熔融溫度下礦物對煤焦物理結構化學活性的影響

崔開巖 石洪波

（肥城礦業集團 菏澤聚隆能源有限公司，山東 菏澤274000）

0 概述

本文根據煤粉不同礦物質含量，取低灰（＜5%）和中灰(20%～40%)密度級別的煤進行高溫制焦，通過激光粒度測定煤焦孔結構，用熱重實驗分析煤焦的燃燒特性，以研究礦物質對煤焦物理結構和化學活性的影響。

相同溫度下，隨著密度級別的增大，即隨著礦物含量的增高，各煤焦的Ti、Tb及Tmax均呈現減小的趨勢，燃燒特性明顯改善。產生這一結果的原因主要是煤粉中礦物的存在促進了煤焦的著火和燃燼；不同變質程度的三組煤焦對比結果表明，總的來說高礦物質煤焦反應速率大于低礦物質煤焦，但旗山高灰和龍巖低灰的例外；燃燒特性明顯改善。

同種煤的不同密度級別灰分含量不同，所含的礦物質和有機組分也不同；隨著密度級別的增加，礦物質含量也增加，對煤焦的燃燒起到促進作用。

1 不同溫度條件下煤粉顆粒的膨脹特性

1.1 溫度對煤焦粒度的影響

一般認為低溫條件下煤粉燃燒反應受動力學控制，礦物質的存在促進煤燃燒，而高溫條件下反應受擴散控制，礦物質阻礙煤燃燒；另一方面，顆粒粒度對燃燒速度影響很大，顆粒越小燃燒速度越快。因此，煤粉粒度和礦物質含量對煤粉燃燒速率都有很大影響，掌握礦物質含量隨粒度大小變化的定量規律對于精確研究礦物質對煤粉燃燒影響規律十分重要。

隨著溫度的升高，龍巖低灰煤的粒度分布變的分散；其膨脹度較小，龍巖低灰煤粉、900℃焦、1400℃焦的平均粒度依次遞增，且平均粒度均較大。該密度級別的煤灰分含量為3.08%，礦物質含量很少，近視為純有機質，1400℃焦的膨脹性大于900℃焦的。

龍巖高灰原煤制得的煤焦都表現出較大的膨脹性，且900℃焦的膨脹性大于1400℃焦的。1400℃焦的平均粒度略小于 900℃焦的。 高灰煤（密度為 1.85 g·cm-3-2.2 g·cm-3的煤）灰分含量為32.06%，礦物質含量明顯增多，但平均粒度比低灰的小的多。

低灰原煤制得的煤焦表現出較大的膨脹性，原煤、900℃焦、1400℃焦的平均粒度逐漸增大，1400℃焦的膨脹性大于900℃焦的。低灰煤灰分含量為4.74%，礦物質含量很少，可視為純有機質。

高灰原煤制得的煤焦都表現出很大的膨脹性，原煤、900℃焦、1400℃焦的平均粒度逐漸增大，1400℃焦的膨脹性大于 900℃焦的。 密度為 1.6 g·cm-3～2.0 g·cm-3的煤灰分含量為25.98%，礦物質含量增多，隨著溫度升高原煤和煤焦的平均粒度均增大。

2 礦物質對煤及煤焦孔結構的影響

比較含礦物煤或煤焦脫灰前后物理結構的變化，是研究礦物質對煤及煤焦結構影響的最常用方法。過去一直認為化學脫灰處理對煤粉化學結構沒有影響，研究礦物質對煤粉燃燒和氣化反應的常用方法就是對比樣品脫灰前后反應特性的變化。但是，如果煤粉脫灰前后有機結構也發生變化，那么上述方法所得結論就令人懷疑。發現無論是超純煤揮發分的降低，還是煤粉中有機官能團含量的降低都證明化學處理使得煤粉有機結構發生了變化。

高密度級別的浮沉煤粉的平均粒徑要比低密度級別煤粉的粒徑小。

隨著密度提高鏡質組含量下降、惰質組含量上升，鏡質組中膠質體含量高，在滴管爐中受熱時發生熔融膨脹，主要形成薄壁狀空心或網狀煤焦顆粒，而惰質組不會發生類似過程，主要形成密實顆粒。因此可以推測，對于高礦物質含量煙煤煤粉，一方面鏡質組占有機質總相對含量降低，另一方面由于礦物質的存在，有機顯微組分總量也降低，二者綜合使得高礦物質含量煤粉中鏡質組含量大為降低。這樣高礦物質含量煙煤煤粉受熱后一方面膠質體含量降低，另一方面礦物質還會吸附膠質體，所以難以膨脹形成象低灰煤焦那樣的空心或多孔結構，這是高低礦物質含量煙煤煤焦孔結構巨大差異的主要原因。而且可以推測變質程度越低這種差別越明顯。

對于無煙煤，高低灰分含量煤粉有機顯微組分相對含量相同，鏡質組也沒有膨脹作用，這時礦物質的存在和受熱分解倒是促進了煤焦孔隙的形成，礦物質的存在不是堵塞孔道問題，而f是增加了孔隙通道，提高了孔隙率。

因此，對于非膨脹性煤樣，礦物質的存在提高了煤焦孔隙率；對于膨脹性煤樣，在慢速升溫條件下，煤焦膨脹率低，礦物質有利于高孔隙結構形成，而快速升溫條件下礦物質妨礙了高孔隙結構形成。

兩個高灰煤中礦物質對孔結構的影響，發現脫灰后兩種煤的比表面積和孔容都增加了，特別是其中0.4nm～1.0nm微孔增多，說明礦物嵌于0.53nm左右的孔中。對比了含礦物煤焦脫灰前后孔結構的變化，發現酸洗煤焦比表面積和孔結構均增大，因此推斷礦物質對煤焦孔隙發展其限制作用。無機顯微組分對煤焦孔隙發展其限制作用，對不同煤種的關聯分析表明，水分、惰質組、揮發分和煤原始比表面積等對煤焦的比表面積影響較大，而鏡質組、灰分和固定碳沒有什么影響。

用浮沉法將灰分含量在3.5%～23%兩種煙煤煤粉分選成不同密度級別后再在氣流爐（entrained flow）上1500℃制焦，發現隨著礦物質含量升高，大孔形態的煤焦比例下降，而網絡狀增加。他們還測定了CO2吸附比表面積，發現所有煤焦比表面積都在130 m2·g-1，與礦物質含量沒有關系。

3 結論

選用較有代表性的兩種無煙煤和一種煙煤，進行浮沉分離，將分離得到的煤粉在高溫爐上制焦，通過激光粒度分析煤焦的平均粒徑，并在熱重分析儀上研究各煤樣煤焦的燃燒特性：

（1）三種煤隨著密度級別的增加其灰分逐漸增加，但三種煤來自不同地域，變質程度有差別。三種煤樣的密度級別劃分各不相同，礦物含量也不同。

（2）在各種煤樣低密度級別中，礦物質含量相當低，可看作純有機質，隨著密度級別的增大礦物質含量增加。

（3）選擇不同密度級別的組分，無煙煤制得的煤焦粘結性很小，能觀察到一定的膨脹性；煙煤粘結性較大，焦渣形成扁平的塊。

［1］俞珠峰,主編.潔凈煤技術發展及應用[M].北京:化學工業出版社,2004.