堆密度对炼焦煤膨胀压力的影响

University of Science and Technology Liaoning 本科生学位（毕业）论文

课题名称

堆密度对炼焦煤膨胀压力的影响

所在院系 化工学院

学科专业 化学工程与工艺（煤化工方向） 班 级 煤化09-2班 本科生姓名 高中稳

导师姓名 白金锋 （教授）、刘洋

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辽宁科技大学本科生毕业论文 I

堆密度对炼焦煤膨胀压力的影响

摘 要

中国是焦炭生产大国。我国的煤炭资源丰富种类齐全，但是存在煤种分布不均，非炼焦煤储量较多而优质的炼焦煤资源偏少的现象。随着各种新型炼焦技术的不断发展，特别是大型捣固技术的广泛应用，炼焦煤在结焦过程中往往产生过高的膨胀压力，严重影响焦炉的顺利运行并且缩短焦炉的使用寿命。为了合理利用我国的炼焦煤资源，研究炼焦原料煤的性质对膨胀压力的影响是十分必要的，有利于维护现有的焦炉和指导开发新的炼焦工艺。

本文通过自制的仪器设备，研究了不同炼焦煤在相同的实验条件下膨胀压力的变化情况以及不同堆密度的各单种煤及配合煤的膨胀压力的变化情况。实验结果表明，随着堆密度的增加，炼焦煤在结焦过程中的膨胀压力有了不同程度的增加。例如：新建煤在堆密度分别为0.7t/m3， 1.0t/m3时，其在炼焦过程中的最大膨胀压力分别为4.29Kpa，459.96Kpa。炼焦煤在结焦过程中生成的胶质体是产生膨胀压力的根本原因，炼焦煤的最大膨胀压力与煤料黏结性和结焦性的优劣保持一致,煤料黏结性和结焦性越好，最大膨胀压力越大。配合煤在炼焦过程中的最大膨胀压力没有加和性。

关键词：炼焦煤；堆密度；黏结性；最大膨胀压力

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辽宁科技大学本科生毕业论文 II

ABSTRACT

China is the largest producer of coke and is rich in coal resources range, but has the phenomenon of uneven distribution of coal, coking coal reserves more than high-quality coking coal resources less. With the continuous development of various new coking technology, especially the wide application of large stamping technology, coking coal in the coking process often generates expansion pressure is too high, the service life of the smooth operation of the serious influence of coke oven and shorten the coke oven. In order to make rational use of China's coking coal resources, researching the properties of coking coal on the expansive pressure is essential, which is conducive to the maintenance of existing coke oven coking process and guide the development of new.

In this paper, the different coking coal swelling pressure and change of every single coal of different bulk density and expansion of the pressure of coal under the same experimental conditions have been studied through the self-made equipment. The experimental results show that, with the increase of bulk density, expansion pressure of coking coal in the coking process with different degrees of increase. For example: coal in bulk density were 0.7t/m3, 1.0t/m3, in the coking process, the maximum expansion pressure are respectively 4.29Kpa, 459.96Kpa. Colloid generation in coking coal coking process is the basic cause of the expansion pressure, maximum swelling pressure and quality of coal caking property coal for coking coal is consistent, bonding and coking is better, the maximum expansion of greater pressure. With the maximum swelling pressure of coal without additivity in the coking process.

Keywords：Bulk Density; Coking Coal; Caking; Maximum Swelling

Pressure

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目 录

摘 要 ................................................. 1 ABSTRACT ................................................. 2 目 录 .................................................... 3 1 绪论.......................................................................................................................................... 1

1.1 中国煤炭资源概况............................................. 1

1.1.1 我国炼焦煤资源分布..................................... 1 1.1.2 我国炼焦煤资源特点..................................... 1 1.2 煤的黏结性和结焦性 .......................................... 2

1.2.1 煤黏结性和结焦性的意义................................. 2 1.2.2 国内外测定煤黏结性和结焦性的方法研究................... 2 1.3 配煤炼焦 .................................................... 3

1.3.1 配煤炼焦的优点......................................... 3 1.3.2 配煤炼焦的基本原则..................................... 3 1.3.3 国内外配煤炼焦的发展现状............................... 4 1.4 捣固炼焦技术 ................................................ 5

1.4.1 捣固炼焦的基本原理..................................... 5 1.4.2 捣固炼焦技术特点....................................... 5 1.4.3 国内外捣固炼焦技术的应用及发展......................... 7 1.5 煤的膨胀压力 ................................................ 8

1.5.1 煤膨胀压力形成机理..................................... 8 1.5.2 影响煤膨胀压力的因素.................................. 10 1.5.3 国外关于炼焦煤膨胀压力的研究进展...................... 11 1.6 开展本课题的渊源、意义及创新点 ............................. 11

2 实验部分 .............................................................................................................................. 13

2.1实验用煤.................................................... 13 2.2煤样的煤质分析指标.......................................... 13 2.3 实验设备 ................................................... 16 2.4 实验步骤 ................................................... 17

3 结果与讨论 ......................................................................................................................... 18

3.1 炼焦原料煤单种煤膨胀压力分析 ............................... 18

3.1.1 1/3焦煤膨胀压力分析 .................................. 20 3.1.2 肥煤膨胀压力分析...................................... 26 3.1.3 焦煤膨胀压力分析...................................... 30 3.1.4 瘦煤膨胀压力分析...................................... 36 3.2 炼焦原料煤配合煤膨胀压力分析 ............................... 38

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4结论 .................................................. 51 参考文献 ................................................ 52 致 谢 ................................................ 55

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1 绪论

1.1 中国煤炭资源概况

中国是一个以煤炭为主的能源大国，在世界煤炭储量中仅次于美国，位居世界第二。煤炭产量占世界产量的37%。煤炭作为中国的主要能源，分别占一次能源生产和消费总量的76%和69%，在未来相当长的期内，中国仍然将是以煤为主的能源结构。

1.1.1 我国炼焦煤资源分布

中国炼焦煤资源是指在中国煤分类国家标准（GB5751）中的气煤、1/3焦煤、气肥煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤和1/2中黏煤。

虽然我国炼焦煤丰富，但是明显存在两个不平衡—在地区和品种分布上。虽然在29个省(自治区)赋存有炼焦煤，可是炼焦煤资源主要集中分布在为数不多的地区，中国煤炭资源北多南少，西多东少，煤炭资源的分布与消费区分布极不协调。从总的分布看，尽管东部沿海地区煤储量小，然而产量较大，但是内陆及西部地区储量很高，而且近几年的产量不断加大。全国炼焦煤储量的70%仅仅是山西、河南、内蒙古、安徽四省的炼焦煤储量。从各大区的分布情况看，仍然是很不平衡的，华北地区炼焦煤储量约占全国储量的2/3，其中50%以上是山西这一个省的。安徽、山东两省是华东地区炼焦煤储量的主要集中地，而工业主要在以上海为中心的长江三角洲地区。东北地区炼焦煤仅占全国炼焦煤储量的5%，储量较少，主要分布在黑龙江、吉林两个省，但工业却集中在辽宁。东北三省的不少矿区如本溪、抚顺等煤矿井已经枯竭[1-3] ，这是由于东北三省开发强度大造成的。西南地区有67%的煤炭资源集中在贵州，而工业主要在四川。 1.1.2 我国炼焦煤资源特点

我国炼焦煤品种虽然齐全，但分布很不平衡，储量最大的气煤（包括1/3焦煤）占我国炼焦煤储量的57%，肥煤、焦煤、瘦煤加到一起也不到炼焦煤储量的

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辽宁科技大学本科生毕业论文 第2页 50%。具体的比例分布为：肥煤14.46%；焦煤16.89%；瘦煤12.38%；而且在储量中高硫（Std≥2%）的肥煤、焦煤、瘦煤分别占本煤种的48.0%、29.6%和56.64%；即有一半的肥煤和瘦煤是高硫煤，1/3的焦煤是高硫煤。

由于煤资源与我们生活密不可分，所以在炼焦煤资源紧缺的情况下，国内外相关人员都在研究如何保护煤资源，主要从以下几个方面着手[4]：

（1）对煤厂设施进行完善，从选煤、洗煤到分析出厂都要按部就班，提高对煤的合理使用和分配效率。减少焦化厂炼焦对优质煤的依赖性。可以采用煤粉高炉喷吹手段，对含有碳氢化合物的废弃物进行喷吹，还可以添加废弃的碳素制品和聚四氟乙烯等物质。

（2）加快配煤炼焦的可行性发展及捣固焦炉的建设与更新。采用配合煤炼焦，多配入瘦煤、气煤、贫瘦煤等煤使配合煤炼焦焦炭质量达到单种煤炼焦质量标准。同时，捣固炼焦技术和配型煤技术的改革同样有利于炼焦煤的节约，能够减少污染，改善焦炭热强度有限的缺点。这样不仅能节约煤资源，还能有效利用煤资源，提高效益，降低成本。

1.2 煤的黏结性和结焦性

1.2.1 煤黏结性和结焦性的意义

煤的黏结性和结焦性是评价炼焦用煤的两个重要指标。煤的黏结性是指烟煤在干馏时黏结其本身或外加惰性物质的能力，反映烟煤在干馏过程中能够软化熔融形成胶质体并固化黏结的能力。煤的结焦性是指在工业生产条件下，形成具有一定块度和强度焦炭的能力。煤的黏结性是煤形成焦炭的前提和必要条件，炼焦用煤必须具备一定的黏结性[5]，黏结性很大程度上取决于热解软化时产生胶质体的数量和质量，因此本文用测定胶质层指数来评价煤的黏结性的好坏。 1.2.2 国内外测定煤黏结性和结焦性的方法研究

测定黏结性和结焦性的实验室方法很多，常用的方法有：坩埚膨胀序数、罗加指数、黏结指数、基氏流动度、胶质层指数、奥亚膨胀度和葛金焦型等七种。

目前，国内比较常用的评价指标包括黏结指数、胶质层指数、奥亚膨胀度。

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辽宁科技大学本科生毕业论文 第3页 其中，胶质层指数的测定因其具备直接模拟性，作为评价烟煤黏结性与结焦性好坏与指导炼焦配煤的重要指标[6]。

1.3 配煤炼焦

以前，炼焦只用单种炼焦煤，随着炼焦工业的快速发展，炼焦煤的储量开始感到不足，而且还存在着煤炼得的焦饼收缩小，推焦困难；炼焦煤膨胀压力很大，容易胀坏炉体；炼焦煤挥发分少，炼焦化学产品产率小等缺点。为了克服这些缺点，采用了多种煤的 配煤炼焦。所谓配煤就是将两种以上的单种煤，按适当比例均匀配合，以制得满足各种用途的焦炭。配煤炼焦在合理利用炼焦煤资源、保证炼焦生产的顺利进行、提高焦炭质量和增加炼焦化学产品产量等方面有着重要的意义。

1.3.1 配煤炼焦的优点

采用配煤炼焦具有以下方面的优点[7]：

（1）节约优质炼焦煤，扩大炼焦煤资源，使煤炭资源得到最大程度的充分利用；

（2）充分利用各单种煤的结焦特性，改善焦炭质量，生产出满足用户需要的质量指标的焦炭，满足不同的用途；

（3）在保证焦炭质量的前提下，增加炼焦化学产品的产率和炼焦煤气的发生量；

（4）有利于炼焦生产操作，避免推焦困难，能够延长焦炉的使用寿命。 1.3.2 配煤炼焦的基本原则

为了保证焦炭质量，又利于生产操作，在确定配煤方案时，应考虑以下几项原则[8]：

（1）保证生产出的焦炭质量符合各种指标；

（2）在焦炉内不产生较大的膨胀压力，以免损坏炉体和造成推焦困难； （3）充分利用本地区资源，可起到运输合理和降低产品成本之优势；

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辽宁科技大学本科生毕业论文 第4页

（4）在保证焦炭强度的前提下，尽可能增加化学产品的产率（即配煤挥发份尽量高一些）；

（5）在保证焦炭质量的前提下，尽量节约使用焦煤等优质炼焦煤，尽可能多配入气煤、1/3焦煤和黏结性较差的煤，以做到合理利用中国的煤炭资源。 1.3.3 国内外配煤炼焦的发展现状

随着配煤炼焦技术的发展，配煤炼焦已经不再局限于气煤，肥煤和焦煤之间。近些年来，在国内外市场上，优质炼焦煤越来越少、炼焦煤价格在大幅度攀升。国内外有些专家学者开始研究非炼焦煤和炼焦煤配合炼焦的技术，并进行了进一步的探索。王海燕[9]研究了在炼焦煤中添加焦粉，无烟煤等非炼焦煤，最后的实验表明：添加焦粉，无烟煤等高碳物料是可行的，不但能提高焦炭收率，增加焦炭产量，而且可以稳定焦炭强度，改善焦炭粒度，显著降低焦炭成本。项茹[10]等人研究了细粉碎后贫瘦煤, 与气肥煤、肥煤、1/ 3 焦煤及焦煤按质量比1:1 进行配煤共结焦试验。研究结果表明: 在保证焦炭质量的前提下, 要提高贫瘦煤的配入量, 必须有充足的肥煤和气肥煤配入量, 适度限制1/ 3 焦煤和焦煤的配入量; 1/ 3 焦煤在结焦过程中的膨胀性和流动性远远低于气肥煤和肥煤, 因此其与贫瘦煤共结焦结果不同于常规的结焦机制。张丙生等人[11]研究了改质沥青对冶金焦炼制过程单种煤成焦性质的影响，最后的实验结果表明：改质沥青对焦炭的灰分，硫分，挥发分等性质都有所改变。贾金贵等人研究了焦粉和焦油渣在对配煤炼焦的影响，最后实验表明：配入焦粉后，炼焦煤的焦化，瘦化与抗裂作用明显，不但可以将焦粉配入，而且可以改善焦炭质量。但是，焦油渣和焦粉混匀后配到炼焦煤中，作用不明显。

各种煤混合后炼制的焦炭质量的好坏关键是受到配合煤之间相互作用的结果。Richard Sakurovs[12]对煤的热塑性的研究结果表明：在400℃～520℃这段温度范围内，配合煤之间的相互作用最强烈，挥发分是影响煤的热塑性的重要因素。Fernandez, M等[13]将通常用于炼焦的工业配合煤（ICB）选定为研究对象。工业配合煤中的高结焦压力煤的含量为两个百分比，即20%和25％。为了减弱ICB中危险煤产生的结焦压力，采取用于高炉煤粉喷吹（PCI）的两种不同变质程度的煤和焦粉作为添加剂的使用。用17Kg电加热式可移动炉墙焦炉测量由炭化过

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辽宁科技大学本科生毕业论文 第5页 程中配合煤产生的、传递给炉墙的压力。此外，对煤的塑性层渗透性进行了评估，通过测量焦炭的冷态强度、反应性和反应后强度对生产的焦炭的质量进行了评价。结果发现，虽然焦粉是减少结焦压力最有效的添加剂，但会造成焦炭质量严重下滑；另一方面，低挥发性喷吹煤成功地减少结焦压力，而对焦炭质量不会造成重大影响。

配煤炼焦不但可以提高焦炭的质量，同时也可以减少肥煤和焦煤的加入量。这样，可以缓解煤炭资源供应紧张的现状。

1.4 捣固炼焦技术

1.4.1 捣固炼焦的基本原理

捣固炼焦是利用捣固机械将堆密度为0.72t/m3的散装煤提高到1.10～1j.15t/m3，由焦炉侧面推入炭化室中进行结焦。其原理是：炼焦煤堆密度的增加，煤粒间间隙较小，结焦过程中煤料受热软化熔融所产生的胶质体很容易在不同煤质表面均匀分布浸润。其次，由于煤粒间接触更致密，将间隙充满所需要的胶质体液态产物的数量减少，即用来分布在煤粒表面上的胶质体液态产物数量较少。在炼焦生产的过程中，煤粒间可以形成较强的界面结合。此外，捣固后的炼焦煤结焦过程中产生的气体不易析出，煤粒间的膨胀压力变大，使变形的煤粒更加靠拢，提高了煤粒间的接触面积，有利于煤热解产物的游离基与不饱和化合物缩合反应的进行。同时随着热解产生气体析出时阻力的增加，气体在胶质体内的停留时间延长。这样，气体中某些带自由基的原子团或热分解时的中间产物有更充分的时间进行相互作用，容易产生分子量适中，结构更加稳定的物质。增加胶质体内不挥发的液相产物，结果胶质体不仅数量增加，而且还变得稳定。这些都有利于炼焦煤粘结性能的增加[14]。 1.4.2 捣固炼焦技术特点

捣固炼焦与常规炼焦的本质差别就是装炉煤料堆密度的差别。煤料的堆密度与煤粒对水的浸润性、表面张力、煤粒之间的粘着力和摩擦力的作用、煤料的粒度组成和外来施加的压力等因素有关[15-18]。

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辽宁科技大学本科生毕业论文 第6页 （1）提高焦炭的冷态强度

在同样的配煤比下，捣固焦炭与常规顶装焦炭相比，其抗碎强度M40提高1%-6%，耐磨指标M10降低2%-4%[19]。捣固炼焦对提高焦炭冷态强度的程度取决于配合煤的性质。配合煤G值较低时，焦炭冷态强度提高明显；配合煤G值较高时，捣固炼焦对焦炭冷态强度的改善不明显，尤其是抗碎强度M40几乎没有改善，个别焦炭的M40还略有下降。捣固炼焦生产的焦炭块度均匀，大块焦炭较少，粉焦(小于10mm)减少，耐磨指标M10明显改善。捣固炼焦工艺生产出来的焦炭块度适中且较均匀，焦炭的耐磨指标M10改善较明显。 （2）提高焦炭的反应性

焦炭的化学性质即光学显微结构对焦炭的热性质，尤其是焦炭的反应性影响显著，而焦炭的光学显微结构又主要取决于煤自身的性质。因此，捣固炼焦工艺对焦炭的反应性影响不大；而焦炭的反应后强度不仅与焦炭的光学显微结构有关，还与焦炭的孔隙结构和焦炭的基质强度密切相关。捣固炼焦工艺可以通过改善焦炭的孔隙结构来提高焦炭的基质强度。因为在捣固煤饼中煤颗粒间的间距比常规顶装煤粒间距缩小28%～33%，而且，结焦过程中产生的气体不易析出，增大煤粒间的膨胀压力，使煤料进一步受压，增加煤粒间的接触面积。焦炭孔壁厚度增大，气孔直径变小，气孔率降低。因此，捣固炼焦工艺对焦炭的反应性影响不大，但可以明显提高焦炭的反应后强度，一般可提高CSR值l%～6%。 （3）扩大炼焦煤资源

炼焦生产工艺要求炼焦煤具有一定的粘结性，这样炼焦煤在热解加热时就能够软化、熔融，产生大量的液态产物，使煤粒彼此结合，固化成焦炭，因此炼焦煤中都需要配入一定量的强粘结性煤，以保证焦炭的质量。目前，我国强粘结性煤的资源有限，对于拥有高挥发分、弱粘结性气煤与1/3焦煤等煤种而缺少主炼焦煤的企业来说，捣固炼焦技术大大改善了焦炭质量[20]。通常情况下，顶装炼焦工艺只能配入约35%气煤，而捣固炼焦工艺可配入气煤高达55%[21]。此外，捣固炼焦工艺煤料的粘结性要求较低，即使有些煤料的粘结能力稍差，经过合理的配煤，也可以生产出高质量的焦炭。 （4）降低成本，提高经济效益

一般情况下，在入炉煤相同时，采用捣固炼焦技术生产出来的焦炭质量要优

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辽宁科技大学本科生毕业论文 第7页 于顶装焦炉炼焦生产出来的焦炭质量；对焦炭质量需求一致时，采用捣固炼焦技术可以在减少使用粘结能力较强的煤料时，配入低灰、低硫、低价格的弱粘结性煤，从而降低入炉煤成本。另外，采用捣固炼焦技术增加了炼焦煤的堆密度，以堆密度增加25%计算，单位体积的焦炭产量提高为12%。在原有体积炭化室的条件下，较为明显的提高了焦炭产量，从而提高了经济效益。中国炼焦行业协会对比全国大型焦化厂入炉煤的配比，得出的结论是：捣固炼焦比顶装炼焦多用气煤和1/3焦煤共约8%，多用瘦煤和贫瘦煤共约7%，少用焦煤9%、肥煤5%。综上所述，采用捣固炼焦比顶装炼焦可少用15%～20%的强粘结性煤[22-23]。 （5）保护环境

捣固焦炉不仅可以选用顶装煤焦炉采用的环境保护措施，而且由于捣固焦炉独有的特点，可以在炉顶设置焚烧洗涤消烟除尘车，减少装煤推焦逸散的烟尘量，使得环境保护措施更趋完善，降低污染物排放量。

1、出焦除尘采取与顶装焦炉相同的措施，如出焦地面除尘站、热浮力罩等。 2、采用与顶装焦炉相同的球面密封除尘孔盖座、上升管水封盖及翻板阀水封，敲打刀边炉门或挠性弹簧刀边炉门，减少焦炉的无组织排放。

3、熄焦烟尘也由安装在熄焦塔上部的折流板除尘装置除去其中的颗粒物。 4、捣固焦炉装煤堆密度比顶装焦炉提高了1/3，相应增加了装炉煤量及出焦量，减少了单位焦炭产量装煤推焦次数，相应减少了装煤推焦烟尘逸散总量。

5、捣固焦炉炉顶没有装煤车，其位置设置了消炳除尘车，将装煤烟尘中的有毒、有害物质焚烧无害化处理后，再经洗涤除去颗粒物；也可以采取顶装焦炉的消烟除尘措施在炉顶设置干式除尘车或将烟尘引至地面除尘站消除装煤时产生的颗粒物[24] 。

总之，由于捣固炼焦工艺既可以利用价廉原料，又可以提高焦炭产量，所以其经济效益优于常规顶装工艺。另外，捣固工艺由于配有装炉烟尘转送系统，可将在密闭系统中收集的装炉烟尘转送到荒煤气中，因此能够满足严格的环保要求，达到保护环境的目的[25] 。 1.4.3 国内外捣固炼焦技术的应用及发展

目前，捣固炼焦技术已有百年历史，而国内成熟的大型捣固焦炉只在近几十

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辽宁科技大学本科生毕业论文 第8页 年活跃起来。国内捣固焦炉主要有两种：一种是顶装改捣固焦炉；一种是新建的捣固焦炉。近几年，随着强粘结性煤供应的逐步紧张，我国的一些钢铁企业使用了捣固焦炉，成效显著。我国攀钢焦化厂在2009年将其新建的5.5m捣固焦炉生产的焦炭用在1000m3~2000m3的炼钒钛磁铁矿的高炉上；涟钢焦化厂在2009年将其新建的5.5m捣固焦炉生产的焦炭用在3000m3的高炉上。另外长冶钢铁公司和山东潍坊钢铁公司建成炭化室高4.3m的捣固焦炉，高炉容积达1080m3。

20世纪80年代初，德国迪林根焦化厂建成了世界上炭化室最高的捣固焦炉，煤饼高宽比达到15:1，生产至今效果良好，在捣固焦炉大型化方面保持着领先地位，并且采用地面站抽烟清洗及焦侧除尘等措施，环境条件可达到宝钢引进的先进焦炉的水平。

印度因其国内主要产高挥发分、高灰分和低粘结煤，所以1998～1999年建成投产了第一座应用捣固炼焦工艺的焦炉，2001年以来印度每年有200万t以上冶金焦炭是采用捣固炼焦技术生产的。印度塔塔钢铁公司，2000年成为世界上最大捣固炼焦生产企业后，一直保持着领先地位。公司目前拥有的9座焦炉中有7座(144孔)采用捣固装煤方式，利用40%～60%进口半软煤，焦炭CSR指标达到65%以上

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。

另外法国、捷克、罗马尼亚等国也大量采用捣固炼焦技术。20世纪70年代，

联邦德国在煤捣固工艺上取得重大突破，主要是采取薄层连续给煤并加以捣固等技术措施[20]，提高捣固机械作业率，并有效控制了煤饼装煤时的烟尘，这一工艺已引起各国的重视，相继在印度、前苏联和我国等国推广应用。目前世界上较先进的捣固技术为德国萨尔堡捣固技术[27-28]，该技术在世界上应用较广，我国青岛管道燃气公司采用的就是该种技术。

1.5 煤的膨胀压力

煤在一定体积的炭化室中受热分解时，不能自由膨胀，因而对炭化室的墙或者测定膨胀压力的装置的壁产生一定的压力，此压力称为膨胀压力[29]。 1.5.1 煤膨胀压力形成机理

关于膨胀压力的来源，有些学者[30]认为：焦炉内煤料的加热不仅来自两侧

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辽宁科技大学本科生毕业论文 第9页 的炉墙，而且还来自炉顶、炉底，甚至还可能来自两端的炉门。所以，煤在塑性状态下形成了一个封闭的包层，且随炭化过程，该包层逐渐向炉中心移动。这样，从胶质层煤侧析出的挥发物便被封阻在该包层内，从而形成膨胀压力。当胶质层凝合时，膨胀压力达最大值。该压力通过焦炭层传到炉墙，因而炉墙压力也对应出现一个峰值。当胶质体在煤料中心固化并产生裂纹时，被封阻在其中的挥发物得以释放，至此膨胀压力与炉墙压力均消失。

另有一些研究者则不完全认同塑性体包层理论。认为，不会形成一个封闭的包层，而只能形成端部敞开的“管状塑性体”，且不能将气体封阻在其内部。因此认为，膨胀压力来源于封阻在胶质体自身内的气体。当胶质层凝合时，施加于炉墙上的膨胀压力达最大值。因为，此处的加热速率更快，挥发物的析出速率也更快。后来，通过置于炉墙与焦炉中心中间位置的探头观测膨胀压力。发现，当胶质层通过探头顶部时，膨胀压力达最大值，然后减小。这证实了膨胀压力的确来自封阻在胶质层自身内的气体。

膨胀压力的产生与胶质体内产生煤气的压力及其膨胀有关。这些压力限制了胶质体内部热解气体的逸出。胶质体的透气性受以下2个因素的影响：胶质体的性质和胶质体边界的堆密度， 后者受半焦收缩的影响。胶质体内部的塑性变性、半焦收缩与胶质体边界的透气性紧密相关。

目前还没有一个能全面反映胶质体性质的指标。就胶质体主要性质而言，有热稳定性、流动性、透气性、和膨胀性。热稳定性可用煤的软固化温度区间来表示，即煤开始固化温度（t固）与开始软化温度（t软）之间的范围（△t=t固-t软）。它表示煤粒处于胶质体状态所经历的时间，也反映了胶质体热稳定性的好坏。流动性用煤的流动度或黏度来衡量，煤在胶质体状态下的流动性对黏结影响较大，如果胶质体的流动性差，表明胶质体液相数量少，不利于将煤粒之间与惰性组分之间的空隙填满。所形成的焦炭就熔融差，界面结合不好，耐磨性差，因此煤的黏结性差。透气性用挥发物穿透胶质体析出时所受到的阻力来表示，透气性对煤的黏结影响很大。若透气性差，则膨胀压力大，有利于变形煤粒之间的黏结。膨胀性用煤的膨胀度来表征，若体积膨胀不受限制，则自由膨胀。若体积膨胀受限，就会产生一定的压力，即为膨胀压力。如煤在炭化室内干馏时，会对炉墙产生一定的压力，一般膨胀性大的煤，黏结性好，反之则较差。

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半焦收缩为胶质体的膨胀提供了空间，降低了塑性区间的堆密度， 增加了气体的透气性。堆密度越大，透气性越低。同时，半焦的收缩还影响其内部的孔隙结构和裂纹的生成情况。当裂纹较少且孔隙较小时，透气性差，气体排出困难，从而产生膨胀压力；相反，当裂纹较多时，透气性相当好，气体迅速排出，而不会产生膨胀压力。

Rmax是目前国际上公认标志煤的变质程度最佳的一个指标，它能综合地反应煤的化学结构。中变质程度镜质组的膨胀压力高，低变质程度镜质组的膨胀压力低，或无膨胀压力，故需两者适当配合使其适中，这是焦炉配煤炼焦试验的主要目的之一。最大膨胀压力一般在结焦时间3/4时出现，这与镜质组综合显示的变质程度和惰性成分含量直接有关。 1.5.2 影响煤膨胀压力的因素

单种煤的膨胀压力由多种因素决定，配合煤中各单种煤之间又存在相互作用、相互影响，因此配合煤的膨胀压力不能以各单种煤的膨胀压力加和计算，配合煤的膨胀压力与粘结性指标之间不存在规律性的相互关系，添加惰性物时膨胀压力有所降低或者基本不变，添加黏结剂或者强黏结剂时膨胀压力不能预计，只能用实验测定配合煤的膨胀压力值[31]。影响炼焦煤膨胀压力的因素主要由以下几个方面[32]：

（1）煤的种类：不同的变质程度的煤种具有不同的膨胀压力； （2）加热速度越快，膨胀压力越大； （3）煤的堆密度越大，膨胀压力越大；

（4）煤的氧化能降低煤的膨胀能力。煤的氧化能力使胶质体的流动性和胶质层的厚度降低，使胶质体内的气体容易透过。因此氧化可以显著降低煤的膨胀压力，甚至可以完全降低膨胀压力。但是，氧化却使煤的粘结性降低或丧失； （5）加入瘦化剂可以降低煤的氧化能力。例如，加入焦粉或者无烟煤等瘦化剂，可使膨胀压力降低。

（6）同一煤料在较宽炭化室内炼焦，可降低膨胀压力。

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辽宁科技大学本科生毕业论文 第11页 1.5.3 国外关于炼焦煤膨胀压力的研究进展

日本通过对高膨胀性煤的选择性粉碎对焦饼膨胀压力的影响进行了研究，在长时间的工业性实验中，证实了高膨胀性煤的粉碎增加了胶质层的透气性，能够降低膨胀压力和推焦过程中的最大功率电流[33]，因此可以通过高膨胀性煤的选择性粉碎来减少焦饼膨胀压力和延长焦炉使用寿命。Nakagawa等[34]研究者通过对一个已使用26年的炭化室整体翻修前后来测量炭化室结焦过程中的结焦压力和炉墙位移之间的关系，研究表明塑性层的内部煤气压力在焦饼中心时达到最大值，炉墙位移与焦饼中心塑性层内的煤气压力呈正线性关系，维修前的炭化室最大煤气压力位移大于维修后的炭化室，并根据维修前后炭化室塑料层中煤气压力的比较调整了最大推焦电流，综合得出的结论是炭化室内由于结焦压力产生的炉墙位移极大的影响了最大推焦电流。

Melendi等[35]研究者研究了混合塑料废弃物对煤的热塑性、结焦过程产生的压力和所得焦炭质量的关系，实验发现配合煤的基式流动度的减少与废弃物中的聚烯烃的总量有关，热塑性塑料增加了结焦过程中施加给炉墙的压力，焦炭质量稳定甚至有所改善；而当芳香族聚合物如PS(聚苯乙烯)和PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)的比例增加而聚烯烃减少时，结焦压力降低。因此，合理控制废料中的芳香聚合物(如PS和PET)的量是非常关键的，不仅有利于控制基氏流动度和结焦压力，而且同时也避免焦炭质量恶化。聚烯烃在塑料废弃物中的量低于65％时，是一个安全的结焦压力值。结焦压力取决于炼焦煤的煤质性质、工艺条件(煤料粒度，水分含量，堆密度)、炭化室的结构特性、加热制度和结焦时间，根据焦炉的工艺和技术为每个炼焦炉评估和建立了所允许的最大压力值，一般炉墙的极限负荷为7KPa。

1.6 开展本课题的渊源、意义及创新点

在炼焦生产中，有可能因施加于焦炉炉墙上的膨胀压力过高而对焦炉构成危险。因焦炉炉墙、炉顶及炉底的传热而使处于塑性状态的煤料形成一个封闭管状层或封闭包层，且随炭化过程的进行，逐渐向焦炉中心移动。焦炉装料后膨胀压力很快提高，达到一个平缓的极大值，然后逐渐下降，直到两侧的胶质层在焦炉

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辽宁科技大学本科生毕业论文 第12页 中心汇合。接着，随胶质层凝合，膨胀压力再次提高, 并达到一个陡峭的最大值。最后, 随着煤料在焦炉中心固化，膨胀压力再次下降。在出现第二个膨胀压力峰的同时，焦炉中心探头将膨胀压力的峰值记录下来。自从蜂房式焦炉消亡并被长孔式焦炉取代以来，过高膨胀压力的产生以及与之相关的炉墙损坏和推焦困难等问题便经常成为研究主题。其目的是加深理解煤的性质对膨胀压力影响，开发出能确定煤产生过高膨胀压力的可靠实验方法。其中，移动炉墙焦炉是唯一能够被普遍接受的试验设备，有各种结构形式，是目前选择配煤炼焦方案的关键手段。然而，它也有明显的缺陷，如用煤量较大，结焦时间也较长。此外，往往需要做重复实验。因此，规模更小一些的实验就会有优势，即使仅仅将其作为初步分类试验以排除一些几乎不产生膨胀压力的煤种。

本课题是对捣固炼焦原料煤在结焦过程中膨胀压力产生机理及其影响因素进行研究，其对指导炼焦生产以及延长焦炉炉体寿命具有重要意义。对不同的煤种的原料煤及配合煤膨胀压力、黏结性的研究可以有效地指导及合理利用煤炭资源，特别是解决原料煤在捣固炼焦过程中压力的变化具有创新性。

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2 实验部分

2.1实验用煤

本文研究了5种1/3焦煤、4种肥煤、5种焦煤、1种瘦煤，煤质常规指标如表2.1表2.2示，配合煤的煤质常规指标如表2.3和2.4所示。

表2.1 单种煤煤质分析数据

煤种 东兴 元达 新建 新一 场地 恒兴 镇城底 龙湖 马兰 金山 龙焦 滴道 屯兰 富强 张台子

Mad/% 1.46 1.27 3.16 0.67 0.92 0.76 0.68 0.12 0.64 0.85 0.92 1.56 0.39 0.63

Aad/% 8.27 9.73 7.05 10.26 10.40 9.74 9.13 9.11 12.88 9.78 10.17 9.40 9.08 10.32

Vdaf/% 36.20 28.44 32.61 34.18 27.04 31.67 25.80 27.59 29.58 27.07 25.06 28.22 20.20 24.31

G 88 87 96 100 72 100 92 98 91 96 82 91 76 85

b/% 30.8 34.7 125.3 42.1 20.8 195.3 210.3 140.2 110.5 101.2 11.5 60.5 11.4 18.4

Y/mm 18.4 19.1 18.4 14.8 14.1 23.6 17.3 20.5 20.7 16.9 14.8 14.2 11.0 12.0

0.99 10.09 15.78

—— 仅收缩 5.0

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表2.2 单种煤基氏流动度

煤种 东兴 元达 新建 新一 场地 恒兴 镇城底 龙湖 马兰 金山 龙焦 滴道 屯兰 富强

IST/℃ 417 429 419 423 434 402 419 423 393 424 429 434 455 429

MFT/℃ 449 460 464 454 466 460 468 468 465 470 462 473 486 462

LFT/℃ 478 487 497 484 490 499 507 499 510 499 488 498 510 491

ST/℃ 481 492 503 490 500 502 513 502 516 509 498 507 516 498

PR/℃ 61 58 78 61 56 96 88 76 117 75 59 64 55 62

MF/ddpm 984.6 89.0 8822.9 509.5 45.0 8780.5 2617.7 1539.3 29316.6 799.3 165.5 109.1 93.0 154.4

logMF 2.99 1.95 3.95 2.71 1.65 3.94 3.42 3.19 4.47 2.90 2.22 2.04 1.97 2.19

表2.3配合煤煤质常规指标

方案号 111D 112D 113D 114D 115D 116D 117D 118D 119D 120D

Mad/% 0.85 0.89 0.89 1.14 1.13 0.90 7.25 3.27 4.06 1.89

Aad/% 9.61 10.22 9.52 9.41 9.06 9.01 9.54 9.40 9.45 9.62

Vdaf/% 29.18 28.43 29.91 29.09 28.21 28.74 29.66 30.80 30.88 30.05

G 92 89 90 81 88 92 89 88 87 80

b/% 78.6 57.1 68.9 24.8 44.8 69.5 78.8 80.1 79.6 15.5

Y/mm 13.7 17.3 16.6 14.2 15.8 15.8 17.1 17.5 19.7 14.0

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表2.4配合煤煤基氏流动度

方案号 111D 112D 113D 114D 115D 116D 117D 118D 119D 120D

IST/℃ 428 434 431 442 479 427 423 360 428 431

MFT/℃ 466 468 467 462 484 466 469 406 464 466

LFT/℃ 499 495 494 483 500 495 495 491 495 493

ST/℃ 505 504 499 495 510 501 501 492 501 502

PR/℃ 71 61 64 41 21 68 72 131 67 62

MF/ddpm 573.3 249.7 167.3 9.6 313.5 477.4 529.2 606 333.6 179.3

logMF 2.76 2.40 2.22 0.98 2.50 2.68 2.72 2.78 2.52 2.25

2.2煤样的煤质分析指标

煤样的煤质分析指标见表2.5

表2.5煤样煤质分析指标

编号

分析项目名称 内水分Mad 灰分Aad 挥发分Vdaf 粘结指数G 胶质层指数Y 奥亚膨胀度b

应用标准 GB/T 212-2008 GB/T 212-2008 GB/T 212-2008 GB/T 5447-1997 GB/T 479-2000 GB/T 5450-1997

1 2 3 4 5 6

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2.3 实验设备

本文所用实验仪器及设备有：粉碎机、常规煤质指标检测设备、自制膨胀压力测定仪（如图2.1所示）等，见表2.6。

表2.6 实验设备

设备名称 型号与规格 制造厂家 化验制样粉碎机 GJ—Ⅱ型 南昌化验制样机厂 奥阿膨胀度测定仪 ADY—2000型 鞍山市科翔仪器仪表有限公司 复式胶质层测定仪 GZY—2006A 鞍山市科翔仪器仪表有限公司 电子天平 FA2004N 上海精密科学仪器有限公司 膨胀压力测定仪 —— 辽宁科技大学改制

自制膨胀压力测定仪如图2.1所示

图2.1 膨胀压力测定仪器

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2.4 实验步骤

1、将待测煤料进行晒干，将炼焦煤粉碎至<1.5mm以下，称取一定质量的煤料，使其符合不同堆密度的要求；

2、将杯底放入煤杯使其下部凸出部分进煤杯底部圆孔中，杯底上放置热电偶铁管的凹槽中心点与压力盘上放热电偶的孔洞中心点对准。将石棉垫铺在杯底上，石棉垫下圆孔应对准杯底上的凹槽，在杯内下部沿壁围一条滤纸条，将热电偶铁管插入杯底凹槽，压板把热电偶铁管和钢棍固定，并使它们都保持垂直状态，将煤料导入煤杯中，捣固，使其高度达到50mm；放上压板以及传感器装置；

3、拧紧螺栓，保持平衡，然后调零，进行实验；

4、程序控温仪：温度低于250℃时，升温速度约为8℃/min，250℃以上，升温速度为3℃/min。在350-600℃期间，显示温度与应达到的温度差值不超过5℃，其余时间内不应超过10℃；

5、当电偶的温度达到730℃时，停止加热，读取膨胀压的最大值。

按照上述方法，研究不同的堆密度对单种煤及配合煤在结焦过程中最大膨胀压力的影响。

煤料的堆密度是指煤料在自然堆积状态下的质量与煤料体积之比。本次试验研究不同堆密度对煤的膨胀压力的影响以及不同煤之间膨胀压力的比较。试验中，水分含量均保持10%。

煤料堆密度的计算方法如公式2.1所示

ρ=m/πr2 [H-(a-b)] (2.1)

式中：ρ―试样的密度，t/m3；

m―试样的质量，t； π―取3.14； r―煤杯半径，m；

H―由杯底表面到杯口的距离，m； a―由压力盘表面到杯口的距离，m； b―压力盘和两个石棉圆垫的总厚度，m。

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3 结果与讨论

3.1 炼焦原料煤单种煤膨胀压力分析

各单种煤结焦过程中膨胀压力如表3.1所示

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表3.1 单种煤结焦过程中膨胀压力数据

干基堆密度/t*m-3 0.7 1.0 0.7 1.0 0.7 1.0 0.7 1.0 0.7 1.0 0.7 1.0 0.7 1.0 0.7 1.0 0.7 1.0 0.7 1.0 0.7 1.0 0.7 1.0 0.7 1.0 0.7 1.0 0.7 1.0 最大膨胀压力/Kpa 1.43 10.02 2.50 16.10 4.29 459.96 1.43 10.73 1.43 9.66 22.89 644.15 6.08 360.17 17.53 609.82 9.30 384.13 3.22 358.38 1.79 17.53 2.50 307.59 1.07 6.80 1.79 13.23 0.72 3.58 19

最大膨胀压力时实验温度/℃ 517 623 539 626 439 454 502 466 505 655 547 586 543 571 561 575 570 565 563 561 551 655 544 606 617 636 530 604 604 655 终温时膨胀压力/Kpa —— 7.87 0.36 14.31 0.72 1.07 0.72 7.15 1.09 8.94 3.58 39.70 0.72 26.83 2.50 12.52 1.07 17.53 0.36 17.17 0.36 16.45 0.36 50.43 0.72 6.08 0.72 5.72 —— 3.22 煤种 东兴 实验终温/℃ 728 728 728 728 724 724 728 724 728 724 724 728 724 727 724 724 724 728 728 724 728 728 728 724 728 728 724 724 724 724 元达 新建 新一 场地 恒兴 镇城底 龙湖 马兰 金山 龙焦 滴道 屯兰 富强 张台子

辽宁科技大学本科生毕业论文 第20页 3.1.1 1/3焦煤膨胀压力分析

本次实验涉及到的1/3焦煤共有5种，包括来自长燃的东兴、元达、新一和场地，七台河的新建。

东兴煤干基堆密度为0.7t/m3时，在517℃时出现最大膨胀压力，其值为1.43Kpa；当干基堆密度为1.0t/m3时，东兴煤在647℃时出现最大膨胀压力，其值为9.30Kpa，最大膨胀压力比干基堆密度0.7t/m3时增加了7.87Kpa，试验终温724℃时，膨胀压力为6.80Kpa。

30 25Swelling Pressure/Kpa201510500100200Temperature/C300400o500600700

图3.1 东兴煤干基堆密度为0.7t/m3时的膨胀压

5040Swelling Pressure/Kpa30201000100200300400o500600700Temperature/C

图3.2 东兴煤干基堆密度为1.0t/m3时的膨胀压力曲线

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