粒度对炼焦煤工业分析的影响

2022-07-29韩艳伟李国江谢全安梁英华王杰平史春雷

煤炭加工与综合利用 2022年6期

韩艳伟, 程欢, 李国江, 谢全安, 梁英华, 王杰平, 史春雷

(华北理工大学化学工程学院, 河北唐山 063210)

炼焦煤的工业分析是分析其它工艺指标的一个重要前提, 主要包含水分、灰分、挥发分的测定过程以及固定碳的计算[1]。适量的水分有利于煤炭的运输以及储存, 水分含量过高则会对煤炭资源的利用产生不利影响。在配煤炼焦过程中需要将挥发分控制在一定的范围内, 并根据挥发分来确定不同煤种的配比, 而依据煤样的固定碳含量也可以来预估焦炭的产率[2]。高灰分含量会对煤的发热量造成影响, 在成焦过程中灰分转移到焦炭中会影响焦炭的热性质[3,4]。因此, 根据工业分析结果可以了解炼焦煤的质量、成因、种类以及在工业生产中的应用效果[5]。

工业分析的制样过程会影响测试结果的准确性, 郭文杰等[6]探究了“是否只要粒度＜0.2 mm的煤样均可用于工业分析” 这一问题, 并对不同粒径的煤样进行工业分析测试, 发现不同粒径的煤样工业分析测试结果差异较大, 且测试结果不具有规律性。不同煤样显微组成显著不同, 单一煤样所得测试结果具有一定的偶然性, 因此诸多学者对于不同粒径下煤的工业分析指标进行了检测。一些学者认为, 随着粒径的减小, 水分含量呈现增大趋势[7-9]。对于矿物质随粒径的变化规律, 曾凡桂[10]研究表明, 煤粉中矿物质含量随着煤粉粒度的减小而下降, 而刘忠等[11]研究显示, 矿物质含量随着煤样粒径的减小而上升。关于挥发分随着粒径变化的规律差异也较大, 部分学者认为, 挥发分含量随着粒径减小而呈现上升趋势[12-15]。而刘忠等[11]则发现挥发分产率随粒径减小而减小。以上研究结果差异较大, 有些规律甚至截然相反, 这主要是因为影响挥发分的因素较为复杂, 包括煤岩组分富集、传质情况等。为了探究粒度对于煤样工业分析指标的影响, 选取了不同变质程度的炼焦煤, 以期探究不同粒度炼焦煤工业分析指标的变化规律。

1 实验材料与方法

1.1 试验材料

实验所选取的煤样为某焦化厂中5 种不同变质程度炼焦煤, 分别为TK 气煤、 LM 1/3 焦煤、ML 肥煤、 TL 焦煤以及SG 瘦煤。

1.2 试验方法

实验所用仪器以及检测标准见表1。

表1 实验所用仪器以及检测标准

针对所选取的5 种不同变质程度典型炼焦煤, 制备空气干燥基煤样, 然后进行破碎、筛分, 依次过80 目、 100 目、 160 目、 200 目筛,制备80～100 目、 100 ～160 目、 160 ～200 目、小于200 目煤样, 最后对不同粒度的空气干燥基煤样进行水分、灰分、挥发分的检测, 按式(1)计算煤样的空气干燥基固定碳。

式中: Mad为空气干燥基水分,%; Aad为空气干燥基灰分,%; Vad为空气干燥基挥发分,%;FCad为空气干燥基固定碳,%。

2 实验结果及分析

2.1 粒度对煤样水分的影响

不同粒度煤样水分测试结果见表2 和图1。

表2 不同粒径煤样的水分 Mad/%

图1 煤样粒度与水分的关系

从表2 可知, 随着粒径变化, TK 气煤的水分含量在2.23%～2.32%之间波动, LM 1/3 焦煤的波动范围为在1.22% ～1.44%, ML 肥煤为0.55%～0.74%, TL 焦煤为0.52%～0.77%, SG瘦煤波动范围为0.97%～1.18%。

从图1 可知, 随着粒径从80 ～100 目减小至小于200 目, 5 种煤样表现出类似的变化趋势,即随着粒径的减小, 水分含量上升, 这与张波、赵虹等人研究结果一致[7,9]。工业分析所测得的水分主要是存在于煤样的内部孔隙中, 煤颗粒越小内部的孔隙也就越多, 因此煤样中水分也就越多[8]。此外, 从图1 可以看出, 粒径从100 ～160 目减小至160～200 目, 煤样水分增长幅度最大,而从80～100 目到100～160 目以及从160～200 目到小于200 目水分整体变化较小, 这说明160 目可能是水分含量的一个突变点。

不同变质程度炼焦煤随着粒径减小水分含量变化幅度也有所差别, 如LM 1/3 焦煤从100 ～160 目到160～200 目水分上升幅度最大; 从80 ～100 目到100 ～160 目以及从160 ～200 目到小于200 目, 不同煤种随着粒径的减小变化幅度也存在一定的差异, 这说明水分含量可能与煤种本身性质有关。这与不同煤种的结构疏松程度、极性官能团的多少和内部孔隙发达程度有关[16]。

2.2 粒度对煤样灰分的影响

不同粒度煤样灰分测试结果见表3 和图2。

图2 煤样粒度与灰分的关系

表3 不同粒径煤样的灰分 Aad/%

由表3 可以看出, 所选5 种典型炼焦煤80 ～100 目的煤样灰分含量从高到低为TL 焦煤、 SG瘦煤、 ML 肥煤、 LM 1/3 焦煤、 TK 气煤, 灰分含量分别为10.41%、 9.65%、 9.19%、 7.86%、7.34%。

由图2 可知, 随着粒径从80 ～100 目减小至小于200 目, 不同粒径的分析煤样灰分呈现出一定规律变化, 即随着粒径的减小, 煤样灰分含量呈现下降趋势, 其他学者的研究亦得到了类似规律[7,17]。灰分含量的多少与煤中矿物质息息相关, 煤主要由有机质以及部分矿物质组成, 并且有机质以及矿物质在煤样中的分布状态存在不均匀性, 在制样过程中, 矿物质以及煤中有机质会发生分离, 由于矿物质的硬度以及耐磨度较大,因此大颗粒煤样中矿物质含量较高, 故粒径减小灰分下降。

ML 肥煤在粒径较大时(80～100 目以及100～160 目)灰分含量低于LM 1/3 焦煤, 但粒径较小时(160～200 目以及小于200 目)灰分含量却高于LM 1/3 焦煤, 这说明粒径对于不同煤样的影响程度不同。这与煤样的破碎过程有关, 不同煤样矿物质组成不同, 而组成的差异会导致可磨性也存在差异[15]。有研究表明, 煤种对于煤的破碎过程影响较大, 韧性较强的组分粉碎过程较难,因此会导致在粒度较大的煤样中含量更高[18]。

2.3 粒度对煤样挥发分的影响

由表4 可知, 5 种炼焦煤的挥发分含量由高到低分别为TK 气煤、 LM 1/3 焦煤、 ML 肥煤、TL 焦煤以及SG 瘦煤。

表4 不同粒径煤样的挥发分 Vad/%

从图3 可知, 随着粒径由80 ～100 目减小至小于200 目, 挥发分呈现出一定变化规律, ML肥煤、 SG 瘦煤随着粒径减小挥发分表现出上升的趋势。这与秦荣、张波实验结果一致[7,12]。周静等[13]亦认为粒度越小, 挥发性物质产生量越多, 这主要与传质过程有关, 大颗粒在加热过程中内部的热量传递速度较慢, 且由于颗粒较大会造成挥发性物质析出过程较为困难, 而这可能是粒径较大的煤样挥发性物质产生较少的原因。

图3 粒度与ML 肥煤、 SG 瘦煤挥发分的关系

从图4 可以看出, TK 气煤、 LM 1/3 焦煤和TL 焦煤随着粒径的减小, 挥发分呈现下降趋势。这与刘忠、吕明超研究结果一致。挥发分的产率与煤岩组成有关, 研究发现, 在壳质组中挥发分最高, 镜质组含量稍低, 惰质组挥发分产率最少[22]。在制备煤样的过程中, 不同煤岩组分可磨性有所差异, 随着粒径的减小, 分析煤样中镜质组含量下降, 而惰质组含量会有所上升, 因此导致了挥发分的降低。

图4 粒度与TK 气煤、 LM 1/3 焦煤和TL 焦煤挥发分的关系

综上所述, 随粒径减小, 不同煤种的挥发分表现出不同的变化规律, 这主要由于挥发分受到制样过程煤岩组分富集的影响以及粒径所导致的传质影响, 不同煤种由于结构以及组成存在差异, 因此影响挥发分的主要因素不同。

2.4 粒度对煤样固定碳的影响

不同粒度煤样固定碳含量测试结果见表5。从表5 可知, 从TK 气煤、 LM 1/3 焦煤、 ML 肥煤、 TL 焦煤到SG 瘦煤, 固定碳含量不断上升。5 种典型炼焦煤中固定碳的变化趋势如图5 所示。

表5 5 种典型炼焦煤不同粒径的固定碳含量FCad/%

从图5 可以看出, 随着粒径的不断减小固定碳的含量变化也呈现一定变化规律, TK 气煤、LM 1/3 焦煤、 TL 焦煤、 SG 瘦煤均随着粒径的减小, 固定碳含量不断升高; 这可能与煤样在破碎筛分过程中不同组分之间的偏析有关。而随着粒径的减小, ML 肥煤固定碳含量呈现出先上升后下降的趋势, 这与ML 肥煤灰分产率先下降后上升相对应。不同变质程度的煤样化学结构特征存在显著差异, 这会对煤样的固定碳含量造成影响。

图5 不同粒径的典型炼焦煤固定碳含量变化

以上分别对煤样工业分析的水分、灰分、挥发分、固定碳含量随着粒径差异而产生的变化规律进行了阐释。由于煤样中不同组分可磨性不同, 因此会发生偏析作用, 导致不同粒径中显微组分富集现象, 并且不同粒径的煤样传质过程也会影响工业分析指标的测试结果。不同粒径LM 1/3 焦煤水分含量最大差值为0.32%, 不同粒径SG 瘦煤灰分最大差值1.30%, 不同粒径TK 气煤挥发分最大差值为0.69%, 不同粒径TK 气煤固定碳最大差值为0.92%, 综上所述, 工业分析测试结果受到粒径差异的影响较为明显, 因此在制样过程中应该将筛上物反复破碎、筛分, 以制备所需粒度的煤样, 尽量减小由于煤粉偏析造成的实验结果偏差。