煤岩学与配煤炼焦

1 引言

1.1 煤岩学简介

煤岩学是把煤作为有机岩石为其研究对象,研究其性质、变化及应用的一门学科。它认为,煤本身是一种由多种性质不同的组分以不同的结构混合组成的、性质复杂多变的有机岩石,而非单一的纯净物;提出了活性组分和惰性组分的概念,并按镜质组、半镜质组、丝质组、壳质组以及矿物,对显微组分进行分类和定量统计分析。煤本身的一些物理、化学性质及经历的成煤过程,如密度、元素组成和成煤作用、地质年代等,同煤岩显微组分组成及镜质组反射率这两项指标具有非常密切的关系。

应用煤岩学是:抓住煤本身并非单一纯净物这一特征,运用各种常规研究手段来研究煤中各组分及组分间交互作用对煤性质的影响;研究不同变质程度煤及其交互作用对混合煤性质的影响。

1.2 炼焦配煤技术

从单种煤炼焦到多种煤配合炼焦是焦化工业的一大进步,现代焦炉几乎都采用多种煤配合炼焦。配煤技术作为一个科研领域正在不断发展,但近几十年来,配煤技术较多停留在定性的、经验的阶段。随冶金技术对焦炭质量要求的逐步提高,经验配煤由于不能从根本上解释配煤炼焦生产中出现的反常现象,不能实现从定性到定量的转化,已不能满足焦化生产要求。对此,作为近代焦化基础理论之一煤岩学,虽然发展仍不够完善和成熟,但由于其对煤的重新认识及其理论的可行性,较现行原料煤分类却更科学和先进。

随着煤岩理论的深入和完善,以及配煤技术的发展,科学配煤离不开煤岩学已得到一致公认。目前,世界各国开发的配煤技术,凡是论证较充分、效果较好的,无一不以煤岩学为基础。上世纪80年代,国内的煤岩配煤技术开始得到较快发展。用煤岩学观点和方法预测焦炭质量,并指导配煤是50多年煤岩学发展的大事,也是焦化工业重大科研成果。目前,煤岩学已广泛应用于煤的研究及生产实践中。在焦化工业,煤岩学作为一种有用理论正在被广泛接受并逐渐应用于生产实践。

2 煤岩配煤的基本原理

根据煤岩学理论及其对煤的深入认识,煤岩配煤的发展已形成几条公认的基本原理。

2.1 煤是不均一物质

每种煤都是一种天然的配合煤,所以绝大多数煤都不合乎单独炼焦的要求。为此,煤岩工作者通过显微镜观察,即煤在加热过程中的动态变化,把加热过程中能熔融并产生活性键的成分划为有粘结性的活性组分;加热不能熔融、不产生活性键的划为无粘结性的惰性组分。镜质组和壳质组是活性组分,丝质组是惰性组分,半镜质组是两性组分。

2.2 煤中各活性组分质量的非均一性

镜质组的反射率分布图证明了这一点。对于任何单种煤,由于其各活性组分经历的成煤作用集中且较接近,变质程度亦相近,在镜质组的反射率分布图上,均呈现正态分布。

2.3 惰性组分和活性组分在配煤中都不可缺少

缺少或过剩都对成焦不利,会导致焦炭质量的下降。对焦炭质量有一定要求的配煤,实际

是不同活性组分与适量惰性组分的组合。煤岩学确定一种煤的性质,主要看镜质组反射率和镜质组含量,与现行煤分类无关。

2.4 成焦过程

该过程不是煤粒相互熔融成均一焦炭的过程,而是通过煤粒间的界面反应、键合而连接的,有化学反应,也有物理结合。焦炭的晶相分析表明,惰性组分通过与熔融的活性组分发生化学反应和物理结合而成为一体,并随煤粒内外平行发生的有机物的裂解和缩聚反应,进一步缩聚而成焦块。以上述观点为基础的煤岩配煤技术在理论上已基本成熟,但到目前为止,还没有广泛适用且效果较好的具体方法。

3 几种有代表性的煤岩配煤方法

通过几十年发展,该理论不断充实和完善,一些研究院所和生产厂家建立了数种有代表性的煤岩配煤系统或数学模型,有的已取得较理想结果。

3.1 阿莫索夫和施皮罗法

由前苏联的И.Н.阿莫索夫等在1957年提出,美国施皮罗等进行了改进。60年代中期,日本木村英雄等进一步改进,于1974年在新日铁应用。

此法以煤岩组成和镜质组反射率为基础,把煤岩显微组分分为两大类: 活性组分=镜质组+壳质组+1/3半镜质组惰性组分=丝质组+2/3半镜质组+矿物组提出了强度指数SI和组成平衡指数CBI两种指标。

SI=∑aixi/∑x CBI=(100-∑xi)/∑xi/∑bi

式中：

a-强度指数;

b-反射率为i‰的镜质组与惰性组分的最佳配合值;

i-为煤阶, 3~21;

x-含量,%。

3.2 美国伯利恒钢铁公司法

由美国汤姆逊提出,原理同前,但方法有别。在美国伯利恒钢铁公司实施。以惰性组分含量-ASTM焦炭稳定性对反射率从0.8%~1.8%的镜质组分别做等反射率曲线,并将半镜质组按惰性组分处理。

3.3 日本宫津隆法

引入吉泽勒最大流动度MF,以镜质组反射率R0max为变质指标,设计了MOF图指导配煤。认为,MF<200~1 000 PM, R0max在1.2%~1.3%间为炼焦配煤最佳范围,同时在MOF图上把煤分为4类。

3.4 加拿大利德法

与上法相似,只是把半丝炭作为50%活性组分计算。该法是以吉泽勒最大流动度MF为纵坐标,以镜质组反射率R0max为横坐标,用180个煤样在炉宽310 mm的试验焦炉中炼焦,得出焦炭稳定性;用逐步多级回归方程获得一组焦炭的等稳定性曲线,以此预测焦炭质量,指导配煤。

3.5 荷兰文克·列威伦法

该法提出,用惰性组分含量计算总奥亚膨胀度,用镜质组反射率R0max做焦炭的等稳定性曲线。其总奥亚膨胀度:

D=D0×V×If

式中：D0-无惰性成分时的总膨胀度;

V-煤中镜质组的体积;

If-惰性因子。

3.6 美国钢铁公司盖内伐厂的方法

提出用配合煤反射率指数BRI来代替反射率。该方法是以镜质组0.8%、1.2%为界,把煤分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类,即

BRI=∑aixi+∑biy2i+∑ciz3i

式中：ai、bi、ci-分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类煤的质量百分数,%;

xi、yi、zi-分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类煤的镜质组平均反射率。

以高挥发分煤含量、焦炭稳定性因素做BRI曲线,用于预测焦炭强度。

3.7 澳大利亚的布郎-塔洛法

1964年布郎和塔洛等提出的方法,是以澳煤为对象,以两个指标指导配煤:镜质组最大反射率或含碳量和煤岩组分组成指数。以这两个指标为纵横坐标,做等坩埚膨胀序数曲线、6.35 mm等硬度因素曲线、38.1mm等堕落系数曲线和等挥发分曲线;根据所定焦炭质量对拟订的配煤方案进行调整。特点是,提供原始数据迅速,图解简单明了,在一定条件下,可鉴定一个煤层煤的结焦性质。

3.8 前西德赛莫奈斯和马科夫斯基法此法除了考虑用煤岩的指标外,还考虑煤加工和炼焦的一些条件来预测焦炭质量,如煤料的颗粒组成和堆密度、平均结焦速度,以及平均炉宽等,计算方法复杂,且各段计算没有验证资料。

3.9 周师庸法

我国著名煤岩学专家周师庸在60年代就已提出煤岩配煤是配煤技术的发展方向。他认为,选择若干煤的成因因素为自变量,某些焦炭质量指标为应变量进行回归分析,选择相关系数最大,可以达到工业应用水平;方差最小,小到比自变量测定方法中所规定的误差范围还小的回归方程,作为预测焦炭质量的依据。据此,从一组符合焦炭质量要求的配煤方案中选择出成本最低的方案。方法提出了标志煤还原程度的指标:烟煤容纳惰性物质的能力,兼用了奥亚膨胀度和罗加指数的原理,并校正了此二指标存在的缺陷,新的指标演化出了容惰积IA、容惰率和最大容惰量Imax三个指标;并指出该指标受煤的变质程度和煤的显微组分组成的影响,需同有关煤岩指标同时使用。在此基础上,新疆钢铁公司和酒泉钢铁公司经过系统实验,分别回归出其最佳方程:M40=30.99+0.06Imax-9.59×10-4IA+39.41R0max+0.004∑I (R=0.856, SE=0.940)M10=28.69-0.15Imax+7.12×10-4IA-11.18R0max-0.002∑I (R=0.939, SE=0.489)M40=66.557-12.086 R0max +0.618∑I M10=14.954-1.156R0max -0.131∑ICr=52.815+26.60 R0max -1.918∑I Sar=50.392-83.09 R0max +3.568∑I