煤焦油和瀝青對(duì)煤黏結(jié)性能和焦炭強(qiáng)度的影響

唐改改

(山西焦煤霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦洗煤廠化驗(yàn)室，山西 霍州 031412)

引 言

冶金工業(yè)對(duì)優(yōu)質(zhì)焦炭的需求量日益增長(zhǎng)，然而優(yōu)質(zhì)配焦硬煤(主要為肥煤、焦煤、瘦煤)的供給日趨衰竭，因此，發(fā)展一種能夠利用半軟配焦煤(主要為氣煤、1/2中黏煤和1/3焦煤)煉成高強(qiáng)度焦炭的技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，利用半軟配焦煤煉焦的常用技術(shù)有：提高煤體積密度；達(dá)到煤最佳破碎粒度；加入提高煤黏結(jié)性能的添加劑。半軟配焦煤的黏結(jié)性相比硬配焦煤較差，但增大容重可以彌補(bǔ)其膨脹性不足，有利于高強(qiáng)度焦炭的生產(chǎn)[1-2]。關(guān)于提高煤黏結(jié)性的添加劑，許多試驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)證明，添加2%～6%的煤焦油、瀝青或其他添加劑，煤的黏結(jié)性和結(jié)焦性可顯著提高[3]。然而，對(duì)于黏結(jié)劑改善煤黏結(jié)性能的作用機(jī)理尚不清楚。此外，在以往的研究中，黏結(jié)劑對(duì)不同粒徑煤的黏結(jié)性能影響的研究較少。所以，研究黏結(jié)劑對(duì)不同粒度煤黏結(jié)性和焦炭強(qiáng)度的影響是非常重要。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)中所用煤樣的特性見(jiàn)表1，黏結(jié)劑特征見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)采用4個(gè)硬焦煤樣(HC1、HC2、HC3和HC4)和2個(gè)半軟焦煤樣(SC1和SC2)，實(shí)驗(yàn)使用的黏結(jié)劑CP1和CP2分別是提取自煤中的煤焦油和軟瀝青，PP是石油衍生物石油瀝青。

表1 實(shí)驗(yàn)用煤樣的特性

表2 實(shí)驗(yàn)用黏結(jié)劑的特征

1.2 熱重分析實(shí)驗(yàn)

除了對(duì)煤HC1和SC1，一些煤和黏結(jié)劑的混合物(HC1+CP1、HC1+CP2，HC1+PP，SC1+CP1、SC1+CP2和SC1+PP)均進(jìn)行了單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)。將20 mg的單獨(dú)樣品或混合樣品在熱重分析儀中由氮?dú)饧訜岬?00 ℃，加熱過(guò)程的升溫速率為3 ℃/min，并記錄期間樣品的體重變化。

1.3 膨脹實(shí)驗(yàn)

通過(guò)熱膨脹試驗(yàn)研究，來(lái)評(píng)估黏合劑的加入對(duì)煤黏結(jié)性能的影響。分別將煤和黏結(jié)劑的均勻混合物或分離物放置在熱膨脹儀中(如圖1裝置)進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)，觀察煤與黏結(jié)劑所產(chǎn)生氣體的相互作用。此外，還對(duì)不同粒度的煤在蒸餾爐中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

在煤的膨脹實(shí)驗(yàn)中，使用粒徑小于0.3 mm的煤粉樣品。將煤粉末樣品裝入熱膨脹儀中加熱，并測(cè)量其膨脹高度的變化。首先，進(jìn)行煤和黏結(jié)劑均勻混合物的實(shí)驗(yàn)。分別單獨(dú)添加5%的黏結(jié)劑(CP1、CP2和PP)與煤樣HC1進(jìn)行混合。將混合物裝入熱膨脹儀中，樣品高度為30 mm，通過(guò)壓密使其體積密度為0.80 g/cm3(煤樣質(zhì)量/煤樣體積)。然后，將樣品從300 ℃加熱到550 ℃，加熱增溫速率為3 ℃/min，并測(cè)量樣品膨脹后的高度。其次，對(duì)煤和黏結(jié)劑進(jìn)行分離放置膨脹實(shí)驗(yàn)，觀察煤與黏結(jié)劑熱解產(chǎn)生氣體的相互作用。

圖1 熱膨脹儀測(cè)量方法

1.4 不同粒徑煤膨脹實(shí)驗(yàn)

由于煤的膨脹程度取決于煤的粒度[4]。實(shí)驗(yàn)將煤焦油黏結(jié)劑(CP1)加入到不同粒度煤樣中，來(lái)研究煤樣粒度對(duì)煤黏結(jié)性能的影響。將煤樣HC1，HC2、HC3和HC4粉碎至粒徑在3 mm以下占85%的粉末，煤樣SC1、SC2粉碎至粒徑在3 mm以下占75%的粉末。然后，將粉碎樣品過(guò)篩，篩孔徑分別為0.3 mm、1 mm和3 mm，從而獲得粒徑為小于0.3 mm、0.3 mm～1 mm和1 mm～3 mm的粉煤樣。將一定含量的煤焦油黏結(jié)劑CP1分別加入到各個(gè)粉煤樣中與煤樣混合進(jìn)行膨脹實(shí)驗(yàn)。將混合物放置在膨脹儀反應(yīng)管中，樣品高度均為30 mm，同樣使其體積密度均為0.80 g/cm3。然后，將樣品從300 ℃加熱到550 ℃，升溫速率為3 ℃/min。用膨脹度(cm3/g)來(lái)表征煤樣的膨脹性能，膨脹度由膨脹后樣品體積與樣品質(zhì)量的比值確定。

2 結(jié)果和討論

2.1 煤與黏結(jié)劑的熱重分析及相互作用

如圖2所示，在加熱樣品后，添加黏結(jié)劑的樣品膨脹后的高度大于沒(méi)有加入黏結(jié)劑的同一樣品的高度，這表明所有黏結(jié)劑都能改善煤的結(jié)焦性能。表明不同黏結(jié)劑種類會(huì)影響煤的膨脹性，黏結(jié)劑影響煤膨脹高度的順序?yàn)镃P2>CP1>PP。這也反映了黏結(jié)劑種類對(duì)煤結(jié)焦性能會(huì)產(chǎn)生不同的效果。

圖2 黏結(jié)劑對(duì)煤膨脹的影響

圖3顯示了煤和黏結(jié)劑的體重隨加熱溫度的變化趨勢(shì)特征。值得注意的是，黏結(jié)劑CP1和CP2隨著溫度從室溫增加到400 ℃(接近煤樣的軟化溫度，見(jiàn)表1)，其體重分別下降了72%和45%；由400 ℃增加到500 ℃時(shí)(相當(dāng)于煤的塑性溫度范圍，見(jiàn)表1)，其體重僅分別下降5%和12%。此外，在450 ℃以下的溫度范圍內(nèi)，煤和黏結(jié)劑混合物的體重(HC1+CP1，SC1+CP1，HC2+CP1)大于它們體重的計(jì)算值。

圖3 煤和黏結(jié)劑的體重隨溫度的變化圖

這表明了煤和煤焦油及瀝青之間發(fā)生了相互化學(xué)作用。黏結(jié)劑煤焦油在溫度升高到400 ℃以前發(fā)生了顯著的容重下降(圖3)，這表明在煤軟化之前黏結(jié)劑熱解產(chǎn)生的氣體與煤發(fā)生相互作用，使煤在加熱過(guò)程中進(jìn)行了原位改造，從而提高了煤的黏結(jié)性。在一定溫度區(qū)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的煤樣容重和計(jì)算的容重之間存在差異，其中，HC1+CP1的差異大于SC1+CP1的差異。這表明，硬焦煤比半軟焦煤更易于與煤焦油進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，黏結(jié)劑對(duì)煤黏結(jié)性能的影響與煤種類有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煤與石油瀝青的混合物(HC1+PP)的測(cè)量容重幾乎等于其計(jì)算容重，HC2+PP和SC1+PP的實(shí)驗(yàn)也取得相同結(jié)果。與提取自煤的黏結(jié)劑(CP1和CP2)相比，源自石油的黏結(jié)劑(石油瀝青PP)在加熱過(guò)程中與煤的相互作用不顯著。黏結(jié)劑PP從室溫加熱到400°C時(shí)，體重下降10%；400 ℃～500 ℃時(shí)，體重下降20%(圖3)。因此，石油衍生的黏結(jié)劑(PP)可以提高煤黏結(jié)性的原因是，其熱解產(chǎn)生的氣體可以促進(jìn)塑性煤膨脹并使之變得更具流動(dòng)性，而非發(fā)生相互化學(xué)反應(yīng)。

2.2 煤與黏結(jié)劑的膨脹與相互作用

煤與黏結(jié)劑分離裝置的膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著黏結(jié)劑CP1加入量的增加，煤的膨脹高度隨之顯著增加，而黏結(jié)劑PP的加入及加入量的增加對(duì)煤膨脹性的影響不明顯。這表明，黏結(jié)劑CP1熱解產(chǎn)生的氣體不僅可以在煤內(nèi)部反應(yīng)提高煤結(jié)焦性，也可以從外部進(jìn)入煤體提高煤的結(jié)焦性能。然而，黏結(jié)劑PP所產(chǎn)生的氣體只有在煤內(nèi)產(chǎn)生時(shí)才能提高煤的黏結(jié)性，在煤體外提供時(shí)不能改變煤的黏結(jié)性。

2.3 煤種、粒度和黏結(jié)劑對(duì)膨脹率和焦炭強(qiáng)度的影響

不同煤樣在不同粒度情況下以及加入黏結(jié)劑含量不同時(shí)，對(duì)煤膨脹度的影響都有明顯的差異。在相同粒度煤樣和加入相同含量的黏結(jié)劑時(shí)，不同種類煤樣的膨脹度表現(xiàn)不同。以HC1和SC1為例，在煤粒度為0.3 mm～1 mm，加入10%黏結(jié)劑CP1，HC1的膨脹度遠(yuǎn)大于SC1。這可能是因?yàn)?，煤巖相組成(惰性組分含量)的差異所致[5]。在同一煤樣中加入相同量的CP1黏結(jié)劑，隨著煤粒徑的不同，煤樣的膨脹度也有較大的差異。然而不同粒度、不同煤樣的膨脹度變化很大，沒(méi)有固定的膨脹度隨煤粒度變化的規(guī)律。一般隨著黏結(jié)劑含量的增加(0%～15%)，所有粒徑和煤種的膨脹度都具有增大的規(guī)律。由此可知，煤的粒度、煤類和結(jié)焦劑對(duì)煤的結(jié)焦性能影響較大，從而影響焦炭的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1) 熱重分析表明，在450 ℃以下的溫度范圍內(nèi)，煤和黏結(jié)劑(CP1、CP2)混合物的測(cè)量體重大于其計(jì)算值。黏結(jié)劑(CP1、CP2)熱解產(chǎn)生的氣體與煤在煤軟化前相互作用，使煤在加熱過(guò)程中進(jìn)行原位改造，從而提高了煤的黏結(jié)性能。

2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煤和石油衍生黏結(jié)劑(PP)混合物的測(cè)量體重幾乎等于其計(jì)算體重值。煤與黏結(jié)劑分離膨脹實(shí)驗(yàn)反映石油衍生瀝青熱解產(chǎn)生的氣體對(duì)煤的膨脹幾乎沒(méi)有影響。這意味著，石油衍生黏結(jié)劑對(duì)提高煤黏結(jié)性能的原因是其熱解產(chǎn)生的氣體可以促進(jìn)塑性煤膨脹并使之變得更具流動(dòng)性，而非發(fā)生相互化學(xué)反應(yīng)。

3) 煤種類和煤的粒度對(duì)煤的膨脹性有很大的影響。同時(shí)，黏結(jié)劑CP1的含量也影響煤的結(jié)焦性能。