不同變質(zhì)程度煉焦煤的鏡質(zhì)組特性研究

任學(xué)延，張代林，王　坤，黃大中，張小勇（.上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇南京0039；.安徽工業(yè)大學(xué)煤潔凈轉(zhuǎn)化與綜合利用安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山4300）

不同變質(zhì)程度煉焦煤的鏡質(zhì)組特性研究

任學(xué)延1，張代林2，王坤2，黃大中2，張小勇2
（1.上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇南京210039；2.安徽工業(yè)大學(xué)煤潔凈轉(zhuǎn)化與綜合利用安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243002）

通過(guò)密度法分離出4種不同變質(zhì)程度煉焦煤煤巖顯微組分中的鏡質(zhì)組，分析比較其鏡質(zhì)組的特性差異，并通過(guò)小焦?fàn)t煉焦實(shí)驗(yàn)，對(duì)煉焦煤及其鏡質(zhì)組所煉焦炭的性質(zhì)進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：不同變質(zhì)程度煉焦煤中鏡質(zhì)組的黏結(jié)性較原煉焦煤增加幅度不同，煉焦煤中鏡質(zhì)組的容惰能力大小順序?yàn)闁|都鏡質(zhì)組〉孝義鏡質(zhì)組〉冷泉鏡質(zhì)組〉官橋鏡質(zhì)組；不同變質(zhì)程度煉焦煤鏡質(zhì)組所煉焦炭的光學(xué)組織指數(shù)值（OTI）較原煉焦煤所煉焦炭大、顯微強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度小、粒焦反應(yīng)性低。

鏡質(zhì)組；變質(zhì)程度；焦炭光學(xué)組織

煤中有機(jī)顯微組分主要包括鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組、殼質(zhì)組，不同組分其黏結(jié)性和結(jié)焦性不同。在煉焦過(guò)程中，按照其黏結(jié)性和結(jié)焦性差異，將煤中的顯微組分劃分為活性組分的和惰性組分的兩大類(lèi)，前者主要包括鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組，后者主要包括惰質(zhì)組。活性組分在成焦過(guò)程中可以軟化熔融，是煤粉黏結(jié)成塊焦的主要原因，其黏結(jié)能力的大小和數(shù)量是決定焦炭性質(zhì)的必要條件。我國(guó)煉焦煤中殼質(zhì)組含量較少，一般小于3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）［1-3］。變質(zhì)程度較大的煉焦煤基本不含殼質(zhì)組，可見(jiàn)殼質(zhì)組在成焦過(guò)程中作用有限，基本可忽略。通常認(rèn)為鏡質(zhì)組是決定煉焦煤黏結(jié)性大小的主要因素，常將其作為焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)的一種參數(shù)。但并不是鏡質(zhì)組含量越高，其黏結(jié)能力及其生產(chǎn)的焦炭質(zhì)量就越好，不同煉焦煤其鏡質(zhì)組的性質(zhì)存在差異，因此了解鏡質(zhì)組黏結(jié)能力的大小對(duì)于指導(dǎo)煉焦配煤具有重要意義。鏡質(zhì)組是煤中主要顯微組分，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究合適的顯微組分分離方法［4-7］，研究各種顯微組分其黏結(jié)性和結(jié)焦性的差異［8-9］，特別是鏡質(zhì)組的差異，韓永霞等［10］對(duì)顯微組分熱解特征進(jìn)行了研究，這對(duì)優(yōu)化配煤結(jié)構(gòu)具有指導(dǎo)意義。

通過(guò)煤巖組成分析，可以測(cè)出煤中鏡質(zhì)組的含量，但是煤中鏡質(zhì)組的黏結(jié)能力大?。椿钚越M分質(zhì)量）受煤變質(zhì)程度、還原程度等諸多因素的影響。為了進(jìn)一步確定鏡質(zhì)組黏結(jié)性大小，本實(shí)驗(yàn)利用密度液富集分離方法，分離出煉焦煤中鏡質(zhì)組。往鏡質(zhì)組中添加不同比例的惰性物質(zhì)，測(cè)定其黏結(jié)能力的大??；并通過(guò)小焦?fàn)t煉焦，測(cè)定其所煉焦炭與原料煤所煉焦炭的差異，以進(jìn)一步區(qū)分煉焦煤中鏡質(zhì)組的特性差異，為優(yōu)化配煤結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)原料

選取4種不同變質(zhì)程度的煤作為研究用煤樣，這4種煤分別為冷泉肥煤、孝義焦煤、東都?xì)夥拭骸⒐贅?/3焦煤。4種煤的工業(yè)分析和元素分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1　煉焦煤的工業(yè)分析與元素分析結(jié)果（w/%）Tab.1 Ultimate and Proximate analysis of coking coals（w/%）

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1煤樣的分離

各煤樣主要采用密度法分離煤顯微組分，主要利用不同的顯微組分密度的差異而進(jìn)行分離的，分離步驟為篩選、密度液精選以及靜置分離，具體參照MT/T 807—1999《煙煤的鏡質(zhì)組密度離心分離方法》。

1.2.2煤樣及其分離組分的性質(zhì)分析

1）煤巖分析

煤樣的煤巖測(cè)定采用德國(guó)萊卡顯微光度計(jì)，鏡質(zhì)組反射率測(cè)定方法參照GB/T 6948—2008《煤粉光片制備及其測(cè)定的方法》，顯微組分的測(cè)定參照GB/T 15588—2001《煙煤顯微組分分類(lèi)方法》。

2）焦炭光學(xué)組織的測(cè)定

焦炭光學(xué)組織的測(cè)定按照黑色冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T077—1995進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)所采用的設(shè)備為偏反光顯微鏡（德國(guó)萊卡），總放大倍數(shù)為500倍（×50油浸物鏡和×10目鏡），在正交偏光條件下插入石膏檢板。采用記點(diǎn)法統(tǒng)計(jì)焦炭光學(xué)組織的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3）焦炭的粒焦反應(yīng)性測(cè)定

粒焦反應(yīng)性測(cè)定的步驟：將小焦?fàn)t所煉焦炭取100 g左右，粉碎至＜6 mm（全部過(guò)篩），取3～6 mm粒級(jí)的焦炭放置于干燥箱中，在150℃干燥2 h。將干燥好的焦炭縮分至（20±0.1）g。準(zhǔn)確稱(chēng)量所需實(shí)驗(yàn)的焦炭，記錄質(zhì)量，將其置于密封性良好的管式加熱爐中，按照設(shè)定的程序開(kāi)始升溫，當(dāng)溫度升至400℃時(shí)，以0.3 L/min的流量通N2。當(dāng)溫度達(dá)到1 100℃時(shí)，切斷N2，以0.5 L/min的流量通CO2，2 h后，切斷CO2，再通N2，當(dāng)焦炭冷卻至400℃以下，停止通氣，取出焦炭，稱(chēng)其質(zhì)量。根據(jù)焦炭減少的質(zhì)量計(jì)算出焦炭的粒焦反應(yīng)性。

4）焦炭的顯微強(qiáng)度測(cè)定

在自制顯微強(qiáng)度測(cè)定儀上測(cè)定，取2 g粒度為0.6～1.25 mm的焦樣，裝入內(nèi)裝12個(gè)Φ8 mm鋼球的長(zhǎng)305 mm內(nèi)徑Φ25.4 mm的鋼管中，以（25±0.5）r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)800 r。焦炭經(jīng)轉(zhuǎn)鼓后，用0.6～0.2 mm的圓孔篩，振篩5 min，稱(chēng)出〉0.6 mm，0.2～0.6 mm焦粒的質(zhì)量，并分別計(jì)算其質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別以w1，w2表示，并以w1+w2作為顯微強(qiáng)度指標(biāo)（MSI）。

5）焦炭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

在自制結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)定儀上測(cè)定，用量筒量取50 mL粒度為3～6 mm焦樣并稱(chēng)質(zhì)量，裝入內(nèi)裝5個(gè)Φ15 mm鋼球的長(zhǎng)305 mm、內(nèi)徑Φ25.4 mm的鋼管中，以（25±0.5）r/min的轉(zhuǎn)速800 r/min。焦炭經(jīng)轉(zhuǎn)鼓后，用1 mm的圓孔篩振篩5 min，稱(chēng)出〉1 mm焦粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以〉1 mm焦粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)（SSI）。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1煤樣及其鏡質(zhì)組的性質(zhì)對(duì)比

4種煉焦煤鏡質(zhì)組反射率R分布圖及其所分離組分常規(guī)性質(zhì)分析數(shù)據(jù)分別如圖1和表2所示。

圖1　4種不同變質(zhì)程度煤鏡質(zhì)組反射率分布圖Fig.1 Reflectogram of four different rank coking coals

表2　4種不同變質(zhì)程度煤及其鏡質(zhì)組的性質(zhì)分析Tab.2 Properties of four different rank coals and their’s vitrinites

按照GB/T 15591—1995中的規(guī)定，對(duì)于單一煤層的煤來(lái)說(shuō)，鏡質(zhì)組平均最大反射率分布圖應(yīng)該服從正態(tài)分布且起標(biāo)準(zhǔn)偏差≤0.1，且無(wú)凹口；標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.1～0.2之間且無(wú)凹口為簡(jiǎn)單混煤，標(biāo)準(zhǔn)方差〉0.2則為復(fù)雜混煤。由圖1可以看出東都?xì)夥拭?、官?/3焦煤的反射率分布服從正態(tài)分布的規(guī)律，根據(jù)表1可知其標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.090，0.079，均小于0.1，因此可判斷二者為單一煤層煤。冷泉肥煤、孝義焦煤二者的反射率分布基本呈正態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.133，0.136，為簡(jiǎn)單混煤，二者可以作為單一煤層煤使用?；狭鲃?dòng)度lgMF反映煤在干餾時(shí)形成膠質(zhì)體的黏度，能表征煤的塑性［11］，而煤的塑性是指煤粉在隔絕空氣的環(huán)境下，形成有可塑性的膠質(zhì)體，最后黏結(jié)成塊狀焦炭，并黏結(jié)惰性物的能力［12］。lgMF與黏結(jié)指數(shù)G相比，不僅能反映膠質(zhì)體的數(shù)量，而且反映膠質(zhì)體的性質(zhì)，這幾種煤中鏡質(zhì)組基氏流動(dòng)度的大小順序?yàn)椋簴|都煤鏡質(zhì)組〉冷泉煤鏡質(zhì)組〉孝義煤鏡質(zhì)組〉官橋煤鏡質(zhì)組。這幾種煤所分離的鏡質(zhì)組的G和lgMF都較原料煤大，但不同煉焦煤的增加幅度并不相同。

2.2不同變質(zhì)程度煉焦煤中鏡質(zhì)組容惰能力的研究

煤的容惰能力表示煤容納惰性物的能力，周師庸等［13］提出了容惰能力可以進(jìn)一步反映不同變質(zhì)程度煤鏡質(zhì)組的活性大小。張代林［14］采用黏結(jié)指數(shù)法測(cè)定煙煤的容惰能力，即通過(guò)測(cè)定在煙煤中添加不等量惰性物時(shí)的黏結(jié)指數(shù)，來(lái)確定黏結(jié)指數(shù)G值與惰性物添加量的關(guān)系。在保證各煉焦煤鏡質(zhì)組與標(biāo)準(zhǔn)無(wú)煙煤總質(zhì)量為6 g的情況下，改變鏡質(zhì)組與標(biāo)準(zhǔn)無(wú)煙煤的配比（W/Y，質(zhì)量比），即鏡質(zhì)組混入不等量的無(wú)煙煤，測(cè)定其黏結(jié)指數(shù)G值的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2　鏡質(zhì)組容惰能力曲線(xiàn)Fig.2 Inert-tolerant capacity graph of vitrinites

從圖2可以看出，隨著各單種煤中惰性物添加量的增加，黏結(jié)指數(shù)G值均呈下降的趨勢(shì)，但是不同單種煤黏結(jié)指數(shù)G值下降的幅度不同。圖2表明：G值隨W/Y比值增加呈線(xiàn)性減?。徊煌冑|(zhì)程度的鏡質(zhì)組G值隨W/Y比值的增加幅度不同。W/Y比值的增加并非是由于煤顯微組分含量發(fā)生變化，而是測(cè)定G值時(shí)外加惰性物的減少使鏡質(zhì)組相對(duì)含量發(fā)生變化。不同變質(zhì)程度鏡質(zhì)組的G值隨鏡質(zhì)組含量增加的幅度不同，在擬合的線(xiàn)性方程中表現(xiàn)為線(xiàn)性方程斜率不同?？紤]到G值同時(shí)受鏡質(zhì)組組分的活性質(zhì)量和數(shù)量的影響，描述鏡質(zhì)組活性大小時(shí)無(wú)法排除測(cè)定煤中鏡質(zhì)組含量差異的干擾，會(huì)對(duì)真實(shí)鏡質(zhì)組活性質(zhì)量產(chǎn)生偏差，甚至誤判，故采用線(xiàn)性擬合方程的斜率K表征鏡質(zhì)組活性質(zhì)量。各單種煤鏡質(zhì)組在不同（W/Y）值與黏結(jié)指數(shù)G值的回歸方程如表3所示。

表3　鏡質(zhì)組容惰能力曲線(xiàn)的回歸方程Tab.3 Regression equation of inert-tolerant capacity graph of vitrinites

4種單種煤鏡質(zhì)組組分G值對(duì)（W/Y）值的擬合線(xiàn)性方程，相關(guān)系數(shù)都在95%以上。K值大，表明鏡質(zhì)組G值隨外加惰性物的增加其黏結(jié)指數(shù)G值下降幅度小，鏡質(zhì)組容惰能力大，其黏結(jié)性質(zhì)量越好，從表中可知東都鏡的K值最大，而官橋鏡的K值最小，K值大小順序?yàn)闁|都鏡質(zhì)組〉孝義鏡質(zhì)組〉冷泉鏡質(zhì)組〉官橋鏡質(zhì)組。K值大小可反映鏡質(zhì)組容惰能力大小，K值越大，表明鏡質(zhì)組隨著添加無(wú)煙煤量的增加，其下降幅度小，從而說(shuō)明該鏡質(zhì)組容惰能力較大。在煉焦配煤中配入較大容惰能力鏡質(zhì)組的煉焦煤可改善配合煤的黏結(jié)性，這為調(diào)整配比提供了依據(jù)。

2.3不同變質(zhì)程度煉焦煤及其鏡質(zhì)組煉焦實(shí)驗(yàn)

2.3.1焦炭光學(xué)組織分析

各試樣所煉焦炭的其焦炭光學(xué)組織組成測(cè)定結(jié)果如表4所示。表中OTI表示焦炭光學(xué)組織指數(shù)。將各向同性、細(xì)粒鑲嵌、中粒鑲嵌、粗粒鑲嵌、流動(dòng)狀（不完全和完全纖維狀）、片狀、絲質(zhì)和破片組織的光學(xué)組織指數(shù)分別賦值為0，1，2，2，3，4，0，然后按以下公式計(jì)算OTI值。

式中：Xi為各光學(xué)組織的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；IOTI為各光學(xué)組織的賦值。

表4　各煤樣所煉焦炭光學(xué)組織組成（w/%）Tab.4 Results of optical texture for the samples（w/%）

根據(jù)表4，通過(guò)比較東都與東都鏡質(zhì)組、官橋與官橋鏡質(zhì)組、冷泉與冷泉鏡質(zhì)組、孝義與孝義鏡質(zhì)組4組數(shù)據(jù)焦炭的光學(xué)組織含量可以看出，鏡質(zhì)組所煉的焦炭其OTI值明顯比原煤樣所煉焦炭的OTI值要高，其中冷泉煤的增加趨勢(shì)要比其它幾種煤樣高。通過(guò)各組分的比較可以看出，鏡質(zhì)組所煉的焦炭其各向同性、絲炭與破片的百分含量比原煤樣焦樣明顯減少，細(xì)粒鑲嵌變化不明顯，中粗粒鑲嵌狀組織含量有很大程度的增加，流動(dòng)狀和片狀組織含量略有增加，這說(shuō)明鏡質(zhì)組含量越高的煤所煉焦炭的光學(xué)各向異性程度增強(qiáng)，OTI值增大。在配煤中選擇鏡質(zhì)組含量多的煉焦煤，有利于提高焦炭各項(xiàng)異性程度，可改善焦炭質(zhì)量。

2.3.2焦炭性質(zhì)分析

各種煤樣所煉焦炭的性質(zhì)如表5。由表5可以看出：鏡質(zhì)組所煉焦炭的顯微強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要比原煤樣所煉焦炭的強(qiáng)度低。4種不同變質(zhì)程度煉焦煤及其鏡質(zhì)組所煉焦炭強(qiáng)度的變化趨勢(shì)不同。鏡質(zhì)組所煉焦炭的粒焦反應(yīng)性值要比原煤樣所煉焦炭低，其中東都?xì)夥拭旱淖兓底蠲黠@。煉焦煤與煉焦煤中鏡質(zhì)組其結(jié)焦性存在明顯差異，利用煉焦煤中鏡質(zhì)組結(jié)焦性差異可為優(yōu)化配煤結(jié)構(gòu)，提高配煤科學(xué)性提供依據(jù)。

表5　各種煤樣所煉焦炭的性質(zhì)Tab.5 Properties of cokes from these samples

3　結(jié)　論

1）不同變質(zhì)程度煉焦煤鏡質(zhì)組容惰能力的大小順序?yàn)椋簴|都鏡質(zhì)組〉孝義鏡質(zhì)組〉冷泉鏡質(zhì)組〉官橋鏡質(zhì)組。

2）與原煉焦煤所煉焦炭相比較，各煉焦煤鏡質(zhì)組所煉焦炭光學(xué)組中各向同性、絲炭與破片的含量顯著減少，中、粗粒鑲嵌狀組織含量顯著增加，流動(dòng)狀和片狀組織含量略有增加。

3）各煉焦煤鏡質(zhì)組所煉焦炭的顯微強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均較原煉焦煤所煉焦炭小，煉焦煤鏡質(zhì)組所煉焦炭的粒焦反應(yīng)性低低于原煉焦煤所煉焦炭，隨變質(zhì)程度增大，其粒焦反應(yīng)性下降趨勢(shì)逐漸減少。

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責(zé)任編輯：丁吉海

Study on Vitrinite Properties of Different Rank Coking Coals

REN Xueyan1，ZHANG Dailin2，WANG Kun2，HUANG Dazhong2，ZHANG Xiaoyong2
（1.Baosteel Meishan Iron&Steel Ltd.Co.，Nanjing 210039，China；2.Anhui Key Laboratory of Coal Clean Conversion and Utlization，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243002，China）

Properties of the vitrinites of macerals separated from four different rank coals by density centrifugation method were analyzed，and properties of the cokes made from the raw coals and vitrinites by the poilt coke oven test were analyzed and compared.The results show that，the order of inert-tolerant capacity of vitrinites is Dongdou〉Xiaoyi〉Lengquan〉Guanqiao；Compared with the cokes made from the raw coals and vitrinites，the OTIs of cokes made from vitrinites are higher than those from the raw coals，but the micro-strength，the structural strength and reactivity of coke made from vitrinites are lower than those made from the raw coals.

vitrinite；rank；coke optical texture

TF526.1

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.01.009

1671-7872（2016）-01-0038-06

2015-11-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1361128；50574004）

任學(xué)延（1961-），男，江蘇江陰人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闊捊古涿骸?br/>

張代林（1968-），男，安徽當(dāng)涂人，教授，研究方向?yàn)闊捊古涿骸?/p>