黏結指數G值表征煉焦煤結焦性的局限性研究

鮑俊芳，詹立志，尹秀利，項 茹

(武漢鋼鐵(集團)公司煉焦煤利用湖北省重點實驗室，湖北 武漢，430080)

煤的黏結性是指煙煤在干餾時黏結其自身及外加惰性物質的能力。黏結指數G值是我國表征煙煤黏結性最為普遍的方法[1]，對相同變質程度的煙煤，G值能較好地表征其黏結性的優劣。我國煤炭采用G值作為煙煤分類的工藝指標，在煉焦企業及煉焦用煤貿易中應用極其廣泛。然而，隨著煉焦企業用煤資源來源更加復雜，實際生產中發現相同變質程度和G值煉焦煤煤質相差相當明顯。為此，本文對7組相同變質程度和G值煉焦煤煤巖顯微組分、高溫塑性和成焦光學組織結構進行研究，并對G值表征煉焦煤結焦性進行探討，以期科學認識G值在煤質評價中的意義。

1 試驗

1.1 原料

試驗原料選取某焦化公司采購的7組相同變質程度和G值的煉焦煤，其工業分析指標如表1所示。

表1 不同礦點煉焦煤工業分析指標

1.2 試驗方法

1.2.1 焦炭制備

煉焦煤在空氣中干燥后，將其制成粒度小于2 mm煤料，然后置入試驗焦爐內煉焦?？刂茰囟热缦拢涸?50 ℃以下升溫速率為5 ℃/min；250～700 ℃升溫速率為3 ℃/min，700～950 ℃升溫速率為4 ℃/min，950 ℃恒溫3 h。

1.2.2 分析檢測

黏結指數G值按GB/T 5447—1997測定，鏡質組反射率采用MSP-200顯微光度計按GB/T6948—1998測定，高溫塑性按ASTM D2639—04測定；成焦光學組織顯微結構按YB/T077—1995測定。

2 結果與分析

2.1 G值表征結焦過程行為的局限性分析

煉焦煤的工藝特征指標包括黏結指數G值、膠質層指數Y值、奧亞膨脹度b值、羅加指數(R.I)、坩堝膨脹序數(CSN)、基氏流動度和葛金焦型等[2]，其中基氏流動度指標包含的軟化溫度、固-軟溫度區間和最大流動度等參數與結焦過程中煤大分子的熱解、中間相小球體的形成和長大等化學反應過程相關聯[3]，它是表征煉焦煤高溫塑性較為科學的指標。

表2 不同礦點煉焦煤鏡質組平均最大反射率值和高溫塑性

2.2 G值表征單種煤煉焦焦炭光學組織的局限性分析

焦炭光學組織顯微結構如圖1所示。由圖1(a)可看出，粗粒鑲嵌組織氣孔壁厚，無裂隙；由圖1(b)可看出，絲質和破片組織與其他結構之間界面清晰，容易形成收縮裂紋；由圖1(c)和(d)可看出，纖維組織顯微結構氣孔壁薄或存在裂隙。

表3 不同礦點煉焦煤鏡質組平均最大反射率值和焦炭光學組織

(a)粗粒鑲嵌組織 (b)絲質和破片組織

(c) 纖維組織(薄壁) (d)纖維組織(裂隙)

圖1焦炭光學組織顯微結構

Fig.1Opticaltextureofcoke

2.3 鏡質組含量表征高溫塑性和單種煤煉焦焦炭光學組織的局限性分析

此外，煉焦煤煤質上的差異與其形成年代密切相關，黑龍江煤屬中生代早白堊紀，青海煤屬中生代侏羅紀，四川煤屬晚古生代末期晚二疊紀，山東、河北、山西、河南等地煉焦煤屬晚古生代二疊紀和石炭紀[5]。

表4 不同礦點煉焦煤值和煤巖顯微組分

2.4 G值表征煉焦煤結焦局限性的原因分析

從測試方法上來分析，測試G值的加熱條件為850 ℃加熱15 min，得到煤料在快速升溫狀態下所表現出的工藝特征，它與實際焦爐內煤料約3 ℃/min的升溫速率相差很大，G值無法模擬表征其在3 ℃/min升溫速率下煤料從分解熔融到縮聚固化結焦過程行為，這是該方法局限性的一個方面。從煤的物質基礎上來分析， A礦～D礦煤具有較多的活性鏡質組，煤料受到快速加熱產生較多可黏結惰性物質的膠質體，表現出較高的G值。然而，由于以上礦點煤料活性鏡質組分子分解溫度較高，且受熱產生的膠質體穩定性不足而較早地縮聚固化，表現出較高的軟化溫度和較窄的固-軟溫度，這些特征在G值測定過程中都被掩蓋。另一個方面，G值局限性是外加惰性物粒度的限定范圍，不能表征變質程度對膠質體性質帶來的差異[6]。

通過對各礦點煉焦煤變質程度、G值、煤巖顯微組分、高溫塑性和成焦光學組織結構的分析，發現部分變質程度和G值相同的煉焦煤高溫塑性差異相當大，形成的焦炭光學組織結構差異非常明顯，結焦性的差異無疑使煤炭在煉焦配煤中起到不同的作用。

3 結論

(1)相同變質程度和G值的煉焦煤高溫塑性差異相當明顯，軟化溫度相差3～29 ℃，固-軟溫度區間相差8～42℃，最大基氏流動度比值為1.3～1266。

(2)相同變質程度和G值的煉焦煤所制焦炭光學組織差異明顯，粗粒鑲嵌結構占比相差9%～43%，同性結構占比相差2%～16%，纖維結構占比相差15%～36%。

(3)鏡質組含量表征高溫塑性和單種煤煉焦焦炭光學組織存在局限性，高溫塑性和煉焦煤成焦光學組織結構的差異除受煤巖組分的差異影響外，煤可熔組分分子結構的不同也是其內在原因。

[1] 薛改鳳，項茹，陳鵬，等. 煉焦煤質量指標評價體系的研究[J].武漢科技大學學報，2009，32(1)：36-40.

[2] 虞繼舜.煤化學[M].北京：冶金工業出版社，2000：47.

[3] Bronovets L M. Sapozhnikov’s method of coal plastometry[J].Coke and Chemistry,2006(5):1.

[4] 陶著.煤化學[M].北京：冶金工業出版社，1984：186.

[5] 韓德馨.中國煤巖學[M].徐州：中國礦業大學出版社，1996：117-549.

[6] 鮑俊芳，陳鵬，項茹，等.煉焦煤對大顆粒惰性物質黏結能力的實驗探討[J].煤化工，2012(4)：27-29.