煤焦油和瀝青對煤黏結性能和焦炭強度的影響

唐改改

(山西焦煤霍州煤電集團辛置煤礦洗煤廠化驗室，山西 霍州 031412)

引 言

冶金工業對優質焦炭的需求量日益增長，然而優質配焦硬煤(主要為肥煤、焦煤、瘦煤)的供給日趨衰竭，因此，發展一種能夠利用半軟配焦煤(主要為氣煤、1/2中黏煤和1/3焦煤)煉成高強度焦炭的技術具有重要的現實意義。目前，利用半軟配焦煤煉焦的常用技術有：提高煤體積密度；達到煤最佳破碎粒度；加入提高煤黏結性能的添加劑。半軟配焦煤的黏結性相比硬配焦煤較差，但增大容重可以彌補其膨脹性不足，有利于高強度焦炭的生產[1-2]。關于提高煤黏結性的添加劑，許多試驗和工業生產已經證明，添加2%～6%的煤焦油、瀝青或其他添加劑，煤的黏結性和結焦性可顯著提高[3]。然而，對于黏結劑改善煤黏結性能的作用機理尚不清楚。此外，在以往的研究中，黏結劑對不同粒徑煤的黏結性能影響的研究較少。所以，研究黏結劑對不同粒度煤黏結性和焦炭強度的影響是非常重要。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

實驗中所用煤樣的特性見表1，黏結劑特征見表2。實驗采用4個硬焦煤樣(HC1、HC2、HC3和HC4)和2個半軟焦煤樣(SC1和SC2)，實驗使用的黏結劑CP1和CP2分別是提取自煤中的煤焦油和軟瀝青，PP是石油衍生物石油瀝青。

表1 實驗用煤樣的特性

表2 實驗用黏結劑的特征

1.2 熱重分析實驗

除了對煤HC1和SC1，一些煤和黏結劑的混合物(HC1+CP1、HC1+CP2，HC1+PP，SC1+CP1、SC1+CP2和SC1+PP)均進行了單獨的實驗。將20 mg的單獨樣品或混合樣品在熱重分析儀中由氮氣加熱到900 ℃，加熱過程的升溫速率為3 ℃/min，并記錄期間樣品的體重變化。

1.3 膨脹實驗

通過熱膨脹試驗研究，來評估黏合劑的加入對煤黏結性能的影響。分別將煤和黏結劑的均勻混合物或分離物放置在熱膨脹儀中(如圖1裝置)進行加熱實驗，觀察煤與黏結劑所產生氣體的相互作用。此外，還對不同粒度的煤在蒸餾爐中進行了實驗。

在煤的膨脹實驗中，使用粒徑小于0.3 mm的煤粉樣品。將煤粉末樣品裝入熱膨脹儀中加熱，并測量其膨脹高度的變化。首先，進行煤和黏結劑均勻混合物的實驗。分別單獨添加5%的黏結劑(CP1、CP2和PP)與煤樣HC1進行混合。將混合物裝入熱膨脹儀中，樣品高度為30 mm，通過壓密使其體積密度為0.80 g/cm3(煤樣質量/煤樣體積)。然后，將樣品從300 ℃加熱到550 ℃，加熱增溫速率為3 ℃/min，并測量樣品膨脹后的高度。其次，對煤和黏結劑進行分離放置膨脹實驗，觀察煤與黏結劑熱解產生氣體的相互作用。

圖1 熱膨脹儀測量方法

1.4 不同粒徑煤膨脹實驗

由于煤的膨脹程度取決于煤的粒度[4]。實驗將煤焦油黏結劑(CP1)加入到不同粒度煤樣中，來研究煤樣粒度對煤黏結性能的影響。將煤樣HC1，HC2、HC3和HC4粉碎至粒徑在3 mm以下占85%的粉末，煤樣SC1、SC2粉碎至粒徑在3 mm以下占75%的粉末。然后，將粉碎樣品過篩，篩孔徑分別為0.3 mm、1 mm和3 mm，從而獲得粒徑為小于0.3 mm、0.3 mm～1 mm和1 mm～3 mm的粉煤樣。將一定含量的煤焦油黏結劑CP1分別加入到各個粉煤樣中與煤樣混合進行膨脹實驗。將混合物放置在膨脹儀反應管中，樣品高度均為30 mm，同樣使其體積密度均為0.80 g/cm3。然后，將樣品從300 ℃加熱到550 ℃，升溫速率為3 ℃/min。用膨脹度(cm3/g)來表征煤樣的膨脹性能，膨脹度由膨脹后樣品體積與樣品質量的比值確定。

2 結果和討論

2.1 煤與黏結劑的熱重分析及相互作用

如圖2所示，在加熱樣品后，添加黏結劑的樣品膨脹后的高度大于沒有加入黏結劑的同一樣品的高度，這表明所有黏結劑都能改善煤的結焦性能。表明不同黏結劑種類會影響煤的膨脹性，黏結劑影響煤膨脹高度的順序為CP2>CP1>PP。這也反映了黏結劑種類對煤結焦性能會產生不同的效果。

圖2 黏結劑對煤膨脹的影響

圖3顯示了煤和黏結劑的體重隨加熱溫度的變化趨勢特征。值得注意的是，黏結劑CP1和CP2隨著溫度從室溫增加到400 ℃(接近煤樣的軟化溫度，見表1)，其體重分別下降了72%和45%；由400 ℃增加到500 ℃時(相當于煤的塑性溫度范圍，見表1)，其體重僅分別下降5%和12%。此外，在450 ℃以下的溫度范圍內，煤和黏結劑混合物的體重(HC1+CP1，SC1+CP1，HC2+CP1)大于它們體重的計算值。

圖3 煤和黏結劑的體重隨溫度的變化圖

這表明了煤和煤焦油及瀝青之間發生了相互化學作用。黏結劑煤焦油在溫度升高到400 ℃以前發生了顯著的容重下降(圖3)，這表明在煤軟化之前黏結劑熱解產生的氣體與煤發生相互作用，使煤在加熱過程中進行了原位改造，從而提高了煤的黏結性。在一定溫度區間內，實驗測量的煤樣容重和計算的容重之間存在差異，其中，HC1+CP1的差異大于SC1+CP1的差異。這表明，硬焦煤比半軟焦煤更易于與煤焦油進行化學反應，黏結劑對煤黏結性能的影響與煤種類有關。

實驗結果表明，煤與石油瀝青的混合物(HC1+PP)的測量容重幾乎等于其計算容重，HC2+PP和SC1+PP的實驗也取得相同結果。與提取自煤的黏結劑(CP1和CP2)相比，源自石油的黏結劑(石油瀝青PP)在加熱過程中與煤的相互作用不顯著。黏結劑PP從室溫加熱到400°C時，體重下降10%；400 ℃～500 ℃時，體重下降20%(圖3)。因此，石油衍生的黏結劑(PP)可以提高煤黏結性的原因是，其熱解產生的氣體可以促進塑性煤膨脹并使之變得更具流動性，而非發生相互化學反應。

2.2 煤與黏結劑的膨脹與相互作用

煤與黏結劑分離裝置的膨脹實驗結果表明，隨著黏結劑CP1加入量的增加，煤的膨脹高度隨之顯著增加，而黏結劑PP的加入及加入量的增加對煤膨脹性的影響不明顯。這表明，黏結劑CP1熱解產生的氣體不僅可以在煤內部反應提高煤結焦性，也可以從外部進入煤體提高煤的結焦性能。然而，黏結劑PP所產生的氣體只有在煤內產生時才能提高煤的黏結性，在煤體外提供時不能改變煤的黏結性。

2.3 煤種、粒度和黏結劑對膨脹率和焦炭強度的影響

不同煤樣在不同粒度情況下以及加入黏結劑含量不同時，對煤膨脹度的影響都有明顯的差異。在相同粒度煤樣和加入相同含量的黏結劑時，不同種類煤樣的膨脹度表現不同。以HC1和SC1為例，在煤粒度為0.3 mm～1 mm，加入10%黏結劑CP1，HC1的膨脹度遠大于SC1。這可能是因為，煤巖相組成(惰性組分含量)的差異所致[5]。在同一煤樣中加入相同量的CP1黏結劑，隨著煤粒徑的不同，煤樣的膨脹度也有較大的差異。然而不同粒度、不同煤樣的膨脹度變化很大，沒有固定的膨脹度隨煤粒度變化的規律。一般隨著黏結劑含量的增加(0%～15%)，所有粒徑和煤種的膨脹度都具有增大的規律。由此可知，煤的粒度、煤類和結焦劑對煤的結焦性能影響較大，從而影響焦炭的強度。

3 結論

1) 熱重分析表明，在450 ℃以下的溫度范圍內，煤和黏結劑(CP1、CP2)混合物的測量體重大于其計算值。黏結劑(CP1、CP2)熱解產生的氣體與煤在煤軟化前相互作用，使煤在加熱過程中進行原位改造，從而提高了煤的黏結性能。

2) 實驗結果表明，煤和石油衍生黏結劑(PP)混合物的測量體重幾乎等于其計算體重值。煤與黏結劑分離膨脹實驗反映石油衍生瀝青熱解產生的氣體對煤的膨脹幾乎沒有影響。這意味著，石油衍生黏結劑對提高煤黏結性能的原因是其熱解產生的氣體可以促進塑性煤膨脹并使之變得更具流動性，而非發生相互化學反應。

3) 煤種類和煤的粒度對煤的膨脹性有很大的影響。同時，黏結劑CP1的含量也影響煤的結焦性能。