韓艷偉, 程 歡, 李國(guó)江, 謝全安, 梁英華, 王杰平, 史春雷

(華北理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 河北 唐山 063210)

煉焦煤的工業(yè)分析是分析其它工藝指標(biāo)的一個(gè)重要前提, 主要包含水分、 灰分、 揮發(fā)分的測(cè)定過(guò)程以及固定碳的計(jì)算[1]。 適量的水分有利于煤炭的運(yùn)輸以及儲(chǔ)存, 水分含量過(guò)高則會(huì)對(duì)煤炭資源的利用產(chǎn)生不利影響。 在配煤煉焦過(guò)程中需要將揮發(fā)分控制在一定的范圍內(nèi), 并根據(jù)揮發(fā)分來(lái)確定不同煤種的配比, 而依據(jù)煤樣的固定碳含量也可以來(lái)預(yù)估焦炭的產(chǎn)率[2]。 高灰分含量會(huì)對(duì)煤的發(fā)熱量造成影響, 在成焦過(guò)程中灰分轉(zhuǎn)移到焦炭中會(huì)影響焦炭的熱性質(zhì)[3,4]。 因此, 根據(jù)工業(yè)分析結(jié)果可以了解煉焦煤的質(zhì)量、 成因、 種類(lèi)以及在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用效果[5]。

工業(yè)分析的制樣過(guò)程會(huì)影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性, 郭文杰等[6]探究了“是否只要粒度＜0.2 mm的煤樣均可用于工業(yè)分析” 這一問(wèn)題, 并對(duì)不同粒徑的煤樣進(jìn)行工業(yè)分析測(cè)試, 發(fā)現(xiàn)不同粒徑的煤樣工業(yè)分析測(cè)試結(jié)果差異較大, 且測(cè)試結(jié)果不具有規(guī)律性。 不同煤樣顯微組成顯著不同, 單一煤樣所得測(cè)試結(jié)果具有一定的偶然性, 因此諸多學(xué)者對(duì)于不同粒徑下煤的工業(yè)分析指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)。 一些學(xué)者認(rèn)為, 隨著粒徑的減小, 水分含量呈現(xiàn)增大趨勢(shì)[7-9]。 對(duì)于礦物質(zhì)隨粒徑的變化規(guī)律, 曾凡桂[10]研究表明, 煤粉中礦物質(zhì)含量隨著煤粉粒度的減小而下降, 而劉忠等[11]研究顯示, 礦物質(zhì)含量隨著煤樣粒徑的減小而上升。 關(guān)于揮發(fā)分隨著粒徑變化的規(guī)律差異也較大, 部分學(xué)者認(rèn)為, 揮發(fā)分含量隨著粒徑減小而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[12-15]。 而劉忠等[11]則發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分產(chǎn)率隨粒徑減小而減小。 以上研究結(jié)果差異較大, 有些規(guī)律甚至截然相反, 這主要是因?yàn)橛绊憮]發(fā)分的因素較為復(fù)雜, 包括煤巖組分富集、 傳質(zhì)情況等。為了探究粒度對(duì)于煤樣工業(yè)分析指標(biāo)的影響, 選取了不同變質(zhì)程度的煉焦煤, 以期探究不同粒度煉焦煤工業(yè)分析指標(biāo)的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所選取的煤樣為某焦化廠中5 種不同變質(zhì)程度煉焦煤, 分別為T(mén)K 氣煤、 LM 1/3 焦煤、ML 肥煤、 TL 焦煤以及SG 瘦煤。

1.2 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用儀器以及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)所用儀器以及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)所選取的5 種不同變質(zhì)程度典型煉焦煤, 制備空氣干燥基煤樣, 然后進(jìn)行破碎、 篩分, 依次過(guò)80 目、 100 目、 160 目、 200 目篩,制備80～100 目、 100 ～160 目、 160 ～200 目、 小于200 目煤樣, 最后對(duì)不同粒度的空氣干燥基煤樣進(jìn)行水分、 灰分、 揮發(fā)分的檢測(cè), 按式(1)計(jì)算煤樣的空氣干燥基固定碳。

式中: Mad為空氣干燥基水分,%; Aad為空氣干燥基灰分,%; Vad為空氣干燥基揮發(fā)分,%;FCad為空氣干燥基固定碳,%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 粒度對(duì)煤樣水分的影響

不同粒度煤樣水分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2 和圖1。

表2 不同粒徑煤樣的水分 Mad/%

圖1 煤樣粒度與水分的關(guān)系

從表2 可知, 隨著粒徑變化, TK 氣煤的水分含量在2.23%～2.32%之間波動(dòng), LM 1/3 焦煤的波動(dòng)范圍為在1.22% ～1.44%, ML 肥煤為0.55%～0.74%, TL 焦煤為0.52%～0.77%, SG瘦煤波動(dòng)范圍為0.97%～1.18%。

從圖1 可知, 隨著粒徑從80 ～100 目減小至小于200 目, 5 種煤樣表現(xiàn)出類(lèi)似的變化趨勢(shì),即隨著粒徑的減小, 水分含量上升, 這與張波、趙虹等人研究結(jié)果一致[7,9]。 工業(yè)分析所測(cè)得的水分主要是存在于煤樣的內(nèi)部孔隙中, 煤顆粒越小內(nèi)部的孔隙也就越多, 因此煤樣中水分也就越多[8]。 此外, 從圖1 可以看出, 粒徑從100 ～160 目減小至160～200 目, 煤樣水分增長(zhǎng)幅度最大,而從80～100 目到100～160 目以及從160～200 目到小于200 目水分整體變化較小, 這說(shuō)明160 目可能是水分含量的一個(gè)突變點(diǎn)。

不同變質(zhì)程度煉焦煤隨著粒徑減小水分含量變化幅度也有所差別, 如LM 1/3 焦煤從100 ～160 目到160～200 目水分上升幅度最大; 從80 ～100 目到100 ～160 目以及從160 ～200 目到小于200 目, 不同煤種隨著粒徑的減小變化幅度也存在一定的差異, 這說(shuō)明水分含量可能與煤種本身性質(zhì)有關(guān)。 這與不同煤種的結(jié)構(gòu)疏松程度、 極性官能團(tuán)的多少和內(nèi)部孔隙發(fā)達(dá)程度有關(guān)[16]。

2.2 粒度對(duì)煤樣灰分的影響

不同粒度煤樣灰分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3 和圖2。

圖2 煤樣粒度與灰分的關(guān)系

表3 不同粒徑煤樣的灰分 Aad/%

由表3 可以看出, 所選5 種典型煉焦煤80 ～100 目的煤樣灰分含量從高到低為T(mén)L 焦煤、 SG瘦煤、 ML 肥煤、 LM 1/3 焦煤、 TK 氣煤, 灰分含量分別為10.41%、 9.65%、 9.19%、 7.86%、7.34%。

由圖2 可知, 隨著粒徑從80 ～100 目減小至小于200 目, 不同粒徑的分析煤樣灰分呈現(xiàn)出一定規(guī)律變化, 即隨著粒徑的減小, 煤樣灰分含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 其他學(xué)者的研究亦得到了類(lèi)似規(guī)律[7,17]。 灰分含量的多少與煤中礦物質(zhì)息息相關(guān), 煤主要由有機(jī)質(zhì)以及部分礦物質(zhì)組成, 并且有機(jī)質(zhì)以及礦物質(zhì)在煤樣中的分布狀態(tài)存在不均勻性, 在制樣過(guò)程中, 礦物質(zhì)以及煤中有機(jī)質(zhì)會(huì)發(fā)生分離, 由于礦物質(zhì)的硬度以及耐磨度較大,因此大顆粒煤樣中礦物質(zhì)含量較高, 故粒徑減小灰分下降。

ML 肥煤在粒徑較大時(shí)(80～100 目以及100～160 目)灰分含量低于LM 1/3 焦煤, 但粒徑較小時(shí)(160～200 目以及小于200 目)灰分含量卻高于LM 1/3 焦煤, 這說(shuō)明粒徑對(duì)于不同煤樣的影響程度不同。 這與煤樣的破碎過(guò)程有關(guān), 不同煤樣礦物質(zhì)組成不同, 而組成的差異會(huì)導(dǎo)致可磨性也存在差異[15]。 有研究表明, 煤種對(duì)于煤的破碎過(guò)程影響較大, 韌性較強(qiáng)的組分粉碎過(guò)程較難,因此會(huì)導(dǎo)致在粒度較大的煤樣中含量更高[18]。

2.3 粒度對(duì)煤樣揮發(fā)分的影響

由表4 可知, 5 種煉焦煤的揮發(fā)分含量由高到低分別為T(mén)K 氣煤、 LM 1/3 焦煤、 ML 肥煤、TL 焦煤以及SG 瘦煤。

表4 不同粒徑煤樣的揮發(fā)分 Vad/%

從圖3 可知, 隨著粒徑由80 ～100 目減小至小于200 目, 揮發(fā)分呈現(xiàn)出一定變化規(guī)律, ML肥煤、 SG 瘦煤隨著粒徑減小揮發(fā)分表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。 這與秦榮、 張波實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[7,12]。 周靜等[13]亦認(rèn)為粒度越小, 揮發(fā)性物質(zhì)產(chǎn)生量越多, 這主要與傳質(zhì)過(guò)程有關(guān), 大顆粒在加熱過(guò)程中內(nèi)部的熱量傳遞速度較慢, 且由于顆粒較大會(huì)造成揮發(fā)性物質(zhì)析出過(guò)程較為困難, 而這可能是粒徑較大的煤樣揮發(fā)性物質(zhì)產(chǎn)生較少的原因。

圖3 粒度與ML 肥煤、 SG 瘦煤揮發(fā)分的關(guān)系

從圖4 可以看出, TK 氣煤、 LM 1/3 焦煤和TL 焦煤隨著粒徑的減小, 揮發(fā)分呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這與劉忠、 呂明超研究結(jié)果一致。 揮發(fā)分的產(chǎn)率與煤巖組成有關(guān), 研究發(fā)現(xiàn), 在殼質(zhì)組中揮發(fā)分最高, 鏡質(zhì)組含量稍低, 惰質(zhì)組揮發(fā)分產(chǎn)率最少[22]。 在制備煤樣的過(guò)程中, 不同煤巖組分可磨性有所差異, 隨著粒徑的減小, 分析煤樣中鏡質(zhì)組含量下降, 而惰質(zhì)組含量會(huì)有所上升, 因此導(dǎo)致了揮發(fā)分的降低。

圖4 粒度與TK 氣煤、 LM 1/3 焦煤和TL 焦煤揮發(fā)分的關(guān)系

綜上所述, 隨粒徑減小, 不同煤種的揮發(fā)分表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律, 這主要由于揮發(fā)分受到制樣過(guò)程煤巖組分富集的影響以及粒徑所導(dǎo)致的傳質(zhì)影響, 不同煤種由于結(jié)構(gòu)以及組成存在差異, 因此影響揮發(fā)分的主要因素不同。

2.4 粒度對(duì)煤樣固定碳的影響

不同粒度煤樣固定碳含量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。從表5 可知, 從TK 氣煤、 LM 1/3 焦煤、 ML 肥煤、 TL 焦煤到SG 瘦煤, 固定碳含量不斷上升。5 種典型煉焦煤中固定碳的變化趨勢(shì)如圖5 所示。

表5 5 種典型煉焦煤不同粒徑的固定碳含量FCad/%

從圖5 可以看出, 隨著粒徑的不斷減小固定碳的含量變化也呈現(xiàn)一定變化規(guī)律, TK 氣煤、LM 1/3 焦煤、 TL 焦煤、 SG 瘦煤均隨著粒徑的減小, 固定碳含量不斷升高; 這可能與煤樣在破碎篩分過(guò)程中不同組分之間的偏析有關(guān)。 而隨著粒徑的減小, ML 肥煤固定碳含量呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì), 這與ML 肥煤灰分產(chǎn)率先下降后上升相對(duì)應(yīng)。 不同變質(zhì)程度的煤樣化學(xué)結(jié)構(gòu)特征存在顯著差異, 這會(huì)對(duì)煤樣的固定碳含量造成影響。

圖5 不同粒徑的典型煉焦煤固定碳含量變化

以上分別對(duì)煤樣工業(yè)分析的水分、 灰分、 揮發(fā)分、 固定碳含量隨著粒徑差異而產(chǎn)生的變化規(guī)律進(jìn)行了闡釋。 由于煤樣中不同組分可磨性不同, 因此會(huì)發(fā)生偏析作用, 導(dǎo)致不同粒徑中顯微組分富集現(xiàn)象, 并且不同粒徑的煤樣傳質(zhì)過(guò)程也會(huì)影響工業(yè)分析指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果。 不同粒徑LM 1/3 焦煤水分含量最大差值為0.32%, 不同粒徑SG 瘦煤灰分最大差值1.30%, 不同粒徑TK 氣煤揮發(fā)分最大差值為0.69%, 不同粒徑TK 氣煤固定碳最大差值為0.92%, 綜上所述, 工業(yè)分析測(cè)試結(jié)果受到粒徑差異的影響較為明顯, 因此在制樣過(guò)程中應(yīng)該將篩上物反復(fù)破碎、 篩分, 以制備所需粒度的煤樣, 盡量減小由于煤粉偏析造成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)不同粒度的5 種煉焦煤進(jìn)行工業(yè)分析, 得到以下結(jié)論:

(1)煤樣的工業(yè)分析指標(biāo)均隨粒度減小呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。 隨著煤樣粒徑的不斷減小,水分、 固定碳呈現(xiàn)上升的趨勢(shì), 灰分呈現(xiàn)下降的趨勢(shì), 揮發(fā)分則表現(xiàn)為兩種相反的變化趨勢(shì), 這主要與煤樣在破碎和篩分過(guò)程中的粒度偏析有關(guān)。

(2)制樣過(guò)程會(huì)對(duì)煤樣工業(yè)分析測(cè)試結(jié)果造成一定影響。 在制樣過(guò)程中應(yīng)該將篩上物進(jìn)行反復(fù)破碎、 篩分, 直至制備出所需粒度的煤樣, 應(yīng)盡量減小由于煤粉偏析造成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差。