、柳灣的催化指數(shù)均大于2，柳灣最高為3.95。

2）灰分催化指數(shù)對焦炭的反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度的影響顯著。焦炭的反應(yīng)性與灰分催化指數(shù)呈正線性相關(guān)，焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度與灰分催化指數(shù)呈負(fù)線性相關(guān)。

3）通過各種單種煤的煤質(zhì)分析及小焦?fàn)t實(shí)驗(yàn)，揭示了各煤種對焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度影響的本質(zhì)，可以用來預(yù)測焦炭的反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度，指導(dǎo)生產(chǎn)、優(yōu)化配煤、改善焦炭質(zhì)量。

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