入炉煤性质对捣固焦炭性能的影响

史 媛，刘向勇，孙超祺，吴 琼，李凤霞，郭 琴，史世庄

（1.武汉科技大学化学工程与技术学院，湖北武汉，430081；2.武汉平煤武钢联合焦化有限责任公司，湖北武汉，430082）

入炉煤性质对捣固焦炭性能的影响

史 媛1，刘向勇2，孙超祺1，吴 琼1，李凤霞1，郭 琴1，史世庄1

（1.武汉科技大学化学工程与技术学院，湖北武汉，430081；2.武汉平煤武钢联合焦化有限责任公司，湖北武汉，430082）

采用30种配煤方案，在堆积密度为1.1 t／m3的条件下进行捣固炼焦试验，利用线性回归分析方法研究入炉煤性质对焦炭性能的影响。结果表明，焦炭性能指标与入炉煤性质指标之间具有良好的相关性；适当降低入炉煤的挥发分有利于提高焦炭的冷态机械强度，而增加入炉煤的黏结指数有利于提高焦炭的耐磨强度，但不利于提高焦炭的抗碎强度；适当降低入炉煤的挥发分和催化指数、提高其黏结指数有利于改善焦炭的高温反应性。

捣固炼焦；焦炭性能；入炉煤性质；线性回归分析

捣固炼焦是一种在装煤推焦车的煤箱内用捣固机将配合煤捣实后推入炭化室内进行高温干馏的炼焦工艺，其最大特点是提高了入炉煤的堆积密度，可多配入高挥发性煤和弱黏结性煤，从而降低炼焦成本［1］。研究表明，在堆积密度约为1.1 t／m3的条件下捣固炼焦所得焦炭的质量最佳［2］，而入炉煤性质与焦炭性能之间的定量关系还有待于进一步研究。本文拟采用30种配煤方案，在堆积密度为1.1 t／m3的条件下进行捣固炼焦试验，分析入炉煤性质对焦炭性能的影响，并尝试建立入炉煤性质指标与焦炭性能指标之间的关联式，以期为焦炭的质量预测提供参考。

1 试验原料与方法

1.1 原料

原料取自武汉平煤武钢联合焦化有限责任公司的生产用单种煤，包括气煤、气肥煤、1／3焦煤、肥煤、焦煤和瘦煤等共23种。将取回的单种煤进行分析、粉碎供炼焦试验用。

1.2 配煤方案

根据生产经验及试验需要，共选用30种配煤方案，各方案中入炉煤的挥发分（Vdaf）控制在24.76%～33.67%，黏结指数（G）控制在50.9～87.3，灰分（Ad）控制在9.58%～9.99%。

1.3 焦炭的制备

炼焦试验在5 kg试验焦炉中进行。将入炉煤的水分调至10%，装入铁箱的干煤量为7 kg，入炉煤细度（小于3 mm）控制在95%以上。将铁箱中的煤人工捣固至堆积密度为1.1 t／m3，当炉膛的温度为800℃时将铁箱入炉，程序升温，焦饼中心温度为950℃时出焦，结焦时间为5.5 h，湿法熄焦。

1.4 煤与焦炭的质量分析

配合煤的Mad、Ad、Vdaf按GB／T 212—2008测定，St，d按GB／T 214—2007采用YX－DL型一体化定硫仪测定，黏结指数G按GB／T 5447—1997测定。

焦炭的Mad、Ad、Vdaf按GB／T 2001—1991测定，St，d按GB／T 2286—1991采用YX－DL型一体化定硫仪测定，CRI、CSR按GB／T 4000—2008测定，M25、M10参照GB／T 2006—1994用实验转鼓测定。

入炉煤灰成分分析参照GB／T 1574—2007采用美国Thermo Elemental公司生产的IRISAdvantage全谱直读等离子体发射光谱仪（ICPAES）测定，并按式（1）计算灰成分的矿物质催化指数MCI。

式中：Amd、Vmd分别为煤的干基灰分和干基挥发分，%。

2 结果与讨论

2.1 入炉煤性质对焦炭硫分和灰分的影响

在常规炼焦过程中，入炉煤中的硫部分转入焦炭中，部分转入荒煤气中，其转化比例取决于入炉煤的性质［3－4］。为了探讨捣固炼焦中硫的转化规律，即焦炭的硫分与入炉煤硫分之间的关系，将30组捣固炼焦试验所得焦炭的硫分（St，d，j）对入炉煤的硫分（St，d，m）进行回归分析，回归方程如下：

式（2）表明，焦炭的硫分与入炉煤的硫分呈正线性关系且具有良好的相关性。将入炉煤的硫分代入式（2）可得焦炭硫分的计算值（Sct，d，j），其与实测值（Smt，d，j）之间的关系如图1所示，由图1可见，计算值与实测值比较吻合，二者之差均在试验误差范围之内。

图1 焦炭硫分计算值与实测值的关系Fig.1 Relationship between calculated St.d，jand measured S t.d，j

在常规炼焦过程中，入炉煤中的灰分全部转入焦炭中，焦炭灰分与入炉煤灰分之间的关系主要取决于入炉煤性质和炼焦工艺条件［1］。将30组捣固炼焦试验所得焦炭的灰分（Ad，j）对入炉煤的灰分（Ad，m）进行回归分析，回归方程如下：

式（3）表明，焦炭的灰分与入炉煤的灰分呈正线性关系且具有良好的相关性。将入炉煤的灰分代入式（3）得到焦炭灰分的计算值（Acd，j），其与实测值（Amd，j）之间的关系见图2，由图2可见二者误差很小。

图2 焦炭灰分计算值与实测值的关系Fig.2 Relationship between calculated Ad，jand measured Ad，j

2.2 入炉煤性质对焦炭冷态机械强度的影响

当备煤、炼焦工艺条件确定之后，焦炭的冷态机械强度（抗碎强度M25和耐磨强度M10）主要取决于入炉煤的性质，其中对焦炭冷态机械强度影响程度较大的几项指标为入炉煤的挥发分、黏结指数和灰分。

以30组试验所得焦炭的耐磨强度（M10）对入炉煤的挥发分（Vdaf）、黏结指数（G）和灰分（Ad，m）进行多元回归分析，回归方程如下：

式（4）表明，焦炭的耐磨强度与入炉煤的黏结指数呈负线性相关，与入炉煤的挥发分和灰分呈正线性相关，且相关性良好。这表明，在试验条件下，要想提高焦炭的耐磨强度（即降低M10的值），应适当增加入炉煤的黏结性，降低入炉煤的挥发分和灰分。将入炉煤的挥发分、黏结指数和灰分代入式（4）得到焦炭耐磨强度的计算值（Mc10），其与实测值（Mm10）之间的关系见图3。

图3 焦炭耐磨强度计算值与实测值的关系Fig.3 Relationship between calculated M10and measured M 10

以30组试验所得焦炭的抗碎强度（M25）对入炉煤的挥发分（Vdaf）、黏结指数（G）和灰分（Ad，m）进行多元回归分析，回归方程如下：M25＝99.126 38－0.029 7G－0.600 67Vdaf＋

式（5）表明，焦炭的抗碎强度与入炉煤的黏结指数和挥发分呈负线性相关，与入炉煤的灰分呈正线性相关，且相关性良好。这表明，在试验条件下，要想提高焦炭的抗碎强度（即提高 M25的值），应适当降低入炉煤的黏结性和挥发分，增加其灰分。将入炉煤的挥发分、黏结指数和灰分代入式（5）得到焦炭抗碎强度的计算值（Mc25），其与实测值（Mm25）之间的关系如图4所示。

图4 焦炭抗碎强度计算值与实测值的关系Fig.4 Relationship between calculated M25and measured M25

比较式（4）和式（5）可知，适当降低入炉煤的挥发分有利于提高焦炭的耐磨强度和抗碎强度，而增加入炉煤的黏结指数则有利于提高焦炭的耐磨强度，但不利于提高焦炭的抗碎强度。这是因为，入炉煤挥发分的增加，使焦炭的气孔率增大，气孔壁变薄，收缩量增加，收缩应力增大，裂纹增多，从而降低了焦炭抵抗摩擦力破坏和冲击力破坏的能力，使得焦炭的耐磨强度和抗碎强度均劣化；提高入炉煤的黏结性使焦炭的熔融性得以改善，有利于提高焦炭的耐磨强度，但由于入炉煤的堆积密度较大，煤粒间的空隙减小，用较少的胶质体就能将煤粒黏结起来，这时再提高入炉煤的黏结性就会使入炉煤的黏结能力过剩，使焦炭的收缩应力增大，裂纹增多，不利于改善焦炭的抗碎强度，因此，当入炉煤的黏结性较好时，捣固炼焦不能改善焦炭的抗碎强度，甚至还会使其劣化［5］。

2.3 入炉煤性质对焦炭高温反应性的影响

当备煤、炼焦工艺条件确定之后，焦炭的高温反应性（反应性CRI和反应后强度CSR）主要取决于入炉煤的性质，其中对焦炭高温反应性影响程度较大的几项指标为入炉煤的挥发分、黏结指数和灰成分矿物质催化指数［6］。

以30组试验所得焦炭的反应性（CRI）对入炉煤的挥发分（Vdaf）、黏结指数（G）和灰成分矿物质催化指数（MCI）进行多元回归分析，回归方程如下：

式（6）表明，焦炭的反应性与入炉煤的挥发分和催化指数呈正线性相关，与入炉煤的黏结指数呈负线性相关，且相关性良好。也就是说，要想降低焦炭的反应性，应适当降低入炉煤的挥发分和催化指数，适当提高其黏结指数。将入炉煤的挥发分、黏结指数和催化指数代入式（6）得到焦炭反应性的计算值（CRIc），其与实测值（CRIm）之间的关系如图5所示。

图5 焦炭反应性的计算值与实测值的关系Fig.5 Relationship between calculated CRI and measured CRI

以30组试验所得焦炭的反应后强度（CSR）对入炉煤的挥发分（Vdaf）、黏结指数（G）和灰成分矿物质催化指数（MCI）进行多元回归分析，回归方程如下：

式（7）表明，焦炭的反应后强度与入炉煤的挥发分和催化指数呈负线性相关，与入炉煤的黏结指数呈正线性相关，且相关性良好。也就是说，要想提高焦炭的反应后强度，应适当降低入炉煤的挥发分和催化指数，适当提高其黏结指数。将入炉煤的挥发分、黏结指数和催化指数代入式（7）得到焦炭反应后强度的计算值（CSRc），其与实测值（CSRm）之间的关系如图6所示。

综合式（6）和式（7）可知，要想改善焦炭的高温反应性（降低CRI、提高CSR），应适当降低入炉煤的挥发分和催化指数，提高其黏结指数。这是因为，入炉煤的挥发分增加，焦炭的气孔率和比表面增大，焦炭与CO2发生碳溶损反应（C＋CO2═══2CO）的几率增加，从而使焦炭的反应性提高、反应后强度降低；入炉煤的催化指数增大，对焦炭碳溶损反应的催化能力提高，也会使焦炭的反应性提高、反应后强度降低；入炉煤的黏结指数增大，焦炭的熔融性得到改善，焦质结构致密，气孔率和比表面积减小，焦炭与CO2的碳溶损反应几率降低，从而使焦炭的反应性降低、反应后强度提高。

图6 焦炭反应后强度的计算值与实测值的关系Fig.6 Relationship between calculated CSR and measured CSR

3 结论

（1）入炉煤性质对捣固炼焦所制焦炭的性能影响显著，焦炭性能指标与入炉煤性质指标之间具有良好的相关性。

（2）适当降低入炉煤的挥发分和灰分、增加其黏结指数有利于提高焦炭的耐磨强度。

（3）适当降低入炉煤的黏结指数和挥发分、增加其灰分有利于提高焦炭的抗碎强度。

（4）适当降低入炉煤的挥发分和催化指数、提高其黏结指数有利于改善焦炭的高温反应性。

［1］ 姚昭章，郑明东.炼焦学［M］.北京：冶金工业出版社，2005：130－131.

［2］ 史世庄，雷耀辉，张康华，等.堆积密度对捣固炼焦焦炭性能的影响［J］.武汉科技大学学报，2011，13（4）：285－288.

［3］ 王慧，曹素梅，史世庄，等.炼焦煤与焦炭间硫转化关系的研究［J］.燃料与化工，2011，42（2）：7－10.

［4］Shi Shizhuang，Liu Zhiping.Sulfur transfer law from coking coal to coke［C／CD］／／Proceedings of the Twenty－Third Annual International Pittsburgh Coal Conference.Pittsburgh：University of Pittsburgh，2006.

［5］ 郑文华.捣固炼焦技术的发展和应用［J］.河南冶金，2008，16（1）：6－8，15.

［6］ 杨俊和，冯安祖，杜鹤桂.矿物质催化指数与焦炭反应性关系［J］.钢铁，2001，36（6）：5－9.

［责任编辑 尚 晶］

Effect of coal charge properties on stamping coke quality

Shi Yuan1，Liu Xiangyong2，Sun Chaoqi1，Wu Qiong1，Li Fengxia1，Guo Qin1，Shi Shizhuang1
（1.College of Chemical Engineering and Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.Wuhan Pingmei－WISCO United Coking and Chemical Co.，Ltd.，Wuhan 430082，China）

Thirty coal blending schemes were selected for the stamping coking experiment when the bulk density was 1.1 t／m3.With linear regression analysis，the influence of the coal charge properties on the coke quality was investigated.The results show that good correlation exists between the indexes of the coke quality and the coal charge properties.Reducing the volatile content of the coal charge appropriately can improve the abrasive strength of the coke，while increasing the caking index can improve the abrasion resistance but damage the crushing resistance of the coke.Reducing the volatile content and the mineral catalytic index and raising the caking index of the coal charge can improve the high－temperature reactivity of the coke.

stamping coking；coke quality；coal charge property；linear regression analysis

TQ522.16

A

1674－3644（2012）03－0186－04

2011－09－09 作者简介：史 媛（1987－），女，武汉科技大学硕士生.E－mail：sleep870123＠163.com 通讯作者：史世庄（1956－），男，武汉科技大学教授.E－mail：shisz1956＠126.com