堆積密度對搗固煉焦焦炭性能的影響

史世莊,雷耀輝,曹素梅,張康華,吳 瓊,李鳳霞

(1.武漢科技大學化學工程與技術學院,湖北武漢,430081;2.武漢平煤武鋼聯合焦化有限責任公司,湖北武漢,430082)

搗固煉焦是一種將配合煤在入爐前用搗固機搗實成體積略小于炭化室的煤餅后,將其推入炭化室內煉焦的工藝[1]。采用增大入爐煤堆積密度的方法,可改善焦炭質量,擴大煉焦煤源,進而解決高爐煉鐵對優質煤炭資源依賴的問題,在國內外得到廣泛的應用[2-3]。搗固煉焦不僅可以配入一定數量的劣質煤生產高質量的冶金焦,使煉焦煤源更廣、配煤方案更靈活,而且可提高焦爐的生產能力[4-5]。近年來搗固煉焦技術在我國發展迅猛。

搗固煉焦的機理是通過改變入爐煤料的堆積密度來改善焦炭的性能。生產中,應如何選擇堆積密度、堆積密度又在多大程度上改善焦炭性能、焦炭的各項性能指標與堆積密度有何關系等問題都有待深入研究[6]。本文擬采用不同的配煤方案,在一系列堆積密度下進行煉焦試驗,以探討這些問題。

1 試驗原料與方法

1.1 原料

原料煤取自武漢平煤武鋼聯合焦化公司的生產用單種煤,包括氣煤、氣肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤和瘦煤,分別產于河南、山東、山西、陜西、青海等地。將取來的單種煤進行分析、粉碎供配煤煉焦使用。

1.2 配煤方案

本試驗選用5種配煤方案,各方案配煤后煤樣的性質分析如表1所示。5種配合煤均分別制成堆積密度為0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 t/m3的煤樣。

表1 配合煤性質分析Table 1 Analysis of the blend properties

1.3 焦炭的制備

煉焦試驗在5 kg試驗焦爐中進行。試驗焦爐采用硅碳棒加熱,程序升溫。將配合煤的水分調至10%,裝入200 mm×220 mm×250 mm的鐵箱,裝入的干煤量為7.0 kg,入爐煤細度(0～3 mm)控制在95%。將鐵箱中的煤人工搗打至一定的密度,當爐膛溫度為800℃時將鐵箱入爐,焦餅中心溫度為950℃時出焦,結焦時間為5.5 h。出爐后的焦炭采用濕法熄焦后備用。

1.4 煤與焦炭的質量分析

配合煤的Mad、Ad、Vdaf按GB/T212—2008測定,St,d按GB/T214—2007測定,黏結指數G按GB/T5447—1997測定,膠質層最大厚度Y值和膠質層收縮度X值按GB/T479—2009測定。

焦炭的Ad按GB/T 2001—1991測定,St,d按GB/T2286—1991測定,總氣孔率、顯氣孔率按GB4511.1—1984測定,CRI、CSR按GB/T4000—2008測定,M25、M10參照GB/T2006—1994用實驗轉鼓測定。

2 結果與討論

2.1 配煤堆積密度對焦炭全焦率、硫分和灰分的影響

在不同堆積密度下各配煤方案制備焦炭的全焦率(K)、灰分(Ad)和硫分(St,d)如表2所示。

由表2中可知,對于同一配煤方案,改變煤的堆積密度,所得焦炭的全焦率、灰分和硫分基本不變,其數值的差異均在試驗誤差之內,表明入爐煤的堆積密度對焦炭的全焦率、灰分和硫分基本沒有影響。這是由于焦炭的全焦率主要取決于配合煤的揮發分和煉焦溫度,其灰分和硫分取決于入爐煤的灰分和硫分,對于同一方案,配合煤的揮發分相同,當煉焦溫度相同時,所得焦炭的全焦率也相同;入爐煤的灰分和硫分相同,焦炭的灰分和硫分也應相同。從理論上講,隨著配煤堆積密度的增大,熱解氣體析出困難,其停留時間延長,二次熱解加劇,在一定程度上會提高全焦率,并增加析出的硫化物與焦炭再反應的幾率,但由于這種作用太小,最終對焦炭全焦率、灰分和硫分的影響可以忽略。

表2 不同堆積密度配煤所制焦炭的性質Table 2 Properties of cokes prepared by several coal blends with different bulk densities

2.2 配煤堆積密度對焦炭氣孔率的影響

入爐煤堆積密度對焦炭總氣孔率和顯氣孔率的影響如圖1和圖2所示。

圖1 不同堆積密度配煤所制焦炭的總氣孔率Fig.1 Total porosity of cokes prepared by several coal blends with different bulk densities

圖2 不同堆積密度配煤所制焦炭的顯氣孔率Fig.2 Apparent porosity of cokes prepared by several coal blends with different bulk densities

由圖1和圖2中可知,隨著配煤堆積密度增大,各配煤方案所制焦炭的總氣孔率和顯氣孔率均為先大幅度降低而后略有增加,其最低點位于配煤堆積密度為1.0～1.1 t/m3處。這是由于隨著配煤堆積密度的增大,煤料間的空隙減少,加熱過程中生成的膠質體能充分填充煤粒間的空隙,使膨脹壓力增大,焦質結構致密,氣孔減少,孔徑減小,氣孔壁變厚,氣孔率降低。當達到某一數值后,配煤堆積密度進一步增大,則會造成膨脹壓力過大,有一部分氣體因析出困難停留在焦炭內而使氣孔增大,另有一部分氣體沿微裂紋析出使焦炭內的微裂紋擴展,導致微裂紋率增加,使得焦炭的總氣孔率、顯氣孔率有所增加。

2.3 配煤堆積密度對焦炭冷態機械強度的影響

圖3 不同堆積密度配煤所制焦炭的耐磨強度Fig.3 Abrasive strength of cokes prepared by several coal blends with different bulk densities

入爐煤堆積密度對焦炭冷態機械強度(耐磨強度M10和抗碎強度M25)的影響如圖3和圖4所示。由圖3和圖4中可知,配煤堆積密度為0.7～1.0 t/m3時,隨著配煤堆積密度的增大,焦炭的抗碎強度和耐磨強度均明顯改善,且入爐煤的性質愈差(揮發分Vdaf高且黏結指數G低),其改善的幅度愈大。耐磨強度M10的最小值出現在配煤堆積密度為1.0 t/m3左右,抗碎強度M25的最大值出現在配煤堆積密度為0.9～1.0 t/m3范圍內,此時M25和M10均能達到較高的水平,表明通過搗固煉焦,較差的配合煤也能制備出冷態機械強度較好的焦炭。這主要是由于隨著堆積密度的增大,煤粒間的空隙減少,在煉焦過程中,較少的黏結組分就能夠充分填充煤粒間的空隙,以較少的膠質體就可以在煤粒之間形成較強的界面結合。另外,隨著堆積密度的增大,入爐煤的透氣性變差,使得結焦過程中產生的餾份氣體不易析出,增加了膠質體的膨脹壓力,使變形煤粒受壓擠緊,進一步增強了煤粒間的結合,從而改善入爐煤的黏結性,提高了焦炭的機械強度。但另一方面,在成層結焦條件下,提高配煤堆積密度減小了焦炭收縮應力的松弛作用,使相鄰焦層間的剪應力增大,容易使焦炭產生橫裂紋。配煤堆積密度進一步增大,則在過高的膨脹壓力下,餾份氣體的析出困難使得焦炭的裂紋擴展,從而使焦炭的機械性質劣化。此外,5種配煤方案所制焦炭冷態機械強度差異明顯,即配煤揮發分越高,焦炭改善的幅度越大,M10和M25達到最佳值時配煤的堆積密度越大。這表明,就焦炭機械強度而言,配煤堆積密度的最佳值還與配合煤的性質有關,且M25和M10對應的配煤最佳密度并不相同。

圖4 不同堆積密度配煤所制焦炭的抗碎強度Fig.4 Crushing strength of cokes prepared by several coal blends with different bulk densities

2.4 配煤堆積密度對焦炭熱性質的影響

入爐煤堆積密度對焦炭熱性質(反應性CRI、反應后強度CSR)的影響如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6中可知,隨著配煤堆積密度的增加,焦炭的反應性先降低而后增高;而焦炭反應后強度則先大幅度提高而后降低。二者的最佳值出現在配煤堆積密度為1.0～1.1 t/m3之間。而不同的配煤方案所制焦炭的熱性質相差很大。如方案1和方案4比較,兩者CRI相差10個百分點以上。焦炭的反應性受焦炭的氣孔結構和化學性質的影響。配煤堆積密度不影響焦炭的化學性質,但影響焦炭的氣孔結構。隨著配煤堆積密度的增大,焦炭的總氣孔率及顯氣孔率均大幅度下降(見圖1、圖2),其比表面積減小,有利于抑制焦炭與CO2的反應,降低其反應性,提高焦炭反應后強度。配煤堆積密度超過某一數值后,焦炭的氣孔率有所增大(見圖1、圖2),比表面積增大,致使焦炭的反應性增大,反應后強度降低。

圖5 不同堆積密度配煤所制焦炭的反應性Fig.5 Reactivity of cokes prepared by several coal blends with different bulk densities

圖6 不同堆積密度焦炭的反應后強度Fig.6 CSR of cokes prepared by several coal blends with different bulk densities

入爐煤揮發分越高、黏結性越差,則產物焦質含各向同性組分越多,越易與二氧化碳反應,反應性就越好。同時入爐煤的揮發分越高,焦炭的氣孔趨于粗而長,使得其總氣孔率和顯氣孔率越大,最終導致其與CO2的反應性增強。

對于不同的配煤方案,焦炭熱性質最佳時對應的入爐煤堆積密度并不相同。5種配煤方案中,隨著配合煤揮發分的增加,焦炭熱性質最佳時對應的入爐煤堆積密度也增大,且均不小于1.0 t/m3。5種配煤方案所制焦炭反應性和反應后強度數值相差甚遠,即配煤揮發分含量越高,焦炭的反應性越好,反應后強度越小。這表明煤質對焦炭熱性能的影響具有決定性作用。

3 結論

(1)入爐煤堆積密度對焦炭的全焦率、灰分和硫分基本沒有影響,而對焦炭的氣孔率、冷態機械強度、熱性質的影響明顯。

(2)在一定的入爐煤堆積密度范圍內,焦炭的各項性能指標可取得最佳值。入爐煤堆積密度為0.9～1.1 t/m3時,焦炭的冷態機械強度和熱性質出現最佳值。選擇適當的配煤堆積密度能顯著地改善焦炭的冷態機械強度和熱性質。

(3)與配煤堆積密度相比較,配合煤的煤質對焦炭熱性質的影響更為顯著。

[1] 姚昭章,鄭明東.煉焦學[M].北京:冶金工業出版社,2005:130-135.

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[6] 史世莊,郭玉保,梁尚國,等.入爐煤堆積密度對焦炭性能影響的研究[C]//徐振剛,曲思建.煤化工技術理論與實踐.北京:中國石化出版社,2009:65-71.