（工程热物理专业论文）煤的粘结性对挥发分析出及焦炭燃烧的影响.pdf

浙江人学硕士学位论文 摘要 粘结性是煤的一项重要的工艺性质，是炼焦用煤的主要参考指标。粘结性对 挥发分的析出和焦炭的燃烬都有影响，在还原性气氛中表现的比较明显。已有的 煤的着火和燃烬的判别指标往往忽略了粘结性的影响，它们对煤的燃烧情况的判 别与实际有偏差。分析粘结性对煤的挥发分析出和焦炭燃烧的影响，以便为着火 和燃烬指数的完善提供依据。 本文选取了粘结性指数为0 5 4 的四种典型烟煤，设定不同的试验工况，比 较各工况的热天平热解曲线和热解特征参数，分析了粘结性对挥发分析出过程的 影响。并用热解动力学从化学反应的本质解释了升温速率对煤的粘结性的改善作 用。 对热天平和马弗炉制备的焦炭外观特性进行了描述。对其燃烧特性进行比较， 分析了粘结性与各燃烧特征参数之间的关系。用氮气吸附仪测定了焦炭的孔隙特 征，结果显示粘结性对孔隙形成起到了一定的作用，并进而影响了焦炭的燃烧特 性。 关键词：粘结性挥发分焦炭孔隙结构 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a k i n gp r o p e r t yi sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i cf o rc o a l i ti sa nm a i n r e f e r e n e ei n d e xf o r m e t a l l u r g i c a lc o a l c a k i n gp r o p e r t y a f r e c t sb o t hv o l a t i l e s d i s t i l l a t i o na n dc o k e sb u r no u t c a k i n gp r o p e r t yt a k e so no b v i o u s l yi nr e d u c i n g a t m o s p h e r e t h ee f f e c to fc a k i n gp r o p e r t yi si g n o r e dc o m m o n l yi ne x i s t e n c ei n d e x e so n i g n i t i o na n db u r no u t ，d e c l i n a t i o ne x i s t si nt h e s ei n d e x e s 。s oa n a l y z i n ge f f e c to fc a k i n g p r o p e r t yt ov o l a t i l e sd i s t i l l a t i o na n dc o k e sb u r n i n gw i l lo f f e rb a s i st op e r f e c ti n d e x e s o ni g n i t i o na n db u r no u t f o u rt y p i c a lc o a ls a m p l e sw e r es e l e c t e d t h e ya l lb e l o n gt ob i t u m e n i t e a n dt h 【e r e i saw i d er a n g eo fc a k i n gp r o p e r t yi n d e x e sf r o m0t o5 4 ，d i f f e r e n c e sa m o n gp y r o l y s i s c u r v e so fc o a ls a m p l e sf r o mt h e r m o g r a v i m e t r i ca p p a r a t u sw e r ec o m p a r e d s od i d p y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s a n dt h e ne f f e c t so fc a k i n gp r o p e r t yt ov o l a t i l e s d i s t i l l a t i o np r o c e s sw a sa n a l y z e d e x p l a n a t i o nw a sg i v e no ni m p r o v e m e n te f f e c to f h e a t i n gr a t e t oc a k i n gp r o p e r t yf r o me s s e n c eo fc h e m i c a lr e a c t i o nu s i n gp y r o l y s i s k i n e t i c s s u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so fc o k e sf r o mt h e r m o g r a v i m e t r i ca p p a r a t u sa n dm u 衄e b u r n e rw e r ed e s c r i b e d a n dd i f i e r e n c e sa m o n gc o k e s t o n i b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r e p r e s e n t e d a n a l y s i s o n r e l a t i o n s h i p b e t w e e nc a k i n g p r o p e r t y a n dc o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r sw a sf i n i s h e d c o k e sp o r es t r u c t u r ew a sm e a s u r e di nn ， a d s o r p t i o na p p a r a t u s i ti sc o n c l u d e dt h a tac e r t a i ne x t e n tc a k i n gp r o p e r t ya f f e c t sp o r e f o r m i n ga n dt h e na 鼠c t sc o k e sc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：c a k i n gp r o p e r t y v o l a t i l ec o k e p o r es t r u c t u r e i i 学号2 里至里8 至竺量 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工：作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝至三盘生或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王与2 鬃 签字目期：加豇年2 ，月上矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：乏分 瘩 签字日期：弘归f 年2 月三占日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 新擗：抄7 签字曰期：? a r 年月2 善日 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 能源是实现经济可持续发展的重要保障，也是人类赖以生存的基础，足实现 农业、工j 队国防以及科学技术现代化和提高、改善人们生活水平的必要条件， 是现代化生产的主要动力和重要原材料的来源。能源直接影响人类经济牛活和世 界政治趋势。 煤炭是我国的基础能源和重要原料，在国民经济中具有重要的战略地位。从 我国能源资源的结构看，煤炭将长期是我国的主要能源，2 0 0 2 年，我国能源生产 总量为1 3 9 亿吨标煤，其中原煤占7 0 7 ，原油占1 7 2 5 ，天然气占3 ，水电 占8 9 。能源消费总量为1 48 亿吨标煤，其中煤炭占6 6 1 ，石油占2 3 4 ， 天然气占2 7 ，水电占7 8 。【1 1 表1 1 列出的是2 0 0 0 年我国化石燃料剩余资源量与储采比，从表可以看出， 我国煤炭资源保障程度相对较高，是现实可靠的能源。另外，煤炭价格相对低廉， 是经济合理的能源。 表1 12 0 0 0 年我国化石燃料可经济开采资源量与储采t - l 1 2 1 我国所消费的煤炭资源占商品能源的7 5 ，是世界上最大的煤炭消费国家， 大约有8 0 的煤碳资源是用在电厂锅炉和工业锅炉。表1 2 所示为中国的煤炭资 源在各行业的消费。 我国以燃煤火电为主的电力工业，到2 0 0 0 年煤电占装机容量的7 4 4 ，随着 新能源的采用和发电用煤技术的提高，煤电在电力能源消费总量的比例逐年下降。 根据有关部门预测，2 0 l o 、2 0 2 0 及2 0 3 0 年分别为7 2 6 、6 5 6 和6 5 3 ，2 0 l o 2 0 3 0 年将下降7 3 个百分点。尽管如此，以煤电为主的发电格局仍不会改变，煤 炭发电仍然起着主导作用。【jj 预计到2 0 5 0 年燃煤电厂仍然要占5 0 左右。i 4 1 大量 煤炭转化为电力支持国民经济的需求，燃煤电厂消耗了全国煤炭量的5 0 左右， 是最大的煤炭用户。根据我国电力工业的发展规划，至少在2 l 世纪前2 0 年将保 持快速发展势态，发电用煤量将以每年3 0 0 0 万吨的速度增加。 浙江大学硕士学位论文 由于煤量的需求量大，发电用煤几乎包括了所有的煤种，但不同煤耕t 的特性 差异大，目前由于能源处于一个相对紧张的状态，对发电用煤的煤种和煤质的选 择余地很少，而且大多要求燃用劣质煤，使得锅炉燃烧的实际煤种往往与设计煤 种的指标差别很大，导致燃料的利用率低，锅炉运行的安全性差。这就对燃烧技 术提出更高的要求，在这种情况下，研究和掌握煤质特征及其燃烧规律和特性显 得更为重要，这样才能针对不同的煤质特征提出有效的改进燃烧技术和探索新的 燃烧技术，提高燃料的利用率和运行安全性。 1 2 本文研究背景及意义 煤质本身的性质影响煤的燃烧特性，煤质特征总的来说可以包括化学特性( 1 业分析、元素分析、灰化学成分、硫的形态等) 、物理特性( 密度、粒度、孔结构、 比表面积和反射率) 、力学特性( 弹性、硬度、磨损度、可磨性、脆性等) 、热特 性( 发热量、热容、热导率、坩埚膨胀序数、热失重和差热等) 、电特性( 电阻率、 介电常数、磁化率) 、灰特性( 矿物特性、微量元素、灰熔融性) 和岩石学分析( 显 微组分、镜质组反射率) 等。对于动力煤，最重要的性质主要表现在煤的工业分 析、元素分析、发热量、灰熔融性、灰成分、可磨性、比表面积和孔径分布，以 及快速加热过程中的失重放热特性【5 】。对于炼焦用煤，粘结性是一个重要的_ l 艺 性质的表征，它是烟煤详细分类的分类指标。 浙江大学硕士学位论文 煤的燃烧特性是指煤的着火、挥发分释放特性、燃烬特性、表面积和孔隙特 性、积灰结渣特性、磨损特性和污染物排放特性。对锅炉安全经济运行来说，最 重要的是煤的着火稳定性、燃烬性和结渣特性。 依据传统的挥发分产率来评价煤的燃烧特性，即挥发分产率越高，其着火和 燃烬性能越好，这在区分挥发分差别较大的煤炭类别是可以的，但有些情况下往 往与实际有出入，有时会有相反的结果。因为煤是由有机物和无机矿物质构成的 复杂聚合物，各组分在受热过程中会产生不同形式的变化，包括物理变化和化学 变化，这些作用共同发生的结果往往不能由一个煤质指标准确的来描述。如具有 膨胀熔融性的煤，由于受热会产生熔融膨胀现象，堵塞煤粒的孑l 隙，造成挥发分 析出困难，而挥发分的析出和着火足煤粉着火的前提，这就限制了煤的着火，因 此，用挥发分指标判定该类煤的着火特性将会造成偏差。 锅炉受热面结焦( 结渣) 和烟气飞灰含碳量高是电站锅炉运行中常见的涉及 到安全性和经济性的问题，这两种现象往往是燃烧设备和运行条件不能适应煤质 的要求而产生的。 结焦是指煤受热挥发分析出后，可燃烧的炭焦粘结到燃烧设备或燃烧设备附 近的受热面上的现象。结渣是指煤燃烧形成的灰处于熔融或半熔融状态下粘结到 受热面上的现象，在对电站锅炉燃烧的研究中，人们经常对结焦和结清不加区分。 结渣直接影响锅炉的安全经济运行，主要表现在： ( 1 ) 降低水冷壁的传热能力。灰渣的导热系数极低，一般仅为钢的1 2 0 0 0 ，即使 很薄的灰渣层也具有很大的热阻，使水冷壁的吸热能力大为降低，出力受到影n 向。 同时使火焰中心后移，炉膛出口烟温升高。 ( 2 ) 由于炉膛出口烟温升高，易使飞灰粘结在屏式和对流过热器上造成沾污和结 渣。有可能使过热器出口汽温偏高，引起过热器管壁超温。 ( 3 ) 水冷壁结渣会加剧过热器和再热器的吸热不均匀。水冷壁结渣的不规则将导 致炉内温度场偏差增加，致使烟道内温度场不均，使过热器和再热器吸热不均匀 加剧，有可能使管壁超温引起爆管事故。 ( 4 ) 形成高温腐蚀。沾污后的水冷壁管受到灰渣和烟气复杂的化学反应，发生高 温腐蚀，使管壁减薄，将引起水冷壁爆管事故。 ( 5 ) 影响锅炉的经济性。水冷壁结渣后，各段受热面烟温相应提高，使排烟热损 失增加。有统计资料表明水冷壁沾污造成排烟温度升高，会使锅炉效率降低l 2 5 。 ( 6 ) 增大对流受热面的磨损。当结渣发生在对流区域时，对流通道截面减小，使 烟气流速增大，受热面磨损增大。 ( 7 ) 渣块脱落造成的损害。大块渣脱落时容易砸坏冷灰斗；大块渣会使出渣设备 堵塞，不易出渣；大块渣下降时会产生抽吸力，造成炉膛熄火。 燃烧器喷口及附近位置容易出现结焦现象，文献【8 中提到锅炉燃烧器周围结 浙江大学硕士学位论文 焦严重，导致燃烧器调节困难，并多次烧坏燃烧器喷嘴。粘结性煤在弱还原性气 氛下会表现很好的粘结性，受热过程中在较低温度时经历软化、熔融，粘结燃烧 设备。 我国一些电厂锅炉存在不同程度的结渣结焦现象，相关技术研究人员对不同 锅炉可能引起结渣结焦的情况做了总结分析，得到引起结渣结焦的因素主要有： 煤质特性、燃烧器布置方式、炉膛结构特征参数、炉内温度、炉内空气动力场、 火焰刚性、气氛条件等。1 7 1 1 众所周知，锅炉设计是以燃料的燃烧特性为基础的， 因此引起结渣结焦的本质原因是燃烧设备和燃烧环境没有达到煤质要求。从煤质 特征角度来说，结渣是因为炉内温度高于灰的熔融温度，处于熔化状态r 的灰被 冲刷到水冷壁上粘结所致：结焦是因为还原性气氛下，煤的粘结性在较低温度处 得到了很好的发挥，粘结到燃烧器及附近设备处，是喷口着火的隐患。 锅炉飞灰中的炭是在炉膛燃烧过程中未燃烬的部分，锅炉飞灰含碳量是反映 火力发电厂燃煤锅炉燃烧效率的主要运行经济指标和技术指标之一，直接反映锅 炉燃烧效果的好坏，也是电厂开展运行经济考核、计算锅炉效率一项必不可少的 原始数据。 飞灰含碳量高不仅增加了固体不完全燃烧损失，降低了锅炉效率，而且还降 低了飞灰质量，不利于飞灰的综合利用，而且加重了对对流受热面的磨损。 影响飞灰含碳量变化的因素主要有：煤粉细度、煤种特性、燃烧器的结构特 性、热风温度、炉内空气动力场和锅炉负荷等。 因为煤粉在炉内燃烧的停留时间是一定的，对于煤中难燃的部分燃烧时问往 往不够，没有完全燃烧的部分也被烟气带出炉膛，这就增加了飞灰中的含碳量。 一般认为相对锅炉的设计煤种，煤化程度高的煤，飞灰含碳量高。从煤的燃烧过 程来看，挥发分析出后的焦炭燃烧是燃烧的主要部分，焦炭的难燃与否会直接影 响飞灰含碳量的高低。煤在快速热解后，反应活性有所降低。i l2 j 锅炉运行过程l 1 常会因配风原因引起空气动力场不均匀，出现还原性气氛，煤在此气氛中发生热 解，当煤粒一直处于还原性气氛中达到1 0 0 0 。c 左右的高温便形成焦炭，此时焦炭 会因分子结构重排，有序化程度加深，而孔隙结构减少，从而焦炭的活性降低， 这部分焦炭也是造成飞灰含碳量高的原因。有文献 1 3 , t 4 表明，粘结性高的煤燃烬 困难，对有粘结性的煤提出的燃烬指数要相应的乘上一个小于1 的系数，这说明 粘缔眭的存在对焦炭的反应活性产生了负面影响。 综上所述，煤的粘结性是炼焦用煤的重要工艺性质，在煤的燃烧过程中也应 作为影响锅炉燃烧安全经济性的煤质特性因素之一给予考虑，因为它的存在会阻 碍挥发分的析出，不利于着火；在还原性气氛下造成结焦，是燃烧器喷口着火的 隐患；使高温焦炭的反应活性进一步下降，不利于焦炭的燃烬。研究粘结性对挥 发分析出过程及焦炭燃烧的影响，可以使人们更准确的把握煤的燃烧特性，为以 往着火和燃烬指标的偏差提出修正依据，并能指导电厂实际用煤，提高运行安全 浙江大学硕士学位论文 性。 1 3 研究的主要内容及方法 本文选用粘结性不同且分布范围较宽的四个烟煤，按照煤的主要燃烧过程： 挥发分的析出和焦炭的燃烧，分别讨论粘结性对挥发分析出过程的影响和对焦炭 着火、燃烧和燃烬过程的影响，由于煤的粘结性在氧化性气氛中表现不明显【l “， 这里讨论的前提是煤在还原性气氛下受热经过挥发分析出、固化成半焦到焦炭形 成。因为还原性气氛会在实际锅炉炉膛中出现，这种假设是有意义的。 本文的试验包括煤的热解、焦炭孔隙结构测量和焦炭燃烧三部分，煤的热解 在热天平和马弗炉中完成，焦炭孔隙结构的测量在n 2 物理化学吸附仪中完成，焦 炭的燃烧在热天平中完成。研究的主要内容有： 对煤的粘结性的物理意义、粘结性的表征指标、粘结性在煤炭分类和炼 焦工业中的作用作以详细的介绍，并从煤岩学的角度认识粘结性，分析 粘结性在燃烧中的作用。 利用热天平对煤样在三种升温速率下进行热分解，通过分析热解t g 、 d t g 曲线的变化详细讨论煤的粘结性对挥发分析出过程的影响，对各热 解特征参数变化的影响。用热解动力学分析了升温速率升高带来的活化 能变化，从化学反应的本质解释了升温速率对煤的粘结性的改善作用。 增加马弗炉制焦，描述并比较了两种环境、四种工况下的焦炭外形特征。 通过比较在不同工况下制得焦炭的燃烧t g 、d t g 曲线，详细分析了粘 结性对焦炭着火、燃烧、燃烬等参数影响。 通过焦炭孔隙结构的测量，确定了煤的粘结性对焦炭孔隙结构的形成具 有重要贡献，找到了造成四种工况下制得焦炭的燃烧特性不同的煤质特 性原因煤的粘结性。 浙江人学硕士学位论文 参考文献 f 1 常志鹏，我国能源结构需进一步改善，资源与发展，2 0 0 4 【2 倪斌，煤炭在我国能源结构优化中基础性作用的思考，中国能源，2 0 0 4 年7 月 3 齐海江，王宇奇，我国发电能源结构分析，科技与管理，2 0 0 4 年第2 期 4 徐斌，浅谈煤炭与电力工业的发展，煤炭科技，2 0 0 2 年第4 期 5 熊友辉，孙学信动力用煤及燃烧特性的研究手段和方法，煤质技术，1 9 9 8 年9 6 祝文杰，利用热天平研究煤的着火特性，浙江人学硕士学位论文，2 0 0 4 年 7 赵振宙，杨平，局部分i 次风对切圆燃烧结焦性的改善，华北电力技术，2 0 0 4 8 高苑辉，杨昕宇等，2 1 0 0 t h 锅炉结焦原因分析及对策，东北电力技术，2 0 0 2 年第9 期 9 曹学亮，6 0 0 m w 超临界锅炉结焦原因和防止措施，华东电力，1 9 9 6 年第8 期 1 0 】尹民权，柳朝，2 0 2 0 t h 锅炉结焦原因探讨，山东电力技术，2 0 0 3 年第3 期 【1 1 】彭欣，避免锅炉结焦的技术措施研究与应用，广西电力，2 0 0 3 年第3 期 【1 2 张守玉，黎永，煤焦反应活性影响因素的探讨，煤炭转化，2 0 0 3 年4 月 【1 3 张立春，韩建国等，高粘结性煤在电站煤粉锅炉中的燃烧特征，热力发电，2 0 0 2 ( 5 1 f 1 4 】陈春元，李杜田，燃料特性判别指数的研究，动力工程，1 9 9 3 年4 月 【1 5 叶学民，彭波，燃煤电站锅炉飞灰含碳最偏高的原因分析与解决措施，锅炉技术，2 0 0 4 年5 月 【1 7 】( 法) 洛杰路瓦松等，焦炭，冶金工业出版社，1 9 8 3 年7 月，p 8 6 1 8 容銮恩，袁镇福等，电站锅炉原理，中国电力出版社，1 9 9 7 年1 1 月 6 浙江大学硕士学位论文 第二章煤的粘结性概述 2 1 粘结性的物理意义 煤由许多热稳定性不同的部分组成，在隔绝空气条件下加热时，煤中的有机 质大分子受热分解，形成呈液态的气、液、固三相共存的混合物，称为胶质体。 胶质体粘结其本身的或外来的惰性物质的能力，称之为煤的粘结性。粘结性是评 价炼焦用煤的一项主要指标，炼焦用煤必须具有一定的粘结性，它也是评价煤低 温干馏、气化或动力用煤的一个重要依据。 粘结性煤的粘结机理是，在3 5 0 5 0 0 间，烟煤中的有机质大分子显著分解， 缩合芳环本身一般不被破坏，侧链则从缩台芳环上断裂，断下的侧链本身又进一 步分解。热分解产物中分子量小的呈气态；分子量适中的呈液态；而分子量很大 的那些断掉侧链的缩合芳环( 变形粒子) 和不可溶组分( 包括灰分) 则呈固态， 这样便形成了气、液、固三相共存的胶质体。如胶质体中液态产物很少，远远不 能充满固态颗粒间隙甚至不能浸润固态颗粒表面，则气态产物自由析出，固体颗 粒各自分散。如胶质体中液态产物较多且流动性适宜，既能较好地充入固体颗粒 间隙又有一定粘度，此时，胶质体的透气性差，胶质体中的气态产物不能自由析 出，因此出现膨胀现象，不同煤所生成的胶质体数量、质量不同，膨胀情况也不 同。 随着温度升高( 4 5 0 5 5 0 ) ，胶质体中的液态物质产生进一步分解。一部分 热解产物呈气态继续析出；另一部分则与固态颗粒融为一体，热缩聚而固化，生 成半焦。受热时熔融好的煤，其半焦结构致密且较为均一；相反，熔融差的煤其 半焦松散不均一。热缩聚过程中，既有液态产物的分解产物与变形粒子间的缩聚， 也有它们各自的相互缩聚，而不可熔组分( 包括灰分) 仅仅被包裹在内。 不同的煤，因其变质程度和岩相组成不同，热解液态产物的数量与性质不同， 致使其粘结性不同。 2 2 粘结性指标及各指标间的相互关系 粘结性的测定表征为快速加热时煤的结块、膨胀性能，着重反映煤在干馏过 程中软化熔融形成胶质体并粘结固化的能力，一般只测到形成半焦为止。 煤的粘结性指标有：焦渣特性( c r c ) 、坩埚膨胀序数( c s n ) 、罗加指数( r i ) 、 粘结性指数( g ) 、奥阿膨胀度( b ) 、葛金焦型和胶质层最大厚度( y ) 。这些指标 在一定条件下反应了煤的粘结性。 浙江大学硕十学位论文 2 2 1 各种指标的特点 1 ) 焦渣特性( c r c ) ：测定煤的挥发分后，坩埚残留下来的不挥发物质叫做焦渣。 焦渣随煤种的不同而呈不同的形状、强度和光泽，这些物理形态的综合称为焦渣 特性。焦渣特性与煤中有机质的性质有关，它反映了煤粒本身粘结自己的能力， 方法简单，对不同焦渣的描述给予编号1 8 ，对粘结性的强弱作出定性描述，号 数越大，表示粘结性越强，但缺乏严格的定量概念。 2 ) 坩埚膨胀序数( c s n ) ：该法为称取1 9 新磨的粒度小于o 2 r n m 的煤样放在特 制的有盖坩埚中，按规定方法快速加热至8 2 0 5 ，可得到不同形状的焦块， 将焦块与一组编了号码的标准侧面图形比较，取其最接近的焦型序号作为结果。 序数越大，表示煤的膨胀性和粘结性越强。该方法所用试验仪器和测定方法都非 常简单，所用时间短，一次试验几分钟即可完成。但此方法有较强的主观性，而 且确定膨胀序数5 以e 的煤时，分辨能力较差。 3 ) 罗加指数( r i ) ：是表征烟煤受热后粘结惰性添加物( 无烟煤) 能力的一个煤 的粘结性指标，采用转鼓转磨试验测定焦块的强度，来表征烟煤受热后粘结无烟 煤的粘结力。该指数对中等粘结性煤具有较好的区分能力，所用设备简单，方法 简便，试验快速。方法是将l g 粒度为0 1 o 2 m m 的烟煤与5 9 粒度为0 3 o 4 m m 的专用无烟煤在规定的条件下混合后，在8 5 0 。c 下快速加热1 5 m i n ，把所得焦块在 特定的转鼓中进行三次转磨试验分次过0 ，l m m 圆孔筛后称重，根据公式求得罗加 指数i u 。其计算公式为 r ，= ! 竺! ! ! ! ! 兰：! ! ! 竺2 71 3m。 式中 掰炼焦后焦炭的总质量，g ； m ：第一次转鼓试验前筛上焦炭的质量，g ； m 第一次转鼓试验后筛上焦炭的质量，g ； 聊，第二次转鼓试验后筛上焦炭的质量，g ； m ，第三次转鼓试验后筛上焦炭的质量，g 。 该法的主要问题是各国所用的专用无烟煤不同，使试验结果难于比较，且对 强粘结和过弱粘结煤不太适用。此外，由于加热速度快，使测定结果偏高。 4 ) 粘结指数( g ) ：是中国煤炭分类和中国煤炭编码系统两个国家标准中确定烟 煤工艺类别与编码的主要指标之一。粘结指数的测定原理与罗加指数的测定原理 相似，主要区别是：将专用无烟煤粒度从o 3 o 4 m m 改为0 1 0 2 m m ，即与试 验煤样粒度相同，以便于混合均匀；转鼓试验由原来三次减少为二次；专用无烟 煤的配入量改用两种比例，即当粘结指数g 1 8 时，试验煤样与无烟煤比为1 ：5 ， g 1 8 时，该比例为3 ：3 ；专用无烟煤统1 制备与提供销售。粘结指数的计算公 浙江大学硕+ 学位论文 式为： n g 1 8 时，g ：1 0 + 3 0 m 1 + 7 0 m 2 2 2 卅 当g 1 8 时，g = 3 0 m 1 + 7 0 m 2 2 3 5 m 式中 m 焦化处理后焦块的总质量，g ： 帆第一次转鼓试验后筛上焦块的质量，g 2 m ，第二次转鼓试验后筛上焦块的质量，g 。 通过这些改进措施，增强了对不同粘结性煤的区分能力，简化了操作，提高 了测试的精确度，但粘结指数对强粘结煤的区分能力不足。 5 ) 奥阿膨胀度( b ) ：以煤样干馏时体积发生膨胀或收缩的程度表征的+ 种煤的 塑性指标。在中国煤炭分类国家标准中，奥阿膨胀度被确定为区分强粘结性煤的 一个辅助指标。它的测定要点是：将粉碎到0 1 5 m m 以下的煤样1 0 9 与l m l 水迅 速混合制成6 0 r a m 氏的煤笔，放入内径为8 m m 的膨胀管中，煤笔上面放置一根 能在管内自由滑动的膨胀杆，将上述装置放入专用的电加热炉内，以3 。c m i n 的 升温速度加热，记录膨胀杆的位移曲线。以位移曲线一l 升的最大距离占煤笔原始 长度的百分比，表示煤的膨胀度b 。奥阿膨胀度为一综合指标，变动幅度大，对 粘结性中等以上的煤、特别是煤料偏肥时，可以较好地区分，这是b 值的优点。 6 ) 葛金焦型：是英国沿用的煤炭分类指标，用标准焦型为参照物来判断煤的结 焦性，表征煤的塑性行为。方法是将一定量煤样装入特定的干馏管中，于干馏炉 内以5 m m 的升温速度加热到6 0 0 ，并保持一定时间，残留在干馏管中焦炭的 形状与一组标准焦型相比较，以确定其型号。标准焦型分为a - - g 型，g 型以上 有g 1 g x ，后段为强膨胀煤生成的焦型，强膨胀煤必须加入一定量的电极炭，使 其焦型与标准焦型一致，下标数字表示配入电极炭的最少克数。葛金焦型不具可 加性，且测定操作十分费时。 7 ) 胶质层最大厚度( y ) 1 9 8 6 年颁布的中国煤炭分类国家标准中，y 值作为区分强粘结性烟煤的辅助 指标之一。 y 值只能表示胶质体的数量，不能反映胶质体的质量和性质。测定方法是将 1 0 0 9 煤样装入钢制煤杯，放入底部单向加热炉中，模拟工业条件以3 。c r a i n 升温 速度加热。煤样中从上到下，温度逐层增高，软化点层面以上的煤保持原状，以 下的煤则软化、熔融而形成胶质体；在温度相当于固化点的层面以1 i 的煤则结成 半焦，用探针测定的软化点与固化点之间的最大距离为y 值。该方法的最大缺陷 是受主观因素影响很大，仪器的规范性很强。 对以上7 种粘结性指标的性质特点进行归纳比较见表2 1 9 浙江大学硕士学位论文 表2 1 各粘结性指标比较 指标性质计算式测定条件 特点 焦 定性。与标准比较取特征 g b t 3 7 1 5 1 9 9 6 测定煤的优：方法简单； 渣 相近编号。编号越大，粘 挥发分条件缺：缺乏严格的定量概念 特 性 结性越强 定性。与标准比较取最接 煤量：l g ：优：试验仪器和测定方法简 坩 埚 近的焦型序号。序数越粒度： 0 2 m m ；单，所用时间短； 膨 大，粘结性越强 快速加热至8 2 0 5 。c缺：主观性强，确定膨胀序 胀 序 数5 以e 的煤时，分辨能力 数 较差。 定量。煤量：优：对中等粘结性煤具有较 脚：( m i + m 3 ) 2 + 码+ m 2 ( y m ) l g ；( w y ) 5 9 ； 好的区分能力，设备简单， 罗 3 m 粒度：方法简便，试验快速。 加 r i 越大，粘结性越大 ( y m ) o 1 o 2 m m ： 缺：对强粘结和过弱粘结煤 指 数 ( w y ) o 3 04 m m 不太适用；由于加热速度 8 5 0 下快速加热1 5 m i n ；快，使测定结果偏高。 三次转磨 定量。煤最： 优：较r i 增强了对不同粘 当g 1 8 时，g 1 8 时，y m ：w y = 1 ：5 ： 结性煤的区分能力，简化了 粘 g ：1 0 + 3 0 m 1 + 7 0 m 2 g 8 5 时，用y 和b 并列作为分类指标。当v d 。f 2 8 o 时，b 暂定为1 5 0 ；v d d 2 80 时，b 暂定为2 2 0 。当b 值和y 值青矛盾时，以y 值为准来划分煤类。 烟煤( y m ) 是煤化程度高于褐煤而低于无烟煤的一类煤。黑色，不含腐植 酸。从有沥青光泽、玻璃光泽到金刚光泽。条带状结构明显，可明显区别煤岩成 分。挥发分产率宽( v a p l 0 ) ，恒湿无灰基高位发热量大于2 4 m j k g 。单独炼焦 时从不结焦到强结焦均有，燃烧时有烟。烟煤的主要分类指标是v d a f 和粘结性指 数g ，对强粘结性煤用胶质层最大厚度y 值或奥阿膨胀度b 值作为辅助分类指标。 其中各类煤的性质如下： 长焰煤( c y ) 是烟煤中煤化程度最低、挥发分最高( v d g 3 7 ) 、粘结性很 弱( g 2 0 3 7 ) 、尤粘结 性或g 值不大于5 的煤。在我国，这类煤的显微组分中由于有较多的惰质组，表 1 4 浙江大学硕士学位论文 现出没有粘结性，它用作燃料和气化原料。 弱粘煤( i 矾) 煤化程度较低，挥发分分为较宽( v d 。f 2 0 3 7 ) ，受热后形 成的胶质体很少。由于这类煤的显微组分中惰质组含量较多，粘结性微弱，g 大 于5 到3 0 ，介于不粘煤和1 2 中粘煤之间。主要作气化原料和燃料。 1 2 中粘煤( 1 2 z n ) ：我国这类煤的资源很少。它是煤化程度较低、挥发分 范围较宽( v a a f 2 0 3 7 ) 、受热后形成的胶质体较少、其粘结性( g 3 0 5 0 ) 介于气煤和弱粘煤之间的一种过渡性煤类。其中粘结性较好的可用作配煤炼焦的 原料，粘结性差的可作为气化原料或燃料。 气煤( q m ) 属于煤化程度较低、挥发分较高的烟煤。气煤分有两组： 组 是v d a f 大于3 7 ，g 大于3 5 ，y 值不大于2 5 m m ，其特点是挥发分特别高，而粘 结性强弱不等：第二组的v d a f 大于2 8 到3 7 ，g 大于5 0 到6 5 ，其特点是粘结 性中等而挥发分高。气煤单独炼焦时炼出的焦炭呈细长状，有较多的纵裂纹，易 碎，其强度和耐磨性均较差。但炼焦时能产生较多的煤气、焦油与其他化j f ：产品， 多数作配合煤用于炼焦，也是生产干馏煤气的好原料。 气肥煤( q f ) 是煤化程度和气煤相近、挥发分高( v d a f 3 7 ) 、粘结性强 ( y 2 5 m m ) 的烟煤。单独炼焦时能产生大量的胶质体和煤气，因为析出的气体 过多，不能生成致密、高强度的焦炭。通常用作炼焦配煤或作为生产干馏煤气的 原料。 1 3 焦煤( 1 3 j m ) 属煤化程度中等，性质介于气煤、肥煤与焦煤之间的过渡 煤类，是中等或较高挥发分的强粘结性煤。v d a i 大于2 8 3 7 ，g 大于6 5 ，y 不大于2 5 m m 。单独炼焦时练出的焦炭强度较高，是配煤炼焦的好原料。 肥煤( f m ) 是煤化程度中等的烟煤。受热到一定温度能产生较多的胶质体， 且有极强的粘结性。v d a f 大于1 0 3 7 ，胶质层最大厚度大于2 5 m m 。单独炼 焦时，能产生熔融良好的焦炭，焦炭耐磨性特别好。但焦炭有较多的横裂纹，焦 根部分有蜂焦，其抗碎强度比焦煤炼得的稍差，是配煤炼焦中的重要煤类，但不 宜单独使用。 焦煤( j m ) 是烟煤中煤化程度中等或偏高的一类煤，中等挥发分和有较好的 粘结性。受热后能产生热稳定性好的胶质体。单独炼焦时，可炼成熔融性好、块 度大、裂纹少、抗碎强度高、耐磨性好的焦炭，是一种优质的炼焦用煤。焦煤分 有两组：一组v d a f 大于1 0 2 8 、g 值大于6 5 、y 值小于2 5 m m ，这组煤的结 焦性特别好，可单独炼出合格的冶金焦；另一组v d a f 大于2 0 2 8 ，g 为5 0 6 5 ，结焦性比前一组焦煤差。 瘦煤( s m ) 是烟煤中煤化程度较高、挥发分较低的一类煤。v d a f 大于1 0 2 0 ，粘结指标g 大于2 0 6 5 。受热后能产生一定数量的胶质体，单独炼焦时， 能炼出熔融性较差、耐磨性不好、裂纹少、块度较大的焦炭。我国这类煤的资源 不多，所以多数作为炼焦配煤的原料，也可作民用和动力燃料。 浙江大学硕士学位沦文 贫瘦煤( p s ) 是烟煤中煤化程度较高、挥发分较低的一类煤。v o 。f 大于1 0 2 0 ，受热后只产生很少量的胶质体，粘结性差，g 大于5 2 0 ，其性质介于贫 煤与瘦煤之间。这类煤大部分作民用和动力燃料，少量也用于气化。 贫煤( p m ) 是烟煤中煤化程度最高、挥发分最低且接近无烟煤的一类煤。 v d a f 大于1 0 2 0 ，g 值不大于5 。国外煤分类中有的称它为半无烟煤，燃烧 时火焰短，但热值较高，没有粘结性，受热后不产生胶质体，不能结焦，多数用 作动力或民用燃料。 2 4 粘结性在炼焦中的作用 粘结性是烟煤的重要工艺性质，在冶金工业中粘结性是评价煤的炼焦性能的 一项主要指标，煤的粘结性是煤结焦的必要条件，炼焦煤中以肥煤的粘结性为最 好；粘结性也是决定焦炭机械强度和反应性的主要影响因素。 烟煤结焦过程中，最主要的是胶质体生成并固化形成半焦的粘结阶段和半焦 收缩形成焦炭的收缩阶段。粘结性不同的煤在受热过程中形成结构不同的焦炭， 从而影响焦炭的机械强度，如2 1 中介绍的粘结机理，如果粘结性过低，在加热 形成胶质体阶段不能形成足够数量的胶质体，胶质体与煤粒问溶融性不好，不利 于变形粒子间的粘结，焦炭的抗碎和耐磨强度都不高；如果结结性过高，会产生 过高的膨胀压力和收缩应力，使煤层之间衔接不好，导致焦炭裂纹多，较碎。 焦炭是多孔性物质，粘结阶段过程形成的直径大于1 0 微米的气泡占焦炭体积 的一半，大大影响焦炭的机械强度，这种气孔的形成与胶质状态下的粘度和表面 张力有关，决定于固化，并且在继续加热时不因焦炭收缩而改变。直径约为5 埃 的微孔形成于半焦变为焦炭的收缩阶段，在这个阶段受热，排出小分子的挥发分， 这些分子析出后在固体物里面留下空洞，这些孔洞即成为微孔，它决定着焦炭化 学反应性。 尽管将粘结性煤的结焦过程分为粘结和收缩两个阶段，但整个过程是以粘结 阶段为基础的，不粘结就不可能成焦。因此，粘结性是炼焦工艺中的重要参考指 标。研究表明，粘结性指数g 与v d a f 指标组合在拟合或预测焦炭的抗碎强度m 。 和耐磨强度m 。0 方面效果最精确，因此粘结性指数被选定为我国烟煤分类的分类 指标，与v d a f 一起划分烟煤的不同类别。各类煤的粘结性指数范围及其形成的焦 炭的机械强度特征见2 3 。 粘结性对焦炭孔隙形成起重要的影响作用，从而影响焦炭的反应性，另外影 响焦炭反应性的煤质因素还有煤阶，有研究表明，v d 。f 3 2 的煤样， 其焦炭的反应性主要受煤阶控制；v d a f = 2 0 3 2 范围内的煤，其焦炭反应性则 主要受粘结性指数的影响。 配煤炼焦技术是炼焦质量要求及我国煤炭资源有限的产物，将两种以上适。白： 1 6 浙江人学硕士学位沦文 的煤配合炼焦，使各煤种之间得以取长补短，同时降低了炼焦成本。粘结性在炼 焦工艺中的重要影响作用决定了它是配煤技术的主要工艺性能参考指标。通过配 煤，在一定范围内调节配合煤的胶质体数量、流动性和热稳定性( b 口粘绔| 生) 以 及半焦的收缩量和收缩速度，从而控制焦炭质量。 2 5 从煤岩学角度理解煤的粘结性及在燃烧中的作用 1 9 8 6 年中国烟煤有机显微组分分类的国家标准将烟煤有机显微组分划分为 镜质组、半镜质组、惰质组及壳质组。 我国冶金系统煤岩工作者从煤应用角度出发( 主要是指用于炼焦生产) ，提出 了“炼焦煤显微组分的分类与命名”方案，该方案以成因分类为基础，着重考虑 了各煤岩显微组分的加热特性，即各显微组分在炼焦过程中的差异和相似性进行 分类。此方案将烟煤显微组分划分为镜质组、半镜质组、稳定组、丝质组及矿物 五组，其中前四组为有机显微组分，最后一组为无机显微组分。镜质组和稳定组 ( 即壳质组) 为活性组分，丝质组( 即惰质组) 和矿物组为惰性组分；半镜质组 则按1 3 活性，2 3 惰性计算。 镜质组是煤中最主要的显微组分，我国多数煤田的镜质组含量约为6 0 8 0 ，其基本成分来源于植物的茎、叶等木质纤维组织，它们在泥炭化阶段经凝胶 化作用形成凝胶体，即为镜质组。所谓凝胶化作用是指植物的主要成分在泥炭化 阶段经过生物化学变化和物理化学变化，形成以腐植酸和沥青质为主体的胶体物 质的过程。镜质组的结构碳骨架主要是带有羟基( 一o h ) 和羧基( - - c o o h ) 官 能团的芳香核组成的芳香结构，含有相对较高的芳香族成分、较高的氧含量和较 低的氢含量，反射率介于稳定组和惰性组之间。 稳定组来源于比较富氢的植物物质，是从蛋白质、纤维素和其它碳水化合物 细菌分解而成的产物。可能存在较多的氢化芳香结构，芳香性不如镜质组。稳定 组以富含腊肪族成分和高的氢含量为特征，在同煤阶中它的反射率最低。 惰质组的原始物质和化学结构与镜质组相似，但这些成分经历了十分不同的 历史，是丝炭化作用的产物，所谓丝炭化作用是指植物的木质显微组织在泥炭沼 泽的氧化环境中，受到需氧细菌的氧化作用，产生贫氢富碳的腐殖物质，或遭受 “森林火灾”而炭化成木炭的过程。因而惰质组具有比较高的碳含量、很低的氢 含量和很高的芳香化程度。所以，在同煤阶中它的反射率明显高于镜质组和稳定 组。 半镜质组的来源与镜质组和惰质组一样，是植物体的木质纤维组织，只是在 泥炭化作用过程中，经历了凝胶化和丝炭化两种作用过程。其中受到轻度丝炭化 作用的组分，其特征和性质接近于镜质组，属于活性组分。受到丝炭化作用程度 较深的组分，其特征和性质更接近于惰质组，属于惰性组分。 浙江大学硕士学位论文 煤中的活性组分受热分解，形成呈液态的非挥发性的可塑体，或称胶质体， 使