焦炭热态性质

影响焦炭热态性质的因素探讨

郑明东王晓燕（安徽工业大学化学与化工学院，马鞍山243002)

随着科学技术的发展，人们对高炉生产过程的了解越来越详细，同时也对焦炭在高炉内的变化过程有了更加深入的了解。传统的评价焦炭质量的指标均是冷态性质与成分，它们已不再能满足高炉生产的需要。为此，提出焦炭热态性质指标，通常采用焦炭的反应性（CRI）和反应后强度（CSR）。影响焦炭热性质的因素很多，也很复杂，目前还没有比较全面的解释。本文从原煤性质方面来探讨这些因素与CRI、CSR的关系。

1 试验方法

对皖北的17种煤样进行了工业分析、粘结性指标及灰成分组成分析等试验，并进行了4 0kg小焦炉炼焦试验，测定相应的焦炭各性质指标。煤的Ad、Vdaf、G、Y、Std、M40、M10、CRI、CSR的分析均按照国标方法进行。

2 试验结果与讨论

2.1 灰分对热性质的影响

(1) 灰分对焦炭的影响可分为两方面，一方面是灰分中的SiO2、脉石等颗粒状岩石的影响；另一方面是灰分中的碱金属的影响，见图1。

由图l可看出，随着原料煤中灰分含量增加，焦炭的CO2反应性变大，反应后的强度变小。这是由于灰分中SiO2等颗粒状的岩石在高温下的热膨胀性与焦炭不同，导致以它们为中心产生放射性裂纹，使得焦炭与CO2接触面变大，加快反应速度。

(2) 灰分中的矿物质即是指煤中矿物质的氧化物，它包括酸性氧化物和碱性氧化物。矿物质对焦炭在高炉内降解是通过以下两条途径实现的，一是通过对溶损反应的催化作用，使焦炭溶损反应加剧，反应后强度降低；另一条途径是矿物质可以直接与碳作用，如高炉内的直接还原反应，TiC形成，钾、钠的层间化合物形成等。

矿物质是指煤中矿物质的氧化物，对焦炭的碳溶反应有催化作用，它包括酸性氧化物、碱性氧化物的盐类。考虑全部的酸、碱成分后的校正酸碱指数MBI*为：

MBI*＝(Na2O+K2O+CaO+MgO+Fe2O3+TiO2+MnO)/(SiO2+A12O3+P2O5) （1）

由图2可知，当碱度指数增大时，焦炭的CO2反应性也增大，而焦炭的反应后强度逐渐降低。说明碱金属对焦炭的溶损反应主要起着正催化作用，它们的存在严重地影响焦炭的热性质，在生产中应该采取有效措施来控制碱金属的含量，以便提高焦炭的热性质。

2.2 煤化度指标对焦炭热性质的影响

由图3可见，煤的挥发分与焦炭的反应性和反应后强度有着密切的关系。随着单种煤的挥发分含量增大，焦炭的CO2反应性变大, 反应后强度逐渐降低。尤其是挥发分含量在2 0%～24％之间的煤,其焦炭反应性和反应后强度较好。这是由于在炼焦过程中，随着温度的升高挥发分逐渐析出，挥发分含量越高，焦炭的孔隙越多或越大，使得焦炭的孔壁变簿及比表面增大，与CO2接触面增大，加快其反应速度。

煤的镜质组反射率是表征煤化度的一个重要指标，也是影响焦炭强度的一个重要因素。由图4可见，随着单种煤的镜质组反射率的变大，焦炭的CO2反应性降低，而焦炭反应后强度逐渐变大。当R0max(是指焦炭平均最大反射率，下同)在1.3～1.8之间时，焦炭的反应性和反应后强度较好。

2. 3 粘结性指标对焦炭热性质的影响

图5表明，单种煤和粘结指数与焦炭的反应性和反应后强度之间存在一定的关系，基本规律是随着单种煤粘结指数的增大，焦炭的反应性降低，但反应后的强度却随之增大。2.4 硫分对焦炭热性质的影响

由图6可见，原料煤中的硫分与焦炭热性质之间存在着一定的关系，随着煤中硫分的增加，焦炭的热性质变好，表现在反应性降低，反应后强度增大。究其原因是焦炭中的硫以有机硫形式存在的，形成C-S-C键，加长了分子链，还使分子间形成网状结构，加固了焦炭的结构。因此使得焦炭的热态性质变好。

李运勇等人在其文章中也证实了硫化物的存在对焦炭的反应性有抑制作用。在H.C.Wiki son的研究中，也认为煤中的硫也能使焦炭的反应性增加。由于实际生产中硫对后续的高炉生产会造成不便，所以还应控制硫的含量。

3 建立数学模型

3.1 焦炭CO2反应性预测模型

影响焦炭热性质的因素很多，主要有原料煤的煤化度、粘结性指标、碱度催化指数等。本文选择了灰分、硫分、煤化度、粘结指数、碱度催化指数等指标进行不同组合，建立了焦炭CO2反应性指标预测模型，表述如下：

CRI＝15.72251－0.4124Ad+0.433282Vdaf－0.21519G+144.0259MBI*－7.74784Std (2) tAd=－0.47375，tVdaf=1.597362，tStd=1.50653，tG=1.92717，tMBI*=4.187902

a = 0.2，ta =1.363，︱tAd ︱＜ta

所以,认为tAd对CRI的影响不大，可以从方程(2)中剔除，于是有方程：

CRI＝11.27679+0.480049Vdaf－6.05904Std－0.22999G+140.8076MBI* (3)

R=0.94518，F＝25.13384，s=2.435224

当n=17, a=0.05，查相关系数R表和F分布表，得R=0.641, F＝3.01，所以该回归方程有95%的把握在一定范围内是可靠的，且在a=0.05的水平上是显著的。

CRI＝7.313158+0.62257Vdaf－0.28439G+147.0583MBI* (4)

R=0.93166，F=28.49165，s=2.603278

用R0max来代替Vdaf建立焦炭的CO2反应性预测模型，得方程：

CRI=33.07695－0.33653G+165.6813MBI*－7.25776R0max (5）

R=0.91772，F=23.12774，s=2.846191

检验方法同式（3)，检验结果表明式（4)、(5)都有95％的把握在一定范围内是可靠的，且在a=0.05的水平上是显著的。

3.2 焦炭反应后强度预测模型

与焦炭的CO2反应性预测模型相同，选择原料煤性质指标不同组合建立焦炭反应后强度预测模型，模型表述如下：

CSR=56.95597－0.0084Std－0.31707 Vdaf+0.770489G－273.816MBI* (6)

R=0.91624，F=15.69125，s=5.216949

CSR=56.95048－0.31687Vdaf+0.770414G－273.807MBI* (7)

R=0.91624，F=22.66513，s=5.012283

CSR=44.34907+3.255481 R0max +0.800981 G－284.375MBI* (8）

R=0.91463，F=22.17883，s=5.058043

检验式（6)、(7)、(8)表明这3个方程存在着相关性，且在a=0.05的水平上是显著的。采用霍州焦化有限责任公司的小焦炉试验数据来检验式（3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)的正确性及实用性，结果如图7、图8所示。