薛慶國(guó),喬子棽,張林楊,王靜松,王 廣,佘雪峰

(北京科技大學(xué) 鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

0 引 言

我國(guó)是煤炭資源及使用大國(guó),從煤炭資源分布來(lái)看,盡管我國(guó)煤炭資源總量豐富,但優(yōu)質(zhì)煉焦煤種儲(chǔ)量不多,主焦煤和肥煤僅占3%。而氣煤等黏結(jié)性和結(jié)焦性稍弱的焦煤,在煉焦煤資源中儲(chǔ)量和產(chǎn)量相對(duì)較大,但在實(shí)際煉焦生產(chǎn)中配比明顯偏低。在未來(lái)30～50 a內(nèi),高爐煉鐵仍將是主要的鐵水生產(chǎn)工藝,這為優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源和高品質(zhì)焦炭的持續(xù)供應(yīng)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。因此,合理利用煉焦煤資源是我國(guó)能源供應(yīng)安全發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求[1-3]。

國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量拓寬煉焦煤資源研究,通過(guò)改進(jìn)煉焦技術(shù)來(lái)提高煉焦煤質(zhì)量,在配煤煉焦時(shí)增加弱黏結(jié)焦煤比例,不僅可拓展和節(jié)約使用優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源,降低配煤成本,還可提高焦炭質(zhì)量[4-5]。經(jīng)多年發(fā)展,基于煉焦煤預(yù)處理技術(shù),相繼開發(fā)了煤調(diào)濕(Coal Moisture Control,CMC)技術(shù)、煤粉預(yù)壓(Dry-cleaned and Agglomerated Precompaction System,DAPS)技術(shù)和21世紀(jì)新型煉焦技術(shù)(Super Coke Oven for Productivity and Environment Enhancement toward the 21st Century,SCOPE21)等多種焦化工藝,大幅推動(dòng)了焦化行業(yè)的節(jié)能減排[6-9]。CMC技術(shù)控制煤水分在5%～6%,DAPS工藝控制水分在2%～4%。在保證焦炭質(zhì)量不下降的情況下,這2種焦煤干燥脫水工藝中最多可增加8%～10%的弱黏結(jié)煤,減緩優(yōu)質(zhì)煉焦煤的消耗?；跓捊姑嚎焖兕A(yù)熱技術(shù)的SCOPE21工藝將弱黏結(jié)煤的配比提高50%,提高了生產(chǎn)效率,降低煉焦總能耗,且減少了粉塵和有害氣體排放[9-13]。

快速預(yù)熱可有效增強(qiáng)煉焦煤黏結(jié)性和結(jié)焦性,提高其利用效率并生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)焦炭,這已成為共識(shí)。關(guān)于快速預(yù)熱改善煉焦煤性質(zhì)的機(jī)理研究有很多[13-17],包括焦油生成假說(shuō)、倒退反應(yīng)機(jī)理和分子減聚機(jī)理等理論。對(duì)其作用機(jī)理更進(jìn)一步研究可更好地利用煤資源,為提高焦炭質(zhì)量提供理論基礎(chǔ)。

1 熱處理對(duì)煤焦物理化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響

煤是一種復(fù)雜的有機(jī)大分子物質(zhì),包含多種官能團(tuán)和多種化學(xué)鍵。但目前對(duì)煤結(jié)構(gòu)仍缺乏清晰統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),一般認(rèn)為煤的碳結(jié)構(gòu)主要由芳構(gòu)體和烴類支鏈及各種官能團(tuán)組成[18-20]。在熱處理研究中,對(duì)煤物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究是一個(gè)極重要的領(lǐng)域。研究煤的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化可為煤的熱解、氣化、碳化和燃燒等過(guò)程提供充分的解釋[21]。

1.1 熱處理對(duì)煤物理結(jié)構(gòu)的影響

Takagi使用XRD對(duì)煤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,證明了在煤中存在某種結(jié)構(gòu)有序的微晶[22]。煤中這種微晶通常稱為芳香晶核。因此,表征煤中芳香結(jié)構(gòu)的參數(shù)可通過(guò)XRD測(cè)量。根據(jù)晶體學(xué)的研究結(jié)果[23-30],如圖1所示,7～8個(gè)芳香環(huán)形成1個(gè)單層的芳香層,3～7層單層的芳香層平行疊加形成1個(gè)芳構(gòu)體。烴類支鏈和其他官能團(tuán)連接到這些單層芳香層的邊緣,每個(gè)芳香環(huán)的側(cè)鏈長(zhǎng)度約0.143 nm。

圖1 煤芳香核示意[30]Fig.1 Schematic diagram of aromatic nucleus of coal[30]

隨煤變質(zhì)程度的增加,煤中芳香核逐漸變大。煤經(jīng)熱處理后,其芳香結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[31]。通常,隨熱解溫度升高,芳香核結(jié)構(gòu)更成熟,從其微晶尺寸(L11)、芳香度(fa)和層間距(d002/dγ)得到體現(xiàn)。湛文龍等[32]研究了1 100～1 500 ℃下煤焦的石墨化度r0。不同溫度下焦炭的特征值及石墨化度見表1,結(jié)果表明,隨溫度升高,溫度每升高100 ℃,d002約降低2%,La約提高3%,Lc約提高15%。單煤種焦炭的d002隨溫度升高而降低,而焦炭的微晶尺寸La隨溫度升高呈變大趨勢(shì)。LU等[24]研究了不同類型煤的芳香核參數(shù),結(jié)果表明熱處理過(guò)程中,不同煤種的芳香結(jié)構(gòu)參數(shù)呈現(xiàn)隨溫度升高而變化的趨勢(shì)。不同加熱速度將改變液晶生長(zhǎng)過(guò)程,即改變以芳香族為代表的煤結(jié)構(gòu)的演變。此外,根據(jù)TAKAGI等[22]所述,在低階煤中產(chǎn)生堆疊結(jié)構(gòu)所需的加熱速度低于高階煤中的加熱速度。

表1 不同溫度下焦炭的特征值及石墨化度[32]Table 1 Characteristic value and graphitization degree table of coke at different temperatures[32]

研究表明[33-36],煤由納米量級(jí)的晶型碳顆粒和無(wú)定型碳組成。對(duì)煤加熱可促進(jìn)晶型碳生長(zhǎng)并改善碳結(jié)構(gòu)的有序性。事實(shí)上,熱處理過(guò)程中,煤碳結(jié)構(gòu)的石墨化與芳香結(jié)構(gòu)的演化密切相關(guān)。在快速熱處理過(guò)程中,煤分子的側(cè)鏈不斷裂解,可揮發(fā)的物質(zhì)從煤中逸出,煤的結(jié)構(gòu)向更有序的趨勢(shì)發(fā)展。此外,熱處理也改變了煤芳香晶核內(nèi)部碳原子的排列,這種變化也會(huì)影響煤結(jié)構(gòu)的有序度。對(duì)于結(jié)晶碳,根據(jù)石墨化理論[22,34,37-38],煤的有序結(jié)構(gòu)一般由小層間距d002、大堆積高度Lc和大芳香核直徑La表現(xiàn)。XU等[34]研究表明隨加熱溫度的升高,煤焦的d002值不斷降低至石墨的d002(0.335 4 nm),但堆積高度Lc卻升高。在JOHNSON等[39]研究表明,隨熱處理溫度提高,代表碳材料缺陷結(jié)構(gòu)的拉曼D譜帶帶寬由500 ℃時(shí)的240 cm-1降至1 900 ℃時(shí)的40 cm-1,峰型逐漸變得尖銳并趨近于石墨D峰的特征,同時(shí)La由2 nm增至7 nm,芳香晶核直徑逐漸變大。結(jié)果表明,隨熱處理溫度提高,煤的芳香晶核在向著石墨晶核的方向生長(zhǎng)。

1.2 熱處理對(duì)煤化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響

煤熱解時(shí),隨溫度升高,芳香烴側(cè)鏈不斷裂解并發(fā)生聚合反應(yīng)。紅外光譜吸收峰位置和強(qiáng)度的變化可揭示煤熱解過(guò)程中官能團(tuán)的變化,因此可對(duì)煤熱解早期階段煤焦的形成進(jìn)行表征和定量結(jié)構(gòu)研究[40-42]。IBARRA等[40]使用FTIR對(duì)煤結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究表明,隨熱解溫度升高,煤焦中的脂肪族和含氧官能團(tuán)逐漸消失,而芳香族氫逐漸增加。對(duì)芳香族化合物的C—H平面外區(qū)域(900～700 cm-1)的分析表明,隨溫度升高,芳香烴取代基丟失,而氫向芳烴結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)移。

熱解溫度和煤種是影響煤焦原子結(jié)構(gòu)的重要因素。LU等[43]使用5種不同煉焦煤進(jìn)行研究,各種煤在不同溫度下生成焦炭的元素組成如圖2所示,隨熱解溫度升高,H/C和O/C原子比顯著降低,不同的煤種其原子結(jié)構(gòu)變化不同。但在1 200 ℃或更高熱解溫度下,無(wú)論是低階煤還是高階煤,H/C和O/C比十分相似。表明在較高溫度下,原煤中揮發(fā)分對(duì)碳原子結(jié)構(gòu)的影響大幅降低。

圖2 各種煤在不同溫度下生成焦炭的元素組成[43]Fig.2 Elemental composition of chars generated at different temperatures from various coals[43]

圖3 原煤和慢速加熱煤的FT-IR光譜[14]Fig.3 FT-IR spectrum of raw coal and slowly heated coal[14]

快速加熱煤的FT-IR光譜如圖4所示,在圖4中,原煤和快速加熱的煤相比,光譜基本一致,不同官能團(tuán)對(duì)應(yīng)峰的變化幅度很小。說(shuō)明與慢速加熱的煤相比,快速加熱可以抑制煤在熱處理期間的熱分解反應(yīng)。

圖4 快速加熱煤的FT-IR光譜[14]Fig.4 FT-IR spectrum of rapidly heated coal[14]

1.3 煤的芳香結(jié)構(gòu)與熱塑性的關(guān)系

煤被加熱至其塑性溫度范圍時(shí),會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化,根據(jù)前人研究,一般認(rèn)為控制熱塑性的重要因素是煤中芳香環(huán)部分。KIDENA等[44]使用13C NMR研究了3種優(yōu)質(zhì)煙煤(Illinois No. 6 (IL),Pittsburgh No. 8 (PT) and Upper Freeport (UF))在軟化溫度(TS)、最大流動(dòng)性溫度 (TMF)和再固化溫度(TR)溫度范圍內(nèi)熱處理煤的芳香環(huán)尺寸變化(圖5、6)。由圖5和6可知,隨熱處理溫度升高,芳香環(huán)的平均粒徑和煤的碳芳香度逐漸增大。經(jīng)熱處理后的煤在塑性溫度范圍內(nèi)的碳芳香度和半焦相比差別不大,但流動(dòng)性不同。因此,半焦中芳香烴的增加不是影響煤熱塑性的決定因素。此外,在塑性溫度范圍內(nèi),對(duì)煤或半焦熱處理產(chǎn)生的可轉(zhuǎn)移氫含量的研究表明,芳香環(huán)的大小只是影響煤熱塑性的一個(gè)因素,芳香環(huán)系統(tǒng)的大小和膠質(zhì)體數(shù)量均會(huì)對(duì)煤的熱塑性產(chǎn)生重要影響。

圖5 原煤和熱處理煤的芳烴團(tuán)簇中的碳數(shù)[44]Fig.5 Number of carbon in an aromatic cluster for raw coals and heat-treated coals[44]

圖6 原煤和熱處理煤的碳芳香度[44]Fig.6 Raw coals and heat-treated coals aromaticity[44]

SHARMA等[45]使用高分辨率透射電鏡(HRTEM)技術(shù),研究了熱處理過(guò)程中不同煤種在3種溫度下芳香結(jié)構(gòu)的變化。不具有塑性的低階煤,即使在1 200 ℃下其結(jié)構(gòu)也保持各向同性。相反,對(duì)于在加熱過(guò)程中顯示出具有一定塑性的煤,在高于相應(yīng)軟化溫度進(jìn)行熱處理會(huì)改善煤層的空間排列,隨塑性程度的增加,其芳香碳層逐漸增加。TAKAGI[22]、KIDENA[44]、和SHARMA等[45]使用不同技術(shù)研究熱處理過(guò)程中芳香結(jié)構(gòu)變化和熱塑性之間的關(guān)系。結(jié)果表明,芳香結(jié)構(gòu)的變化取決于煤的熱塑性和熱處理溫度。一方面,隨加熱溫度升高,煤的芳香結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展。另一方面,具有不同熱塑性的煤在碳化過(guò)程中,特別是在塑性溫度區(qū)間內(nèi),其芳香結(jié)構(gòu)的發(fā)展有很大差異。這些現(xiàn)象可用液晶生長(zhǎng)理論[38,46]解釋,這表明煤在碳化過(guò)程中產(chǎn)生的液晶數(shù)量和大小對(duì)熱塑性起決定性作用。

2 預(yù)熱處理對(duì)煉焦煤黏結(jié)性的影響

煤的黏結(jié)性是指在煉焦條件下形成的膠質(zhì)體黏結(jié)其本身或外來(lái)惰性物質(zhì)的能力,是評(píng)價(jià)煉焦煤的重要指標(biāo)[47-50]。研究表明,將原煤快速加熱至其軟化或熔化溫度(400～500 ℃)發(fā)生熱解,更易形成膠質(zhì)體和低分子物質(zhì),提高其黏結(jié)性,最終提高焦炭強(qiáng)度[51-55]。

2.1 常規(guī)預(yù)熱處理對(duì)煤焦質(zhì)量的影響

煤調(diào)濕技術(shù)通過(guò)預(yù)熱煤料,提高了加熱速度,改善了膠質(zhì)體的流動(dòng)性,有利于炭化室內(nèi)的結(jié)焦過(guò)程,從而對(duì)焦炭的各項(xiàng)性能產(chǎn)生顯著影響。根據(jù)國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),采用煤調(diào)濕技術(shù)后,焦炭質(zhì)量指標(biāo)相應(yīng)改善,焦炭耐磨強(qiáng)度M10降低0.1%～0.3%,抗碎強(qiáng)度M40提高0.5%～1.5%,反應(yīng)性CRI降低1%～2%,反應(yīng)后強(qiáng)度CSR升高1%～2%[55]。

爐內(nèi)煤堆積密度是煤預(yù)熱后引起焦炭質(zhì)量發(fā)生變化的原因之一,入爐煤水分與堆積密度的關(guān)系如圖7所示。在相同配煤條件下,水分降低,堆積密度提高,因而可提高焦炭強(qiáng)度[56]。其原理是,煤顆粒表面的水膜阻礙顆粒間相對(duì)運(yùn)動(dòng),干燥后水膜減小,裝爐煤流動(dòng)性提高,顆粒間隙易被填充,因此入爐煤堆積密度升高。另一方面,煤膨脹與孔隙形成如圖8所示,在焦煤黏結(jié)性一定,煤顆粒間隙較小時(shí),煤在軟化熔融階段產(chǎn)生的黏結(jié)相更易黏結(jié)相鄰的煤顆粒,形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)更緊致、強(qiáng)度更高的焦炭[9-11]。

圖7 水分與堆積密度的關(guān)系[56]Fig.7 Relationship between moisture and bulk density[56]

圖8 煤膨脹與孔隙形成[9]Fig.8 Coal expansion and pore formation[9]

早期研究多側(cè)重于煤水分的去除、堆積密度的變化、孔結(jié)構(gòu)甚至礦物質(zhì)的改變等因素。而預(yù)熱后煤的終溫、煤的升溫速度等對(duì)煤焦質(zhì)量的改變是更重要的影響因素。

2.2 快速預(yù)熱對(duì)煉焦煤黏結(jié)性的影響

煤快速預(yù)熱過(guò)程中,影響煤黏結(jié)性和焦炭質(zhì)量的主要因素有熱處理溫度、氣氛條件、煤的類型、預(yù)熱終溫和預(yù)熱速度等。其中,最重要的2個(gè)影響因素是煤的預(yù)熱終溫和預(yù)熱速度。根據(jù)SAITO[57],YOSHIDA[58]、TAKANOHASHI[59]等研究,如果對(duì)原煤進(jìn)行快速加熱處理,將其加熱至其軟化溫度(400～500 ℃),煤的黏結(jié)性會(huì)明顯改善。黃定國(guó)等[60]以10、50和(4.5～7.1)×104℃/min速度將弱黏結(jié)性煤加熱至380 ℃,比較其黏結(jié)指數(shù)(G)值的變化。煤膨脹與孔隙形成如圖9所示,結(jié)果表明,快速預(yù)熱提高了煤的黏結(jié)性,而慢速預(yù)熱降低了其黏結(jié)性。

圖9 不同加熱速率對(duì)弱黏煤黏結(jié)性的影響[60]Fig.9 Influence of different heating rates on caking properties of weakly-caking coals[60]

煤的膨脹和結(jié)塊行為會(huì)受到預(yù)熱氣氛的影響。FUKADA等[16]使用高速攝像機(jī)監(jiān)測(cè)煤以300 ℃/min的預(yù)熱速度在N2或CO2氣氛中熱解。圖像分析結(jié)果揭示了CO2氣氛抑制煤的膨脹和結(jié)塊的行為。這種行為可能歸因于較高的CO2分壓使熱解初期CO2氣體析出延遲,進(jìn)而導(dǎo)致CO2分子吸附在煤顆粒的表面上,氧原子在煤中停留更長(zhǎng)時(shí)間,對(duì)熱塑性發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面影響。黃定國(guó)等[60]結(jié)果表明,使用空氣作為快速預(yù)熱的氣體也可以改善煤的黏結(jié)性。

此外,不同煤種其黏結(jié)性不同,因此,不同煤種經(jīng)過(guò)快速加熱預(yù)處理后,其改質(zhì)作用也不同[60,62]。快速預(yù)熱對(duì)黏結(jié)性較好的煤或極低黏結(jié)性的煉焦煤的改質(zhì)效果很小,但對(duì)于黏結(jié)性一般或相對(duì)較低的煉焦煤改質(zhì)效果比較明顯。研究表明,雖然預(yù)熱速度幾乎不改變煤流動(dòng)的初始溫度,但預(yù)熱速度的增加將顯著擴(kuò)大流動(dòng)程度及其溫度范圍[54,62]。如TAKANOHASHI等[54]研究中,將預(yù)熱速度由3 ℃/min增至100 ℃/min會(huì)導(dǎo)致煤的最大流動(dòng)度溫度由430 ℃轉(zhuǎn)移到475 ℃。李應(yīng)海等[62]結(jié)果表明,對(duì)煉焦煤進(jìn)行快速預(yù)熱,在一定溫度區(qū)間內(nèi)可增大煉焦煤的塑性范圍?？焖偌訜釋?duì)擴(kuò)大煤塑性溫度范圍的影響見表2,5種煉焦煤及其混煤的塑性范圍在8～22 ℃變寬。

表2 快速加熱對(duì)擴(kuò)大煤塑性溫度范圍的影響[62]Table 2 Rapid preheating to expand plastic temperature ranges of coals[62]

3 快速預(yù)熱改善煉焦煤黏結(jié)性的機(jī)理

3.1 焦油生成假說(shuō)

KATO等[53]提出了焦油生成假說(shuō)來(lái)解釋快速預(yù)熱改善煉焦煤的黏結(jié)性機(jī)理。該模型認(rèn)為升溫速度不影響煤的分解和聚合反應(yīng)。如果焦油的性狀不受加熱速度影響,則高溫側(cè)生成焦油的黏度較低。假設(shè)焦油的生成與煤軟化熔融現(xiàn)象直接相關(guān),加熱速度越大,煤軟化并開始放出焦油的溫度越高,而高溫生成的焦油黏度降低,熔融性增高。對(duì)煤軟化熔融溫度區(qū)域快速加熱時(shí),即使假設(shè)煤的分解和聚合反應(yīng)不受加熱速度影響,煤熔融性增高這一現(xiàn)象也可得到解釋。然而,快速預(yù)熱對(duì)煤黏結(jié)性的影響如圖10所示,當(dāng)快速加熱溫度達(dá)到330 ℃后,針入度比原煤大幅增加。即煤快速加熱至330 ℃以上的溫度區(qū)域,再按3 ℃/min加熱至500 ℃時(shí),煤熔融性同樣得到提高。顯然,這一結(jié)論不能用焦油生成理論解釋[60,63]。

圖10 快速預(yù)熱對(duì)煤黏結(jié)性的影響[53]Fig.10 Effect of preheating treatment on coal caking[53]

3.2 倒退反應(yīng)機(jī)理

FUKUDA等[64]提出的倒退反應(yīng)機(jī)理認(rèn)為煤受熱后共價(jià)鍵斷裂形成的可轉(zhuǎn)移H含量會(huì)影響煤的熱塑性。在加熱階段,煤的熱誘導(dǎo)共價(jià)鍵裂解反應(yīng)中形成的活性自由基之間會(huì)發(fā)生快速倒退重組反應(yīng),除非被內(nèi)部產(chǎn)生的氫或可能的輕烴自由基淬滅?？焖偌訜岬内厔?shì)是將煤熱解過(guò)程壓縮到更短時(shí)間范圍,從而導(dǎo)致熱解反應(yīng)不能充分完成,保留了更多的H。如圖11所示,相較慢速加熱,在快速加熱期間,約300 ℃時(shí)發(fā)生熱解所釋放H與熱解物質(zhì)的聯(lián)系更為緊密。因此,熱分解產(chǎn)生的自由基逐漸穩(wěn)定,并阻止一些復(fù)合成炭反應(yīng),從而提高煤的熱塑性。根據(jù)這個(gè)模型,在慢速加熱過(guò)程中,熱解產(chǎn)生的少量但處于臨界狀態(tài)的H會(huì)逸出更多。

圖11 加熱過(guò)程中可轉(zhuǎn)移H對(duì)煤熱塑性的影響機(jī)理[65]Fig.11 Influence mechanism of mobile hydrogen on coal thermoplasticity during heating[65]

3.3 分子減聚機(jī)理

圖12 原煤和快速熱處理煤的原位核磁共振圖像[9]Fig.12 In-situ NMR images of raw coal and rapidly heat-treated coal[9]

MATSUURA[14-15]、SAITO[57,66-68]等通過(guò)元素分析、FT-IR分析、1H CRAMPS和NMR等方法對(duì)快速預(yù)熱煤進(jìn)行分析,提出分子減聚理論作為快速加熱改善煤黏結(jié)性能的機(jī)理。該理論認(rèn)為,煤是一種具有H鍵和π—π鍵等多種交聯(lián)鍵的大分子化合物,達(dá)到軟化熔融溫度前,提高加熱速度,可加大對(duì)煤炭大分子結(jié)構(gòu)的沖擊力度,使H鍵和其他非共價(jià)鍵斷裂,在一定程度上降低了煤分子的聚合強(qiáng)度。減聚后的煤分子在慢速加熱到熱解溫度范圍后比未經(jīng)處理的原煤更易產(chǎn)生低分子物質(zhì),從而具有更好的黏結(jié)性。此外,慢速加熱過(guò)程中,低分子組分會(huì)通過(guò)共價(jià)鍵之間橋接而形成大分子的固體組分,而采用快速加熱對(duì)煉焦煤進(jìn)行處理可抑制這種成橋反應(yīng),改善了煤分子的流動(dòng)性[57]。

綜合上述分析,快速預(yù)熱影響煤黏結(jié)性的機(jī)理主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面:一方面快速預(yù)熱抑制了煤的熱分解,有更多的H保留至熱塑性階段,與自由基結(jié)合形成更多的黏結(jié)相;另一方面快速預(yù)熱使H鍵等非共價(jià)鍵斷裂,使煤的分子結(jié)構(gòu)松弛,分子動(dòng)力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化,高移動(dòng)性組分增加。這些作用共同導(dǎo)致煤在熱塑性階段產(chǎn)生數(shù)量更多、質(zhì)量更好的黏結(jié)相,從而提高了煤黏結(jié)性。

4 結(jié)論與展望

面對(duì)高品質(zhì)焦炭的巨大需求和優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源持續(xù)供應(yīng)不足的壓力,采用合理的煤預(yù)處理技術(shù)勢(shì)在必行,對(duì)煉焦煤進(jìn)行快速預(yù)熱處理能有效增強(qiáng)煉焦煤黏結(jié)性和結(jié)焦性,可拓展和節(jié)約使用優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源,降低配煤成本,提高焦炭質(zhì)量。綜述了預(yù)熱改善煉焦煤黏結(jié)性的相關(guān)研究成果和進(jìn)展,在未來(lái)的研究中,還需解決以下問(wèn)題:

1)將原煤快速加熱至軟化熔融溫度,更易形成膠質(zhì)體和低分子物質(zhì),煤的加熱速度會(huì)影響膠質(zhì)體數(shù)量,從而影響煤的黏結(jié)性。然而,關(guān)于不同預(yù)熱速度的影響效果研究不夠全面,改善煤黏結(jié)性的加熱速度應(yīng)該存在一個(gè)合適范圍,加熱速度過(guò)低難以起到有效改質(zhì)的作用,加熱速度過(guò)高在工業(yè)應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)。此外,關(guān)于改善煉焦煤性質(zhì)的臨界加熱速度范圍仍需進(jìn)一步探究。

2)目前理論均從不同角度入手研究,存在一定片面性,需要對(duì)快速預(yù)熱的改善機(jī)理進(jìn)行更深入研究,以獲得更明晰、全面、統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。建議進(jìn)一步發(fā)展快速預(yù)熱改善煉焦煤性質(zhì)的研究,如明確快速預(yù)熱后煤中哪些分子結(jié)構(gòu)或組分變化導(dǎo)致黏結(jié)性提高,為快速預(yù)熱技術(shù)拓寬煉焦煤資源,提高焦炭質(zhì)量提供更好的理論指導(dǎo)。

3)目前日本采用SCOPE21工藝對(duì)煤預(yù)處理,雖然其焦?fàn)t設(shè)備大幅減少,總體設(shè)備費(fèi)可減少16%,但環(huán)保設(shè)備等費(fèi)用增加。此外,對(duì)煤預(yù)熱處理時(shí),應(yīng)適當(dāng)控制裝入煤的溫度,處理不當(dāng)可能發(fā)生煤粉爆炸事故,重視工業(yè)應(yīng)用時(shí)可能存在的安全問(wèn)題?？傮w來(lái)看,開發(fā)清潔無(wú)污染、具有更好經(jīng)濟(jì)效益的煤預(yù)熱處理綜合技術(shù),是目前煉焦工業(yè)生產(chǎn)的迫切需求。