煤岩学在炼焦配煤中的应用研究

2005/9/12 14:34:39

　摘要　通过10 kg小焦炉结焦性实验，对煤岩参数与煤的结焦性关系进行了研究，提出了炼焦配煤的煤岩参数及ΣI—R_r，m—R_r直方图配煤法。结果表明，当单种煤的惰性组分含量ΣI=20%～35%、镜质组平均随机反射率R_r,m=1.15%～1.35%时，煤具有良好的结焦性。北京焦化厂用ΣI—R_r，m—R_r直方图配煤法指导炼焦配煤，提高了焦炭质量，获得了较好的经济效益。
　　关键词　煤岩参数　炼焦　配煤
　　中国图书资料分类法分类号　P618.11.04

RESEARCH ON THE APPLICATION OF COAL PETROLOGY IN COKING BLEND

　　Dai Caisheng　Jin Kuili　(Beijing Graduate School,CUMT)

　　Abstract　Coal petrologic parameters of coal applied to coking blend and the coal blending method of ΣI—R_r,m—R_r histogram are suggested through experiment using 10kg small-size coke oven and study on the relationship between coal petrologic parameters and coking properties.The results show that a single kind of coal with inertinite 20%～35% and mean random reflectance of vitrinite 1.15%～1.35% is of large coking potential.Adopting the coal blending method of ΣI—R_r,m—R_r histogram,Beijing coke & chemical factory obtains high-grade coke and beneficial economic returm.
　　Keywords　coal petrologic parameters;Coking;coal blending

1　引言
　　一些发达国家如美国、日本、澳大利亚等在60年代就淘汰了单纯依靠煤化学参数指导炼焦配煤，取得很好的经济效益。利用煤岩学指导炼焦配煤，预测焦炭强度是焦化行业的一项重大成就。我国在这方面的研究起始于80年代初，研究成果时有报道，但真正用于指导炼焦配煤生产实际的却很少。作者根据北京焦化厂的生产实际，利用煤岩学参数指导炼焦配煤，取得良好的效果，既保证了焦炭质量的稳定，又降低了产品成本。现将该研究成果简要介绍如下。

2　煤岩学方法指导炼焦配煤的参数选择
　　根据煤化学理论，煤的结焦性可用煤的煤化程度指标(挥发分V_daf等)和粘结性指标(胶质层厚度X、Y、粘结指数G等)来反映，因而在焦化生产中构成了V_daf—X、Y，V_daf—G等炼焦配煤法。煤岩学观点认为煤化程度和煤的显微组成是决定煤的结焦性好坏的主要因素。煤的煤化程度由煤中镜质组的平均随机反射率(R_r,m)决定，R_r,m愈大，煤的煤化程度愈高。R_r,m不受煤的显微组成影响，而煤化参数V_daf不仅与煤的煤化程度有关，而且与煤的显微组成有关，因此R_r,m比V_daf更能准确地反映煤的煤化程度。煤中不同显微组分在煤的结焦过程中起的作用不同，镜质组和稳定组在加热过程中能够熔融并产生活性键成分，被视为有粘结性的活性组分；惰性组和矿物杂质在加热过程中不能熔融，被视为无粘结性的惰性组分。活性组分以镜质组为主，稳定组较少，它的性质是非均一的。不同组型(据Schapiro)的活性组分结焦性不同，V11(R_max为1.1%～1.19%)、V12(R_max为1.2%～1.29%)的活性组分结焦性最好。由于煤的镜质组随机反射率(R_r)直方图可以清楚地反映出不同组型活性组分分布情况，平均随机反射率R_r,m大体上反映活性组分的总体质量，所以选取镜质组平均随机反射率R_r,m，随机反射率R_r直方图作为炼焦配煤参数。而煤中的惰性组分，在焦化过程中促使焦炭结构生成孔隙和裂纹，降低焦炭强度，对焦化有不利的影响；但也有有利的一面，如在焦化过程中它能吸附活性组分放出的气体和液体，参与焦炭结构的形成，可见惰性组分也是不可缺少的。可是惰性组分含量过多或过少都不利于形成优质焦炭，所以选择惰性组分含量(ΣI)作为炼焦配煤的又一个参数。

3　煤岩学参数与煤结焦性的关系
　　为了探讨煤岩学参数与煤结焦性的关系，从河北、山西两省的一些煤矿选择不同煤化程度的单种煤进行了煤岩、煤化学参数测试和10 kg小焦炉炼焦试验。10 kg小焦炉炼焦试验的结焦条件是：升温速度3℃／min，入料粒度＜3 mm的占85%，堆密度0.76 g／cm，结焦时间为8 h。每种煤进行2炉10 kg小焦炉平行试验，把所得焦炭进行米贡转鼓实验，得到抗碎强度指数M₄₀，耐磨强度指数M₁₀，由此确定煤的结焦性。M₄₀愈大，M₁₀愈小，煤的结焦性愈好。各项实验结果见表1、表2和图1。综合分析表1、表2，所采煤样的活性组分(V＋E)含量为68.8%～79.0%，惰性组分(I＋M)含量为21.1%～31.2%。只有官庄煤的活性组分含量较低，为60.8%，惰性组分含量较高，为38.2%。煤中镜质组的平均随机反射率R_r,m与煤的挥发分含量V_daf呈负线性相关关系。(图2)

表1　12种煤的煤化参数测试结果

矿名	编号	工业分析／%				粘结指数　　G	机械强度／%
矿名	编号	M_ad	A_d	V_daf	S_t	粘结指数　　G	M₄₀	M₁₀
辛　置	A	0.92	10.51	31.74	0.57	86	79.20	13.00
邯　郸	B	0.58	11.28	22.14	0.85	78	87.00	8.80
小康庄	C	1.22	9.21	35.93	0.56	84	72.83	17.50
吕家坨	D	0.71	10.99	25.42	0.71	90	85.83	7.50
介　休	E	0.56	9.71	23.32	1.79	78	82.67	7.30
唐家庄	F	0.68	12.02	30.87	1.13	90	79.25	16.42
范各庄	G	0.65	12.53	32.70	1.27	88	74.20	16.80
丰　五	H	0.58	10.72	20.05	1.02	73	79.33	10.67
马家沟	I	0.85	11.74	28.69	0.76	90	78.17	10.67
林　西	J	0.60	12.25	24.09	0.78	80	81.50	10.60
凤　山	K	0.67	12.87	23.57	0.67	65	85.80	8.30
官　庄	L	1.73	8.52	36.40	0.37	58	66.17	27.17

表2　12种煤的煤岩参数测试结果

矿名	煤的显微组分分析／%						R_r,m 　　／%	R_r直　　方图
矿名	V	E	I	M	V＋E	I＋M	R_r,m 　　／%	R_r直　　方图
辛　置	66.5	4.4	28.2	1.9	70.9	29.1	0.93	图1A
邯　郸	70.5	0.0	28.8	0.8	70.5	29.5	1.32	图1B
小康庄	63.4	5.4	30.8	0.5	68.8	31.2	0.82	图1C
吕家坨	68.7	1.2	27.6	2.5	69.9	30.1	1.21	图1D
介　休	71.3	2.7	24.7	1.3	74.0	26.0	1.19	图1E
唐家庄	73.7	0.8	24.5	1.0	74.5	25.5	1.06	图1F
落各庄	70.0	3.3	24.8	1.9	73.3	26.7	0.92	图1G
丰　五	75.3	0.0	23.4	1.3	75.3	24.7	1.42	图1H
马家沟	74.8	2.4	20.5	2.3	77.2	22.8	1.00	图1I
林　西	77.5	1.5	17.3	3.7	79.0	21.0	1.18	图1J
凤　山	66.5	2.4	29.0	2.1	68.9	31.1	1.21	图1K
官　庄	57.0	3.8	37.9	1.3	60.8	39.2	0.64	图1L

注：V——镜质组；E——稳定组；I——惰性组；M——矿物质

图1　12种煤的镜质组随机反射率(R_r)直方图

T-14.gif (1647 bytes)

图2　煤的镜质组随机反射率与挥发分的关系

V_daf=54.12－24.46×R_r,m，相关系数为－0.96。图2中只有1点偏离直线较远，是因为官庄煤(L)的活性组分含量低，惰性组分含量较高，活性组分的V_daf大于惰性组分的V_daf。可见V_daf不仅与煤的煤化程度有关，而且与煤的显微组成有关，R_r,m比V_daf能更准确地反映煤的煤化程度。
　　单种煤的R_r直方图总体上呈正态分布(图1)，R_r的平均值与煤的结焦性密切相关，R_r,m为1.15%～1.35%时，煤有好的结焦性；当R_r,m＜1.15%时，随R_r,m的增加，M₄₀增高，煤的结焦性变好；当R_r,m＞1.35%时，随R_r,m的增大，M₄₀减小，煤的结焦性变差。(图3) 这是指导炼焦配煤的主要依据之一。

T-15.gif (1552 bytes)

图3　煤的镜质组随机反射率与其结焦性的关系

4　煤岩参数在炼焦配煤中的应用
4.1　煤岩参数检测煤的质量
　　在焦化生产中，大多数企业由于煤源广，煤质复杂且波动大，影响了焦炭质量，特别是有些供煤企业，把不同煤种混配后供给焦化厂，由于混配比例时而改变，煤质波动更大，造成焦炭质量不稳定，给炼焦企业带来经济损失。煤化参数(如挥发分V_daf、粘结指数G等)不能准确地反映煤料的煤质变化情况，而煤岩参数(R_r,m,R_r直方图)能较准确地反映煤料的煤质变化情况。北京焦化厂是年产焦炭200多万吨的大厂，焦炭质量不稳定是该厂的难题。该厂煤源来自山西、河北两省的20多个煤矿，用煤化学方法检测不出入厂煤料煤质有多大的变化。而用煤岩方法检测后发现，20个矿点煤中有16个矿点的煤的R_r直方图呈单峰，大体上呈正态分布，(如图1)是单种煤；其余4种煤的R_r直方图呈双峰，(见图4)是混配煤，其中马头煤(M)是由焦煤和瘦煤混配，赵城煤(N)由气煤和焦煤混配，三给煤(O)由肥煤和瘦煤混配，新井煤(P)由焦煤和瘦煤混配。正是因为这些混配煤的质量不稳定，造成焦炭质量波动。可见煤岩参数在检测煤的质量方面具有煤化参数不可比拟的优越性。

T-16.gif (4664 bytes)

图4　4种混煤的镜质组随机反射率R_r直方图

4.2　煤岩参数预测焦炭强度
　　不同国家、不同地区之间的煤质存在差异，煤的结焦性也不同。套用国外的煤岩学配煤方法指导我国的炼焦配煤，往往得不到预期的效果。如我国一些焦化厂尝试用Ammosov和Schapiro的SI—CBI配煤方法，得到的结果还不如煤化参数配煤法理想，因此需要建立符合我国煤质特征的煤岩学配煤方法。作者根据我国的煤质特征，提出了ΣI—R_r,m—R_r直方图配煤法，ΣI是指煤中惰性组分含量。一系列10 kg和200 kg焦炉试验证明，当ΣI为 25%～35%，R_r,m为1.15%～1.25%时，焦炭强度(M₄₀)随R_r直方图中R_r为0.90%～1.50%的活性组分含量(用AV表示)增高而增高，AV＞70%时，M₄₀＞76%，AV＞75%时，M₄₀＞82%。这为优化配煤，预测焦炭强度提供了依据。
4.3　煤岩参数指导炼焦配煤
　　北京焦化厂把入厂煤按气、肥、焦、瘦分煤种堆放，各煤种按一定的比例配比，得到的焦炭强度：M₄₀=72%～76%，M₁₀=6%～8%。根据该厂入厂煤的煤岩参数，把R_r,m和R_r直方图相似的煤分为一组，共分为6个组，每组按一定比例配比，满足ΣI=25%～35%，R_r,m=1.15%～1.25%，AV＞70%，得到的焦炭强度M₄₀＞76%，M₁₀=6%～8%。这样，在煤源、生产条件、焦化工艺、产煤气量不变的情况下，按煤岩参数配煤，可使焦炭强度M₄₀提高一个等级，即M₄₀由72%～76%提高到＞76%，而其他的焦炭质量指标不变，每年可多盈利500多万元。

5　结论
　　a.　根据北京焦化厂的煤质情况，提出了ΣI、R_r,m和R_r直方图作为煤岩学配煤的参数。单种煤的R_r直方图呈正态分布时，R_r,m与V_daf呈负线性相关关系；当ΣI=20%～35%，R_r,m与煤的结焦性密切相关，R_r,m为1.15%～1.35%时，煤的结焦性最好；当R_r,m＜1.15%时，随R_r,m增加M₄₀增高，煤的结焦性变好；当R_r,m＞1.35%时，随R_r,m增大M₄₀减小，煤的结焦性变差。
　　b.　提出了ΣI—R_r,m—R_r直方图配煤法，当ΣI为25%～35%，R_r,m为1.15%～1.25%时，焦炭的机械强度(M₄₀)随R_r直方图中R_r为0.90%～1.50%的活性组分含量(AV)增高而增高；即AV＞70%时，M₄₀＞76%；AV＞75%时，M₄₀＞82%。这为优化配煤，预测焦炭强度提供了依据。
　　c.　煤岩参数在检测煤的质量，预测焦炭强度，指导炼焦配煤等方面具有煤化学方法不可比拟的优越性。利用煤岩参数指导北京焦化厂的炼焦配煤，使该厂焦炭质量提高了一个等级，每年可多盈利500多万元。

作者简介：戴才胜　男　33岁　博士研究生　煤岩学、煤的焦化、加工及综合利用

作者单位：戴才胜　金奎励　中国矿业大学　北京　100083

参考文献
1　Miroslav Kosina.Effects of the properties and composition of coal blends on coke mechanical properties.Fuel,1988;67(3):431～436
2　Alan White,Maureen R,Davies,Stephen D Jones.Reactivity and characterization of coal maceral concentrates.Fuel,1989;68(4):511～519
3　戴中蜀等.煤显微组分活性加权法预测焦炭质量和配煤粘结性.燃料与化工,1989;(2):3～10

煤炭网版权与免责声明：

凡本网注明"来源：煤炭网www.coal.com.cn "的所有文字、图片和音视频稿件，版权均为"煤炭网www.coal.com.cn "独家所有，任何媒体、网站或个人在转载使用时必须注明"来源：煤炭网www.coal.com.cn "，违反者本网将依法追究责任。

本网转载并注明其他来源的稿件，是本着为读者传递更多信息的目的，并不意味着本网赞同其观点或证实其内容的真实性。其他媒体、网站或个人从本网转载使用时，必须保留本网注明的稿件来源，禁止擅自篡改稿件来源，并自负版权等法律责任。违反者本网也将依法追究责任。如本网转载稿件涉及版权等问题，请作者在两周内尽快来电或来函联系。