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新疆与内地炼焦煤的差异性 王峰

一第24卷第1期

洁净煤技术

Vol.24一No.1一一2018年

1月

Clean Coal Technology

Jan.一

2018一

新疆与内地炼焦煤的差异性

王一峰1,2,武一强1,朱子宗1,石国京1,白大勇2

(1.重庆大学材料科学与工程学院,重庆一400044;2.新兴铸管股份有限公司,河北武安一056300)

摘一要:由于新疆炼焦煤所炼制的焦炭反应性高二反应后强度低,使得丰富的新疆炼焦煤资源难以发挥成本优势三为探究新疆炼焦煤的特性,对比研究了4种典型的新疆炼焦煤和4种同牌号的内地炼焦煤,并分别进行煤质二镜质组随机反射率和红外光谱(FTIR )分析三结果表明:低煤阶新疆炼焦煤与内地炼焦煤之间没有明显的差异,然而中二高煤阶新疆炼焦煤的灰分和硫含量均低于同牌号的内地炼焦煤,故使用新疆炼焦煤炼焦有利于降低焦炭中的灰分和硫含量;同时中二高煤阶新疆炼焦煤的镜质组平均最大反射率二胶质层最大厚度和芳香缩合度均低于同牌号的内地炼焦煤,脂肪族侧链和羟基的数量均高于同牌号的内地炼焦煤,说明中二高煤阶新疆炼焦煤的变质程度低于同牌号的内地炼焦煤三关键词:新疆炼焦煤;焦炭;煤质分析;FTIR ;变质程度

中图分类号:TQ530一一一文献标志码:A一一一文章编号:1006-6772(2018)01-0080-05

Differences between Xinjiang and inland coking coals

WANG Feng 1,2,WU Qiang 1,ZHU Zizong 1,SHI Guojing 1,BAI Dayong 2

(1.College of Material Science and Engineering ,Chongqing University ,Chongqing 一400044,China ;

2.Xinxing Ductile Iron Pipes Co.,Ltd.,Wuan 一056300,China )

Abstract :Xinjiang has abundant coking coal resource,but Xinjiang coke used by Xinjiang coking coals exhibits high reactivity and low strength after reaction.So it is difficult to translate effectively the resource advantage of Xinjiang into cost advantage.In order to obtain the specificity of Xinjiang coking coal,four typical Xinjiang coking coals and another four inland coking coals of same rank were studied by coal properties analysis,vitrinite reflectance analysis and FTIR analysis.The results show that the differences between low -rank Xinjiang coking coal and low -rank inland coking coal are not obvious.Ash and sulfur content of medium -rank Xinjiang coking coal are lower than medium -rank inland coking coal,which is benefit for decreasing ash and sulfur content of coke.Furthermore,medium -rank Xinjiang co-king coal has relatively lower mean maximum vitrinite reflectance,maximum thickness of plastic layer and aromatic condensation in com-parison with medium -rank inland coking coal,while the amount of branched aliphatic side -chains and hydroxyl of medium -rank Xinjiang

coking coal is higher than medium -rank inland coking coal.It indicates that metamorphism degree of medium -rank Xinjiang coking coal is

lower than that of medium -rank inland coking coal.The similar phenomenon is also observed in high -rank Xinjiang coking coal.Key words :Xinjiang coking coal;coke;coal properties analysis;FTIR;metamorphism degree

收稿日期:2017-12-15;责任编辑:张晓宁一一DOI :10.13226/j.issn.1006-6772.2018.01.014基金项目:国家自然科学基金资助项目(51044005)

作者简介:王一峰(1970 ),男,湖南衡山人,高级工程师,博士研究生,主要从事煤炭改性新工艺新技术研究三E -mail :183322684@https://www.wendangku.net/doc/eb2296724.html, 三通

讯作者:朱子宗(1966 ),男,河南淮阳人,教授,博士生导师三E -mail :zhuzizong@https://www.wendangku.net/doc/eb2296724.html,

引用格式:王峰,武强,朱子宗,等.新疆与内地炼焦煤的差异性[J].洁净煤技术,2018,24(1):80-84.

WANG Feng,WU Qiang,ZHU Zizong,et al.Differences between Xinjiang and inland coking coals[J].Clean Coal Technology,2018,24(1):80-84.

0一引一一言

新疆因其独特的成煤地质条件和较晚的成煤期,使新疆炼焦煤炼制的焦炭反应性高二反应后强度低,如新疆艾维尔沟煤的焦炭反应性CRI>70%,反

应后强度CSR<25%[1],应用于380m 3小高炉尚且困难,更难适用于大型高炉三为此,新疆多数大型钢铁企业(如宝钢八一钢铁二首钢伊犁二新兴铸管等)不得不从疆外(宁夏二内蒙二山西等)远程购买炼焦用煤,疆外煤配比高达50%以上,使得新疆地区炼

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王一峰等:新疆与内地炼焦煤的差异性2018年第1期

焦煤资源难以得到高效利用,同时也严重制约新疆钢铁工业的可持续发展三

新疆煤主要为早二中侏罗系煤,变质时间与内地石炭-二叠纪煤成煤期相比,相差1亿多年,区域上呈 北富南贫 分布[2]三总体以低变质程度的低灰二低硫二低磷的长焰煤二不黏煤和弱黏煤为主,约占80%[3]三而中等变质程度的炼焦煤资源相对较少,

约占资源储量的19%[4]三四大含煤区中仅库车和拜城煤田主产炼焦煤,而且煤种以高挥发分的气煤居多三目前针对新疆炼焦煤煤质的研究多集中在艾维尔沟煤[1,5-9],对其他煤田以及煤质特异性研究涉及较少,新疆炼焦煤特异性原因至今尚未有明确定论三因此,开展新疆炼焦煤的特异性等基础研究,对新疆钢铁工业扩大炼焦用煤资源具有重要意义三本文对比研究了4种典型的新疆炼焦煤和4种同牌号的内地炼焦煤,并分别进行煤质二镜质组随机反射率和红外光谱分析,以期为新疆炼焦煤的高效利用提供参考三

1 煤质分析

共选取8种炼焦煤煤样为分析对象,其中,科兴(QM)二库车(FM)二东兴泰(25JM)和弘扬(15JM)为新疆库车和拜城两地的炼焦煤;老虎台气煤(QM)二林胜肥煤(FM)二滴道焦煤(25JM)和红菱15JM为内地用炼焦煤三

煤样的制备参照GB474 2008;工业分析参照GB/T212 2008,结果如图1(a)所示;黏结指数分析参照GB/T5447,胶质层指数参照GB/T479,结果如图1(b)所示;全硫测定参照GB/T214 2007,结果如图1(c)所示三

由图1(a)可知,新疆炼焦煤与内地炼焦煤的灰分均随着变质程度的加深而增加三除气煤外,新疆炼焦煤的灰分均低于相同牌号的内地炼焦煤,故使用新疆炼焦煤炼焦有利于降低焦炭灰分三同时新疆炼焦煤与内地炼焦煤的挥发分均随着煤化度的增加而降低,其中新疆气煤的挥发分低于内地气煤,其余3个新疆炼焦煤的挥发分均高于内地炼焦煤,表明在中高煤阶阶段,新疆炼焦煤的变质程度均低于同牌号的内地炼焦煤三对比新疆炼焦煤与内地炼焦煤的固定碳含量可以发现,两类煤种的固定碳含量均随着变质程度的加深而增加,其中新疆气煤的固定碳含量比内地气煤高3%,其余3种新疆炼焦煤的固定碳含量均低于同牌号的内地炼焦煤,表明在低煤化阶段新疆炼焦煤的变质程度略高于内地牌号炼焦煤,而在中高煤化阶段新疆炼焦煤的变质程度均低于同牌号的内地炼焦煤,这也与上述挥发分变化的结论一致

图1一新疆二内地炼焦煤的工业二工艺及硫含量分析Fig.1一Proximate,process and sulfur content analysis of

Xinjiang and inland coking coals

由图1(b)可知,两类炼焦煤的黏结性指数G值均随着变质程度的增加先升高后降低,在肥煤阶段达到最大值,其中东兴泰25JM的G值略低于滴道25JM,其余新疆炼焦煤的G值均高于同牌号的内地炼焦煤,表明新疆炼焦煤的黏结性并不是制约其焦炭质量的关键因素三两类炼焦煤的焦块最终收缩度指数X值均随着煤化度的增加,呈现出先降低后增加的趋势,在焦煤阶段两类煤种的X值达到最低值三其中新疆科兴QM的X值略高于内地老虎台QM,另外3个新疆炼焦煤的X值明显高于同牌号的内地炼焦煤,尤以高煤阶炼焦煤最为突出,如弘扬15JM的X值比红菱15JM高10.8%,表明高煤阶新疆炼焦煤所制焦炭更容易产生收缩,进而形成更多的裂纹三两类炼焦煤的胶质层厚度Y值随着煤化度的增加呈现出先增加后减少的趋势,在肥煤阶段

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达到最大值,其中新疆炼焦煤的Y 值均低于同牌号的内地炼焦煤,特别在中高煤阶阶段,其差异尤为突出三新疆炼焦煤较低的胶质层厚度可能是制约其焦炭质量的主要原因之一三

由图1(c)可知,新疆炼焦煤的硫含量均低于内地炼焦煤,且肥煤阶段尤为显著三炼焦煤中硫含量的高低将直接影响焦炭中的硫含量,所以高硫炼焦煤所制焦炭硫含量往往较高,进而影响焦炭的质量三因为高硫焦炭在高炉中使用时将增加高炉的硫负荷以及铁水中的硫含量,为了降低铁水中的硫含量,需要加大脱硫溶剂的用量,进而消耗更多的热量化渣,增加了焦比,减少了铁水产量,所以在炼焦中应控制高硫炼焦煤的用量三对于新疆炼焦煤而言,硫含量普遍较低,用该类炼焦煤炼焦时,能有效控制焦炭中的硫含量,减少焦炉煤气脱硫的成本,故使用新疆炼焦煤炼焦有利于改善焦炭中的硫含量,提高焦炭的质量三

2一煤化度分析

煤的镜质组平均最大反射率R max 是标志煤变

质程度的一个指标,通过测定煤的镜质组平均最大

反射率可准确地判定新疆炼焦煤的变质程度三煤的

镜质组反射率测定参照GB /T 6948 2008,参照标准MT /T 1053 2008判断煤阶,参照标准GB /T

15591 1995对煤类型进行判别三试验分别对具有代表性的3种新疆炼焦煤及相应的3种内地炼焦煤进行分析,其测定结果见表1,6种煤的镜质组反射率随机分布如图2所示三

表1一煤岩镜质组反射率分析

Table 1一Analysis of the vitrinite reflectance

煤种煤类型R max /%差值/%科兴QM 单一煤层煤0.730.12老虎台QM 单一煤层煤0.85东兴泰25JM 简单混煤0.940.48滴道25JM 简单混煤1.42弘扬15JM 简单混煤1.450.36

红菱15JM

简单混煤

1.81

一一由图2可知,新疆科兴QM 和内地老虎台QM 的镜质组随机反射率分布差异较小,而新疆东兴泰25JM 的镜质组随机反射率分布滞后于内地滴道25JM,同样新疆弘扬15JM 的镜质组随机反射率分布也滞后于内地红菱15JM三表明中高阶新疆炼焦煤的镜质组随机反射率低于同牌号的内地炼焦煤,主要原因是新疆炼焦煤成煤时间较短

图2一6种煤镜质组随机反射率分布

Fig.2一Vitrinite reflectance random distribution of six coals

一一从表1可知,科兴QM二东兴泰25JM 和弘扬

15JM 的镜质组平均最大反射率(R max )依次增大,说明随着变质作用的增加,新疆炼焦煤的煤化度依次增大三同样,内地炼焦煤的镜质组平均最大反射率也有类似的变化规律三对比相同牌号的新疆炼焦煤与内地炼焦煤的R max 值,可以发现新疆炼焦煤的R max 值均低于内地炼焦煤,且二者的差异在焦煤阶

段尤为显著三表明新疆焦煤的变质程度低于内地焦煤,故其在炼焦过程中所体现出来的物理和化学性质与内地炼焦煤有一定的差别三另外,新疆气煤和内地气煤均为单一煤层煤,而另外6个煤种均为简单混煤三表明新疆炼焦煤和内地炼焦煤的混煤情况一致,其镜质组随机反射率分布具有代表性三

3一官能团分析

煤中含有大量的官能团,其中含氧官能团及其氧存在形式对煤的性质影响很大,而氧的存在形式

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王一峰等:新疆与内地炼焦煤的差异性2018年第1期

通常与其煤化程度相关三为此开展了新疆炼焦煤和同牌号内地炼焦煤的傅里叶变换红外光谱试验研究,检测了3种新疆炼焦煤和3种对应牌号的内地炼焦煤,检测仪器为Nicolet iS5型傅里叶变换红外光谱仪三试验前将煤样磨至0.074mm,同时将磨制好的煤样和载体KBr 放置在80?的真空干燥箱中干燥24h,以尽量避免水分对试验带来的干扰三取1mg 干燥煤样与干燥KBr 粉末按1?150混合均匀,在玛瑙研钵中研磨成细粉,装入磨具内,在压片机上压制成片三样品扫描范围4000~400cm -1,分辨率4.0,扫描次数32三为比较煤样之间的差异,对光谱图进行基线矫正,校正结果如图3所示

图3一6种炼焦煤的FTIR 图谱Fig.3一FTIR spectra of six coking coals

由图3可知,6种试验煤种的官能团吸收峰的位置基本相似,但其强度却有明显的差异三具体表现为:①在波数为3425cm -1处有一个最强的吸收峰,该峰归属于 OH(醇二酚)的伸缩振动[10-11],从新疆QM 到新疆东兴泰25JM,峰值先缓慢降低后急剧降低,说明随煤化程度的增加,该基团的含量先缓慢减少,后急剧减少;同样在内地炼焦煤中也有类似的变化规律三对比同牌号的新疆炼焦煤与内地炼焦煤在波数为3435cm

-1

处的吸收峰可以发现,在气

煤和肥煤阶段,两类煤粉在该处的吸收峰强度没有明显的差异,然而在焦煤阶段时,新疆东兴泰25JM 在波数为3435cm

-1

处的吸收峰明显高于内地的滴

道25JM,表明高煤阶新疆炼焦煤中羟基的含量高于同牌号的内地炼焦煤三②在波数为2920二2853二

1435二1373cm -1处均有吸收峰,其中2920cm -1和2853cm

-1

处的吸收峰归属于脂肪族 CH 2

和 CH 3的伸缩振动峰[12],1435二1373cm -1处的吸收峰归属于 CH 2和 CH 3的伸缩振动[13]三从新疆科兴QM 到东兴泰25JM,以上4个吸收峰的强度均呈现出先增加后降低的变化趋势,表明新疆低

煤阶炼焦煤向中煤阶炼焦煤转变时,脂肪族甲基和亚甲基官能团的含量有所增加,随着煤化作用的进一步增加,脂肪族甲基和亚甲基官能团含量逐步减少,这可能是因为低煤阶煤向高煤阶煤转变时,先经历脱氧作用,后经历脱脂肪族作用三同样在内地炼焦煤中也有类似的变化规律三对比同牌号的新疆炼焦煤和内地炼焦煤可以发现,科兴QM 的甲基和亚甲基官能团含量与老虎台QM 没有明显的差异,然而库车FM 和东兴泰25JM 的甲基和亚甲基含量均高于同牌号的内地炼焦煤,所以中高煤阶新疆炼焦煤脂肪族侧链的数量较多且变质程度较低三③在波数为1605cm -1处的吸收峰归属于芳香族C C

的伸缩振动峰[14],在两类炼焦煤中,该峰的强度均随着煤阶的增加而增加三通过对比相同牌号的两类炼焦煤可以发现,新疆炼焦煤在1605cm -1处的峰值低于同牌号的内地炼焦煤,所以新疆炼焦煤的芳香缩合度要低于同牌号的内地炼焦煤三④在波数为1025cm -1处的吸收峰归属于Si O 的振动峰[15],该峰的强度与煤中SiO 2的含量直接相关,SiO 2的含量越高,该峰越强三通过对比以上6种

试验煤种在1025cm -1处的峰强可以发现,林胜FM 和东兴泰25JM 的峰强明显高于其余4个煤种,

表明林胜FM 和东兴泰25JM 中SiO 2含量较高,而另外4个煤种中SiO 2含量相对较低三

4一结一一论

1)从煤质分析可以看出新疆炼焦煤的灰分二硫

含量和胶质层最大厚度Y 值较低,焦炭最终收缩度指数X 值较高,而黏结性指数G 相对正常三

2)从煤化度分析可知中高煤阶新疆炼焦煤的镜质组平均最大反射率明显低于同牌号的内地煤,证明其变质作用相对较低三

3)从红外光谱分析可知新疆中高煤阶炼焦煤中羟基和脂肪族侧链的数量较多,芳香缩合度较低,说明其变质程度低于同牌号的内地炼焦煤三

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