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网易彩票煤的工艺性质

时间: 2020-02-12 03:31 点击:

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  煤不仅是重要的燃料,更是冶金、化学工业的重要原料。随着国民经济的发展,煤炭综合利用的大力开展,就更需要研究煤的工艺性质,判断它是否符合各种加工工业的要求,选择最合理的利用途径,正确地作出工业评价。煤的工艺性质主要包括粘结性、发热量、化学反应性、热稳定性、焦油产率和可选性等。

  煤的粘结性是指煤粒(直径小于0.2mm)在隔绝空气受热后能否粘结其本身或惰性物质形成焦块的能力;煤的结焦性是指煤粒隔绝空气受热后能否生成优质焦炭(焦炭强度和块度符合冶金焦的要求)的性质。煤的粘结性是结焦的必要条件,结焦性好的煤,粘结性也好;粘结性差的煤,其结焦性一定很差。但粘结性好的煤,其结焦性不一定好,例如气肥煤,其粘结性很强,但生成的焦炭裂纹多、强度低,故结焦性不好。煤的粘结性和结焦性是炼焦用煤的重要质量指标,也是评价低温干馏、气化或动力用煤的重要依据之一。

  冶金工业需要大量优质焦炭作为燃料和还原剂。焦炭作为高炉燃料必须有一定的块度和机械强度。炼焦就是把粉碎的炼焦用煤放在密闭的炼焦炉中加热、干馏,使其形成焦炭的热加工过程。炼焦用煤必须具有粘结性,即在干馏热分解过程中能产生一定量的胶质体,使煤粒相互粘结融合而成整块焦炭。炼焦用煤也必须具备结焦性,即在煤干馏时,能产生一定块度和足够强度的焦炭。可见煤的粘结性是煤结焦所必须具备的性质,它和塑性、流动性、膨胀性等性质一样,仅是煤结焦性的一个方面。

  实验室测定煤结焦性和粘结性的方法很多。在我国,煤田地质勘探中目前常用的是胶质层指数测定法,此外还有罗加指数法、粘结指数法(G)、奥亚膨胀法、葛金干馏试验、自由膨胀序数测定法、基氏塑性计法等方法。

  这种方法模拟炼焦的工业条件,测定时,把粒度小于1.5mm的精煤样100g放在钢杯中,然后从下部对煤样进行单侧加热。到一定温度后,钢杯内形成一系列的等温层面,温度由上向下递增。温度到达软化点的层面,煤软化形成胶质体层,胶质层之下温度达到胶质体固化点的层面,煤固化为半焦,胶质层之上的煤仍保持未软化状态(图6-12,图6-13)。从250℃以后,每分钟升温3℃,每隔10min测一次胶质层的上、下层面的高度,直至650℃时为止。测定过程中,起初的胶质层比较薄,以后逐渐变厚,后期又逐渐变薄,所以胶质层会出现最大厚度值。用探针定期测量煤杯中胶质层上部和下部水平面的位置,用所测数据作图,以确定胶质层最大厚度Y值(mm)、最终收缩率X值(mm)和体积变化曲线)。其中胶质层最大厚度Y值是我国现行的煤的工业分类两项指标之一。

  Y值随煤化程度加深做有规律的变化。图615中以镜质组的最大反射率(Romax)煤化程度,可见Y值在Romax=0.8%~1.2%范围内最大,随着煤化程度增高或降低,Y值降低。

  测定胶质层的煤样应在1.4的比重液中精选,每次要作双样,该法测试的时间长,所需原煤煤样甚多(一次需200g精煤样),一些薄煤层或小口径钻进所取得的煤心煤样往往难以满足测定需要的量。胶质层指数法对中等粘结性煤的区分能力强,多数煤的Y值具可加性,利于炼焦配煤的计算。这种方法对Y值>25mm,或Y值<10mm的煤不易测准,对弱粘结性煤分辨能力差。

  将粒度小于0.2mm的空气干燥烟煤样1g与5g标准的无烟煤样(宁夏汝箕沟无烟煤,Ad<4%,Vdaf>7%,粒度为0.3~0.4mm)均匀混合,放入坩埚内,煤样上加上压块,然后加上坩埚盖,放入(850±10)℃的马弗炉内,焦化15min后取出坩埚,冷却,称取焦渣总质量。把焦渣放在1mm圆孔筛上筛分,筛上部分称重后,放入转鼓内,进行第一次转鼓试验,以转速50转/分钟,转5min后,用1mm圆孔筛进行筛分,再称筛上部分的质量后,放入转鼓进行第二次转鼓试验,重复筛分,称重操作,共进行3次转鼓试验。按下式计算罗加指数:

  式中:Q为焦渣总质量,g;a为第一次转鼓前大于1mm的焦渣重,g;b为第一次转鼓后大于1mm的焦渣重,g;c为第二次转鼓后大于1mm的焦渣重,g;d为第三次转鼓后大于1mm的焦渣重,g。

  罗加指数表示粒度大于1mm的焦块占总质量的百分比,罗加指数越大,表示粒度大于1mm的焦块越多,煤的粘结性越好。R.I.(或以LR表示)值>45为中等至强粘结煤,R.I.=20~45为中等粘结煤;R.I.=5~20为弱粘结煤;R.I.=0~5属不粘结至微粘结煤。R.I.值与Y值的关系见图6-16。从图6-16可以看出,当y=10~15毫米时,R.I.值的变动范围相当大,在20~70之间,表明罗加指数法对中等粘结煤的鉴别能力比y值好。甚至当Y值接近于0时,R.I.也能分辨。如陕西蒲白矿区某煤层一些煤样Y为15%~18%,Y均为0,但根据R.I.值的不同可加以区分,R.I.=0,为贫煤;R.I.=15,定为瘦煤。

  罗加指数法实验用煤样很少,测定方法简便,快速,易于推广,不足之处是对粘结性强的煤区分能力不好,如Y值>25mm时,R.I.值都在80~92之间,对粘结性很弱的煤测定的重现性较差。

  测定原理与罗加指数相同,所不同的是无烟煤的粒度改为0.1~0.2mm,分析煤样与无烟煤的配比可以改变,转鼓试验由3次改为两次。粘结指数G按下式计算:

  式中:m为焦渣总重,g;m1为第一次转磨后>1mm的焦渣重,g;m2为第二次转磨后>1mm的焦渣重,g。

  如果计算结果G<18,则将分析煤样和标准无烟煤的配比改为3∶3,再重复上述实验。G值按下式计算:

  粘结指数适合区分弱和中粘结性煤,测试也比较简便。但对于强粘结煤区分能力欠佳,对弱粘结性煤测定时需要改变配比,比较麻烦。

  奥亚膨胀度试验也是国际煤分类指标之一。奥亚膨胀度b表示煤加热软化成胶质体状态时的最大膨胀率(图6-17)。b值的大小,主要和胶质体的数量、粘结度及挥发分析出速度有关。Y值与b值的关系见图6-18。从图6-18来看,当Y值>25mm时,b值的变化规律还是很明显的,如我国一些地区的一号肥煤,Y值为28mm,但所测得的b值分别在160~270之间,可见奥亚膨胀度对强粘结煤具有较好的鉴别能力。

  这几项指标各有其特点,但都存在着对某一粘结性范围的煤区分不清的缺点。此外,自由膨胀序数、葛金干馏试验法都是在严格规定的条件下把煤加热,直接观察所得焦块的性质,与标准焦型相比,确定煤的粘结性、结焦性。这两个指标在评定时易带主观性,造成人为的误差,同时只能定性地定出序号,准确性差。

  为了拟定我国新的煤的工业分类指标,北京煤炭科学研究院煤化研究所和鞍山热能研究院等单位在改进粘结性指标方面进行了研究。新指标应该用严格的定量数据把不同粘结性的煤划分清楚。根据我国多年来引用罗加指数试验方法积累的大量资料,表明罗加指数对煤的粘结性较Y值和b值表现能力更好,如果针对罗加指数法的不足之处,加以重要的改进,可以得到较好的新指标。改进的途径是分别增加和减少测定强粘结煤和弱粘结煤时所用的标准无烟煤的表面积。

  北京煤化研究所改进的主要要点是:把标准无烟煤的粒度由0.3~0.4mm改为0.1~0.2mm,接近烟煤的粒度,这样容易混合均匀,同时由于无烟煤的粒度变小,表面积大大增加,使具粘结性的煤的区别能力能反映更明显。对于弱粘结煤(测值<20),改用了3∶3配比,使无烟煤表面积相对地减少,测得的数据除以经验系数折算为1∶5配比的值。改进后的方法称为烟煤粘结指数测定法。

  鞍山热能研究院改进的主要要点是:按试验煤样粘结性的强弱不同,试验时分别采用3种不同的试验煤和无烟煤的比例,1∶5,2.5∶3.5,6∶0。对于粘结性极弱的煤,试验时,除不加无烟煤外,还规定专门的转鼓试验法。为了使测试条件接近炼焦生产,把加热速度改为3℃/min。改进后的方法称为煤的粘结度试验法。

  这两种改进方法,根据半焦块耐磨强度的高低和添加无烟煤的多少,分别用一定的公式和常数计算出指数,表示试验煤样的粘结性强弱。试验表明,改进的方法提高了再现性和区分能力。

  20世纪60年代以来,随着钢铁工业的急剧发展,世界上很多国家都运用煤岩分析方法有效地预测和检验炼焦用煤的结焦性能。根据炼焦时各显微组分所起的作用不同,可分出:①活性组分(也称可熔性组分),包括镜质组、稳定组,它们在热解时都能形成胶质体,稳定组分形成的胶质体易挥发,粘结性比镜质组稍差;②惰性组分(也称不熔性组分),包括丝质组、半丝质组和矿物质,它们在热解时不能形成胶质体。半镜质组的粘结性介于两者之间,计算时,其含量之三分之一划入活性组分。煤中活性组分对惰性组分的比例越高,所得焦炭质量越好。不同变质阶段煤中活性组分粘结惰性组分的能力不同,以肥煤阶段(Ro=0.9%)最强。近年来,由于煤岩分析自动化的进展,西德、美国、日本等国钢铁企业已经普遍地对商品煤样进行煤岩分析。

  煤燃烧时放出大量热量。煤的发热量就是每单位质量的煤在完全燃烧时所产生的热量,常用cal/g或kcal/kg表示。发热量是供热用煤的一个质量指标,它是燃烧的工艺过程的热平衡、耗煤量、热效率等计算的依据。

  发热量是动力用煤的主要质量指标,煤的燃烧和气化要用发热量计算热平衡、热效率和耗煤量,它是燃烧和气化设备的设计依据之一。发热量是低煤级煤的分类指标之一,也可根据发热量判断煤级和煤的其他性质。煤的发热量是指单位质量的煤完全燃烧所产生的全部热量,以符号Q表示。热量的国际单位为焦耳(J),1J=1N·m(牛顿·米)。过去我国用的热量单位是卡(cal),热量的英制单位为Btu/lb(英国热制单位/磅)。这几个热量单位的关系为:

  (二)发热量的测定原理将粒度小于0.2mm的空气干燥煤样1g放在氧弹中燃烧,如图6-19所示。氧弹中充有2.5×106Pa压力的氧气,通电使氧弹内的金属丝点燃煤样,煤样在高压氧气中完全燃烧,燃烧产生的热量被内套筒中的水吸收,根据水上升的温度,计算出煤样产生的热量,该热量称为弹筒发热量,用符号Qb,ad表示。为防止测试时热量的散失和交换,测试时使外筒水温自动跟踪内筒水温而变化,使内外筒没有热交换,这种方法称为绝热式量热计测试法。

  弹筒发热量是指单位质量的煤在充有过量氧气的氧弹内燃烧,其终态产物为25℃下的二氧化碳、过量氧气、氮气、硝酸、硫酸、液态水以及固态灰时放出的热量,弹筒发热量也即实验室内用氧弹热量计直接测得的发热量;单位质量的煤在充有过量氧气的氧弹内燃烧,其终态产物为25℃下的二氧化碳、过量氧气、氮气、二氧化硫、液态水以及固态灰时放出的热量称为恒容高位发热量,恒容高位发热量也即由弹筒发热量减去硝酸形成热以及硫酸与二氧化硫形成热之差后得到的发热量;单位质量的煤在充有过量氧气的氧弹内燃烧,其终态产物为25℃下的二氧化碳、过量氧气、氮气、二氧化硫、气态水以及固态灰时放出的热量称为恒容低位发热量,低位发热量也即由高位发热量减去水(煤中原有的水和煤中氢生成的水)的气化潜热后得到的发热量。

  由于煤样是在高压氧气条件下燃烧,因此产生了空气中燃烧时不能产生的化学反应。煤中的氮及氧弹空气中的氮,在弹筒高温高压作用下,生成NO2或N2O5,与水反应生成稀HNO3,该反应为放热反应。煤在空气中燃烧时,煤中的氮变成游离氮逸出,不产生这个反应;煤中的硫在空气中燃烧时,生成SO2逸去,但在弹筒高压氧气作用下,SO2与水作用生成稀H2SO4,也是放热反应。稀硝酸和稀硫酸溶于水也是放热反应。煤在空气中燃烧时,煤中的水(包括煤中氢在燃烧时生成的水),变为水蒸气逸去,这是吸热反应。但在弹筒的高压下,水不能变为水蒸气,所以不吸热。可以看出,煤在弹筒中燃烧产生的热量要高于在空气中或在工业锅炉中燃烧时实际产生的热量。因此,实际应用中要对煤的弹筒发热量进行换算。

  用煤的弹筒发热量减去稀硝酸和稀硫酸的生成热后,便是煤的高位发热量。计算公式:

  一般讲,煤的收到基低位发热量(Qnet,ar)最接近于煤实际燃烧时产生的发热量。计算公式:

  煤的发热量有弹筒发热量、高位发热量和低位发热量3种,而且有4种基准,即收到基、空气干燥基、干燥基和干燥无灰基,所以共有12种方式可报出测试结果。但一般常用的发热量指标有5种:

  4)干燥无灰基高位发热量Qgr,daf,用于评定煤中有机质的性质,可反映煤级。

  5)收到基低位发热量Qnet,ar,反映煤的实际质量,是煤炭计价的依据,也用于燃煤工业锅炉的设计。

  在煤炭计价时,一定要注意所用的发热量指标的基准,不然将造成经济上的损失。

  煤的发热量除了直接测定外,还可以根据元素分析或工业分析的数据进行计算,供无实测发热量的用煤单位参考。煤炭科学研究院煤化学研究所所根据我国煤质资料研究结果推导了一系列发热量计算公式。

  式中:Hdaf前面的系数对褐煤为305,对长焰煤、不粘煤为310。对Ad≤10%的煤,不计算最后一项的灰分校正值。

  煤的发热量与煤成因类型、煤岩成分、煤化程度(煤级)、煤中矿物杂质的含量、煤的风氧化程度有关。残植煤和腐泥煤的发热量比腐植煤要高,如江西乐平鸣山的树皮残植煤Qb,daf为9060cal/g。

  煤岩成分:腐植煤同一煤级中,壳质组分的发热量最高,气煤阶段达8680cal/g,镜质组次之,为7925cal/g,而惰质组仅7841cal/g。在低煤级时,惰质组的发热量可以比镜质组高,因为镜质组的碳含量低,而氧含量高,故总发热量较低。而惰质组的氧含量不太高,碳含量很高,弥补了氢含量低的不足。至中煤级烟煤时,镜质组的氧含量减少,而碳含量增加很快,氢变化不大,故发热量超过惰质组。

  煤化程度:当煤以镜质组为主时,随煤级升高,煤的发热量逐渐增高,至中煤级的焦煤、瘦煤时达到高峰,以后又稍有下降(图6-20)。这与煤的元素组成变化有关。低煤级时,氧高而碳低,故Q低;中煤级时,氧低而碳高,如焦煤阶段Cdaf为87%~90%,虽不及无烟煤高,但Hdaf高达4.8%~5.5%,故Q最高;高煤级时碳虽高,但氢降低快,氢的发热量比碳高3.5倍,故Q又有所下降。煤的发热量随煤级的变化见表6-10。

  煤的发热量随煤中矿物杂质含量的增加而降低。矿物杂质不发热,其含量越多,煤的发热量越低。对煤种变化不大的同一矿区而言,由矿物杂质形成的灰分与发热量往往保持十分规律的反比关系(图6-21)。煤受风氧化后,煤中的C和H变成CO2和H2O逸去,故煤的C和H含量降低,氧含量增高,煤的发热量下降。如果风氧化严重,煤变成不可燃。

  图6-21 霍林河煤田露天矿区煤的灰分与发热量的关系(据杨起等,1979)

  煤经过气化可产生做燃料用的动力煤气和供化学合成煤气。通常把煤的反应性、机械强度、热稳定性、灰熔点、灰粘度和结渣性作为气化用煤的质量指标。

  煤的反应性,又称活性,指在一定温度条件下,煤与不同气化介质,如二氧化碳、氧、水蒸气相互作用的反应能力。反应能力强的煤,在气化和燃烧过程中,反应速度快、效率高。尤其一些高效能的新型气化工艺(如沸腾床、悬浮床气化),反应性强弱更直接影响到煤在炉中反应的情况、耗煤量、耗氧量及煤气中有效成分等。在流化燃烧新技术中,煤的反应性强弱与其反应速度也有着密切的关系。因此,反应性是一项重要的气化和燃烧的特性指标。

  测定煤的反应性的方法很多。目前我国采用的方法是测定在高温下煤焦还原CO2的性能,以CO2还原率表示煤的反应性。

  将CO2还原率(α,%)与相应的测定温度绘成曲线),可见煤的反映性随温度升高而增强。各种煤的反应性随煤化程度加深而减弱。这是由于碳与CO2反应不仅在燃料的外表面进行,而且也在燃料的微细毛细管壁上进行,气孔愈多,反应表面积愈大。不同煤化程度煤及所得的煤焦的气孔率是不同的。褐煤的反应性最强,但到较高的温度(900℃以上),反应性增高缓慢。无烟煤的反应性最弱,但在较高温度时,随温度升高而显著增强。煤的灰分数量等因素对反应性也有明显的影响。

  煤的机械强度包括煤的抗碎、耐磨和抗压等物理机械性质及其综合性质。气化用煤和燃烧用煤多数情况下要求用粒度均匀的块煤。机械强度低的煤投入气化炉时,容易碎成小块和粉末,从而破坏了块煤粒度的均匀性,影响气化炉的正常操作,因此,要求煤有一定的机械强度。另外,设计部门可以根据煤的机械强度,正确估计块煤用量及确定使用前是否需要再行筛分。所以,煤田勘探时,应提供气化用煤或燃烧用煤的机械强度资料。

  煤的机械强度测试方法有几种,应用比较普遍的落下试验法是根据煤块在运输、装卸、入炉过程中落下、互相撞击而破碎等特点拟定的,它与表示煤的抗压、耐磨等机械强度试验法有所区别。测定方法为:选取60~100mm的块煤10块,称重。然后一块一块地从2m高的地方落到厚度>15mm的金属板上。这样自由跌落3次,用25mm的方孔筛筛分,以>25mm的块煤质量占试样总质量的百分数来表示煤的机械强度,其分级标准见表6-11。

  我国大多数无烟煤的机械强度好,一般为60%~92%,还有一些煤受构造破坏成片状、粒状,煤质松软,机械强度差或很差,一般为40%~20%,甚至在20%以下。

  煤的热稳定性是指煤在高温燃烧或气化过程中保持原来粒度的性能。热稳定性好的煤,在燃烧或气化过程中能以其原来的粒度烧掉或气化而不碎成小块,或破碎较少;热稳定性差的煤在燃烧或气化过程中迅速裂成小块或煤粉,轻则增加炉内阻力和带出物,降低气化和燃烧效率,重则破坏整个气化过程,甚至造成停炉事故。因此,要求煤有足够的热稳定性。

  各种工业锅炉和气化炉对煤的粒度有不同要求,因此测定煤的热稳定性的方法也有所不同。常用的是13~25mm级块煤测定法和小粒度6~13mm级块煤测定法。

  13~25mm级块煤测定法是把煤样放在预热到850℃的马弗炉内热处理15min,求出各筛分级别残焦占总残焦的百分比,以各级累计百分数与筛分级别作出曲线mm级残焦的百分数S

  及热稳定性曲线mm级块煤测定法是把煤样放在预热到850℃的马弗炉内加热90min,然后称重、筛分。将所得6~3mm,3~1mm及小于1mm的残焦占总残焦量的百分比,作为热稳定性的指标,分别以KPG,K

  J和KP1表示。指标数值愈大,表明热稳定性愈差,因此,更确切地说,这些指标是代表不稳定性的。按KPG的分级标准见表6-12。图6-23 热稳定性曲线 煤的热稳定性分级

  在气化中,煤灰结渣会给正常操作带来不利的影响,结渣严重时将会导致停产。由于煤灰熔点(T

  )并不能完全反映煤在气化炉中的结渣情况,因此还须用煤的结渣性来判断煤在气化过程中的结渣难易程度。煤的结渣性测定要点,是用空气为气化介质,来气化预热到800~850℃的赤热煤样,气化过程的后期温度降到100℃时即停止气化。以>6mm的灰渣占灰渣总重的百分数及其相应的最高温度作为煤样的结渣性指标。四、煤的低温干馏焦油产率

  为评价各种煤和油页岩的炼油适应性以及在低温干馏工业生产中鉴定原料煤或油页岩的性质并预测各种产品的产率,都要求进行低温干馏试验。实验室测定煤的低温干馏焦油产率一般采用“铝甑法”。收集干馏出来的焦油,计算出焦油产率,代号为T。评定煤的低温干馏焦油产率时用分析基指标T

  ≤7%者为含油煤。煤的低温干馏焦油产率与煤的成因类型有关。腐泥煤、残植煤的低温干馏焦油产率相当高,如山东兖州煤田腐泥煤的Tad为13.50%~45.53%,浙江长广煤田某矿树皮残植煤的Tad为10.70%~21.00%,大多数为高油煤。腐植煤的焦油产率与煤化程度和煤岩组成有关,褐煤和长焰煤的Tad较高,如山东黄县煤田褐煤的Tad为14%左右。当稳定组分含量较高时,焦油产率也比较高,如淮南煤田气煤中,当稳定组分为15%~26%时,T

  为12%~15%;而当稳定组分<10%时,Tad多半小于10%。五、壳质组的荧光性在低煤化阶段,壳质组的荧光性是较好的煤化程度指标。煤的荧光性与反射率之间具有互相消长的关系,即反射率越低,荧光性愈强,二者并非线性关系。Otteniann(1975)曾详细地研究了孢子体荧光光谱与煤化阶段的关系(图6-24)。光谱峰随煤化程度的增高有规律地移向更长波段。泥炭阶段λmax在500nm以下,挪动范围较宽;褐煤阶段λmax大致在560~580nm之间,峰形陡峭;随煤化程度的进一步提高,光谱曲线nm上逐渐形成一个小突峰,它在亚烟煤阶段(相当老褐煤阶段)迅速增大,在相当长焰煤阶段640nm波长段出现了第二个峰,直到气煤阶段640nm峰取代了580nm峰,煤化程度继续增高,640nm峰继续迁移向红光谱段,到肥煤阶段λ

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