劉 洋 ， 王明登 ， 徐國(guó)忠 ， 鄭亞杰 ， 李 超 ， 鐘祥云 ， 劉 洋 ， 白金鋒

(1.遼寧科技大學(xué) 遼寧省煤化工工程技術(shù)研究中心, 遼寧 鞍山 114051；2.中冶焦耐工程技術(shù)有限公司, 遼寧 大連 116085)

隨著鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展，高爐大型化成為冶金發(fā)展的必然趨勢(shì)。伴隨著高爐大型化發(fā)展和噴煤比的提高，以及國(guó)家雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)下高爐噴氫和富氫原料等技術(shù)的開發(fā)利用[1-3]，使得焦炭在高爐內(nèi)停留時(shí)間延長(zhǎng)且焦比大幅降低[4]。這就對(duì)高爐冶金焦性能提出了更高的要求，特別對(duì)焦炭原料的疏松骨架作用更加苛刻。再加上大型高爐對(duì)透氣性、燃燒比等指標(biāo)的重點(diǎn)關(guān)注，要求焦炭除具有優(yōu)異的冷態(tài)強(qiáng)度和熱態(tài)性能外，還必須具備足夠的塊度。因此對(duì)煉焦煤成焦過程中焦炭平均塊度和塊度分布的影響研究顯得十分必要。

關(guān)于焦炭熱態(tài)性能的研究已經(jīng)受到煤化工作者的高度重視。然而，針對(duì)焦炭成塊特性影響因素的研究鮮有報(bào)道。NOMURA 等[5-8]發(fā)現(xiàn)適當(dāng)減少配煤水分和延長(zhǎng)炭化時(shí)間等均會(huì)對(duì)焦炭塊度產(chǎn)生積極影響；楊志榮等[9-11]通過配煤煉焦發(fā)現(xiàn)，增加焦煤配比，可以有效改善焦炭粒度。TAE 等[12-14]發(fā)現(xiàn)焦炭的塊度和強(qiáng)度受焦化過程中裂紋形成的影響，裂紋多且深的焦炭，塊度相對(duì)較小且強(qiáng)度較低。MATSUO 等[15-16]研究煉焦煤中惰性組分對(duì)焦炭收縮的影響，發(fā)現(xiàn)惰性物延伸出來的裂紋阻礙了焦炭的收縮，大大降低了焦炭的收縮率。KIMURA 等[17]利用Gaudin-Meloy-Harris 尺寸分布函數(shù)研究，添加焦粉后會(huì)提高焦炭的平均粒徑。ZHANG 等[18-20]通過模型預(yù)測(cè)建立焦炭收縮模型，發(fā)現(xiàn)煉焦條件如水分、溫度等會(huì)導(dǎo)致焦炭收縮的增加。綜上所述，目前對(duì)焦炭平均粒徑的控制主要采用在煉焦煤中增加焦煤，瘦煤比例或配入焦粉，以及控制煉焦工藝條件等手段。而通過煉焦煤粒度和熱解過程變化對(duì)焦炭塊度的影響研究鮮有報(bào)道，因此，采用煉焦煤成焦過程熱解收縮特性進(jìn)行塊度控制研究，尤其是量化熱解收縮性能與焦炭成塊性能關(guān)系意義重大。

基于煉焦煤種類和性質(zhì)的差異，結(jié)焦過程中常會(huì)伴隨著不同程度的熱解收縮[21-22]，而煉焦煤的熱解收縮程度直接決定其生成焦炭的裂紋數(shù)量，進(jìn)而影響焦炭的塊度和強(qiáng)度。因此，筆者通過研究煉焦煤在不同實(shí)驗(yàn)條件下的熱解收縮能力、收縮動(dòng)力學(xué)參數(shù)和成塊性能，探討熱解收縮程度對(duì)焦炭塊度的影響并建立數(shù)學(xué)關(guān)系，以期通過煉焦煤熱解收縮系數(shù)和收縮動(dòng)力學(xué)來有效預(yù)測(cè)焦炭的平均塊度。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)用煤為國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)煉焦廠提供的8 種單一煤種煉焦煤，包括兗礦氣煤、雙鴨山和東山恒山1/3 焦煤、錢家營(yíng)肥煤、馬蘭、龍湖和薩阿吉焦煤以及白壁關(guān)瘦煤。實(shí)驗(yàn)用煤的常規(guī)性能見表1。

表1 煉焦煤常規(guī)性能Table 1 Routine analysis of coking coal

1.2 試驗(yàn)焦?fàn)t煉焦實(shí)驗(yàn)

煉焦實(shí)驗(yàn)要求入爐干基物料總質(zhì)量為2 kg，入爐煤水分為10%，將煉焦原料攪拌均勻后裝入特定紙盒中。當(dāng)焦?fàn)t爐墻升溫至800 ℃并恒溫30 min 后將裝爐煤推入焦?fàn)t爐膛。設(shè)置爐墻溫度在3.5 h 后升至1 050 ℃，隨后恒溫。直至焦餅中心溫度達(dá)到950 ℃以上時(shí)停止加熱，用時(shí)約為5.5 h。取出焦炭并采用濕法熄焦，將冷卻后的焦炭烘干裝袋以備后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用。

1.3 焦炭收縮性能及其塊度的表征

1.3.1 煉焦煤熱解收縮性能測(cè)定

煉焦煤的熱解收縮系數(shù)采用改進(jìn)的奧亞膨脹儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。將試驗(yàn)終溫升高到900 ℃，在常溫～300 ℃，升溫速率為3 ℃/min；在300～850 ℃，升溫速率為1.5 ℃/min。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。

圖1 煉焦煤熱解膨脹收縮測(cè)定儀Fig.1 Coking coal pyrolysis expansion and contraction tester

該裝置可以反映煤在熱塑性溫度區(qū)間的收縮膨脹，也能反應(yīng)較高溫度區(qū)間內(nèi)的半焦收縮。另外，該裝置還具備數(shù)據(jù)自動(dòng)采集功能。其方法結(jié)合GB 5450—85《煙煤奧亞膨脹計(jì)試驗(yàn)》，收縮系數(shù)計(jì)算公式為

其中，α為熱解收縮系數(shù)，℃-1；L0為膠質(zhì)體固化后煤筆的初始長(zhǎng)度，mm； ΔL為單位溫度區(qū)間膠質(zhì)體固化后煤筆長(zhǎng)度變化量，mm； ΔT為溫度差，℃。各參數(shù)表示內(nèi)容如圖2 所示。

圖2 煉焦煤熱解膨脹收縮Fig.2 Expansion and contraction diagram of coking coal during pyrolysis process

在煉焦煤熱解達(dá)到最大膨脹度后進(jìn)入收縮階段。假設(shè)煤筆的初始長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，在某一時(shí)刻t煤筆長(zhǎng)度變?yōu)長(zhǎng)，則其收縮率[23]可表示為

式中，γ為煉焦煤熱解收縮率，%；L∞為收縮結(jié)束時(shí)的長(zhǎng)度，mm；A為指前因子，min-1；E為表觀活化能，J/mol；R為氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為熱力學(xué)溫度，K。

1.3.2 焦炭成塊性能分析

(3)經(jīng)無損檢測(cè)得到的實(shí)心板梁混凝土推定強(qiáng)度均在36.5 MPa以上，偏于安全考慮，本次檢算取JTJ 023—85《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中的C30混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

將制得的2 kg 焦?fàn)t焦炭冷卻后，用孔徑60、40、30 和20 mm 的圓孔篩對(duì)焦炭進(jìn)行篩分。每個(gè)篩級(jí)焦炭的質(zhì)量與焦炭總質(zhì)量的比為該粒級(jí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。焦炭平均塊度(Ms)[24]為

式中，Ms為焦炭平均塊度，mm；di為按篩級(jí)上、下限焦炭直徑的平均值，mm；αi為按篩級(jí)上、下限的焦炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

若篩分組成由60、40、30 和20 mm 篩孔測(cè)得，則

式中，α>60、α40～60、α30～40、α20～30和α<20依次對(duì)應(yīng)粒級(jí)> 60、40～60、30～40、20～30 和< 20 mm 的焦炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 煉焦煤變質(zhì)程度及細(xì)度對(duì)焦炭成塊性能影響

2.1.1 煤化度對(duì)焦炭成塊性能影響

為了研究煉焦煤性質(zhì)與其形成焦炭性狀的關(guān)聯(lián)性，實(shí)驗(yàn)對(duì)各單種煤進(jìn)行2 kg 焦?fàn)t煉焦實(shí)驗(yàn)，對(duì)形成焦炭的粒度分布進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同變質(zhì)程度煉焦煤焦炭塊度分布Fig.3 Distribution of coke lumpiness size of coking coal with different metamorphic degree

由圖3 可以看出，不同變質(zhì)程度煉焦煤的塊度分布有較大差別。LH 焦煤、SAJ 焦煤和ML 焦煤焦炭塊度大于60 mm 部分占比較高，均在20%以上；BBG 瘦煤、SYS1/3 焦煤和QJY 肥煤焦炭塊度大于60 mm 的占比較低，僅為10%左右；而YK 氣煤和DSHS1/3 焦煤的焦炭粒度塊度普遍較小，均小于60 mm。其中QJY 肥煤、ML 焦煤、LH 焦煤、SAJ 焦煤和BBG 瘦煤焦炭塊度大于40 mm 部分占比超過70%，LH 焦煤和BBG 瘦煤則達(dá)到80%以上，而YK氣煤和DSHS1/3 焦煤形成焦炭的大塊較少，這也是由于自身的高揮發(fā)分和低黏結(jié)性造成的。

由圖4 可以看出，焦炭的平均塊度隨煉焦煤變質(zhì)程度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。YK 氣煤焦炭平均塊度最小為38.9 mm，焦炭平均塊度較大的是LH焦煤、SAJ 焦煤和BBG 瘦煤，分別為51.0、50.5 和48.5 mm。由此可知，在熱解收縮時(shí)，揮發(fā)分較高的煉焦煤成焦后焦炭塊度較小。YK 氣煤、SYS1/3 焦煤、QJY 肥煤和DSHS1/3 焦煤成塊性相對(duì)較差，而LH 焦煤、SAJ 焦煤和BBG 焦煤的揮發(fā)分相對(duì)較低，焦炭的成塊性能增強(qiáng)明顯。在熱解過程中收縮能力強(qiáng)的焦炭，在半焦收縮時(shí)，焦炭間互相作用力大使焦炭裂紋多且深，易碎，導(dǎo)致平均塊度較小。

圖4 不同變質(zhì)程度煉焦煤形成焦炭的平均塊度Fig.4 Average particle size of coke of coking coal with different metamorphic degree

2.1.2 入爐煤細(xì)度對(duì)焦炭成塊性能影響

入爐煤細(xì)度對(duì)焦炭塊度影響較大，為了在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選取最優(yōu)細(xì)度，更好地呈現(xiàn)熱解收縮對(duì)焦炭塊度的影響，在此首先要確定入爐煤合理細(xì)度。實(shí)驗(yàn)研究了不同細(xì)度下煉焦煤炭化后焦炭成塊性及其塊度分布的變化規(guī)律。焦炭的塊度分布和平均塊度如圖5所示。

圖5 不同細(xì)度煉焦煤形成焦炭塊度的分布Fig.5 Distribution of lumpiness size of coking coal with different fineness

由圖5 可以看出，焦炭的塊度與其入爐煤細(xì)度有較為密切的關(guān)系，且不同煤化度煉焦煤受細(xì)度影響程度不同。YK 氣煤焦炭塊度較小，不同細(xì)度下焦炭塊度大于60 mm 占比均為0。隨入爐煤細(xì)度的增加，YK 氣煤大塊焦比例增加。當(dāng)入爐煤細(xì)度由65%增加到80%，焦炭塊度大于40 mm 部分的占比由22.3%變?yōu)?0.9%，提高了28.6%。但當(dāng)入爐煤細(xì)度繼續(xù)升高到85%時(shí)，焦炭塊度大于40 mm 部分的占比又有較大下降?？芍?，YK 氣煤的最佳入爐煤細(xì)度為80%。QJY 肥煤只有在入爐煤細(xì)度為75%時(shí)，出現(xiàn)了塊度大于60 mm 的焦炭，其余入爐煤細(xì)度下焦炭的塊度均小于60 mm，但當(dāng)入爐煤細(xì)度為75%時(shí)，焦炭塊度在40～60 mm 占比最高為68.0%。由此可知，QJY 肥煤的最佳入爐煤細(xì)度為75%。QJY 肥煤焦炭塊度小于20 mm 部分的占比要明顯高于其他煉焦煤，這是由于QJY 肥煤膠質(zhì)體數(shù)量較多，熱解時(shí)膨脹性能好，生成的焦炭裂紋多造成的。相比于YK 氣煤和QJY 肥煤，SAJ 焦煤焦炭塊度較好，在不同入爐煤細(xì)度下，塊度大于40 mm 占比均能在80%以上。隨著入爐煤細(xì)度的提高，大于60 mm 部分占比略有下降，40～60 mm 部分占比提升明顯，且小于20 mm 的焦粉比例較低。綜合來看，SAJ 焦煤細(xì)度在75%最為合理。BBG 瘦煤焦炭粒度大于60 mm 的占比隨入爐煤細(xì)度的升高呈先減小后增大的趨勢(shì)。在入爐煤細(xì)度為85%時(shí)，焦炭塊度大于60 mm 的占比最高為42.7%；在入爐煤細(xì)度為75%時(shí)，焦炭塊度大于60 mm 的占比最低為36.8%。但在不同細(xì)度下，焦炭塊度在40 mm 以上的占比相仿，綜合考慮，BBG 瘦煤最佳的入爐煤細(xì)度為80%～85%。

由圖6 可知，YK 氣煤、QJY 肥煤和SAJ 焦煤的焦炭平均塊度均隨著入爐煤細(xì)度的增大呈先升高后降低趨勢(shì)。但YK 氣煤和SAJ 焦煤塊度隨細(xì)度變化較平緩，QJY 肥煤在75%細(xì)度時(shí)焦炭塊度有明顯提升。當(dāng)細(xì)度為75%時(shí)，焦炭的平均塊度最大，其中SAJ 焦煤的平均塊度為50.5 mm，明顯高于YK 氣煤的38.9 mm 和QJY 肥煤的44.5 mm。在配煤煉焦時(shí)，將YK 氣煤、QJY 肥煤和SAJ 焦煤細(xì)度控制在75%附近，有利于焦炭塊度的提升。而BBG 瘦煤焦炭的平均塊度隨入爐煤細(xì)度的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)。在入爐煤細(xì)度為75%，焦炭的平均塊度最小僅為48.5 mm；在入爐煤細(xì)度為85%，焦炭的平均塊度最大為51.4 mm。瘦煤在配煤煉焦時(shí)，粉的稍微碎一些，有利于焦炭塊度的提高。

圖6 煉焦煤細(xì)度對(duì)焦炭平均塊度的影響Fig.6 Effect of fineness on average lumpiness size of coke

2.2 煉焦煤熱解收縮過程

基于煉焦煤成焦原理，煤料在熱解過程中的熱解收縮能力對(duì)焦炭性能具有重要影響。由2.1.2 節(jié)可知，除BBG 瘦煤外，煉焦煤在細(xì)度為75%時(shí)，焦炭成塊性能相對(duì)最佳。所以實(shí)驗(yàn)探討了8 種典型煉焦煤在此細(xì)度下熱解過程中自身膨脹性能、熱解收縮系數(shù)和熱解收縮動(dòng)力學(xué)變化規(guī)律，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 煉焦煤熱解過程膨脹收縮度曲線Fig.7 Expansion-contraction curves of coking coal during pyrolysis

由圖7 可知，不同變質(zhì)程度煉焦煤在熱解過程中膨脹和收縮能力不同。YK 氣煤和DSHS1/3 焦煤熱解時(shí)產(chǎn)生的膠質(zhì)體穩(wěn)定性差，揮發(fā)分快速?zèng)_破膠質(zhì)體，故無膨脹性能；SYS1/3 焦煤的最大膨脹度為25.3%，QJY 肥煤的黏結(jié)性較好，在熱解時(shí)產(chǎn)生的膠質(zhì)體數(shù)量多，膠質(zhì)體性質(zhì)穩(wěn)定，透氣性差。當(dāng)揮發(fā)分析出時(shí)，要克服的阻力較大，所以其膨脹度最大為107.8%。ML焦煤原于自身較好的黏結(jié)能力，所以膨脹度僅次于QJY 肥煤達(dá)到90.2%。同為焦煤，但由于黏結(jié)指數(shù)和膠質(zhì)層厚度的差異，LH 焦煤無論是在黏結(jié)能力還是在膠質(zhì)體數(shù)量上均低于ML 焦煤，膨脹度為57.5%。SAJ 焦煤變質(zhì)程度在焦煤中偏低，黏結(jié)性指標(biāo)較ML焦煤有一定差距，所以熱解過程中的最大膨脹度僅為28.2%，BBG 瘦煤熱解時(shí)產(chǎn)生的膠質(zhì)體含量少，難以形成穩(wěn)定的液膜，氣體能夠輕易穿透并逸出，呈現(xiàn)僅收縮狀態(tài)。

各單種煉焦煤在熱解溫度480～530 ℃時(shí)，達(dá)到膨脹度最大值，隨著熱解溫度的繼續(xù)升高，煉焦煤開始進(jìn)入半焦收縮階段。各煉焦煤的半焦收縮系數(shù)曲線如圖8 所示。由圖8 可知，在熱解過程中，煉焦煤會(huì)產(chǎn)生2 個(gè)收縮峰，第1 收縮峰在500～550 ℃，第2收縮峰在700～750 ℃。由于第2 收縮峰與煤性質(zhì)關(guān)系不大，主要與煉焦條件有關(guān)，而不同煉焦煤則是在同一溫度條件下進(jìn)行的。所以筆者著重研究煉焦煤的第1 收縮峰。第1 收縮峰主要與煤的變質(zhì)程度有關(guān)，隨著變質(zhì)程度的升高，收縮系數(shù)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且產(chǎn)生峰值時(shí)的溫度向高溫段偏移。變質(zhì)程度較低的YK 氣煤、SYS1/3 焦煤和DSHS1/3 焦煤揮發(fā)分較高，熱解過程中氣體逸出較多，收縮系數(shù)較高，且熱解收縮系數(shù)達(dá)到最大時(shí)溫度低，未形成較厚膠質(zhì)體時(shí)固化層就開始收縮，單獨(dú)煉焦時(shí)生成的焦炭裂紋數(shù)量較多，焦炭塊度和強(qiáng)度偏小。QJY 肥煤熱解收縮系數(shù)與DSHS1/3 焦煤相近，層間剪應(yīng)力作用較大，但其黏結(jié)性強(qiáng)，塑性區(qū)間大，膠質(zhì)體質(zhì)量好，焦炭強(qiáng)度優(yōu)于DSHS1/3 焦煤且裂紋數(shù)量少且淺。ML 焦煤和LH 焦煤收縮系數(shù)雖低于QJY 肥煤，但膨脹收縮能力較好，焦炭塊度相對(duì)較大。SAJ 焦煤和BBG 瘦煤礙于自身黏結(jié)能力的影響，熱解過程中產(chǎn)生的膠質(zhì)體較少，收縮能力較差。

圖8 煉焦煤熱解收縮系數(shù)曲線Fig.8 Pyrolysis shrinkage coefficient curves of coking coal

2.3 煉焦煤熱解收縮動(dòng)力學(xué)研究

對(duì)熱解收縮過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，可以通過活化能較準(zhǔn)確的分析煉焦煤收縮能力以及收縮難易程度。由于煉焦煤熱解過程反應(yīng)機(jī)理相同，選取SYS1/3 焦煤在反應(yīng)級(jí)數(shù)n分別為1、2 和3 下進(jìn)行動(dòng)力學(xué)擬合，以選取最佳的反應(yīng)模型，ln[-ln(1-γ)/T2]和與1/T曲線如圖9 所示。

圖9 不同反應(yīng)級(jí)數(shù)SYS1/3 焦煤ln[-ln(1-γ)/T2]和ln與1/T 曲線Fig.9 ln[-ln(1-γ)/T2] and ln and 1/T curves of SYS1/3 with different reaction level

通過圖9 可知，在煉焦煤480～850 ℃的熱解收縮溫度區(qū)間里，一級(jí)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)擬合曲線相關(guān)系數(shù)r最好達(dá)0.987。說明在此溫度區(qū)間的熱解收縮過程，更符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模型。對(duì)圖8 中8 種煉焦煤收縮度曲線進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表2。8 種煉焦煤的熱解收縮過程擬合曲線的相關(guān)系數(shù)r都可以達(dá)到0.977 以上。且隨著煉焦煤變質(zhì)程度的加深，收縮溫度范圍逐漸偏向高溫段，初始溫度由YK 氣煤的491 ℃提高到BBG 瘦煤的526 ℃。收縮結(jié)束溫度BBG 瘦煤為851 ℃，同樣為8 種煉焦煤之最。隨著煉焦煤變質(zhì)程度的提高，熱解收縮時(shí)需要的活化能逐漸提高，其中LH 焦煤、SAJ 焦煤和BBG 瘦煤熱解收縮的活化能高于100 kJ/mol 分別達(dá)到106.1、118.9 和131.5 kJ/mol。這是因?yàn)樽冑|(zhì)程度高的煤，大分子芳香結(jié)構(gòu)居多，芳香環(huán)縮合程度高。熱解時(shí)需要更高的能量才能使芳香結(jié)構(gòu)分解，完成收縮過程。

表2 煉焦煤熱解收縮動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 2 Kinetic parameters of pyrolysis shrinkage of coking coal

2.4 煉焦煤熱解收縮系數(shù)及活化能與其焦炭平均塊度的關(guān)系

2.4.1 煉焦煤熱解收縮系數(shù)與焦炭平均塊度的關(guān)系

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)得知，煉焦煤揮發(fā)分的差異性以及在熱解過程中表現(xiàn)出的不同收縮能力，使得不同變質(zhì)程度煉焦煤的成塊性能有明顯差異。但都沒有建立揮發(fā)分和焦炭塊度的緊密聯(lián)系。所以實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究煉焦煤熱解收縮系數(shù)與焦炭平均塊度的關(guān)系，將煉焦煤熱解收縮過程中收縮系數(shù)的最大值與該焦炭的平均塊度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，結(jié)果如圖10 所示。

圖10 煉焦煤熱解收縮系數(shù)與焦炭平均塊度的關(guān)系Fig.10 Relation between pyrolysis shrinkage coefficient and coke average lumpiness size

研究了8 種不同煤化度煉焦煤在500～550 ℃收縮能力對(duì)其焦炭平均塊度的影響。隨著煉焦煤熱解收縮系數(shù)的提高，焦炭的平均塊度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。收縮系數(shù)高，說明碳骨架間相互作用能力強(qiáng)，收縮過程中碳骨架受到的沖擊更劇烈，超過焦炭自身強(qiáng)度后，骨架破碎，塊度相應(yīng)變小。SAJ 焦煤熱解收縮系數(shù)最小為4.10×10-4℃-1，但焦炭的平均塊度卻高達(dá)50.5 mm。焦炭平均塊度僅為38.9 mm 的YK 氣煤熱解收縮系數(shù)則高達(dá)8.51×10-4℃-1。通過8 種煉焦煤熱解收縮系數(shù)與焦炭平均塊度的分析，建立了相關(guān)系數(shù)為0.902 的回歸方程，可使煉焦煤通過熱解收縮過程變化來較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)焦炭塊度。

2.4.2 煉焦煤熱解收縮活化能與焦炭平均塊度的關(guān)系由2.4.1 節(jié)可知，在煉焦煤熱解收縮過程中，收縮系數(shù)對(duì)焦炭塊度有較為明顯作用。然而熱解收縮活化能又對(duì)收縮程度起到至關(guān)重要的作用，為了更準(zhǔn)確、具體了解熱解活化能對(duì)熱解收縮，進(jìn)而對(duì)焦炭塊度的影響。熱解收縮所需活化能與焦炭平均塊度的關(guān)系如圖11 所示。

圖11 煉焦煤熱解所需活化能與焦炭平均塊度的關(guān)系Fig.11 Relation between activation energy and coke average lumpiness size

由表2 可知，8 種煉焦煤的熱解收縮活化能在70～140 kJ/mol，隨著熱解所需活化能的升高，焦炭的平均塊度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。在熱解過程中，YK 氣煤僅需70.1 kJ/mol 就能完成收縮過程，而BBG 瘦煤則需要131.5 kJ/mol 完成此過程。在相同的煉焦條件及熱量輸出下，YK 氣煤會(huì)先一步并劇烈的完成收縮過程，會(huì)對(duì)焦炭骨架施加更多的外力，導(dǎo)致焦炭的平均塊度較低僅為38.9 mm。BBG 瘦煤相對(duì)YK 氣煤收縮時(shí)需要更高的熱量，所以收縮過程會(huì)更難更緩慢的進(jìn)行，焦炭骨架間相互作用力更小，形成焦炭平均塊度較高，達(dá)到48.5 mm。其中LH 焦煤和SAJ 焦煤雖然活化能低于BBG 瘦煤，但焦炭平均塊度則高于BBG 瘦煤，這是因?yàn)長(zhǎng)H 焦煤和SAJ 焦煤雖然熱解收縮程度高于BBG 瘦煤，但這2 種焦煤在黏結(jié)能力上強(qiáng)于BBG 瘦煤，收縮時(shí)能夠更好地將煤粒結(jié)合到一起，形成高強(qiáng)度碳骨架結(jié)構(gòu)[25-26]。建立了煉焦煤熱解收縮活化能與焦炭平均塊度的關(guān)系方程，2 者相關(guān)系數(shù)為0.94。進(jìn)而通過熱解收縮系數(shù)與收縮活化能的變化共同預(yù)測(cè)焦炭平均塊度，為煉焦焦炭質(zhì)量的提高提供技術(shù)支持。

3 結(jié) 論

(1)不同煤化度煉焦煤成焦后焦炭塊度不同，高揮發(fā)分YK 氣煤和DSHS1/3 焦煤形成焦炭塊度較小，平均塊度分別為38.9、44.1 mm，揮發(fā)分較低的SAJ 焦煤和BBG 焦煤形成焦炭的平均塊度分別為50.5 和48.5 mm。且煉焦煤細(xì)度不同，平均塊度亦有差異，YK 氣煤、QJY 肥煤和SAY 焦煤在細(xì)度75%時(shí)，所煉制焦炭平均塊度最大，而BBG 瘦煤則在細(xì)度85%時(shí)，獲得焦炭平均塊度最大值。

(2)煉焦煤在熱解溫度500～550 ℃會(huì)產(chǎn)生收縮峰，煉焦煤收縮系數(shù)隨著煤變質(zhì)程度升高呈下降趨勢(shì)。低變質(zhì)程度YK 氣煤收縮系數(shù)為8.51×10-4℃-1，變質(zhì)程度較高的BBG 瘦煤收縮系數(shù)為4.55×10-4℃-1。

(3)通過對(duì)煉焦煤熱解收縮動(dòng)力學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，隨著煉焦煤變質(zhì)程度的加深，熱解收縮初始溫度和所需活化能均有所提高。從YK 氣煤的491 ℃和70.1 kJ/mol提高到BBG 瘦煤的526 ℃和131.5 kJ/mol。

(4)煉焦煤熱解收縮系數(shù)對(duì)焦炭塊度均有較大影響，且具有很好的線性相關(guān)性，熱解收縮系數(shù)α與焦炭平均塊度Ms的線性方程相關(guān)系數(shù)為0.90。因此，可以通過煉焦煤熱解收縮系數(shù)預(yù)測(cè)焦炭的平均塊度。