入爐煤性質對搗固焦炭性能的影響

史 媛，劉向勇，孫超祺，吳 瓊，李鳳霞，郭 琴，史世莊

（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）

入爐煤性質對搗固焦炭性能的影響

史 媛1，劉向勇2，孫超祺1，吳 瓊1，李鳳霞1，郭 琴1，史世莊1

（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）

采用30種配煤方案，在堆積密度為1.1 t／m3的條件下進行搗固煉焦試驗，利用線性回歸分析方法研究入爐煤性質對焦炭性能的影響。結果表明，焦炭性能指標與入爐煤性質指標之間具有良好的相關性；適當降低入爐煤的揮發分有利于提高焦炭的冷態機械強度，而增加入爐煤的黏結指數有利于提高焦炭的耐磨強度，但不利于提高焦炭的抗碎強度；適當降低入爐煤的揮發分和催化指數、提高其黏結指數有利于改善焦炭的高溫反應性。

搗固煉焦；焦炭性能；入爐煤性質；線性回歸分析

搗固煉焦是一種在裝煤推焦車的煤箱內用搗固機將配合煤搗實后推入炭化室內進行高溫干餾的煉焦工藝，其最大特點是提高了入爐煤的堆積密度，可多配入高揮發性煤和弱黏結性煤，從而降低煉焦成本［1］。研究表明，在堆積密度約為1.1 t／m3的條件下搗固煉焦所得焦炭的質量最佳［2］，而入爐煤性質與焦炭性能之間的定量關系還有待于進一步研究。本文擬采用30種配煤方案，在堆積密度為1.1 t／m3的條件下進行搗固煉焦試驗，分析入爐煤性質對焦炭性能的影響，并嘗試建立入爐煤性質指標與焦炭性能指標之間的關聯式，以期為焦炭的質量預測提供參考。

1 試驗原料與方法

1.1 原料

原料取自武漢平煤武鋼聯合焦化有限責任公司的生產用單種煤，包括氣煤、氣肥煤、1／3焦煤、肥煤、焦煤和瘦煤等共23種。將取回的單種煤進行分析、粉碎供煉焦試驗用。

1.2 配煤方案

根據生產經驗及試驗需要，共選用30種配煤方案，各方案中入爐煤的揮發分（Vdaf）控制在24.76%～33.67%，黏結指數（G）控制在50.9～87.3，灰分（Ad）控制在9.58%～9.99%。

1.3 焦炭的制備

煉焦試驗在5 kg試驗焦爐中進行。將入爐煤的水分調至10%，裝入鐵箱的干煤量為7 kg，入爐煤細度（小于3 mm）控制在95%以上。將鐵箱中的煤人工搗固至堆積密度為1.1 t／m3，當爐膛的溫度為800℃時將鐵箱入爐，程序升溫，焦餅中心溫度為950℃時出焦，結焦時間為5.5 h，濕法熄焦。

1.4 煤與焦炭的質量分析

配合煤的Mad、Ad、Vdaf按GB／T 212—2008測定，St，d按GB／T 214—2007采用YX－DL型一體化定硫儀測定，黏結指數G按GB／T 5447—1997測定。

焦炭的Mad、Ad、Vdaf按GB／T 2001—1991測定，St，d按GB／T 2286—1991采用YX－DL型一體化定硫儀測定，CRI、CSR按GB／T 4000—2008測定，M25、M10參照GB／T 2006—1994用實驗轉鼓測定。

入爐煤灰成分分析參照GB／T 1574—2007采用美國Thermo Elemental公司生產的IRISAdvantage全譜直讀等離子體發射光譜儀（ICPAES）測定，并按式（1）計算灰成分的礦物質催化指數MCI。

式中：Amd、Vmd分別為煤的干基灰分和干基揮發分，%。

2 結果與討論

2.1 入爐煤性質對焦炭硫分和灰分的影響

在常規煉焦過程中，入爐煤中的硫部分轉入焦炭中，部分轉入荒煤氣中，其轉化比例取決于入爐煤的性質［3－4］。為了探討搗固煉焦中硫的轉化規律，即焦炭的硫分與入爐煤硫分之間的關系，將30組搗固煉焦試驗所得焦炭的硫分（St，d，j）對入爐煤的硫分（St，d，m）進行回歸分析，回歸方程如下：

式（2）表明，焦炭的硫分與入爐煤的硫分呈正線性關系且具有良好的相關性。將入爐煤的硫分代入式（2）可得焦炭硫分的計算值（Sct，d，j），其與實測值（Smt，d，j）之間的關系如圖1所示，由圖1可見，計算值與實測值比較吻合，二者之差均在試驗誤差范圍之內。

圖1 焦炭硫分計算值與實測值的關系Fig.1 Relationship between calculated St.d，jand measured S t.d，j

在常規煉焦過程中，入爐煤中的灰分全部轉入焦炭中，焦炭灰分與入爐煤灰分之間的關系主要取決于入爐煤性質和煉焦工藝條件［1］。將30組搗固煉焦試驗所得焦炭的灰分（Ad，j）對入爐煤的灰分（Ad，m）進行回歸分析，回歸方程如下：

式（3）表明，焦炭的灰分與入爐煤的灰分呈正線性關系且具有良好的相關性。將入爐煤的灰分代入式（3）得到焦炭灰分的計算值（Acd，j），其與實測值（Amd，j）之間的關系見圖2，由圖2可見二者誤差很小。

圖2 焦炭灰分計算值與實測值的關系Fig.2 Relationship between calculated Ad，jand measured Ad，j

2.2 入爐煤性質對焦炭冷態機械強度的影響

當備煤、煉焦工藝條件確定之后，焦炭的冷態機械強度（抗碎強度M25和耐磨強度M10）主要取決于入爐煤的性質，其中對焦炭冷態機械強度影響程度較大的幾項指標為入爐煤的揮發分、黏結指數和灰分。

以30組試驗所得焦炭的耐磨強度（M10）對入爐煤的揮發分（Vdaf）、黏結指數（G）和灰分（Ad，m）進行多元回歸分析，回歸方程如下：

式（4）表明，焦炭的耐磨強度與入爐煤的黏結指數呈負線性相關，與入爐煤的揮發分和灰分呈正線性相關，且相關性良好。這表明，在試驗條件下，要想提高焦炭的耐磨強度（即降低M10的值），應適當增加入爐煤的黏結性，降低入爐煤的揮發分和灰分。將入爐煤的揮發分、黏結指數和灰分代入式（4）得到焦炭耐磨強度的計算值（Mc10），其與實測值（Mm10）之間的關系見圖3。

圖3 焦炭耐磨強度計算值與實測值的關系Fig.3 Relationship between calculated M10and measured M 10

以30組試驗所得焦炭的抗碎強度（M25）對入爐煤的揮發分（Vdaf）、黏結指數（G）和灰分（Ad，m）進行多元回歸分析，回歸方程如下：M25＝99.126 38－0.029 7G－0.600 67Vdaf＋

式（5）表明，焦炭的抗碎強度與入爐煤的黏結指數和揮發分呈負線性相關，與入爐煤的灰分呈正線性相關，且相關性良好。這表明，在試驗條件下，要想提高焦炭的抗碎強度（即提高 M25的值），應適當降低入爐煤的黏結性和揮發分，增加其灰分。將入爐煤的揮發分、黏結指數和灰分代入式（5）得到焦炭抗碎強度的計算值（Mc25），其與實測值（Mm25）之間的關系如圖4所示。

圖4 焦炭抗碎強度計算值與實測值的關系Fig.4 Relationship between calculated M25and measured M25

比較式（4）和式（5）可知，適當降低入爐煤的揮發分有利于提高焦炭的耐磨強度和抗碎強度，而增加入爐煤的黏結指數則有利于提高焦炭的耐磨強度，但不利于提高焦炭的抗碎強度。這是因為，入爐煤揮發分的增加，使焦炭的氣孔率增大，氣孔壁變薄，收縮量增加，收縮應力增大，裂紋增多，從而降低了焦炭抵抗摩擦力破壞和沖擊力破壞的能力，使得焦炭的耐磨強度和抗碎強度均劣化；提高入爐煤的黏結性使焦炭的熔融性得以改善，有利于提高焦炭的耐磨強度，但由于入爐煤的堆積密度較大，煤粒間的空隙減小，用較少的膠質體就能將煤粒黏結起來，這時再提高入爐煤的黏結性就會使入爐煤的黏結能力過剩，使焦炭的收縮應力增大，裂紋增多，不利于改善焦炭的抗碎強度，因此，當入爐煤的黏結性較好時，搗固煉焦不能改善焦炭的抗碎強度，甚至還會使其劣化［5］。

2.3 入爐煤性質對焦炭高溫反應性的影響

當備煤、煉焦工藝條件確定之后，焦炭的高溫反應性（反應性CRI和反應后強度CSR）主要取決于入爐煤的性質，其中對焦炭高溫反應性影響程度較大的幾項指標為入爐煤的揮發分、黏結指數和灰成分礦物質催化指數［6］。

以30組試驗所得焦炭的反應性（CRI）對入爐煤的揮發分（Vdaf）、黏結指數（G）和灰成分礦物質催化指數（MCI）進行多元回歸分析，回歸方程如下：

式（6）表明，焦炭的反應性與入爐煤的揮發分和催化指數呈正線性相關，與入爐煤的黏結指數呈負線性相關，且相關性良好。也就是說，要想降低焦炭的反應性，應適當降低入爐煤的揮發分和催化指數，適當提高其黏結指數。將入爐煤的揮發分、黏結指數和催化指數代入式（6）得到焦炭反應性的計算值（CRIc），其與實測值（CRIm）之間的關系如圖5所示。

圖5 焦炭反應性的計算值與實測值的關系Fig.5 Relationship between calculated CRI and measured CRI

以30組試驗所得焦炭的反應后強度（CSR）對入爐煤的揮發分（Vdaf）、黏結指數（G）和灰成分礦物質催化指數（MCI）進行多元回歸分析，回歸方程如下：

式（7）表明，焦炭的反應后強度與入爐煤的揮發分和催化指數呈負線性相關，與入爐煤的黏結指數呈正線性相關，且相關性良好。也就是說，要想提高焦炭的反應后強度，應適當降低入爐煤的揮發分和催化指數，適當提高其黏結指數。將入爐煤的揮發分、黏結指數和催化指數代入式（7）得到焦炭反應后強度的計算值（CSRc），其與實測值（CSRm）之間的關系如圖6所示。

綜合式（6）和式（7）可知，要想改善焦炭的高溫反應性（降低CRI、提高CSR），應適當降低入爐煤的揮發分和催化指數，提高其黏結指數。這是因為，入爐煤的揮發分增加，焦炭的氣孔率和比表面增大，焦炭與CO2發生碳溶損反應（C＋CO2═══2CO）的幾率增加，從而使焦炭的反應性提高、反應后強度降低；入爐煤的催化指數增大，對焦炭碳溶損反應的催化能力提高，也會使焦炭的反應性提高、反應后強度降低；入爐煤的黏結指數增大，焦炭的熔融性得到改善，焦質結構致密，氣孔率和比表面積減小，焦炭與CO2的碳溶損反應幾率降低，從而使焦炭的反應性降低、反應后強度提高。

圖6 焦炭反應后強度的計算值與實測值的關系Fig.6 Relationship between calculated CSR and measured CSR

3 結論

（1）入爐煤性質對搗固煉焦所制焦炭的性能影響顯著，焦炭性能指標與入爐煤性質指標之間具有良好的相關性。

（2）適當降低入爐煤的揮發分和灰分、增加其黏結指數有利于提高焦炭的耐磨強度。

（3）適當降低入爐煤的黏結指數和揮發分、增加其灰分有利于提高焦炭的抗碎強度。

（4）適當降低入爐煤的揮發分和催化指數、提高其黏結指數有利于改善焦炭的高溫反應性。

［1］ 姚昭章，鄭明東.煉焦學［M］.北京：冶金工業出版社，2005：130－131.

［2］ 史世莊，雷耀輝，張康華，等.堆積密度對搗固煉焦焦炭性能的影響［J］.武漢科技大學學報，2011，13（4）：285－288.

［3］ 王慧，曹素梅，史世莊，等.煉焦煤與焦炭間硫轉化關系的研究［J］.燃料與化工，2011，42（2）：7－10.

［4］Shi Shizhuang，Liu Zhiping.Sulfur transfer law from coking coal to coke［C／CD］／／Proceedings of the Twenty－Third Annual International Pittsburgh Coal Conference.Pittsburgh：University of Pittsburgh，2006.

［5］ 鄭文華.搗固煉焦技術的發展和應用［J］.河南冶金，2008，16（1）：6－8，15.

［6］ 楊俊和，馮安祖，杜鶴桂.礦物質催化指數與焦炭反應性關系［J］.鋼鐵，2001，36（6）：5－9.

［責任編輯 尚 晶］

Effect of coal charge properties on stamping coke quality

Shi Yuan1，Liu Xiangyong2，Sun Chaoqi1，Wu Qiong1，Li Fengxia1，Guo Qin1，Shi Shizhuang1
（1.College of Chemical Engineering and Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.Wuhan Pingmei－WISCO United Coking and Chemical Co.，Ltd.，Wuhan 430082，China）

Thirty coal blending schemes were selected for the stamping coking experiment when the bulk density was 1.1 t／m3.With linear regression analysis，the influence of the coal charge properties on the coke quality was investigated.The results show that good correlation exists between the indexes of the coke quality and the coal charge properties.Reducing the volatile content of the coal charge appropriately can improve the abrasive strength of the coke，while increasing the caking index can improve the abrasion resistance but damage the crushing resistance of the coke.Reducing the volatile content and the mineral catalytic index and raising the caking index of the coal charge can improve the high－temperature reactivity of the coke.

stamping coking；coke quality；coal charge property；linear regression analysis

TQ522.16

A

1674－3644（2012）03－0186－04

2011－09－09 作者簡介：史 媛（1987－），女，武漢科技大學碩士生.E－mail：sleep870123＠163.com 通訊作者：史世莊（1956－），男，武漢科技大學教授.E－mail：shisz1956＠126.com