最優(yōu)活惰比及高活性組分質(zhì)量煤種淺析

供稿|隋月斯，王剛，劉波，王亞楓，池學(xué)平

SUI Yue-si1, WANG Gang1, LIU Bo2, WANG Ya-feng3, CHI Xue-ping4

內(nèi)容導(dǎo)讀

煤的活惰比是指煤中活性組分與惰性組分的比值。活性組分質(zhì)量與煤的變質(zhì)程度息息相關(guān)，而煤的鏡質(zhì)組平均最大反射率是目前國際上公認(rèn)標(biāo)志煤的變質(zhì)程度最佳的一個(gè)指標(biāo)。本文通過引入鏡質(zhì)組活性權(quán)方程，得出加權(quán)活惰比，結(jié)合焦化廠特定來煤實(shí)際，作出CSR-A/I曲線，得到最優(yōu)活惰比區(qū)間為2.9～3.1，對應(yīng)高活性組分質(zhì)量煤種的平均最大反射率R′max區(qū)間為1.29～1.49。配入高活性組分質(zhì)量煤種后，配煤中優(yōu)質(zhì)活性組分得到有效提高，在一定范圍內(nèi)可多配入成本較低的瘦煤和1/3焦煤，同時(shí)提高焦炭質(zhì)量。運(yùn)用最優(yōu)活惰比理論，對同一煤種的不同單種煤進(jìn)行最優(yōu)區(qū)間評估，可以充分利用單種煤特性，優(yōu)化配煤，提高焦炭質(zhì)量。

煤的多樣性及成因復(fù)雜性造成煤在使用過程中表現(xiàn)出千差萬別的性質(zhì)。目前各種理論都存在一定局限，尚未形成普適的精確配煤理論，不能全面反映煤的結(jié)焦性質(zhì)，需要深入研究每種理論的優(yōu)缺點(diǎn)，并加以綜合運(yùn)用才能有所成效。煤的活惰比是煤巖理論中的重要指標(biāo)之一，指煤中活性組分(煤在加熱過程中能軟化熔融生成膠質(zhì)體的組分)與惰性組分(煤在加熱過程中不軟化、形成焦炭光學(xué)組織中絲炭和破片的組分)的比值。活惰比雖然可以表征煤的活性組分在數(shù)量上的性質(zhì)，以及惰性組分的構(gòu)成，但是不能表征活性組分在質(zhì)量上的性質(zhì)，這也使它在應(yīng)用中受到很大的限制。活性組分質(zhì)量與煤的變質(zhì)程度息息相關(guān)，而煤的鏡質(zhì)組平均最大反射率是目前國際上公認(rèn)標(biāo)志煤的變質(zhì)程度最佳的一個(gè)指標(biāo)[1]。根據(jù)煤巖配煤原理，配合煤中存在最優(yōu)活惰比，即活性組分?jǐn)?shù)量與惰性組分?jǐn)?shù)量達(dá)到最佳比值時(shí)，焦炭強(qiáng)度最好[2]。同時(shí)為了更好地表征煤的活性成分的數(shù)量性質(zhì)和質(zhì)量性質(zhì)，更好地體現(xiàn)煤的結(jié)焦性，引入加權(quán)活性方程優(yōu)化活惰比。由于各單種煤中活性組分質(zhì)量不一樣，配煤中活性組分與惰性組分合適比例只適用于該配煤中僅有的煤種[3]。不同焦化廠用煤各有自身特點(diǎn)，生搬硬套理論容易脫離生產(chǎn)實(shí)際。因此，需要結(jié)合焦化廠實(shí)際煤種特性，找出最優(yōu)活惰比，充分利用各煤種特性，優(yōu)化配煤，改善焦炭質(zhì)量。

試驗(yàn)方法

加權(quán)活性方程

根據(jù)武漢科技大學(xué)戴中蜀的鏡質(zhì)組活性權(quán)函數(shù)方程[1]，不同變質(zhì)程度煤種的活性成分質(zhì)量加權(quán)程度不同，使變質(zhì)程度不同的煤的活性成分具有加和性，可以更好地體現(xiàn)煉焦煤的結(jié)焦性質(zhì)。

式中，ρv為鏡質(zhì)組活性權(quán)函數(shù)值；R為鏡質(zhì)組反射率。根據(jù)式(1)作曲線圖(圖1)。

圖1 活性權(quán)函數(shù)曲線圖

小焦?fàn)t試驗(yàn)

取10種焦化廠現(xiàn)有煉焦單種煤，其中焦煤5種，分別是J1、J2、J3、J4和J5；肥煤2種，分別是F1和F2；1/3焦煤2種，分別是1/3J1和1/3J2，瘦煤1種，S1。測出每種單種煤鏡質(zhì)組反射率以及活惰比，并根據(jù)方程(1)得出加權(quán)活惰比。對各單種煤做40 kg小焦?fàn)t煉焦試驗(yàn)，分別測出焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度CSR。

工業(yè)焦?fàn)t配煤煉焦試驗(yàn)

統(tǒng)計(jì)焦化廠實(shí)際用煉焦煤不同煤種的活惰比、粘結(jié)指數(shù)G值和鏡質(zhì)組平均最大反射率Rmax。先做6種配煤方案(方案0～5)的工業(yè)煉焦試驗(yàn)，測對應(yīng)指標(biāo)。再做4種方案的煉焦試驗(yàn)(方案6～9)，并測定對應(yīng)指標(biāo)，進(jìn)行高活性組分質(zhì)量煤種試驗(yàn)對比。

結(jié)果與討論

小焦?fàn)t試驗(yàn)

◆ 最優(yōu)活惰比

10種單種煤的鏡質(zhì)組反射率、A/I、加權(quán)A/I和CSR見表1。由表1作加權(quán)A/I-CSR擬合曲線圖，見圖2。瘦煤S1單獨(dú)煉焦CSR結(jié)果很小，而肥煤F2偏離過大未在圖中顯示。

◆ 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表1和圖2可以得出最優(yōu)活惰比區(qū)間為2.9～3.1，極值點(diǎn)在3.0左右，在最優(yōu)活惰比區(qū)間內(nèi)，煤中活性組分與惰性組分匹配合理，成焦過程中相互作用完全，對應(yīng)的焦炭質(zhì)量(CSR＞52%)也較好。當(dāng)活性組分逐漸降低，粘結(jié)組分不足以粘結(jié)惰性組分后，焦炭裂紋增加、強(qiáng)度降低；當(dāng)活性組分逐漸增大，粘結(jié)組分過多，惰性組分不足，則會使焦炭氣孔壁變薄，導(dǎo)致焦炭質(zhì)量降低。在引用鏡質(zhì)組活性權(quán)函數(shù)后，配煤中各單種煤活性組分具有了加和性，如果忽略單種煤之間自瘦化作用，單種煤和配合煤均可以參考最優(yōu)活惰比，優(yōu)化配煤，提高焦炭質(zhì)量。

表1 不同單種煤指標(biāo)

圖2 加權(quán)A/I-CSR擬合曲線

另外，根據(jù)表1，可以通過最佳活惰比區(qū)間得出對應(yīng)的提升焦炭質(zhì)量貢獻(xiàn)最大的變質(zhì)程度區(qū)間，即平均隨機(jī)反射率R′ran區(qū)間為1.21～1.40，根據(jù)轉(zhuǎn)換公式(2)(煉焦煤范圍內(nèi)，R′max和R′ran具有線性關(guān)系)可以算出平均最大反射率R′max區(qū)間為1.29～1.49，表明在此區(qū)間的煤種對改善配煤活性組分質(zhì)量效果最好。

工業(yè)焦?fàn)t試驗(yàn)

對焦化廠實(shí)際用煉焦煤各單種煤的A/I、粘結(jié)指數(shù)G值和R′max進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表2)。焦煤、肥煤、1/3焦煤和瘦煤，分別用J、F、1/3J和S表示，其中FJ是焦煤中的一種單種煤。

表2 各單種煤指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

最優(yōu)活惰比理論在工業(yè)焦?fàn)t試驗(yàn)中的應(yīng)用，具體配比及檢測結(jié)果見表3。

表3 配煤方案及指標(biāo)對比表

◆ 最優(yōu)活惰比應(yīng)用及高活性組分質(zhì)量煤種

由表3可知，除了方案0的活惰比較大外，方案1～5的活惰比均接近最優(yōu)活惰比區(qū)間2.9～3.1，焦炭質(zhì)量也好于方案0，這與前述最優(yōu)活惰比理論相驗(yàn)證。另外，選取高活性組分質(zhì)量煤種的活惰比范圍在2.9～3.1，最大反射率R′max區(qū)間為1.29～1.49。根據(jù)統(tǒng)計(jì)表2可以看出FJ煤的活惰比范圍在1.8～3.4，最大反射率R′max區(qū)間為1.3～1.4，G值為87～95很高，它是焦煤組中單種煤中最符合條件的。方案1～5是在方案0的基礎(chǔ)上加大FJ煤比例，同時(shí)提高瘦煤比例，焦、肥煤比例均為55%、1/3焦煤與瘦煤比例均為45%不變，可以看出焦炭質(zhì)量均好于方案0。加入少量的高活性組分質(zhì)量煤種，其加入比例雖小，但是加強(qiáng)配煤活性物組分質(zhì)量的作用卻很大，小比例的加入就可以非常有效的改善配煤的高質(zhì)量活性成分含量，因此可以加入更多的成本更低的瘦煤和1/3焦煤與之匹配，得到的焦炭質(zhì)量熱強(qiáng)度CSR更高。此外FJ煤的價(jià)格與其他焦、肥煤價(jià)格相當(dāng)，因此具有高性價(jià)比，但其受資源量及成本影響，可以少量配入，達(dá)到提高成本較低的瘦煤和1/3焦煤配入比例、提高焦炭質(zhì)量的目的。

方案1～3是保持其他煤種比例不變情況下，加大焦煤中的FJ煤比例，焦炭質(zhì)量CSR表現(xiàn)不明顯。由此可見，單純提高FJ煤比例意義不大，雖然提高了配煤中的高質(zhì)量活性成分比例，但是對應(yīng)惰性組分配合比例沒有對應(yīng)變化，焦炭質(zhì)量變化不大。方案4與方案2對比，加大1/3焦比例、降低瘦煤比例，焦炭熱強(qiáng)度CSR下降，這是由于配煤中活性成分加大造成。方案5進(jìn)一步加大FJ煤比例，同時(shí)提高瘦煤比例，降低1/3焦比例，對應(yīng)焦炭質(zhì)量較高。

取方案0及方案5對應(yīng)焦炭試樣，通過電鏡掃描檢測的焦炭微觀結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 焦炭的SEM圖：(a) 方案0；(b) 方案5

由圖3可以看出，方案5對應(yīng)的焦炭的微觀形態(tài)更好，基質(zhì)質(zhì)地更加均勻致密，結(jié)合界面不明顯，這說明在加大FJ煤后，焦煤與肥煤比例適當(dāng)時(shí)，配煤的高質(zhì)量活性組分質(zhì)量及數(shù)量充裕，提高瘦煤比例后，配煤中的活性組分與惰性組分匹配性更好，在成焦過程中界面反應(yīng)更加充分，相互作用程度更大，因此焦炭界面結(jié)合更好，氣孔壁更厚，對CO2的吸附性降低，熔損劣化反應(yīng)減緩，進(jìn)而焦炭熱強(qiáng)度CSR得到提高，能保持較高的骨架支撐作用。因此，配入高活性組分質(zhì)量煤后，配煤中優(yōu)質(zhì)活性組分得到有效提高，在達(dá)到活性組分質(zhì)量和數(shù)量均較好、容惰能力很強(qiáng)的條件下，在一定范圍內(nèi)多配入瘦煤不但降低成本還能提高焦炭質(zhì)量。

◆ 高活性組分質(zhì)量煤種判定方法應(yīng)用

方案6與方案7的配比相同，方案8與方案9的配比也相同，僅對應(yīng)煤種所用單種煤不同，統(tǒng)計(jì)各煤種的活惰比、R′max分布見表4。

由表4可以看出方案6與方案7的煤種配比相同，但同煤種選用來自不同礦點(diǎn)的單種煤，選用肥煤種中的F2肥煤配煤后對應(yīng)的焦炭質(zhì)量更好一些。這是因?yàn)镕2肥煤的活惰比(2.1～3.9)比F1(2.1～5.5)更接近最優(yōu)活惰比區(qū)間，因此對改善焦炭質(zhì)量作用更大。另外，方案9使用了J3焦煤，其特征就是活惰比(5.1～12.0)偏大，超出最佳活惰比范圍很多，對提高配煤中活性組分質(zhì)量貢獻(xiàn)變小，造成活性組分過多，焦炭質(zhì)量有所下降。因此，運(yùn)用最優(yōu)活惰比理論，對各單種煤進(jìn)行最優(yōu)區(qū)間評估，關(guān)注其中高效改善活性組分質(zhì)量煤種以及偏離高質(zhì)區(qū)間的煤種，可以為優(yōu)化配煤、提高焦炭質(zhì)量提供參考。

表4 不同單種煤在相同配比下的情況統(tǒng)計(jì)

結(jié)束語

(1) 引入鏡質(zhì)組活性權(quán)方程后，得到加權(quán)活惰比，結(jié)合特定焦化廠來煤情況作CSR-A/I曲線，得出最優(yōu)活惰比區(qū)間為2.9～3.1。高效改善配煤活性組分質(zhì)量的平均最大反射率R′max區(qū)間為1.29～1.49。

(2) 通過配入高活性組分質(zhì)量煤種后，配煤中優(yōu)質(zhì)活性組分得到有效提高，在達(dá)到活性組分質(zhì)量和數(shù)量均較好、容惰能力很強(qiáng)的條件下，在一定范圍內(nèi)多配入成本較低的瘦煤可以提高焦炭質(zhì)量。

(3) 運(yùn)用最優(yōu)活惰比理論，對相同煤種不同單種煤進(jìn)行最優(yōu)區(qū)間評估，注重關(guān)注其中高效改善活性組分質(zhì)量煤種以及偏離高質(zhì)區(qū)間的煤種，為充分利用煤種特性、優(yōu)化配煤、提高焦炭質(zhì)量提供參考。