張文成 張小勇 鄭明東
(1.安徽工業(yè)大學(xué)冶金學(xué)院,安徽省馬鞍山市,243002;2.寶鋼股份研究院梅鋼技術(shù)中心,江蘇省南京市,210039;3.安徽工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,安徽省馬鞍山市,243002)
煤中惰性物含量和變質(zhì)程度是可以較為精確地反映煉焦煤性質(zhì)的兩個(gè)指標(biāo),在實(shí)際應(yīng)用中存在惰性物含量和變質(zhì)程度相近而煉焦中起顯著不同作用的煉焦煤,研究認(rèn)為尚應(yīng)存在第三種成因因素。
周師庸從煤的容惰能力及熒光性進(jìn)行了探討,認(rèn)為容惰能力是可能的第三種因素;沈寓韜等研究人員研究了煤樣的鏡質(zhì)組平均最大反射率和煤巖顯微組分對(duì)焦炭冷強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性指標(biāo)的影響;王翠萍等研究人員分析了鏡質(zhì)組平均最大反射率Rmax和反射率分布直方圖,考察了反射率分布圖的范圍與形狀跟焦炭強(qiáng)度M25的關(guān)系;張文成等研究人員為了評(píng)價(jià)混煤等因素造成單種煤質(zhì)量差異較大的問(wèn)題,應(yīng)用煤巖學(xué)觀點(diǎn)提出了微強(qiáng)粘比的概念,從微觀角度反映了煉焦配煤最為關(guān)注的強(qiáng)粘結(jié)煤比例,為傳統(tǒng)單種煤評(píng)價(jià)方法提供了有益的補(bǔ)充,同時(shí)該指標(biāo)與焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度之間有著良好的相關(guān)關(guān)系,可作為影響焦炭質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)指導(dǎo)煉焦配煤生產(chǎn);張代林等研究人員通過(guò)分析13種不同變質(zhì)程度單種煤的煤巖性質(zhì)以及對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)焦?fàn)t所煉焦炭的性質(zhì),結(jié)果表明焦炭光學(xué)組織指數(shù)(OTI)與單種煤鏡質(zhì)組平均最大反射率存在正相關(guān)線性關(guān)系;季斌等研究人員通過(guò)研究氣煤對(duì)配合煤煉制焦炭質(zhì)量影響規(guī)律;胡德生等研究人員研究了寶鋼用煤的粘結(jié)性參數(shù)(MG)來(lái)表征單種煤粘結(jié)性,MG是由粘結(jié)指數(shù)G和基氏最大流動(dòng)度MF構(gòu)筑而成的,研究認(rèn)為MG是影響CSR的首要因素;田英奇基于煤巖配煤原理,選擇鏡質(zhì)組最大反射率和鏡質(zhì)組反射率分布圖作為指導(dǎo)優(yōu)化配煤的兩個(gè)參數(shù),采用調(diào)配不同變質(zhì)程度的肥煤及添加粘結(jié)劑和瘦化劑方法調(diào)控配煤煉焦過(guò)程,結(jié)果表明配合煤的鏡質(zhì)組最大反射率與反射率分布圖是優(yōu)化配煤方案的有效調(diào)控參數(shù);么秋香等研究人員選取配合煤的主要煤質(zhì)參數(shù),即揮發(fā)分Vdaf、粘結(jié)指數(shù)G、鏡質(zhì)組最大反射率Rmax和惰性組分含量I等因素為自變量,應(yīng)用SPSS軟件的多元線性逐步回歸方法建立了焦炭的強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型,預(yù)測(cè)和控制焦炭質(zhì)量;魏江紅等研究人員應(yīng)用線性回歸法預(yù)測(cè)焦炭強(qiáng)度;趙樹(shù)果等研究人員采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了煉焦配煤質(zhì)量預(yù)測(cè)模型。
綜上所述,對(duì)單種煤的煉焦特性主要受到變質(zhì)程度和粘結(jié)性能影響受到普遍認(rèn)可,并且不同研究者通過(guò)煤巖組分及粘結(jié)性能的拓展,進(jìn)一步擴(kuò)展了煉焦性質(zhì)的影響因素,但仍缺乏普遍適用的規(guī)律。本文在變質(zhì)程度和粘結(jié)性能兩類指標(biāo)的基礎(chǔ)上增加了催化指數(shù)和粘結(jié)指數(shù),探討其對(duì)煉焦性能的影響趨勢(shì)。
單種煤的27個(gè)樣品分別來(lái)自山西、河南、安徽和澳大利亞,包括氣煤(QM)和肥煤(FM)各7個(gè)、焦煤(JM)9個(gè)和1/3焦煤(SJ)4個(gè),單種煤的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
表1 單種煤的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
煤中全硫測(cè)定參照標(biāo)準(zhǔn)《煤中全硫測(cè)定》(GB/T 25214-2010),焦炭全硫含量的測(cè)定方法參照國(guó)標(biāo)《焦炭全硫含量的測(cè)定方法》(GB/T 2286-2008)。煉焦試驗(yàn)采用70 kg試驗(yàn)焦?fàn)t進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)焦時(shí)間18 h,采用氮?dú)飧上ń?。試?yàn)焦?fàn)t(SCO)的試驗(yàn)條件見(jiàn)表2。
表2 小焦?fàn)t試驗(yàn)條件
煤變質(zhì)程度是決定焦炭強(qiáng)度的主要指標(biāo),表征單種煤變質(zhì)程度的主要指標(biāo)是煤的揮發(fā)分和煤巖反射率。單種煤反射率與單種焦炭熱強(qiáng)度的關(guān)系如圖1所示,單種煤揮發(fā)分Vdaf與焦炭CSR的關(guān)系如圖2所示。
圖1 單種煤反射率與單種焦炭熱強(qiáng)度的關(guān)系
由圖1可以看出,單種焦炭的CSR總體上隨著反射率的增加而增加,從煤分類看,反射率在1.2%~1.5%的焦煤類最高,反射率在0.6%~0.8%的氣煤類最低,反射率在0.9%~1.2%之間的肥煤和1/3焦煤居中。
由圖2可以看出,單種焦炭的CSR總體上隨著揮發(fā)分的增加而降低,從煤的分類上來(lái)看,在焦煤和肥煤來(lái)內(nèi)部也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律,低揮發(fā)分的焦煤得到的單種焦炭CSR最高。
圖2 單種煤揮發(fā)分與單種焦炭熱強(qiáng)度的關(guān)系
粘結(jié)指數(shù)是表征煉焦煤的容惰能力,煉焦過(guò)程是煉焦煤軟化熔融過(guò)程,較高的焦炭強(qiáng)度需要適中的容惰性能;基氏流動(dòng)度是反映煤在干餾時(shí)形成膠質(zhì)體的粘度和流動(dòng)性,煉焦過(guò)程需要一定的流動(dòng)距離充分融合,因此適度的流動(dòng)性至關(guān)重要。單種煤粘結(jié)特性指標(biāo)一般以粘結(jié)指數(shù)G和基氏流動(dòng)度LGMF來(lái)表征,分別就這2個(gè)指標(biāo)對(duì)焦炭熱強(qiáng)度的影響進(jìn)行討論,單種煤粘結(jié)指數(shù)與單種焦炭熱強(qiáng)度的關(guān)系如圖3所示,單種煤基氏流動(dòng)度與單種焦炭熱強(qiáng)度的關(guān)系如圖4所示。
由圖3可以看出,單種焦炭CSR總體上與煤的粘結(jié)指數(shù)關(guān)系不明顯,從煤分類看,粘結(jié)指數(shù)在80%~90%的焦煤最高,且隨著粘結(jié)指數(shù)增加焦炭的CSR也跟著增加;粘結(jié)指數(shù)在90%~98%的肥煤類則隨著粘結(jié)指數(shù)的增加焦炭的CSR降低。
由圖4可以看出,基氏流動(dòng)度在2.0~3.0的范圍內(nèi)的焦煤的單種焦炭CSR較高,同樣在此范圍的氣煤類則單種焦炭CSR較低。
圖3 單種煤粘結(jié)指數(shù)與單種焦炭熱強(qiáng)度的關(guān)系
圖4 單種煤基氏流動(dòng)度與單種焦炭熱強(qiáng)度的關(guān)系
3.3.1 揮發(fā)分和粘結(jié)指數(shù)(Vdaf-G)模型
根據(jù)27種單種煤的煉焦質(zhì)量數(shù)據(jù),以揮發(fā)分和粘結(jié)指數(shù)作為變量,以單種焦炭CSR作為預(yù)測(cè)目標(biāo)值,單種焦炭CSR與粘結(jié)指數(shù)和揮發(fā)分的等值線如圖5所示。
圖5 單種焦炭CSR與粘結(jié)指數(shù)和揮發(fā)分的等值線
由圖5可以看出,在等值線圖中顏色越深則強(qiáng)度越高,高強(qiáng)度焦炭集中在單種煤揮發(fā)分在20%~26%且粘結(jié)指數(shù)在82~88的范圍內(nèi),低強(qiáng)度焦炭則為揮發(fā)分大于34%,粘結(jié)指數(shù)小于86的范圍內(nèi)。以粘結(jié)指數(shù)和揮發(fā)分的預(yù)測(cè)模型為CSR= 38.5 + 0.670×單種煤粘結(jié)指數(shù)G-1.568×單種煤揮發(fā)分(其中G在80~96之間,Vdaf在20~38之間),相關(guān)系數(shù)為74.70%。
3.3.2 反射率和基氏流動(dòng)度(R-LGMF)模型
根據(jù)27種單種煤的煉焦質(zhì)量數(shù)據(jù),以反射率和基氏流動(dòng)度作為變量,以單種焦炭CSR作為預(yù)測(cè)目標(biāo)值,得到的等值線圖如圖6所示。
圖6 單種焦炭CSR與基氏流動(dòng)度和反射率的等值線圖
由圖6可以看出,大于60%的高強(qiáng)度焦炭集中在單種煤反射率在1.2%~1.4%且基氏流動(dòng)度在2.0~3.0的范圍內(nèi),低強(qiáng)度焦炭則為反射率低于0.8%的范圍內(nèi)。以基氏流動(dòng)度和反射率的預(yù)測(cè)模型為CSR= 8.81 + 36.54×單種煤反射率R +單種煤基氏流動(dòng)LGMF(其中R在0.7~1.5之間,LGMF在1.2~4.0之間),相關(guān)系數(shù)R-sq為66.35%。
3.4.1 催化指數(shù)的影響
煤的灰成分中含有堿金屬、堿土金屬及硅、鋁等化合物,會(huì)對(duì)焦炭的反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度產(chǎn)生不同程度的影響。單種煤的催化指數(shù)對(duì)焦炭CSR的影響如圖7所示。
由圖7可以看出,總體來(lái)看單種煤的催化指數(shù)增加使單種焦炭CSR降低,若按煤種的分類同樣存在催化指數(shù)增加焦炭CSR降低的趨勢(shì),如肥煤類催化指數(shù)從1.5%~5.1%的較大范圍內(nèi),焦炭CSR從60%降低到50%。單種煤的灰成分催化指數(shù)對(duì)焦炭CSR的影響,是由于堿金屬和堿土金屬對(duì)CO2反應(yīng)性的催化作用以及SiO2、Al2O3、P2O5對(duì)CO2反應(yīng)性的抑制作用造成的。
圖7 單種煤催化指數(shù)與焦炭CSR的關(guān)系
3.4.2 微強(qiáng)粘比的影響
微強(qiáng)粘比(WQN)是指煤的鏡質(zhì)組最大反射率分布圖中在0.9%~1.5%范圍所占的比例,微強(qiáng)粘比與焦炭CSR的關(guān)系如圖8所示。
由圖8可以看出,總體來(lái)看單種煤的微強(qiáng)粘比增加則單種焦炭CSR增加。若按煤分類同樣存在微強(qiáng)粘比增加焦炭CSR增加的趨勢(shì),如對(duì)于肥煤類微強(qiáng)粘比從60%增加到80%,則焦炭CSR從40%增加到55%。微強(qiáng)粘比與焦炭CSR的對(duì)應(yīng)關(guān)系是由于微強(qiáng)粘指標(biāo)是截取了對(duì)焦炭質(zhì)量影響較大的鏡質(zhì)組比例,是中等變質(zhì)程度焦煤的比例,因此其比例增加焦炭質(zhì)量提高。
圖8 單種煤微強(qiáng)粘比與焦炭CSR的關(guān)系
根據(jù)上述煉焦煤對(duì)焦炭熱強(qiáng)度影響的分析,可見(jiàn)其影響因素復(fù)雜,受到多個(gè)指標(biāo)的影響,除了粘結(jié)性指標(biāo)和變質(zhì)程度指標(biāo)以外,還應(yīng)考慮催化指數(shù)和微強(qiáng)粘比?;趯?duì)27種單種煤的試驗(yàn),采用微強(qiáng)粘比WQN、鏡質(zhì)組最大反射率R、揮發(fā)分Vdaf、基氏流動(dòng)度LGMF、膠質(zhì)層最大厚度Y、粘結(jié)指數(shù)G、催化指數(shù)MCI和灰分Ad這8個(gè)指標(biāo)利用最佳子集逐步回歸,得到的結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 最佳子集回歸數(shù)據(jù)表
由表3可以看出,若為單變量預(yù)測(cè)以WQN最佳,R次之;若為2變量預(yù)測(cè)以WQN和R最佳,WQN和Vdaf次之;若為3變量預(yù)測(cè)以WQN、R和Vdaf最佳,以WQN、R和LGMF次之;若為4變量預(yù)測(cè)以WQN、R、LGMF和MCI最佳,以WQN、R、LGMF和Ad次之;若為5變量預(yù)測(cè)以WQN、R、LGMF、MCI和Ad最佳,WQN、R、LGMF、MCI和G次之;以此類推,直至8個(gè)變量全部用上。隨著變量的增加,相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),在2~4個(gè)變量時(shí),相關(guān)系數(shù)最大,達(dá)到0.71以上,精確度Cp較小且標(biāo)準(zhǔn)差S較小?;貧w分析可知,焦炭強(qiáng)度CSR的預(yù)測(cè)以2~4個(gè)變量為宜。
由于煉焦配煤理論上涉及粘結(jié)性能、變質(zhì)程度及雜質(zhì)等多種因素,因此認(rèn)為預(yù)測(cè)變量不應(yīng)少于3個(gè),結(jié)合回歸分析結(jié)果,預(yù)測(cè)變量3個(gè)和4個(gè)最佳。分別選取3個(gè)和4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行回歸分析,得到的焦炭CSR預(yù)測(cè)模型見(jiàn)表4。
表4 焦炭CSR預(yù)測(cè)模型
由表4可以看出,選用4個(gè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)的相關(guān)系數(shù)相近,推薦采用4個(gè)參數(shù),即WQN、R、LGMF和MCI進(jìn)行預(yù)測(cè),可以充分考慮到雜質(zhì)對(duì)焦炭質(zhì)量的影響。
(1)煉焦煤的指標(biāo)中變質(zhì)程度明顯影響焦炭熱強(qiáng)度,單種焦炭CSR總體上隨著揮發(fā)分的增加而降低;適度的粘結(jié)性能是煉制優(yōu)質(zhì)焦炭的基礎(chǔ),LGMF在2.0~3.0的范圍內(nèi)的焦煤的單種焦炭CSR較高。
(2)高強(qiáng)度焦炭集中在單種煤揮發(fā)分在20%~26%且粘結(jié)指數(shù)在82~88的范圍內(nèi),低強(qiáng)度焦炭則為揮發(fā)分大于34%,粘結(jié)指數(shù)小于86的范圍內(nèi)。以粘結(jié)指數(shù)和揮發(fā)分的預(yù)測(cè)模型相關(guān)系數(shù)較低,為R-sq為74.70%。高強(qiáng)度焦炭集中在單種煤反射率在1.2%~1.4%且基氏流動(dòng)度在2.0~3.0的范圍內(nèi),低強(qiáng)度焦炭則為反射率低于0.8%的范圍內(nèi)。以基氏流動(dòng)度和反射率的預(yù)測(cè)模型相關(guān)系數(shù)更低,為R-sq為66.35%。
(3)單種煤的催化指數(shù)增加使單種焦炭CSR降低,若按煤分類同樣存在催化指數(shù)增加焦炭CSR降低的趨勢(shì),單種煤的灰成分催化指數(shù)對(duì)焦炭CSR的影響是由于堿金屬和堿土金屬對(duì)CO2反應(yīng)性的催化作用以及SiO2、Al2O3、P2O5對(duì)CO2反應(yīng)性的抑制作用造成的。
(4)總體來(lái)看,單種煤的微強(qiáng)粘比增加則單種焦炭CSR增加,若按煤種分類,同樣存在微強(qiáng)粘比增加焦炭CSR增加的趨勢(shì),如對(duì)于肥煤類微強(qiáng)粘從60%增加到80%,則焦炭CSR從40%增加到55%。微強(qiáng)粘比之所以與焦炭CSR的對(duì)應(yīng)關(guān)系是由于微強(qiáng)粘指標(biāo)是截取了對(duì)焦炭質(zhì)量影響較大的鏡質(zhì)組比例,是中等變質(zhì)程度焦煤的比例,因此其比例增加焦炭質(zhì)量提高。
(5)除了粘結(jié)性指標(biāo)(包括G和LGMF)和變質(zhì)程度指標(biāo)(包括R和Vdaf)以外,另外考慮催化指數(shù)和微強(qiáng)粘比,選取以上4類指標(biāo)進(jìn)行回歸分析,得到采用煤分類預(yù)測(cè)優(yōu)于全部整體預(yù)測(cè),以采用指標(biāo)WQN、R、LGMF和MCI進(jìn)行預(yù)測(cè),充分考慮到雜質(zhì)對(duì)焦炭質(zhì)量的影響。