趙寶龍

(山西沁新能源集團(tuán)股份有限公司煤轉(zhuǎn)化技術(shù)研發(fā)中心，長(zhǎng)治 046500)

0 引 言

煤直接液化技術(shù)是煤在高溫高壓和催化劑的條件下，通過(guò)加氫反應(yīng)，得到清潔可運(yùn)輸?shù)囊后w燃料或化工原料，液化后的殘留物即為煤液化殘?jiān)?，占原料煤質(zhì)量的20%～30%，該物質(zhì)是一種灰分較高、硫分較高和具有一定熱值的復(fù)雜混合物，主要由原煤中未轉(zhuǎn)化的有機(jī)物質(zhì)、無(wú)機(jī)礦物質(zhì)以及剩余催化劑組成。常溫下呈固體瀝青狀，加熱后為粘稠狀液體，殘?jiān)杏袨r青類(lèi)物質(zhì)，煤基瀝青含碳量較高、分子量較大，易發(fā)生聚合或交聯(lián)反應(yīng)，是適宜制備炭材料的前驅(qū)體，特別是經(jīng)過(guò)多次萃取分離后可得到灰分較低，品質(zhì)較好的提純碳基產(chǎn)物，具有很高的科學(xué)利用價(jià)值，但用于炭素制品原料對(duì)灰分要求較高，導(dǎo)致提純成本和提純技術(shù)要求過(guò)高，產(chǎn)值也相對(duì)較低。在冶金焦化領(lǐng)域，為節(jié)約優(yōu)質(zhì)稀缺肥煤和焦煤的用量，通過(guò)配煤煉焦技術(shù)保證焦炭產(chǎn)品各項(xiàng)質(zhì)量滿足高爐冶煉需求，但由于我國(guó)煤炭資源分布不均，使用的煉焦優(yōu)質(zhì)焦煤和肥煤資源主要集中在山西地區(qū)，并且存在灰分和硫分高的缺點(diǎn)，大量配入高變質(zhì)程度的煤和低變質(zhì)程度的煤會(huì)導(dǎo)致煉焦過(guò)程中膠質(zhì)體強(qiáng)度和數(shù)量明顯不足造成焦炭產(chǎn)品冷熱強(qiáng)度的劣化[1-3]。

根據(jù)共炭化配煤原理，在煤的高溫干餾過(guò)程中可通過(guò)配入部分非煤粘結(jié)劑與煤進(jìn)行共炭化煉焦，可以改善和增強(qiáng)焦炭光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)，配入的非煤粘結(jié)劑以有機(jī)類(lèi)粘結(jié)劑(工業(yè)渣油﹑廢棄橡膠、煤瀝青和石油瀝青等)為主，無(wú)機(jī)類(lèi)粘結(jié)劑(膨潤(rùn)土、黏土和水玻璃等)由于在煉焦過(guò)程中與煤粒表面不能形成緊密的結(jié)合，特別是在高溫下粘結(jié)能力下降，并且收縮度、收縮區(qū)間與煤相差較大，導(dǎo)致形成的焦炭強(qiáng)度變差和焦炭表面較大的缺陷。在煤液化后的殘?jiān)杏捎诤写罅康臑r青質(zhì)，具有極強(qiáng)的粘結(jié)性和結(jié)焦性能，質(zhì)體與煤粒間可形成高抗壓強(qiáng)度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在參與煤的煉焦過(guò)程中起到了提高煉焦過(guò)程中膠質(zhì)體數(shù)量和質(zhì)量的作用，深入研究其在煉焦配煤中的結(jié)焦作用對(duì)煤液化殘?jiān)母吒郊又道煤蜏p少優(yōu)質(zhì)煉焦基礎(chǔ)煤種是用量方面有著重要的意義[4-5]。

1 試驗(yàn)過(guò)程

煤液化殘?jiān)曳衷?5%～25%，甲苯不容物達(dá)到50%左右，其中的甲苯不溶喹啉可溶物(β組分)只有15%左右，起粘結(jié)作用的含量非常少，主要組成含量為重組分，并且由于軟化點(diǎn)較低，在室溫下呈現(xiàn)粘稠狀，不能直接用于配煤煉焦，所以在試驗(yàn)中選擇經(jīng)過(guò)萃取提存后的低灰高β組分產(chǎn)物進(jìn)行配煤煉焦試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)用煤液化殘?jiān)倪x取

選取兩批次煤液化殘?jiān)峒兒蟾呋液偷突耶a(chǎn)物各100 kg檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，按照配煤粘結(jié)劑所需的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)各試驗(yàn)產(chǎn)品相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)。為確定提純后的煤液化殘?jiān)懈鹘M分含量，按照焦化產(chǎn)品GB/T2292、GB/T 2293相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使用甲苯和喹啉兩種溶劑對(duì)其進(jìn)行萃取組分分離。萃取過(guò)程中首先用甲苯萃取可得出甲苯不溶和甲苯可溶兩種組分，然后將甲苯不溶組分用喹啉萃取再得出甲苯不溶而喹啉可溶組分和喹啉、甲苯均不溶組分，通過(guò)兩次萃取得到三種組分，即甲苯可溶組分(γ組分，也稱(chēng)γ樹(shù)脂)、甲苯不溶喹啉可溶組分(β組分，也稱(chēng)β樹(shù)脂)、喹啉不溶組分(α組分，也稱(chēng)α樹(shù)脂)，具體的化驗(yàn)分析指標(biāo)數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表1。

表1 煤液化殘?jiān)腿√峒兾锘?yàn)數(shù)據(jù)匯總表

根據(jù)對(duì)兩批次試驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析：

(1)煤液化殘?jiān)ㄟ^(guò)萃取提純處理后，殘?jiān)幕曳趾土蚍置黠@下降，α組分含量下降，β組分和γ組分含量增加，說(shuō)明在加工處理過(guò)程中一部分重組分分解向中組分和輕組分轉(zhuǎn)化。

(2)采用檢測(cè)煤的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)煤液化殘?jiān)摶液蟮漠a(chǎn)物進(jìn)行粘結(jié)指數(shù)指標(biāo)檢測(cè)，結(jié)果為產(chǎn)物粘結(jié)惰性物質(zhì)的能力較弱，分析認(rèn)為跟揮發(fā)分過(guò)高有一定關(guān)系，在與標(biāo)準(zhǔn)無(wú)煙煤混合加熱后，絕大多數(shù)物質(zhì)以揮發(fā)物的形式溢出，造成與無(wú)煙煤結(jié)合的強(qiáng)度下降導(dǎo)致粘結(jié)指數(shù)偏低。

1.2 試驗(yàn)用煤的選取和指標(biāo)范圍

目前使用較多的煉焦配煤結(jié)構(gòu)模型為以肥煤和焦煤為基礎(chǔ)煤種，配入部分氣煤和瘦煤作為調(diào)節(jié)煤種，在基礎(chǔ)煤種中焦煤的占比最高，含量達(dá)到了45%～55%，其次是肥煤，占比達(dá)到15%～25%左右。由于焦煤和肥煤的硫分和灰分普遍偏高，造成焦炭產(chǎn)品的灰分和硫分的增加，為了達(dá)到通過(guò)配入煤液化殘?jiān)峒兾锝档团涿撼杀镜耐瑫r(shí)可以起到調(diào)整配合煤灰分和硫分的目的，本次試驗(yàn)用的代表性煤種指標(biāo)具體見(jiàn)表2[6]。

表2 試驗(yàn)選取的單種煤質(zhì)量指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)配煤方案

試驗(yàn)的配煤方案中以煤液化殘?jiān)腿√峒兒蟮母呋液偷突耶a(chǎn)物為試驗(yàn)用的粘結(jié)劑，替代部分肥煤用量，同時(shí)微調(diào)其他煤種配入量，配煤試驗(yàn)原則為保證配入液化殘?jiān)峒兾锏呐浜厦褐笜?biāo)與未配入前的配合煤指標(biāo)基本一致，特別是粘結(jié)指數(shù)和膠質(zhì)層指標(biāo)，配入方式為按照高灰和低灰殘?jiān)淙肓肯喔魞蓚€(gè)點(diǎn)在區(qū)間3%-7%范圍內(nèi)依次遞增。具體配煤方案見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)配煤方案 單位:%

1.4 試驗(yàn)結(jié)論

按照上述I-VII配煤方案進(jìn)行40 kg小焦?fàn)t煉焦試驗(yàn)，裝煤方式為搗固側(cè)裝，搗固密度為1.05 m3/t，細(xì)度為-3 mm含量>80%，試驗(yàn)后的焦炭質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)焦炭產(chǎn)品質(zhì)量情況

根據(jù)上表4試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析：

(1)液化殘?jiān)峒兾锇凑詹煌壤淙氲漠a(chǎn)品質(zhì)量為隨著殘?jiān)峒兾锱淙肓康脑黾咏固抠|(zhì)量呈現(xiàn)冷態(tài)強(qiáng)度和熱態(tài)強(qiáng)度改善的趨勢(shì)，但當(dāng)配入量超過(guò)5%以后，反應(yīng)后強(qiáng)度有所下降，耐磨強(qiáng)度有所下降，分析其主要原因?yàn)橐夯瘹堅(jiān)峒兾镏袑儆谳p組分的γ組分隨著配入量的增加而增加，在干餾過(guò)程中形成的膠質(zhì)體流動(dòng)性過(guò)大，粘度過(guò)低，導(dǎo)致與惰性物質(zhì)結(jié)合能力減弱而造成形成半焦后期的焦炭強(qiáng)度下降。

(2)在配煤煉焦過(guò)程中配入液化殘?jiān)峒兾锖蠡曳謱?duì)焦炭產(chǎn)品的質(zhì)量影響較大，當(dāng)提純后的灰分低于3.0%時(shí)，替代部分肥煤后對(duì)焦炭的熱態(tài)強(qiáng)度影響不大，并且可以起到降低產(chǎn)品灰分和硫分的目的，灰分較高的提純產(chǎn)物按照同比例配入后造成焦炭產(chǎn)品的劣化，分析原因?yàn)椋?/p>

一方面由于灰分是按照加權(quán)平均進(jìn)行計(jì)算的，隨著煤液化殘?jiān)峒兾镏谢曳趾蜔o(wú)機(jī)硫分的增加會(huì)顯著降低β組分的配入量，導(dǎo)致配入的粘結(jié)組分達(dá)不到預(yù)期的效果；

第二方面是由于萃取組分中其粘結(jié)主導(dǎo)作用的β組分較少，導(dǎo)致實(shí)際的β組分配入量下降，γ組分反而增加，降低了配合煤的結(jié)焦性能，最終導(dǎo)致產(chǎn)品的熱態(tài)強(qiáng)度顯著劣化。

(3)煤液化殘?jiān)峒兒蟮牡突耶a(chǎn)物在一定指標(biāo)范圍內(nèi)其結(jié)焦值、β組分含量和揮發(fā)分含量存在一定的相關(guān)性，通過(guò)對(duì)比高灰和低灰提純產(chǎn)物的化驗(yàn)數(shù)據(jù)可知這三種之間的相關(guān)性規(guī)律為結(jié)焦值越高，揮發(fā)分會(huì)降低，β組分含量增加，對(duì)煉焦配煤的貢獻(xiàn)越大。

2 結(jié)束語(yǔ)

(1)煤液化殘?jiān)ㄟ^(guò)提后的低灰低硫產(chǎn)物作為配煤粘結(jié)劑使用起到了增強(qiáng)煉焦熱解中間物質(zhì)—膠質(zhì)體的數(shù)量、粘度和強(qiáng)度等作用，改善了焦炭的界面結(jié)合狀態(tài)，在提高焦炭產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)減少了肥煤的配入量，實(shí)現(xiàn)了煤液化殘?jiān)谂涿簾捊诡I(lǐng)域高附加值利用的同時(shí)，節(jié)約了優(yōu)質(zhì)稀缺肥煤的用量，降低了焦化配煤成本。

(2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究煤液化殘?jiān)峒兾锏妮腿〗M分中最佳β組分含量為24%～25%，γ組分含量在65%～66%。當(dāng)萃取組分中輕組分(γ組分)過(guò)多時(shí)，在配煤煉焦過(guò)程中會(huì)造成配合煤形成的膠質(zhì)體粘度下降，流動(dòng)度增加過(guò)大導(dǎo)致與惰性物質(zhì)結(jié)合能力減弱而造成形成半焦后期的焦炭強(qiáng)度下降結(jié)焦性變差，焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度劣化。為了既能提高配合煤在熱解過(guò)程中形成膠質(zhì)層有一定粘度又有一定的強(qiáng)度，就需要其粘結(jié)作用的物質(zhì)有足夠的β組分。

(3)煤液化殘?jiān)峒兾镌谂c煤配合的過(guò)程中灰分是按照加權(quán)平均進(jìn)行計(jì)算的，隨著煤液化殘?jiān)峒兾镏谢曳趾蜔o(wú)機(jī)硫分的增加會(huì)顯著降低β組分的實(shí)際配入量，導(dǎo)致配入的粘結(jié)組分達(dá)不到預(yù)期的效果，所以當(dāng)煤液化殘?jiān)峒兾镏谢曳衷黾訒r(shí)，配入煤液化殘?jiān)峒兾锏牧繎?yīng)該按灰分的百分比同比例增加，但要注意隨著提純物的增加，輕組分的增加量遠(yuǎn)大于中組分的增加量，所以調(diào)整時(shí)需要一定程度的降低高揮發(fā)分的氣煤和氣肥煤的配入量，增加粘結(jié)指數(shù)較高的焦煤配入量。