熔融温度下矿物对煤焦物理结构化学活性的影响

2013-08-15崔开岩石洪波

山东工业技术 2013年9期

崔开岩石洪波

（肥城矿业集团菏泽聚隆能源有限公司，山东菏泽274000）

0 概述

本文根据煤粉不同矿物质含量，取低灰（＜5%）和中灰(20%～40%)密度级别的煤进行高温制焦，通过激光粒度测定煤焦孔结构，用热重实验分析煤焦的燃烧特性，以研究矿物质对煤焦物理结构和化学活性的影响。

相同温度下，随着密度级别的增大，即随着矿物含量的增高，各煤焦的Ti、Tb及Tmax均呈现减小的趋势，燃烧特性明显改善。产生这一结果的原因主要是煤粉中矿物的存在促进了煤焦的着火和燃烬；不同变质程度的三组煤焦对比结果表明，总的来说高矿物质煤焦反应速率大于低矿物质煤焦，但旗山高灰和龙岩低灰的例外；燃烧特性明显改善。

同种煤的不同密度级别灰分含量不同，所含的矿物质和有机组分也不同；随着密度级别的增加，矿物质含量也增加，对煤焦的燃烧起到促进作用。

1 不同温度条件下煤粉颗粒的膨胀特性

1.1 温度对煤焦粒度的影响

一般认为低温条件下煤粉燃烧反应受动力学控制，矿物质的存在促进煤燃烧，而高温条件下反应受扩散控制，矿物质阻碍煤燃烧；另一方面，颗粒粒度对燃烧速度影响很大，颗粒越小燃烧速度越快。因此，煤粉粒度和矿物质含量对煤粉燃烧速率都有很大影响，掌握矿物质含量随粒度大小变化的定量规律对于精确研究矿物质对煤粉燃烧影响规律十分重要。

随着温度的升高，龙岩低灰煤的粒度分布变的分散；其膨胀度较小，龙岩低灰煤粉、900℃焦、1400℃焦的平均粒度依次递增，且平均粒度均较大。该密度级别的煤灰分含量为3.08%，矿物质含量很少，近视为纯有机质，1400℃焦的膨胀性大于900℃焦的。

龙岩高灰原煤制得的煤焦都表现出较大的膨胀性，且900℃焦的膨胀性大于1400℃焦的。1400℃焦的平均粒度略小于 900℃焦的。高灰煤（密度为 1.85 g·cm-3-2.2 g·cm-3的煤）灰分含量为32.06%，矿物质含量明显增多，但平均粒度比低灰的小的多。

低灰原煤制得的煤焦表现出较大的膨胀性，原煤、900℃焦、1400℃焦的平均粒度逐渐增大，1400℃焦的膨胀性大于900℃焦的。低灰煤灰分含量为4.74%，矿物质含量很少，可视为纯有机质。

高灰原煤制得的煤焦都表现出很大的膨胀性，原煤、900℃焦、1400℃焦的平均粒度逐渐增大，1400℃焦的膨胀性大于 900℃焦的。密度为 1.6 g·cm-3～2.0 g·cm-3的煤灰分含量为25.98%，矿物质含量增多，随着温度升高原煤和煤焦的平均粒度均增大。

2 矿物质对煤及煤焦孔结构的影响

比较含矿物煤或煤焦脱灰前后物理结构的变化，是研究矿物质对煤及煤焦结构影响的最常用方法。过去一直认为化学脱灰处理对煤粉化学结构没有影响，研究矿物质对煤粉燃烧和气化反应的常用方法就是对比样品脱灰前后反应特性的变化。但是，如果煤粉脱灰前后有机结构也发生变化，那么上述方法所得结论就令人怀疑。发现无论是超纯煤挥发分的降低，还是煤粉中有机官能团含量的降低都证明化学处理使得煤粉有机结构发生了变化。

高密度级别的浮沉煤粉的平均粒径要比低密度级别煤粉的粒径小。

随着密度提高镜质组含量下降、惰质组含量上升，镜质组中胶质体含量高，在滴管炉中受热时发生熔融膨胀，主要形成薄壁状空心或网状煤焦颗粒，而惰质组不会发生类似过程，主要形成密实颗粒。因此可以推测，对于高矿物质含量烟煤煤粉，一方面镜质组占有机质总相对含量降低，另一方面由于矿物质的存在，有机显微组分总量也降低，二者综合使得高矿物质含量煤粉中镜质组含量大为降低。这样高矿物质含量烟煤煤粉受热后一方面胶质体含量降低，另一方面矿物质还会吸附胶质体，所以难以膨胀形成象低灰煤焦那样的空心或多孔结构，这是高低矿物质含量烟煤煤焦孔结构巨大差异的主要原因。而且可以推测变质程度越低这种差别越明显。

对于无烟煤，高低灰分含量煤粉有机显微组分相对含量相同，镜质组也没有膨胀作用，这时矿物质的存在和受热分解倒是促进了煤焦孔隙的形成，矿物质的存在不是堵塞孔道问题，而f是增加了孔隙通道，提高了孔隙率。

因此，对于非膨胀性煤样，矿物质的存在提高了煤焦孔隙率；对于膨胀性煤样，在慢速升温条件下，煤焦膨胀率低，矿物质有利于高孔隙结构形成，而快速升温条件下矿物质妨碍了高孔隙结构形成。

两个高灰煤中矿物质对孔结构的影响，发现脱灰后两种煤的比表面积和孔容都增加了，特别是其中0.4nm～1.0nm微孔增多，说明矿物嵌于0.53nm左右的孔中。对比了含矿物煤焦脱灰前后孔结构的变化，发现酸洗煤焦比表面积和孔结构均增大，因此推断矿物质对煤焦孔隙发展其限制作用。无机显微组分对煤焦孔隙发展其限制作用，对不同煤种的关联分析表明，水分、惰质组、挥发分和煤原始比表面积等对煤焦的比表面积影响较大，而镜质组、灰分和固定碳没有什么影响。

用浮沉法将灰分含量在3.5%～23%两种烟煤煤粉分选成不同密度级别后再在气流炉（entrained flow）上1500℃制焦，发现随着矿物质含量升高，大孔形态的煤焦比例下降，而网络状增加。他们还测定了CO2吸附比表面积，发现所有煤焦比表面积都在130 m2·g-1，与矿物质含量没有关系。