不同变质程度炼焦煤的镜质组特性研究

任学延，张代林，王　坤，黄大中，张小勇（.上海梅山钢铁股份有限公司，江苏南京0039；.安徽工业大学煤洁净转化与综合利用安徽省重点实验室，安徽马鞍山4300）

不同变质程度炼焦煤的镜质组特性研究

任学延1，张代林2，王坤2，黄大中2，张小勇2
（1.上海梅山钢铁股份有限公司，江苏南京210039；2.安徽工业大学煤洁净转化与综合利用安徽省重点实验室，安徽马鞍山243002）

通过密度法分离出4种不同变质程度炼焦煤煤岩显微组分中的镜质组，分析比较其镜质组的特性差异，并通过小焦炉炼焦实验，对炼焦煤及其镜质组所炼焦炭的性质进行分析。研究结果表明：不同变质程度炼焦煤中镜质组的黏结性较原炼焦煤增加幅度不同，炼焦煤中镜质组的容惰能力大小顺序为东都镜质组〉孝义镜质组〉冷泉镜质组〉官桥镜质组；不同变质程度炼焦煤镜质组所炼焦炭的光学组织指数值（OTI）较原炼焦煤所炼焦炭大、显微强度和结构强度小、粒焦反应性低。

镜质组；变质程度；焦炭光学组织

煤中有机显微组分主要包括镜质组、惰质组、壳质组，不同组分其黏结性和结焦性不同。在炼焦过程中，按照其黏结性和结焦性差异，将煤中的显微组分划分为活性组分的和惰性组分的两大类，前者主要包括镜质组和壳质组，后者主要包括惰质组。活性组分在成焦过程中可以软化熔融，是煤粉黏结成块焦的主要原因，其黏结能力的大小和数量是决定焦炭性质的必要条件。我国炼焦煤中壳质组含量较少，一般小于3%（质量分数）［1-3］。变质程度较大的炼焦煤基本不含壳质组，可见壳质组在成焦过程中作用有限，基本可忽略。通常认为镜质组是决定炼焦煤黏结性大小的主要因素，常将其作为焦炭质量预测的一种参数。但并不是镜质组含量越高，其黏结能力及其生产的焦炭质量就越好，不同炼焦煤其镜质组的性质存在差异，因此了解镜质组黏结能力的大小对于指导炼焦配煤具有重要意义。镜质组是煤中主要显微组分，国内学者通过大量实验研究合适的显微组分分离方法［4-7］，研究各种显微组分其黏结性和结焦性的差异［8-9］，特别是镜质组的差异，韩永霞等［10］对显微组分热解特征进行了研究，这对优化配煤结构具有指导意义。

通过煤岩组成分析，可以测出煤中镜质组的含量，但是煤中镜质组的黏结能力大小（即活性组分质量）受煤变质程度、还原程度等诸多因素的影响。为了进一步确定镜质组黏结性大小，本实验利用密度液富集分离方法，分离出炼焦煤中镜质组。往镜质组中添加不同比例的惰性物质，测定其黏结能力的大小；并通过小焦炉炼焦，测定其所炼焦炭与原料煤所炼焦炭的差异，以进一步区分炼焦煤中镜质组的特性差异，为优化配煤结构提供科学依据。

1　实验部分

1.1实验原料

选取4种不同变质程度的煤作为研究用煤样，这4种煤分别为冷泉肥煤、孝义焦煤、东都气肥煤、官桥1/3焦煤。4种煤的工业分析和元素分析基础数据见表1。

表1　炼焦煤的工业分析与元素分析结果（w/%）Tab.1 Ultimate and Proximate analysis of coking coals（w/%）

1.2实验方法

1.2.1煤样的分离

各煤样主要采用密度法分离煤显微组分，主要利用不同的显微组分密度的差异而进行分离的，分离步骤为筛选、密度液精选以及静置分离，具体参照MT/T 807—1999《烟煤的镜质组密度离心分离方法》。

1.2.2煤样及其分离组分的性质分析

1）煤岩分析

煤样的煤岩测定采用德国莱卡显微光度计，镜质组反射率测定方法参照GB/T 6948—2008《煤粉光片制备及其测定的方法》，显微组分的测定参照GB/T 15588—2001《烟煤显微组分分类方法》。

2）焦炭光学组织的测定

焦炭光学组织的测定按照黑色冶金行业标准YB/T077—1995进行，实验所采用的设备为偏反光显微镜（德国莱卡），总放大倍数为500倍（×50油浸物镜和×10目镜），在正交偏光条件下插入石膏检板。采用记点法统计焦炭光学组织的质量分数。

3）焦炭的粒焦反应性测定

粒焦反应性测定的步骤：将小焦炉所炼焦炭取100 g左右，粉碎至＜6 mm（全部过筛），取3～6 mm粒级的焦炭放置于干燥箱中，在150℃干燥2 h。将干燥好的焦炭缩分至（20±0.1）g。准确称量所需实验的焦炭，记录质量，将其置于密封性良好的管式加热炉中，按照设定的程序开始升温，当温度升至400℃时，以0.3 L/min的流量通N2。当温度达到1 100℃时，切断N2，以0.5 L/min的流量通CO2，2 h后，切断CO2，再通N2，当焦炭冷却至400℃以下，停止通气，取出焦炭，称其质量。根据焦炭减少的质量计算出焦炭的粒焦反应性。

4）焦炭的显微强度测定

在自制显微强度测定仪上测定，取2 g粒度为0.6～1.25 mm的焦样，装入内装12个Φ8 mm钢球的长305 mm内径Φ25.4 mm的钢管中，以（25±0.5）r/min的转速转800 r。焦炭经转鼓后，用0.6～0.2 mm的圆孔筛，振筛5 min，称出〉0.6 mm，0.2～0.6 mm焦粒的质量，并分别计算其质量分数，分别以w1，w2表示，并以w1+w2作为显微强度指标（MSI）。

5）焦炭结构强度

在自制结构强度测定仪上测定，用量筒量取50 mL粒度为3～6 mm焦样并称质量，装入内装5个Φ15 mm钢球的长305 mm、内径Φ25.4 mm的钢管中，以（25±0.5）r/min的转速800 r/min。焦炭经转鼓后，用1 mm的圆孔筛振筛5 min，称出〉1 mm焦粒的质量分数，以〉1 mm焦粒的质量分数表示结构强度指标（SSI）。

2　实验结果与讨论

2.1煤样及其镜质组的性质对比

4种炼焦煤镜质组反射率R分布图及其所分离组分常规性质分析数据分别如图1和表2所示。

图1　4种不同变质程度煤镜质组反射率分布图Fig.1 Reflectogram of four different rank coking coals

表2　4种不同变质程度煤及其镜质组的性质分析Tab.2 Properties of four different rank coals and their’s vitrinites

按照GB/T 15591—1995中的规定，对于单一煤层的煤来说，镜质组平均最大反射率分布图应该服从正态分布且起标准偏差≤0.1，且无凹口；标准偏差在0.1～0.2之间且无凹口为简单混煤，标准方差〉0.2则为复杂混煤。由图1可以看出东都气肥煤、官桥1/3焦煤的反射率分布服从正态分布的规律，根据表1可知其标准偏差分别为0.090，0.079，均小于0.1，因此可判断二者为单一煤层煤。冷泉肥煤、孝义焦煤二者的反射率分布基本呈正态，标准偏差分别为0.133，0.136，为简单混煤，二者可以作为单一煤层煤使用。基氏流动度lgMF反映煤在干馏时形成胶质体的黏度，能表征煤的塑性［11］，而煤的塑性是指煤粉在隔绝空气的环境下，形成有可塑性的胶质体，最后黏结成块状焦炭，并黏结惰性物的能力［12］。lgMF与黏结指数G相比，不仅能反映胶质体的数量，而且反映胶质体的性质，这几种煤中镜质组基氏流动度的大小顺序为：东都煤镜质组〉冷泉煤镜质组〉孝义煤镜质组〉官桥煤镜质组。这几种煤所分离的镜质组的G和lgMF都较原料煤大，但不同炼焦煤的增加幅度并不相同。

2.2不同变质程度炼焦煤中镜质组容惰能力的研究

煤的容惰能力表示煤容纳惰性物的能力，周师庸等［13］提出了容惰能力可以进一步反映不同变质程度煤镜质组的活性大小。张代林［14］采用黏结指数法测定烟煤的容惰能力，即通过测定在烟煤中添加不等量惰性物时的黏结指数，来确定黏结指数G值与惰性物添加量的关系。在保证各炼焦煤镜质组与标准无烟煤总质量为6 g的情况下，改变镜质组与标准无烟煤的配比（W/Y，质量比），即镜质组混入不等量的无烟煤，测定其黏结指数G值的变化，实验结果见图2。

图2　镜质组容惰能力曲线Fig.2 Inert-tolerant capacity graph of vitrinites

从图2可以看出，随着各单种煤中惰性物添加量的增加，黏结指数G值均呈下降的趋势，但是不同单种煤黏结指数G值下降的幅度不同。图2表明：G值随W/Y比值增加呈线性减小；不同变质程度的镜质组G值随W/Y比值的增加幅度不同。W/Y比值的增加并非是由于煤显微组分含量发生变化，而是测定G值时外加惰性物的减少使镜质组相对含量发生变化。不同变质程度镜质组的G值随镜质组含量增加的幅度不同，在拟合的线性方程中表现为线性方程斜率不同。考虑到G值同时受镜质组组分的活性质量和数量的影响，描述镜质组活性大小时无法排除测定煤中镜质组含量差异的干扰，会对真实镜质组活性质量产生偏差，甚至误判，故采用线性拟合方程的斜率K表征镜质组活性质量。各单种煤镜质组在不同（W/Y）值与黏结指数G值的回归方程如表3所示。

表3　镜质组容惰能力曲线的回归方程Tab.3 Regression equation of inert-tolerant capacity graph of vitrinites

4种单种煤镜质组组分G值对（W/Y）值的拟合线性方程，相关系数都在95%以上。K值大，表明镜质组G值随外加惰性物的增加其黏结指数G值下降幅度小，镜质组容惰能力大，其黏结性质量越好，从表中可知东都镜的K值最大，而官桥镜的K值最小，K值大小顺序为东都镜质组〉孝义镜质组〉冷泉镜质组〉官桥镜质组。K值大小可反映镜质组容惰能力大小，K值越大，表明镜质组随着添加无烟煤量的增加，其下降幅度小，从而说明该镜质组容惰能力较大。在炼焦配煤中配入较大容惰能力镜质组的炼焦煤可改善配合煤的黏结性，这为调整配比提供了依据。

2.3不同变质程度炼焦煤及其镜质组炼焦实验

2.3.1焦炭光学组织分析

各试样所炼焦炭的其焦炭光学组织组成测定结果如表4所示。表中OTI表示焦炭光学组织指数。将各向同性、细粒镶嵌、中粒镶嵌、粗粒镶嵌、流动状（不完全和完全纤维状）、片状、丝质和破片组织的光学组织指数分别赋值为0，1，2，2，3，4，0，然后按以下公式计算OTI值。

式中：Xi为各光学组织的质量分数；IOTI为各光学组织的赋值。

表4　各煤样所炼焦炭光学组织组成（w/%）Tab.4 Results of optical texture for the samples（w/%）

根据表4，通过比较东都与东都镜质组、官桥与官桥镜质组、冷泉与冷泉镜质组、孝义与孝义镜质组4组数据焦炭的光学组织含量可以看出，镜质组所炼的焦炭其OTI值明显比原煤样所炼焦炭的OTI值要高，其中冷泉煤的增加趋势要比其它几种煤样高。通过各组分的比较可以看出，镜质组所炼的焦炭其各向同性、丝炭与破片的百分含量比原煤样焦样明显减少，细粒镶嵌变化不明显，中粗粒镶嵌状组织含量有很大程度的增加，流动状和片状组织含量略有增加，这说明镜质组含量越高的煤所炼焦炭的光学各向异性程度增强，OTI值增大。在配煤中选择镜质组含量多的炼焦煤，有利于提高焦炭各项异性程度，可改善焦炭质量。

2.3.2焦炭性质分析

各种煤样所炼焦炭的性质如表5。由表5可以看出：镜质组所炼焦炭的显微强度和结构强度要比原煤样所炼焦炭的强度低。4种不同变质程度炼焦煤及其镜质组所炼焦炭强度的变化趋势不同。镜质组所炼焦炭的粒焦反应性值要比原煤样所炼焦炭低，其中东都气肥煤的变化值最明显。炼焦煤与炼焦煤中镜质组其结焦性存在明显差异，利用炼焦煤中镜质组结焦性差异可为优化配煤结构，提高配煤科学性提供依据。

表5　各种煤样所炼焦炭的性质Tab.5 Properties of cokes from these samples

3　结　论

1）不同变质程度炼焦煤镜质组容惰能力的大小顺序为：东都镜质组〉孝义镜质组〉冷泉镜质组〉官桥镜质组。

2）与原炼焦煤所炼焦炭相比较，各炼焦煤镜质组所炼焦炭光学组中各向同性、丝炭与破片的含量显著减少，中、粗粒镶嵌状组织含量显著增加，流动状和片状组织含量略有增加。

3）各炼焦煤镜质组所炼焦炭的显微强度和结构强度均较原炼焦煤所炼焦炭小，炼焦煤镜质组所炼焦炭的粒焦反应性低低于原炼焦煤所炼焦炭，随变质程度增大，其粒焦反应性下降趋势逐渐减少。

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责任编辑：丁吉海

Study on Vitrinite Properties of Different Rank Coking Coals

REN Xueyan1，ZHANG Dailin2，WANG Kun2，HUANG Dazhong2，ZHANG Xiaoyong2
（1.Baosteel Meishan Iron&Steel Ltd.Co.，Nanjing 210039，China；2.Anhui Key Laboratory of Coal Clean Conversion and Utlization，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243002，China）

Properties of the vitrinites of macerals separated from four different rank coals by density centrifugation method were analyzed，and properties of the cokes made from the raw coals and vitrinites by the poilt coke oven test were analyzed and compared.The results show that，the order of inert-tolerant capacity of vitrinites is Dongdou〉Xiaoyi〉Lengquan〉Guanqiao；Compared with the cokes made from the raw coals and vitrinites，the OTIs of cokes made from vitrinites are higher than those from the raw coals，but the micro-strength，the structural strength and reactivity of coke made from vitrinites are lower than those made from the raw coals.

vitrinite；rank；coke optical texture

TF526.1

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.01.009

1671-7872（2016）-01-0038-06

2015-11-06

国家自然科学基金项目（U1361128；50574004）

任学延（1961-），男，江苏江阴人，高级工程师，研究方向为炼焦配煤。

张代林（1968-），男，安徽当涂人，教授，研究方向为炼焦配煤。