（安全技术及工程专业论文）开滦精煤炼焦特性及焦炭质量预测的研究.pdf

河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e rd e p i c t st h er e q u i r e m e n to fq u a l i t yo fc o a li nc o k i n g i ts e l e c t st h r e ek i n d so f c o a ti nk a i l u a nc o m p a n ya n ds i xk i n d so fc o a li nk a i l u a ng r o u pt ot e s tt h ep r o p e r t i e so f c o a l i ts t u d i e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i 【g h s u l f u rc o a la n db l e n dc o a li nk a i l u a n t h eb a s e f a c t o rt h a tc a nj u d g eo ft h eq u a l i t yo fc o a la st h eq u a n t i t a t i v ei n d e x ，a n di tu s e st h em e t h o d o ff u z z yc l u s t e rt oa n a l y s ea n do p t i m i z ep r o j e c t so fb l e n dc o a li no r d e rt oj u d g ea n ds e l e c t b l e n dc o a li nr e a s o n f i n a l l yi tf o r e c a s t si ft h eb l e n dc o a lc a l lb ec o k e di n t ot h es e c o n dc o k e w h e nb e l i e v e dl e v e li s0 ，9 5sa 1 i tb r i n g sf o r w a r dam e t h o dt oo p t i m i z ep r o j e c to f b l e n dc o a lt h r o u 曲c o k i n gt e s t t h ep a p e rr e m e d i e st h es h o r t c o m i n go fe v a l u a t i n gs i n g l e i n d e xt h a tc a n tr e f l e c tt h ew h o l ec h a r a c t e r i s t i c s i tm a ye l i m i n a t et h eu n r e a s o n a b l e p r o j e c t si na d v a n c et or e d u c et h et e s t i n gl o s s t h em e t h o do ff u z z yc l u s t e rc a l lr e f l e c tt h e s o a d e a d i s mo fd e c i s i o n m a k e r a c o r d i n gt ot h ef a c t ，i ta d j u s t si n d e x e st os a t i s f ys p e c i a l c o k et oi n s t r u c tc o k i n gp r a c t i s e ，a tp r e s e n tu s i n gt h et r a d i t i o n a lm e t h o dc o m b i n i n gc o k i n g e x p e r i e n c e sc a n ts a t i s f yt h ed e m a n do fb l a s tf u r n a c e i no r d e rt os e e kf a s ta n ds c i e n t i f i c f o r e c a s tc o k e ，t h ep a p e rb r i e f l yp o i n t so u tt h eh a r mo fs u l f u ra n da s hi nc o k i n gc o a lt o p u d d i n ga n dc o k et h r o u g he x p e r i m e n t t h ec h a r a c t e r i s t i co fk a i l u a nc o a i sb a s e dt h el i n e a r r e g r e s s i o nm o d e l i ti s t ob r i n go u tt h es u l f u ra n da s hr e l a t i o nb e t w e e nc o k ea n dc o a l t h r o u g ha n a l y z i n gl o t so fe x p e r i m e n td a t a s i tp o i n t so u tt h a tl i n e a rr e g r e s s i o nm o d e lm a y p r e d i c tt h ec o k es u l f u re f f e c t i v e l ya n dd i r e c tc o a lb l e n da n dc o n t r o lt h es u l f u rc o n t e n ts o t h a ti tc a na s s u r et h eq u a l i t yo fc o k e i tp o i n t st h a tt h em e t h o di sf e a s i b l e f i n a l l yt h ep a p e ra n a l y s i s e st h er e l a t i o nb e t w e e nc o a la n db l e n dc o a l ，p r o p e r t i e so f c o a la n di n d e xo fc o k e ，c o a lo rb l e n dc o a la n di n d e xo fc o k e ，t h er e l a t i o nb e t w e e ni n d e xo f c o k ea n ds oo n c h a r a c t e r i s t i co fc o k i n gi s a n a l y z e dg e n e r a l l y t h es t u d yc a ni n s t r u c tt o a d j u s tp r o d u c t i o ns t r u c t u r eo fc o a la n dq u a l i t yo fc o k e i ta l s op l a y sa i m p o r t a n tr o l ei n e n l a r g i n gs c o p eo fu s i n gh i g h - s u l f u rc o a l ，e m p o l d e f i n gr e s o u r c e so fc o a la n di m p r o v i n g e c o n o m i cb e n e f i t i tc o n t r o l e st h es u l f u rd i o x i d ei na i rt op r o t e c te n v i r o n m e n t f i g u r e 【f o u r t e e n 】t a b l e 【s i x t e e n 】r e f e r e n c e 【s i x t y - s e v e n k e y w o r d s ：c o a lp r o p e r t y ，b l e n dc o a lp r o j e c t ，d u s t e ra n a l y s i s ，c o k i n gc h a r a c t e r ，p r i d i c t i o n m o d e l c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t q 5 2 2 1t q 5 3 6 i - i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 河北理工学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：函堑豸日期：丝尘年三月丑日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工学院有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 虢拗导师躲粒嗍越年生月幽 引言 引言 我国是世界上少数几个以煤作为主要能源的国家之一。煤炭是我国的第一能 源，也是重要的工业原料。目前全国约有7 5 的工业原料、7 6 0 5 的电能、8 0 的民用 商品舟鲁灏以及6 0 的化工原料依靠煤炭【i j 。近年来，随着钢材需求量的增加，国际焦 炭市场也开始复苏，这就使有限的仅占原煤产量2 0 的炼焦用煤的需求量呈逐年增 长的趋势。而我国2 0 生产优质炼焦用煤的矿区的精煤硫分大于2 0 ，而配煤中的 硫在室式炼焦过程中将有8 0 带入焦炭，据国内外大、中型高炉的生产经验，焦炭 中的硫煤增加0 1 ，将使生铁的产量降低2 3 ，且生产出的生铁的含硫量也将 提高，用高硫生铁炼出的钢具有热脆性。可见，焦炭硫分的降低对降低生铁含硫 量、提高生铁质量、提高高炉利用系数、降低焦比都是非常有利的。一般一级冶金 焦的含硫量要求低于o 6 ，二级要求不大于0 8 ，三级不大于1 o 。为了满足高 炉生产对焦炭质量的要求，炼焦配煤的煤质指标就必须要严格控制，一般要求配煤 的硫分不大于1 1 2 【2 】，因而必须控制炼焦用精煤的含硫量。为了充分利用精煤资 源，提高煤炭资源的利用率，增强高硫煤矿区企业的市场竞争力，就必须开展精煤 配煤降硫炼焦特性的研究。此外，稳定和改善焦炭质量已成为冶金等其它行业所面 临的主要课题，对焦炭质量进行预测仅沿用过去传统的煤质指标结合配煤炼焦生产 经验指导配煤，已不能满足高炉生产对焦炭质量的要求，寻求更为快速、准确、科 学的预测焦炭质量和方法愈显迫切，本文就此提出一套预测方法。此研究成果对于 提高焦炭质量和炼焦精煤产品结构的调整具有指导作用，对进一步拓宽高硫精煤的 应用领域，开发高硫炼焦精煤资源，提高经济效益都有重要的意义。 本课题来源于开滦( 集团) 有限责任公司开发的项目“精煤公司冶炼高硫精煤 煤质及炼焦特性的研究”；河北省科技攻关项目“高硫煤优化配煤及炼焦特性的研 究”。 河北理工大学硕士学位论文 1 1 世界焦炭生产状况 l 文献综述 世界焦炭产量于2 0 世纪7 0 年代末发展到顶峰，达到3 8 亿t a 左右醅，从8 0 年 代初开始世界焦炭产量呈下降趋势，9 0 年代初曾下降到3 3 亿t a 左右。若不包括中 国焦炭产量，世界焦炭产量呈明显下降趋势。这主要是一些焦炭生产大国，如美 国、德国、英国、法国等国家由于焦炭需求减少、焦炉老化、严格环保法规限制等 因素，关停大批焦炉和焦炭产量成倍地削减。焦炭产量最大的国家苏联解体后，因 经济上等原因焦炭产量也成倍的减少。近几年世界焦炭产量略有回升，主要是我国 焦炭产量大幅度增长的结果。我国是一个炼焦生产大国，到一九九四年止，全国已 经有各类焦炉5 0 0 余座，形成机焦生产能力7 0 0 0 万吨，加上3 0 0 0 万吨土焦，总计 1 亿吨，已具有相当的规模【3 】o 在世界炼焦工业中占有重要的位置。我国焦炭生产从 2 0 世纪7 0 年代末开始，经过十多年持续快速增长，焦炭年产量和出i = 1 量于9 0 年代 初都跃居世界第一位1 4 j 。炼焦工业的主要产品焦炭、煤气和煤焦油等化学产品 是冶金、机械、化工、城市煤气等行业的重要原材料，炼焦行业已成为我国国民经 济中有十分重要作用的一大产业。2 1 世纪，我国焦炭生产将持续发展，在焦炭市 场、炼焦环保、焦炭质量等方面将面临严峻的挑战。这样，一些发达国家焦炭减 产，而另一些发展中国家焦炭增产，世界焦炭产量总的变化不大。 目前我国焦炭质量状况通过1 9 9 8 年我国对部分企业焦炭质量进行统计，并和世 界主要国家焦炭强度与灰分指标作了对比。除昆明钢铁公司生产的焦炭以外，其它 厂家的焦炭都可达到合格品的质量耍求，但没有一家能达到一级焦炭的标准。由统 计可以看出，世界主要国家的焦炭、灰分均低于1 2 ，且目前在1 0 以下，而我国 却没有一家的灰分低于1 2 ，其差距高达3 7 。另外，国外焦炭的耐磨性能指 标一般小于7 。 1 2 焦炭业面临的主要问题 2 0 0 2 年1 0 月2 日至5 日，美国缅因州波特兰市国际技术会议中心在美国中部 城市圣路易斯市，举办了“2 0 0 2 年处在十字路口的焦炭业暨第六届国际焦炭会 议”。参加会议的有中国、美国、德国、英国、日本、澳大利亚、加拿大、印度等 2 0 多个主要产焦国的焦炭生产、研究、设计、投资贸易单位和政府有关部门人员 一2 - 1 文献综述 2 0 0 多人。会议的主要议题是讨论当今焦炭业面临的主要问题的应对与选择。会议 认为，当今焦炭业处于十字路口。原因是焦炭业面临环保、资源、成本、贸易等一 系列必须解决的问题。解决这些问题，仅靠对传统技术、经营理念进行改造和修补 是不可能的，必须改变旧观念和途径，选择不同的途径及对策。 会议讨论的内容有以下8 方面：环保法规要求对焦炭厂设计的影响；焦炭 生产污染对人体健康影响及控制；炼焦新技术；炼焦技术的评价与选择；炼 焦煤资源问题；焦炭市场：焦炭贸易与运输；焦炭质量问题【5 l 。 1 3 国外焦炭质量的预测 如果合理选择参数，从单种煤或配合煤的有关性质预测和控制焦炭质量，就能 够很好地解决混煤再配合的问题，杜绝配入量不均衡而造成的焦炭质量波动的情 况，对炼焦生产将具有非常重要的现实意义。 至今为止，己经发明和研究了多种焦炭质量的预测方法，这些方法基本上可以 分为三类： ( 1 ) 工艺指标法 2 0 世纪5 0 年代，英国吉布森( j g i b s o n ) 等提出用煤的挥发分和全膨胀度预测合格 焦炭强度的范围，并得出结论认为，当煤的挥发分为2 4 3 0 ，全膨胀度大于5 0 时，可以得到强度好的焦炭。1 9 5 9 年，日本西尾醇提出，以煤的挥发分和基氏最大 流动度为指标预测焦炭质量。以后由宫津隆等发展为以煤的镜质组反射率和基氏流 动度( 口一) 来预测焦炭强度，得出在r 。m a x 为1 2 1 3 矛1 1 口一为2 0 0 1 0 0 0 d d p m 范围内，焦炭强度值d “i s 可大于9 0 9 2 的结论，此法曾在h 本工业生产中应用。2 0 世纪7 0 年代美国矿务局采用煤的工业分析、煤的元素分析与焦炭质量之间的回归方 程来预测焦炭强度。前苏联用挥发分和最大胶质层厚度控制焦炭质量。中国采用挥 发分和最大胶质层厚度，或挥发分和粘结指数g 来预测焦炭质量。 ( 2 ) 煤岩指标法 1 9 5 7 年，苏联阿莫索夫采用以煤的镜质组反射率分布和惰性组分为基础，预测 焦炭强度。1 9 6 1 年，美国夏皮洛( n s c h a p i r o ) 和格雷( r j g r a y ) 等对此法加以发展， 用计算得到的焦炭强度指数( s d 和组成平衡指数( c b d 预测焦炭强度。l i l j 2 0 世纪7 0 年 代此法在日本新日铁等钢铁公司得到改进和普遍应用。这一方法以煤岩组成和活性 成分的反射率为基础资料，把煤的显微组分划分为两大类： 活性成分二镜质组+ 稳定组+ 1 ，3 半镜质组 - 3 - 河北理工大学硕士学位论文 惰性成分二丝质组+ 2 3 半镜质组十矿物质 将活性成分( 主要是镜质组) 以反射率0 1 为间隔，从0 3 到2 1 分为1 8 类，以此标 志煤的变质程度，参加配煤的每一单种煤都必须测定并作出这样的反射率分布图 解。 强度指数( s i ) 和组成平衡指数( c b i ) 是二个配煤指标，它们都直接与上述二种基 础资料有关强度指数( s i ) 标志活性成分的平均质量，计算方法如下： 肼。垡坐垫 粤世 2 一 式中屯工：。是反射率为o 3 一2 1 活性组分含量，t 是活性成分总含量， a ，a ：，是反射率为0 3 一2 1 的活性成分含一定量惰性成分时的强度指数，这是根 据实验得出的，并绘制成图。使用时，只要根据反射率分布图，查得与反射率相对 应的a 值，就可按公式计算强度指数( s d 。 组成平衡指数( c b i ) 是标志配合煤中惰性成分含量合适与否的指标，计算方法 如下： 锄。 ! 塑二兰 一再弦辑 式中，玩一b ：，是反射率为0 3 2 1 的活性组分与惰性组分的最佳比值，这是 实测出来的数值。置为单种煤或配合煤的活性成分含量，1 0 0 一了x j 为实际惰性成 分量，整个分母项为惰性组分的理想含量。因此，当c b i 为1 时，配合煤中惰性成分 含量最合适，c b i 大于1 ，说明配合媒中惰性成分含量偏高，c b i ，j , 于1 ，说明惰性成 分含量偏低，以s i 为纵坐标，c b i 为横坐标，可作出一族等强度曲线。应用时，只要 测定煤岩组成和反射率分布图，就可以计算出s i 和c b i 值，在图上找出符合这两个指 标数值的点，即可推测出焦炭强度，以此来指导配煤。实测和计算的相关系数分别 为0 8 2 7 ( 阿莫索夫) 和0 9 3 ( 夏皮洛) 。 此外，1 9 6 4 年澳大利亚布朗( h r b r o w n ) 等用煤的镜质组反射率，把微镜煤与 微亮煤结合起来的煤岩成分和增锅膨胀序数，预测了块焦落下强度。1 9 6 6 年，美国 汤姆逊( r r t h o m s o n ) 以煤的惰性组分含量和镜质组反射率，预测焦炭稳定性因素。 ( 3 ) 综合因素预测法 以德国西奠尼斯( w s i m o n i s ) 等为代表，在预测焦炭强度时，既考虑到装炉煤本 身内在的因素起决定性影响，又考虑到炼焦等外部条件的作用。在这一方法中，选 一4 1 文献综述 用的参数是煤化度( 用反射率计算而得的挥发分) 、结焦性、粒度组成和炼焦条件。 1 4 高炉生产对焦炭质量的要求 众所周知，钢铁冶金是冶金工业中的主体，而生铁是供高炉冶炼的。高炉炼铁 就是以冶金焦为主要供热资源和还原剂，把铁矿石中的氧化铁还原成铁，并渗入一 定量的炭，把铁与渣溶化分离。现代高炉冶炼离不开焦炭。冶金焦炭质量的优劣势 必影响到高炉生产的好坏。近十年来，高炉日趋大型化，冶炼强度的提高，焦比和 能耗的降低，对冶金焦炭也提出了更高的要求。所以要求优质冶金焦炭具有一定的 块度而且均匀，具有高的机械强度和低的反应性j 尽可能低的灰分和硫、磷等有害 杂质。根据炼铁生产实践经验，焦炭的含硫量来自于炼焦煤1 7 j 。焦炭中的硫分在高 炉炼铁时将会进入生铁，用高硫生铁炼出的钢具有热脆性，即这种钢材受热后容易 发生脆裂现象，可见，硫分是十分有害的。一般焦炭的含硫量要求低于0 7 。在炼 铁时为了脱除焦炭中带来的硫分，就需要多加入石灰石，与硫形成焦渣c a s 排除。 这样就要降低高炉的产量，增高炼铁焦比。通常，炼焦煤的硫分每增高0 1 ，就会 使焦炭硫分增高o 0 8 左右，焦比上升1 2 左右，高炉生产能力降低1 6 2 o 。 特别是在冶炼钒钛磁铁矿时，为了降低炉渣的粘结度，要求焦炭的硫分降到0 5 以 下【8 1 。当然除了硫外，其它有害元素也是不容忽视的。例如钾和钠等碱金属，对铁 的产量和质量、原燃料、消耗和高炉寿命都有很大影响。此外在炼铁时，焦炭中磷 有大部分进入生铁。使钢铁发生冷脆。 1 5 煤的炼焦特性及对煤质的要求 1 5 1 炼焦煤对焦炭质量的影响 煤分为褐煤、烟煤和无烟煤三种。由于炼焦时很少采用单种煤为原料，所以烟 煤按采取比例的不同都能被用于配煤炼焦。用多种煤配合炼焦时只需一半以上是强 结焦或强粘结性的煤，其余的用结焦性较低的弱粘结煤。在炼焦过程中，主要炼焦 煤f 如气煤、肥煤、焦煤和瘦煤) 分别有着不同的结焦特性和作用，是原料煤( 配煤) 影 响焦炭质量的主要因素之一。其它工艺条件，如加热速度、煤料细度等也会影响焦 炭的质量。 ( 1 ) 气煤( o m ) 对焦炭质量的影响 - 5 一 一塑j ! 里三奎堂堡主堂垡笙塞 气煤是一种变质程度较低的炼焦煤，在我省的炼焦煤资源中所占比例最大。气 煤的挥发分指标较高为2 8 0 3 7 o ，粘结指数在5 0 6 5 之问。由于挥发分高， 生成的焦炭呈长条形状，并且有很多纵向裂纹，块度小，抗碎强度和耐磨强度均较 差。一般在配煤炼焦时多配入气煤，可增加产气率和化学产品回收率，同时能增加 焦炭的收缩度，减少膨胀压力。 ( 2 ) 肥煤( f m ) 对焦炭的影响 肥煤是中等及中、高挥发分的强粘结性的炼焦煤，它粘结隋性组分的能力非常 强，在焦化过程中起着类似骨架的重要作用，是配煤炼焦中的基础煤。肥煤的胶质 层厚度大于2 5 毫米，加热时能产生大量的胶质体容易使焦炭的空隙率增大，强度降 低。在配煤炼焦过程中，肥煤配比大时，应适当多配入瘦煤，或者多配弱粘结性的 煤，这样有助于改善焦炭的质量，提高强度，还能充分利用弱粘结性的煤炼焦，因 此肥煤是最宝贵的炼焦煤资源。 ( 3 ) 焦煤o m ) 对焦炭质量的影响 焦煤是中等及低挥发分的中等粘结性及强粘结性的煤。挥发分2 0 0 2 8 o ， 粘结指数2 0 6 5 ，和挥发分2 0 0 2 8 0 ，粘结指数5 0 6 5 ，胶质层厚度小于或 等2 5 o 毫米的煤都是焦煤。焦煤加热时能产生热稳定性很高的胶质体，炼出的焦炭 结焦性好，块度均匀，裂纹少，抗碎强度和耐磨强度都很高。但单独炼焦时，膨胀 压力大，推焦困难。一般作为炼焦煤使用较好。 ( 4 ) 瘦煤( s m ) 对焦炭质量的影响 瘦煤是一种高变质低挥发的中等粘结性的烟煤。粘结性指数在2 0 6 5 之间，挥 发分在1 0 0 2 0 0 之间，瘦煤分子结构上的多聚芳香环系周围的侧链和官能团 少，开始断裂的时间长，因此瘦煤的热分解温度高。焦化过程中能产生相当数量的 胶质体，形成的焦炭块度大、裂纹少、抗碎强度较好，但这种焦炭的耐磨强度差。 而在配煤过程中加入瘦煤，可增加焦炭块度。 1 5 2 炼焦煤对煤质的要求 通常所说的炼焦是指用有结焦性的烟煤在外热式炼焦炉中炼制出可供高炉炼铁 等方面使用的焦炭。在炼焦时往往采用几种甚至几十种以上的煤配合使用。为了得 到强度高，灰分和硫分低的优质冶金炼焦用煤，对炼焦用煤有以下要求。 在炼焦过程中很少用单种煤为原料，因此在用多种煤配合炼焦时。只要有一半 以上是强结焦性或强粘结性的煤即可。其余- d , 半可用结焦性较弱的炼焦煤。所以 - 6 1 文献综述 炼焦时一般只用5 0 6 0 的肥煤和焦煤；气煤和瘦煤的用量可用4 0 5 0 ，有 时也可用一部分弱粘结性的煤来代替气煤配合炼焦。总之，以配煤后y 值为1 6 2 0 毫米为宜p j 。 ( 1 ) 煤的粘结性和结焦性 粘结性：煤的粘结性是煤粒( 一般直径小于0 2 毫米) 在隔绝空气受热后能否 粘结其本身或惰性物质( 即无粘结能力的物质) 而形成焦块的性质。 结焦性：煤的结焦性是煤粒隔绝空气后能否生成优质焦炭( 及焦炭的强度和块 度等性能能否符合冶金焦的要求) 的性质。 ( 2 ) 炼焦用煤对煤灰分的要求 因为炼焦用煤的灰分增高时，不但会使炼出的焦炭灰分高，影响焦炭强度，而 且在高炉炼铁时会增高焦比，降低生铁量。如炼焦煤的灰分增高0 8 ，焦炭的灰分 会增高l 左右，焦炭的强度约降低2 ，焦比增高2 2 5 ，生铁产量下降 2 5 3 ，高炉排渣量增多2 7 2 9 。与此同时，焦炭灰分过商，还会恶化高 炉炉料的透气性，造成高炉操作困难。所以，在条件允许时，炼焦用煤的灰分越低 越好。但在生产实践中，由于要保证一定数量的精煤回收率，所以配合煤的灰分以 不超过1 0 为宜，其中对强粘结性的肥煤和焦煤灰分可放宽到1 2 左右，气煤的灰 分小于9 为宜。此外不管原煤的灰分多低作为炼焦使用时都应该进行洗选。因为 洗选后的精煤，不只是降低了灰分，而且还能脱除大部分的丝炭和半丝炭等不粘结 的惰性组分，从而使粘结组份镜煤和亮煤等得到富集，这样炼焦煤的粘结性也就更 高了【1 0 】。 ( 3 ) 炼焦用煤对煤硫分的要求 因为炼焦煤中的硫分有7 0 8 0 左右将进入焦炭，焦炭中的硫分在高炉炼铁 时将会进入生铁。用高硫生铁炼出的钢具有热脆性，即这种钢材受热后易发生脆裂 现象，可见硫分是十分有害的，一般焦炭的含硫量要求低于0 7 。在炼钢时为了脱 除焦炭中带来的硫分，就需要多加入石灰石，与硫形成焦渣c a s 排除。这样就要降 低高炉的产量，增高炼铁焦比。通常。炼焦煤的硫分每增高o 1 ，就会使焦炭硫分 增高0 0 8 左右，焦比上升1 2 左右，高炉生产能力降低1 6 2 0 ，当然硫分是 越低越好。特别是在冶炼钒钛磁铁矿时，为了降低炉渣的粘结度，要求炼焦煤的硫 分降到0 5 以下。一般要求配合煤的硫分不大于1 1 2 【l ”。 ( 4 ) 炼焦用煤对煤挥发分的要求 一7 一 河北理工大学硕士学位论文 煤种挥发分是煤样在高温隔绝空气的条件下，经一定的时间加热，煤中有机质 受热分解出一部分分子量较小的液态( 此时为蒸气状态) 和气态产物，这些产物称 为挥发物。挥发物占煤样墓量的百分数，称为挥发分产率或简称挥发分。煤中挥发 分不是煤中固有的物质，而是在特定条件下煤受热分解是分解“挥发”出来的产 物。它的产率和组成随加热温度、时间和所用坩埚的大小、形状和材质等的不同而 有所差异。因此当用挥发分来研究煤质时，所用测定条件必须完全一致，但实际上 各国所用的条件，并不完全相同，有的差别很大。 配合煤的挥发分过低，显然有利于提高焦炭强度，但炼焦过程中容易产生膨胀 压力过高，造成推焦困难，同时挥发分过低，化学产品的回收率就低，炼焦成本就 高。反之，如果配合煤的挥发分过高，则会降低焦炭强度。一般配合煤的挥发分 v d a f 在2 8 3 2 左右为适合1 9 l 。若作为铸造焦使用时，可取挥发分的下限为2 8 左 右，以便得到较多的大块焦。若炼制化工用焦，其配合煤的结焦性可稍有降低，灰 分和硫分也可适当增高，挥发分v d a f 也可增大。 ( 5 ) 炼焦用煤对煤水分的要求 水分是煤中无用的物质，因此煤中水分含量越多，煤的无用成分也就越多。同 时，煤中有大量水分时，不仅煤的有用成分减少，而且大量水分在煤的加热过程 中，要吸收大量的热变成水蒸气丽蒸发掉。 煤中水分的存在形式可根据其结合状态分为游离水和化合水量大类。在实际应 用中，炼焦煤水分一般都控制在一定的范围之内，而不是控制得的很小。原因其一 是我国煤经水洗后的水分一般都比较高，而绝大多数洗煤厂又无干燥设备：其二减 少破碎中的粉尘飞扬污染。所以我国大多数焦化厂一般都将入炉煤水分控制在8 1 0 的范围。应该指出，如果条件允许，将煤干燥到4 5 ，焦炭强度将有很大 的提高。 ( 5 ) 我国煤中硫的分布特征及对炼焦和焦炭产生的危害 我国煤中硫分布基本上是自北往南，从东向西增加的，东三省煤中硫分最低， 西南地区煤平均硫分最高，我国高硫煤主要集中在四川1 、贵州、湖北、广西、山东 和陕西等省的部分地区。我国年产高硫煤1 亿多吨，占全国商品煤销量的2 7 8 左 右。煤中硫的分布形态呈一定的规律性，对于煤中硫分低于0 5 的煤多数以有机硫 为主，硫铁矿较低，硫酸盐硫含量较少。对于煤中硫分大于2 的高硫煤，黄铁矿硫 含量最高，少部分是有机硫，而硫酸盐硫的含量一般不超过0 2 。显微镜显示，对 于高硫煤，煤中黄铁矿以单独颗粒存在的较多，而以浸染状或散粒存在的较少，且 8 一 1 文献综述 硫铁矿含量越高，硫铁矿以单独团块或颗粒状存在的比例也越大。当硫铁矿以团块 状、结核状或条带状存在时，易于用物理洗选的方法脱除，当硫铁矿以浸染状、星 散状存在时，用物理洗选仅能脱除一部分【1 4 j 。 硫无论是对炼焦还是对炼铁( 尤其是对炼铁) 都是最有害的杂质之一。在炼铁 过程中，随焦炭带入高炉中的硫占全部炉料中硫的大部分，焦炭硫分的降低对降低 生铁含硫量、提高生铁质量、提高高炉利用系数、降低焦比都是非常有利的。在炼 钢生产中硫含量大于0 0 7 即为废品【2 。在炼焦过程中，煤中硫大部分将残留在焦 炭中，我们称它为固定硫，也有一部分随挥发物一起放出，我们称它为挥发硫。所 以焦炭中的硫不仅取决于洗选后的精煤中的硫含量，还取决于炼焦时的脱硫程度。 对于每一种煤来说，其挥发硫的数量是不一样的。但有一点是肯定的，即煤中硫的 数量和形态起着决定性的作用。煤在热解过程中，黄铁矿硫的化学转化能力比有机 硫强。除硫酸盐外，煤中其他组成的形态硫均有可能形成挥发硫。焦炭中的硫以 f e s 存在，挥发硫则是以h 2 s 等气体放出。为了保证生铁中的硫含量不超过标准， 在高炉冶炼中就要控制炉渣碱度、渣铁比和炉温等，使硫尽量转到炉渣中。这样就 需要额外增加溶剂和热量，有时还会影响高炉稳定操作。通常认为，硫分每增加 o 1 ，溶剂和焦炭的消耗量就要增加2 左右，若焦炭中的硫量骤然增加，而溶剂 又无法再增加时则不免会提高铁中的硫量。一次炼焦配合煤的硫分应该控制在规定 的1 以下，以满足炼铁的需求。为了合理利用我国的炼焦资源，可以在炼焦配合煤 料时采用高、低硫煤调配使用的方法。 一9 一 河北理工大学硕士学位论文 2 煤质特性及实验结果分析 2 1 煤质特性分析 煤质分析是目前我国测试量最大，应用面最广，涉及到所有煤炭贸易各方的一 门专门技术；煤质资料数据，包括工业分析、元素分析、全硫分析和发热量，并对 这些煤的数据进行预分析。煤的工业分析又是煤质分析的主要内容，是了解评价煤 质特性豹主要指标和基本依据，是媒质分析中最常规的检测项目。工业分析通常也 称技术分析或实用分析，包括煤中的水分、灰分、挥发分的测定及固定碳的计算。 最新版的煤工业分析国家标准为g b 2 1 2 - 9 1 。由于理解上的偏差及习惯性操作，给严 格执行新标准带来了一定的难度。煤的工业分析是了解煤质特性的主要指标也是评 价煤质的基本依据，根据工业分析的各项测定结果可初步判断煤的性质、种类和各 种煤的加工利用效果及其工业用途。 2 2 开滦精煤煤质实验及数据分析 2 2 1 实验方法 本次实验共采集了开滦精媒公司现用单种煤和开滦集团的单种煤共9 种，以及由 此按常规方法配合成的配合煤1 7 种。煤样的制备按g b t 4 7 4 1 9 9 6 ( 1 ) 开滦单种煤、配合煤的工业分析、全硫含量的测定均按国家有关标准进 行。采用江苏江分电分析仪器有限公司生产的c l s 一2 型库仑测硫仪测定煤的含硫 量，其测硫量的范围为o 9 9 9 9 ；按g b t 2 1 4 - - - 1 9 9 6 进行分析。 ( 2 ) m a c - - 2 0 0 0 全自动工业分析仪测定煤的水分( m ) 、灰分( a ) 、挥发分 ( v ) 和固定碳( f c ) ，按g b ，r 2 1 2 2 0 0 1 进行分析。 ( 3 ) 粘结指数g 值按g b 椰4 4 7 - - 9 8 5 标准测定，该标准参照国际标准 l s 0 3 3 5 - - 1 9 7 4 硬煤一粘结力的测定一罗加实验法改进后制定。 ( 4 ) 最大胶质层厚度的测定按g b t 4 7 9 _ - 6 4 进行分析，采用复式胶质层测定仪 测定。 ( 5 ) 煤的奥贬膨胀度和基氏流动度测定按j i s m 8 8 0 1 1 9 9 3 进行分析。 一l o - 2 煤质特性及实验结果分析 2 2 2 单种煤实验结果及数据分析 1 单种煤煤质实验结果 首先对开滦精煤公司的三个单种煤作了煤质测定，分析结果见表l 表l 开滦精煤公司单种煤煤质分析 t a b l e1a n a l y s i so fc o a lp r o p o l i e so f k a i l u a nc o a lc o m p a n y 指标工业分析( ) 粘结胶质层发热量 指数 xy q p l d 煤样 m 。da dv d “ s ( m m ) ( m m ) ( u j k g ) 范各庄 ( 高硫) 0 79 6 43 4 5 11 2 68 92 22 53 1 0 3 范各庄 ( 低硫) 0 6 18 9 93 0 0 90 8 59 02 42 73 1 7 8 吕家坨 0 6 71 1 2 6 2 4 0 2 0 8 28 81 8 1 9 5 3 1 9 6 2 单种煤的物理化学性质 开滦精煤公司提供的煤样中范各庄精煤是肥煤，吕家坨精煤是焦煤( 用户作为 肥煤用) a 按冶金焦用煤技术条件( g b t 3 9 7 - - 1 9 9 8 ) 规定，以煤中灰分( 钆) 划分：范各庄煤( 高硫煤a d ：9 6 4 ，低硫煤a d ：8 9 9 ) 为九级精煤，吕家坨煤 ( 钆：1 1 2 6 ) 为1 2 级精煤。开滦煤的灰分值高于全国洗精煤的平均灰分值，但 在焦煤、肥煤中属于中等灰分的煤： 精煤公司吕家坨精煤含硫量为o 8 2 ，范各庄高硫精煤含硫量为1 2 6 ，低硫 精煤含硫量为0 8 5 ，其中范各庄精煤在我国肥煤中属硫含量偏高的情况。 从煤的变质情况看，范各庄高硫精煤的挥发分为3 4 5 1 ，低硫精煤的挥发分为 3 0 0 9 ，吕家坨精煤的挥发分为2 4 0 2 ，吕家坨精煤的变质程度比范各庄精煤的变 质程度深，总体上看他们都属于中等变质程度偏高的优质煤。 3 单种煤的粘结性 开滦煤是全国著名的强粘结性煤的生产基地之一，这三个煤样g 值均在8 8 以 上，其中范各庄高硫精煤g 值为8 9 ，低硫精煤g 值为9 0 ，吕家坨精煤g 值为8 8 。 胶质层最大厚度y 值：范各庄高硫精煤为2 5 毫米，低硫精煤为2 7 毫米，吕家坨为 1 9 5 毫米。胶质层厚度最大值主要表征煤在加热过程中所产生的液相的数量，而奥 亚膨胀度反映煤在生成胶质体期间的析气速度和胶质体的透气性，胶质层厚度y 值 和奥亚膨胀度b 值均作为划分肥煤的分类辅助指标，粘结指数和胶质层最大厚度是 衡量煤的结焦性的主要指标。粘结指数和胶质层最大厚度的变化会明显地影响配合 煤的结焦性、焦炭的抗碎强度m 4 0 ，而且胶质层最大厚度还是决定膨胀压力的主要 河北理工大学硕士学位论文 因素，保证适当的胶质层厚度才能炼出机械强度高的焦炭。胶质层过厚时会产生很 大的膨胀压力，对炉墙不利。从三种煤样可以看出，范各庄低硫精煤的膨胀度略高 于吕家坨精煤的膨胀度。要想得到高强度的焦炭，除了使煤在干馏时应有足够数量 的塑性体外，还必须保证这个塑性体有较宽的塑性温度区间，有较好的热稳定性和 流动性，有适度的膨胀压力，以便煤粒有充分的时间互相熔融和胶结。而奥亚膨胀 度和基氏流动度正是反应煤在受热状态下的上述特性。 4 单种煤的发热量 煤的发热量是煤质研究和评价工作中的一项主要指标，它是鉴定煤质、计算热 平衡、耗煤量和热效率以及改进燃煤方法和提高热能利用的依据。在煤田地质勘探 和矿井生产过程中，一般对煤样都测定灰分、水分和挥发分等测试项目，而对于发 热量则测试不多。在以往实践中，认识到发热量与工业分析、元素分析的数据之问 存在某种联系，因而煤发热量除直接测定外，还可以根据工业分析、元素分析的数 据运用经验公式计算得到，从而节约测试时间和测试费用；所以对某一具体煤矿的 煤发热量的测定，可以为煤炭生产、销售和合理利用打下基础。 从单种煤的发热量看，范各庄高硫精煤的发热量为3 1 0 3 m j k g ，低硫精煤的发 热量为3 1 7 8 m j k g ，吕家坨精煤为3 1 9 6 m j k g ，均属发热量高的炼焦煤。 2 2 3 配合煤实验结果及数据分析 1 配煤方案的确定及实验结果 在单种煤实验的基础上进行了配煤实验，根据炼焦生产配煤的要求，在配煤工 艺比较稳定的条件下，焦炭质量主要取决于配合煤的质量。配合煤的各项质量指标 和各单种煤质量指标是线性相关的，即配合煤质量是由各单种煤质量及配煤比决定 的。对同一煤矿，在一定时期内或相同地方、相同地质层的煤，其质量指标是相对 稳定的。为了准确说明精煤公司的精煤在配合煤中的作用，节省成本且适应市场需 要，必须保证配出的煤在满足炼焦需求的同时成本最低，配煤时根据不同的配合比 例设计了不同的配煤实验方案，利用软件进行了线性优化，共进行了三个煤样六个 配煤方案的实验，实验结果见表2 。 2 配合煤煤质分析 研究配煤的基础就是分析与燃烧或炼焦有关的煤炭的主要性质在配煤中的变化 规律。大量的研究证明，不同煤炭的灰分、硫分、水分、挥发分、固定碳、发热量 具有线性可加性。从表2 可以看出，在满足配合煤含硫量小于等于1 1 的前提下， 1 2 2 煤质特性及实验结果分析 随着范各庄高硫精煤配比的增加( 从3 0 n4 7 ) ，范各庄低硫精煤的配比减少 ( a3 8 8 9 0o 8 ) ，同时吕家坨精煤的配比增加( 从3 1 2 n5 2 2 ) ，配合煤 的挥发分越来越小( 从2 8 6 6 到2 7 8 0 ) ，灰分越来越高( 从9 3 4 到9 9 7 ) ， 胶质层最大厚度y 值减少( 从2 4 0 6 毫米到2 2 1 5 毫米) 。 表2 开滦精煤公司配合煤煤质分析表 t a b l e2a n a l y s i so fb l e n dc o a lp r o p o t i e so fk a i l u a nc o a lc o m p a n y 指标各煤种百分含量 工业分析( ) 粘胶质层 发热量 结 蓖各范各吕家水灰挥发 硫 指 庄高庄低坨分分分分 数 xy o 叫 方案 硫煤硫煤煤m “氏v 血fs g 方案1 3 0 03 8 83 1 20 7 29 3 42 8 6 60 9 08 92 1 5 32 4 0 63 1 0 0 方案23 5 02 7 63 7 4o 7 39 5 72 7 1 9 0 9 l8 9 2 1 0 62 3 5 03 0 8 6 方案3 4 0 01 6 54 3 50 7 49 7 42 7 6 20 9 2 8 9 2 0 5 92 2 9 43 0 7 2 方案44 5 。05 34 9 70 7 59 9 02 8 ，0 4 0 。9 38 9 2 0 t 1 22 2 1 3 73 0 5 8 方案5 4 6 03 1 5 0 9 0 7 59 9 32 7 9 40 9 48 92 0 0 32 2 2 63 0 5 6 方案6 4 7 00 85 2 20 7 59 9 72 7 8 00 9 58 91 9 9 32 2 1 53 0 5 3 2 2 4 单种煤与配合煤炼焦特性的比较 配煤可以充分利用每种煤的特点，“取长补短”，使煤炭质量满足用户对炼焦 煤的煤质要求。通过对精煤公司单种煤和配合煤的煤质分析实验可以得到如下结 论： ( 1 ) 范各庄高硫精煤和低硫精煤属中等挥发分、硫含量偏高、变质程度较低的 优质肥煤。 ( 2 ) 吕家坨精煤属于变质程度比范各庄较深、中等硫含量、挥发分较低的优质 焦煤。 ( 3 ) 以精煤公司范各庄与吕家坨精煤按比例配成的配合煤属于中等挥发分、中 等硫含量的煤，此配合煤中各单种煤的配合比例及其炼焦特性有待进一步验证。 ( 4 ) 精煤公司若将进一步提高其产品的竞争力，扩大高硫煤煤种在冶金领域的 地位和价值，合理利用商硫煤煤炭资源，降低成本，需采用外购瘦煤种进一步降低 其硫分、灰分。 一1 3 一 可北理工大学硕士学位论文 2 3 模糊聚类分析实验数据 2 3 1 模糊聚类方法的意义及实验数据的选取 1 模糊聚类方法的意义 模糊聚类分析法的目的在于通过表征事物特性的若干技术经济指标的聚类分 析，对事物作出科学的评价和分类，将归为一类的事物具有相同的特性。模糊聚类 法已经应用到许多学科领域，例如在环境保护方面，甘肃省环境监测中一t l , 的姜泳波 等人用模糊聚类法，对甘肃省灰尘类污染状况作了科学、综合地分析；湖南省环境 监测中心尹福祥等人也研究过模糊聚类分析在水环境污染区划中的应用( 1 6 j ；在矿业 等方面，樊金串也曾对煤中微量元素间依存关系进行了聚类分析【1 8 】。目的在于通过 表征事物特性的若干技术经济指标的聚类分析，对事物作出科学的评价和分类，将 一些事物分类后，使同类中各事物具有相同的特性【1 9 】。目前由于配合煤的工业指标 不同，焦炭和配合煤煤质的各个指标之间存在一定的模糊性，各个等级的冶金焦炭 的质量标准的不同，所以要求的配合煤工业指标也有所不同。针对这种情况，本文 简述了炼焦用煤对煤质要求，选取决定焦炭质