煤焦油和沥青对煤黏结性能和焦炭强度的影响

唐改改

(山西焦煤霍州煤电集团辛置煤矿洗煤厂化验室，山西 霍州 031412)

引 言

冶金工业对优质焦炭的需求量日益增长，然而优质配焦硬煤(主要为肥煤、焦煤、瘦煤)的供给日趋衰竭，因此，发展一种能够利用半软配焦煤(主要为气煤、1/2中黏煤和1/3焦煤)炼成高强度焦炭的技术具有重要的现实意义。目前，利用半软配焦煤炼焦的常用技术有：提高煤体积密度；达到煤最佳破碎粒度；加入提高煤黏结性能的添加剂。半软配焦煤的黏结性相比硬配焦煤较差，但增大容重可以弥补其膨胀性不足，有利于高强度焦炭的生产[1-2]。关于提高煤黏结性的添加剂，许多试验和工业生产已经证明，添加2%～6%的煤焦油、沥青或其他添加剂，煤的黏结性和结焦性可显著提高[3]。然而，对于黏结剂改善煤黏结性能的作用机理尚不清楚。此外，在以往的研究中，黏结剂对不同粒径煤的黏结性能影响的研究较少。所以，研究黏结剂对不同粒度煤黏结性和焦炭强度的影响是非常重要。

1 实验部分

1.1 实验样品

实验中所用煤样的特性见表1，黏结剂特征见表2。实验采用4个硬焦煤样(HC1、HC2、HC3和HC4)和2个半软焦煤样(SC1和SC2)，实验使用的黏结剂CP1和CP2分别是提取自煤中的煤焦油和软沥青，PP是石油衍生物石油沥青。

表1 实验用煤样的特性

表2 实验用黏结剂的特征

1.2 热重分析实验

除了对煤HC1和SC1，一些煤和黏结剂的混合物(HC1+CP1、HC1+CP2，HC1+PP，SC1+CP1、SC1+CP2和SC1+PP)均进行了单独的实验。将20 mg的单独样品或混合样品在热重分析仪中由氮气加热到900 ℃，加热过程的升温速率为3 ℃/min，并记录期间样品的体重变化。

1.3 膨胀实验

通过热膨胀试验研究，来评估黏合剂的加入对煤黏结性能的影响。分别将煤和黏结剂的均匀混合物或分离物放置在热膨胀仪中(如图1装置)进行加热实验，观察煤与黏结剂所产生气体的相互作用。此外，还对不同粒度的煤在蒸馏炉中进行了实验。

在煤的膨胀实验中，使用粒径小于0.3 mm的煤粉样品。将煤粉末样品装入热膨胀仪中加热，并测量其膨胀高度的变化。首先，进行煤和黏结剂均匀混合物的实验。分别单独添加5%的黏结剂(CP1、CP2和PP)与煤样HC1进行混合。将混合物装入热膨胀仪中，样品高度为30 mm，通过压密使其体积密度为0.80 g/cm3(煤样质量/煤样体积)。然后，将样品从300 ℃加热到550 ℃，加热增温速率为3 ℃/min，并测量样品膨胀后的高度。其次，对煤和黏结剂进行分离放置膨胀实验，观察煤与黏结剂热解产生气体的相互作用。

图1 热膨胀仪测量方法

1.4 不同粒径煤膨胀实验

由于煤的膨胀程度取决于煤的粒度[4]。实验将煤焦油黏结剂(CP1)加入到不同粒度煤样中，来研究煤样粒度对煤黏结性能的影响。将煤样HC1，HC2、HC3和HC4粉碎至粒径在3 mm以下占85%的粉末，煤样SC1、SC2粉碎至粒径在3 mm以下占75%的粉末。然后，将粉碎样品过筛，筛孔径分别为0.3 mm、1 mm和3 mm，从而获得粒径为小于0.3 mm、0.3 mm～1 mm和1 mm～3 mm的粉煤样。将一定含量的煤焦油黏结剂CP1分别加入到各个粉煤样中与煤样混合进行膨胀实验。将混合物放置在膨胀仪反应管中，样品高度均为30 mm，同样使其体积密度均为0.80 g/cm3。然后，将样品从300 ℃加热到550 ℃，升温速率为3 ℃/min。用膨胀度(cm3/g)来表征煤样的膨胀性能，膨胀度由膨胀后样品体积与样品质量的比值确定。

2 结果和讨论

2.1 煤与黏结剂的热重分析及相互作用

如图2所示，在加热样品后，添加黏结剂的样品膨胀后的高度大于没有加入黏结剂的同一样品的高度，这表明所有黏结剂都能改善煤的结焦性能。表明不同黏结剂种类会影响煤的膨胀性，黏结剂影响煤膨胀高度的顺序为CP2>CP1>PP。这也反映了黏结剂种类对煤结焦性能会产生不同的效果。

图2 黏结剂对煤膨胀的影响

图3显示了煤和黏结剂的体重随加热温度的变化趋势特征。值得注意的是，黏结剂CP1和CP2随着温度从室温增加到400 ℃(接近煤样的软化温度，见表1)，其体重分别下降了72%和45%；由400 ℃增加到500 ℃时(相当于煤的塑性温度范围，见表1)，其体重仅分别下降5%和12%。此外，在450 ℃以下的温度范围内，煤和黏结剂混合物的体重(HC1+CP1，SC1+CP1，HC2+CP1)大于它们体重的计算值。

图3 煤和黏结剂的体重随温度的变化图

这表明了煤和煤焦油及沥青之间发生了相互化学作用。黏结剂煤焦油在温度升高到400 ℃以前发生了显著的容重下降(图3)，这表明在煤软化之前黏结剂热解产生的气体与煤发生相互作用，使煤在加热过程中进行了原位改造，从而提高了煤的黏结性。在一定温度区间内，实验测量的煤样容重和计算的容重之间存在差异，其中，HC1+CP1的差异大于SC1+CP1的差异。这表明，硬焦煤比半软焦煤更易于与煤焦油进行化学反应，黏结剂对煤黏结性能的影响与煤种类有关。

实验结果表明，煤与石油沥青的混合物(HC1+PP)的测量容重几乎等于其计算容重，HC2+PP和SC1+PP的实验也取得相同结果。与提取自煤的黏结剂(CP1和CP2)相比，源自石油的黏结剂(石油沥青PP)在加热过程中与煤的相互作用不显著。黏结剂PP从室温加热到400°C时，体重下降10%；400 ℃～500 ℃时，体重下降20%(图3)。因此，石油衍生的黏结剂(PP)可以提高煤黏结性的原因是，其热解产生的气体可以促进塑性煤膨胀并使之变得更具流动性，而非发生相互化学反应。

2.2 煤与黏结剂的膨胀与相互作用

煤与黏结剂分离装置的膨胀实验结果表明，随着黏结剂CP1加入量的增加，煤的膨胀高度随之显著增加，而黏结剂PP的加入及加入量的增加对煤膨胀性的影响不明显。这表明，黏结剂CP1热解产生的气体不仅可以在煤内部反应提高煤结焦性，也可以从外部进入煤体提高煤的结焦性能。然而，黏结剂PP所产生的气体只有在煤内产生时才能提高煤的黏结性，在煤体外提供时不能改变煤的黏结性。

2.3 煤种、粒度和黏结剂对膨胀率和焦炭强度的影响

不同煤样在不同粒度情况下以及加入黏结剂含量不同时，对煤膨胀度的影响都有明显的差异。在相同粒度煤样和加入相同含量的黏结剂时，不同种类煤样的膨胀度表现不同。以HC1和SC1为例，在煤粒度为0.3 mm～1 mm，加入10%黏结剂CP1，HC1的膨胀度远大于SC1。这可能是因为，煤岩相组成(惰性组分含量)的差异所致[5]。在同一煤样中加入相同量的CP1黏结剂，随着煤粒径的不同，煤样的膨胀度也有较大的差异。然而不同粒度、不同煤样的膨胀度变化很大，没有固定的膨胀度随煤粒度变化的规律。一般随着黏结剂含量的增加(0%～15%)，所有粒径和煤种的膨胀度都具有增大的规律。由此可知，煤的粒度、煤类和结焦剂对煤的结焦性能影响较大，从而影响焦炭的强度。

3 结论

1) 热重分析表明，在450 ℃以下的温度范围内，煤和黏结剂(CP1、CP2)混合物的测量体重大于其计算值。黏结剂(CP1、CP2)热解产生的气体与煤在煤软化前相互作用，使煤在加热过程中进行原位改造，从而提高了煤的黏结性能。

2) 实验结果表明，煤和石油衍生黏结剂(PP)混合物的测量体重几乎等于其计算体重值。煤与黏结剂分离膨胀实验反映石油衍生沥青热解产生的气体对煤的膨胀几乎没有影响。这意味着，石油衍生黏结剂对提高煤黏结性能的原因是其热解产生的气体可以促进塑性煤膨胀并使之变得更具流动性，而非发生相互化学反应。

3) 煤种类和煤的粒度对煤的膨胀性有很大的影响。同时，黏结剂CP1的含量也影响煤的结焦性能。