（化學(xué)工藝專業(yè)論文）煤炭化過(guò)程及成焦特性的研究.pdf

太原圳人學(xué)塒，學(xué)位論義 譬3 7 3 2 3 0 譙化是煤熱加工的主要方法之一，上百年的焦化實(shí)踐和理論 研究對(duì)闡述成焦機(jī)理和預(yù)測(cè)焦炭質(zhì)量積累了豐富的研究成果。但 由于煤大分子結(jié)構(gòu)的特性以及在成焦過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性， 至今為止仍無(wú)一種理論能夠全面而透徹的解釋煤炭化過(guò)程的所有 現(xiàn)象與決定焦炭質(zhì)量的具體因素。本論文研究煤階、煤的粘結(jié)成 焦性質(zhì)、焦炭的顯微組成和顯微強(qiáng)度之間的關(guān)系，輔助x r d 、f t i r 等分析，從宏觀和微觀角度考查煤在成焦過(guò)程中所發(fā)生的變化， 進(jìn)而闡述粘結(jié)成焦機(jī)理，對(duì)該領(lǐng)域的研究提供有益的參考。廠 本文主要內(nèi)容分兩部分，第一部分論述了煤在成焦過(guò)程r p 所 表現(xiàn)出的特性以及各因素問(wèn)的相互關(guān)聯(lián)，具體考查了煤的變質(zhì)程 度、顯微組分、粘結(jié)指數(shù)、奧亞膨脹度、熱重以及焦炭的顯微組 成與顯微強(qiáng)度，最后得到煤階與巖相組成是決定焦炭顯微強(qiáng)度的 、廠 重要因素卜辨得到二元回歸方程，如下： 。 ， r 2 = 8 7 3 5 0 4 5 + v d a f 一38 2 4 iy 7 文中第二部分則從微觀角度出發(fā)，對(duì)煤進(jìn)行常溫抽提研究t 、 l 、并作了x 衍射分析、f t i r 分析及掃描電鏡，結(jié)合中間相理論得 出成焦機(jī)理的初步推測(cè)；認(rèn)為煤從軟化到重新固化的階段是液晶 相形成與充分發(fā)展的階段。在這一階段煤大分子的無(wú)序性被打 破，發(fā)生了廣泛的脫烷基作用，c 一0 與c = o 鍵斷裂，0 與其它 自由基結(jié)合以氣態(tài)析出，含碳自由基則經(jīng)芳構(gòu)化而穩(wěn)定下來(lái)， x r d 圖譜及s e m 表明，在炭化過(guò)程中，晶面面網(wǎng)直徑l a 長(zhǎng)大， a 棘掣】_ 人學(xué)f 出f 學(xué)位淪史 層片的有序性、致密程度提高，反射率增加，使所成焦炭顯微f ：f _ 【 、， 成的荇向異性增強(qiáng)。 關(guān)鍵詞：焦化、機(jī)釜抽提、粘結(jié)能力、顯微強(qiáng)度z 美f 墊i 西 n 查墮些! 叁蘭些1 蘭竺墮蘭 a b s t r a c t c a r b o l f i z a t i o ni so n eo ft h em a j o rm e t h o d so f t h ec o a lt h e r m o p r o d u c td u r i n g h u n d r e d sy e a r so fc o k ep r a c t i c ea n dt h e o r ys t u d y ，w e h a v ea c c u m u l a t e da b u n d a n ts t u d ya c h i e v e m e n t o nd e s c r i b i n ga n d c a l c u l a t i n gt h em e c h a n i s mo ft h e c a r b o n i z a t i o na n dt h eq u a l i t yo f c o k e b u tb e c a u s e o ft h e p r o p e r t y o ft h em a c r o - m o l e c u l a r c o n s t r u c t i o na n dt h ec o m p l i c a t i o nd u r i n gt h ec o k ep r o c e s s ，s of a r , t h e r ei s n tak i n do ft h e o r yc a ne x p l a i nf u l l ya n di n c i s i v e l y t h e p h e n o m e n ad u r i n gt h ec a r b o n i z a t i o na n d t h ec o n c r e t ef a c t o rw h i c h d e c i d et h ec o k eq u a l i t y t h i sp a p e rs t u d i e st h er e l a t i o n s h i pa m o n g t h e r a n k ，t h ec a k i n gp r o p e r t yo fc o a l ，t h em i c r oc o n s t i t u e n ta n dm i c r o i n t e n s i t yo ft h ec o k ew i t ht h eh e l po fa n a l y s i so fx r d a n df t i r t h e ni tf o c u s e so nt h ec h a n g ed u r i n gt h ec a r b o n i z a t i o nf r o mt h e m a c r o s c o p i c v i e wa n dt h e m i c r o s c o p i cv i e w , f i n a l l y g e t s t h e m e c h a n i s mo f c a k i n gc o k e ，w h i c h w i l lp r o v i d eb e n e f i c i a lr e f e r e n c et o t h es t u d yo nt h i sf i e l d 。 t h i sp a p e ri sc o m p o s e do ft w o p a r t s i nt h ef i r s tp a r t ，i td i s c u s s e s t h ep r o p e r t i e so fc o a ld u r i n gc o k ea n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e f a c t o r s ，a n de x a m i n e sp r i n c i p a l l yt h er a n k ，t h em i c r oc o n s t i t u e n t ，t h e c a k i n gi n d e x ，t h e d i l a t a i i 6 na n dt go ft h ec o a la n dt h em i c r o c o n s t i t u e n t ，m i c r oi n t e n s i t yo ft h ec o k e ，t h e ni td r a w sac o n c l u s i o n t h a tt h er a n ka n dp e t r o g r a p h yc o n s t i t u e n ta r et h em o s t i m p o r t a n t f a c t o r sw h i c hd e c i d et h em i c r oi n t e n s i t yo ft h e c o k e ，a n dg e t s a b i n a r yr e g r e s s i o ne q u a t i o n ，a sf o l l o w s ： i i i 太原理1 人學(xué)壩j 學(xué)位葩義 r 2 2 8 73 5 04 5 + v d a f 一3 8 2 4 1 t h es e c o n dp a r ts t u d i e sf r o mt h em i c r o s c o p i cv i e wt h eo r d i n a r y t e m p e r a t u r ee x t r a c t i o n ，w i t ht h eh e l po fa n a l y s i so fx r d ，f t i r ，a n d s e mt h e ni t g e t s a p r i m a r y i n f e r e n c eo ft h ec a r b o n i z a t i o n m e c h a n i s m ，c o m b i n e dw i t ht h ei n t e r p h a s em e c h a n i s m i ti sb e l i e v e d t h a tt h ep e r i o df r o ms o f tt or e s o l i d a t i o no fc o a li sj u s tt h em o m e n t w h e nt h el i q u i dc r y s t a lp h a s et a k e sf o r ma n de x p a n d s i nt h i sp e r i o d t h eu n o r d e r e dp r o p e r t yo fc o a lm a c r o - m o l e c u l a ri sd e s t r o y e d ，d e a l k y l r e a c t i o nh a p p e n s ，t h eb o n do fc 一0a n dc = 0 b r e a k ，o x i d eg e t so u to f a sg a st h r o u g hc o m b i n i n gw i t l lt h eo t h e rf r e er a d i c a l t h ef r e er a d i c a l w i t hc a r b o ni ss t a b i l i z e db ya r o m a t i z a t i o n x r da n ds e m i l l u s t r a t e t h a t d u r i n g t h ec a r b o n i z a t i o nt h e d i a g r a mo ft h ec r y s t a l f a c ei s e n l a r g e d a n dt h eo r d e r e d p r o p e r t n t h e c o m p a c t n e s s a n dt h e r e f l e c t a n c eo ft h es e a ma l e i m p r o v e d ，w h i c h r e s u l ti nt h e i m p r o v e m e n to f t h ea n i s o t r o p yo f t h ef i n a ! c o k e k e yw o r d s ：c a r b o n i z a t i o n ，m e c h a n i s m ，e x t r a c t i o n ，c a k i n gc a p a c i t y , m i c r oi n t e n s i t y i v 一個(gè)國(guó)家的發(fā)展勢(shì)必以一【| p 為先導(dǎo)。而鋼鐵工業(yè)的發(fā)展 則是重中之重，鋼材年產(chǎn)量及消耗量是評(píng)價(jià)其工業(yè)實(shí)力的重 要指標(biāo)。經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求使高爐大型化日趨完善，而其中焦 炭質(zhì)量能否滿足這一發(fā)展的需要，已成為制約鋼鐵一i 一業(yè)生產(chǎn) 的焦點(diǎn)之一。 煉焦工業(yè)的發(fā)展已有上百年的歷史，現(xiàn)已形成相當(dāng)?shù)囊?guī) 模與扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，但目前仍有許多不足：其，至今為 止人們對(duì)焦炭的形成機(jī)理雖提出諸多的理論推測(cè)，但卻沒(méi)有 一種完善的成焦機(jī)理能夠深入全面的描述成焦的實(shí)質(zhì)，長(zhǎng)期 以來(lái)，焦化領(lǐng)域始終存在實(shí)踐強(qiáng)于理論這樣一個(gè)現(xiàn)實(shí)；其：， 雖然全球煤炭?jī)?chǔ)量遠(yuǎn)比石油與天然氣豐富，但主焦煤儲(chǔ)量不 足且多數(shù)集中在某一地區(qū)，分布不均，很大程度上限制了焦 化工業(yè)的發(fā)展；其三，高爐生產(chǎn)要求焦炭低灰、低硫、高強(qiáng) 度，而由于理論和技術(shù)的不足，往往并不能達(dá)到理想的效果； 其四，現(xiàn)行的焦化生產(chǎn)給大氣與水資源帶來(lái)嚴(yán)重的污染，破 壞生態(tài)環(huán)境，威脅著人們的生存質(zhì)量。雖然焦炭工業(yè)的發(fā)展 經(jīng)歷了上百年的歷史且已有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，但是以上種種不足 擺在面前，這就需要我們不斷深入研究和創(chuàng)新，以期推動(dòng)煉 焦工業(yè)的健康發(fā)展。 本論文通過(guò)對(duì)煤在成焦過(guò)程中所發(fā)生的變化以及煤粘結(jié) 成焦特性的基礎(chǔ)研究，探討煤粘結(jié)成焦的機(jī)理，試圖建立預(yù) 測(cè)焦炭強(qiáng)度的理論模式，指導(dǎo)煉焦j ：、f k 的生產(chǎn)。第一章對(duì)爍 焦j 、【k 的發(fā)展以及該領(lǐng)域的研究歷史和現(xiàn)狀作了文獻(xiàn)綜述， 介紹了煤粘結(jié)成焦機(jī)理的傳統(tǒng)研究，著幣總結(jié)了中問(wèn)相嬋論 的發(fā)展及現(xiàn)有研究成果，結(jié)合本文 f j f 究任務(wù)，例論了成焦過(guò) 程中各種因素的影響，對(duì)本課題的選題與研究方法有較好的 借鑒意義；第二、三兩章重點(diǎn)研究煤的成焦特性與焦炭質(zhì)量， 選取煤階、巖相組成、粘結(jié)指數(shù)、奧亞膨脹度、熱失重f d 線 作為煤成焦特性的主要指標(biāo)。以半焦與焦炭的顯微組成、顯 微強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)焦炭的指標(biāo)，從各因素問(wèn)的相互關(guān)系初步研 究了煤的成焦機(jī)理及在這一過(guò)程中所發(fā)生的變化。第四章通 過(guò)對(duì)煤的常溫c s ，一n m p 抽提實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同煤階煤的萃取率、 抽提殘?jiān)募t外譜圖進(jìn)行分析，并對(duì)半焦與焦炭的x r d 譜圖 及掃描電鏡照片作了初步研究，試圖從微觀角度分析炭化成 焦的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。第五章為本論文的結(jié)論及今后研究工作 的建議。由于實(shí)驗(yàn)條件與時(shí)問(wèn)有限，本論文研究尚有不足之 處，但其研究結(jié)果對(duì)工業(yè)生產(chǎn)及今后的理論研究仍具有一定 的借鑒意義。 查塑型! ! ：蘭塑上蘭竺絲蘭 一一 第一章文獻(xiàn)綜述及選題 1 1 高爐使用焦炭的歷史與現(xiàn)狀 以煤煉得的焦炭代替木炭在高爐中煉鐵已有近2 0 0 年的 歷史，在這期間，人們不斷對(duì)焦炭進(jìn)行研究以適應(yīng)高爐生產(chǎn) 的需要，從技術(shù)發(fā)展過(guò)程來(lái)看，大體經(jīng)歷了三個(gè)階段： 2 0 世紀(jì)以前，高爐煉鐵和煉焦在技術(shù)上都處于逐漸摸索 和了解的階段，人們對(duì)室式焦?fàn)t生產(chǎn)的高溫焦炭的性質(zhì)和焦 炭在高爐中的行為還了解不多，因此不可能進(jìn)行系統(tǒng)的研究。 由于焦炭遠(yuǎn)比木炭堅(jiān)固，人們?cè)谟媒固看婺咎亢?，羽焦?強(qiáng)度并不重視，但是由于焦炭比木炭灰分含量高得多，而且 化學(xué)活性又很低，所以早期對(duì)焦炭的研究是從化學(xué)分析、焦 炭反應(yīng)性和氣孔率測(cè)定等內(nèi)容開(kāi)始的，這些早期研究成就至 今仍有一定價(jià)值。 第一次世界大戰(zhàn)后的2 0 年代，鋼鐵工業(yè)有了一次技術(shù)更 新，8 0 0 m 3 以上的高爐、炭化室4 m 以上的硅磚焦?fàn)t都大量興 建，人們開(kāi)始重視焦炭的強(qiáng)度和與強(qiáng)度有關(guān)的塊度、篩分組 成。由于煉焦煤中強(qiáng)粘結(jié)性煤不足，人們對(duì)焦炭強(qiáng)度的研究 自然地與煤處理技術(shù)和焦?fàn)t熱工制度相聯(lián)系。2 0 世紀(jì)5 0 年 代，焦炭的研究進(jìn)入一個(gè)全面發(fā)展的階段，有關(guān)基礎(chǔ)研究如 成焦機(jī)理、焦炭結(jié)構(gòu)也有較大發(fā)展，因此對(duì)焦炭的研究趨于 系統(tǒng)和完整。 2 0 世紀(jì)后半葉，特別是6 0 年代以來(lái)，高爐大型化以及高 查墮些叁蘭型! i ：蘭! ! 墮l j l 溫、精料、富氧、| j ；j 畋等新技術(shù)采月j ，使高爐焦比與2 0 i i i 紀(jì)j i 半葉相比r 降約4 0 - - 6 0 ，高爐容積利目系數(shù)幾乎捉島 一倍。高爐冶煉強(qiáng)化的結(jié)果，不但促使了世界范圍內(nèi)焦炭質(zhì) 量的提高與改善，而且使人們?cè)趯?duì)待焦炭質(zhì)量認(rèn)識(shí)上、研究 方法j ：、改善質(zhì)量措施i = _ 都有很大進(jìn)展。 在很長(zhǎng)一段時(shí)川內(nèi)，我囤以煤炭為主要能源的狀況仍不 可改變，煤的熱加： 是當(dāng)前煤炭加工的主要方法，大規(guī)模的 煉焦工業(yè)是煤炭熱加工的典型工藝，盡管焦炭的產(chǎn)量目前在 世界上呈下降趨勢(shì)，但是用于生產(chǎn)焦炭的煤仍然占到煤炭消 耗的1 0 左右，目前不用或少用焦炭的煉鋼技術(shù)在積極的研 究和實(shí)驗(yàn)中，據(jù)專家估計(jì)，本世紀(jì)2 0 一3 0 年甚至更長(zhǎng)時(shí)叫內(nèi)， 焦炭仍是煉鐵不可替代的原料。隨著高爐大型化的發(fā)展和優(yōu) 質(zhì)煉焦煤的目益匱乏和昂貴，更需要開(kāi)發(fā)與煤炭資源相適應(yīng) 的高質(zhì)量、低成本的焦炭和無(wú)( 少) 污染、高效率的煉焦技 術(shù)。 1 2 不同成焦機(jī)理概述 由煤成焦的過(guò)程極其復(fù)雜涉及到成百上千的化學(xué)反應(yīng)， 這主要是由于煤本身的復(fù)雜多樣非單一的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使得對(duì) 成焦機(jī)理的研究至今沒(méi)有一個(gè)十分圓滿的答案。 1 2 1 傳統(tǒng)成焦機(jī)理 迄今為止有關(guān)結(jié)焦機(jī)理大致可歸納為三類【2 l ：第一類是以 煙煤的大分子結(jié)構(gòu)及其熱解過(guò)程中由于膠質(zhì)狀塑性體的形 成，使固體煤粒粘結(jié)的塑性成焦原理，根據(jù)這個(gè)原理，不同 煙煤由于膠質(zhì)體的性質(zhì)和數(shù)量的不同，導(dǎo)致粘結(jié)的強(qiáng)弱，并 4 隨tl 體析數(shù)量和速度的堆異，得劍f i 同質(zhì)量的焦炭。第二 類是表面結(jié)合成焦原理，牲j 煤的7 ? h 組成的籌異，決定煤 粒有活性與非活性之分，由于煤粒之川的粘結(jié)是在其接觸表 面上進(jìn)行的，則以活性組分為主的煤粒，相互問(wèn)的粘結(jié)呈流 動(dòng)結(jié)合型，固化后不再存在粒子的原形；而以非活性組分為 主的煤粒問(wèn)的粘結(jié)呈接觸結(jié)合型，固化后保留粒子的輪廓， 從而決定最后形成的焦炭質(zhì)量。第二類即6 0 年代以來(lái)發(fā)展起 來(lái)的中間相成焦機(jī)理，這是一種相對(duì)較新的理論。 1 2 2 中間相成焦機(jī)理的形成與發(fā)展 1 2 2 1 液晶簡(jiǎn)介 早在1 8 8 8 年人們研究熔化的膽甾烯基苯甲酸鹽時(shí)發(fā)現(xiàn)其 具有異常的流體性質(zhì)，并有各向異性，這種流體就是后來(lái)人 們所說(shuō)的液晶相。t a y l o r t 3 1 于1 9 6 1 年用光學(xué)顯微鏡觀察澳大利 亞煤的鏡質(zhì)組不同炭化階段的炭化物，發(fā)現(xiàn)具有小球體的各 向異性物，溫度升高后，小球體長(zhǎng)大、聚集，在固化溫度附 - 近形成各向異性鑲嵌結(jié)構(gòu)。液晶是介于固相和液相之間的一 種特殊相，也叫中間相。它既部分保留了晶體的遠(yuǎn)程有序性， 又具有液體的流動(dòng)性。液晶分為三種類型，即向列型、近晶 型和膽甾型【4 】，其中向列型液晶與煤的焦化過(guò)程有關(guān)i ”。 1 2 2 2 液晶相的形成和發(fā)展6 1 1 7 1 一般而言，能形成液晶相的煤、瀝青等：加熱到3 5 0 。c 左 右時(shí)，發(fā)生熱解反應(yīng)，生成的熱解中f f i j 產(chǎn)物縮聚形成平均分 子量1 5 0 0 左右的稠環(huán)芳烴大分子，這些大分子相互平行堆積， 形成各向異性小球體，一方面小球體吸收周圍的流動(dòng)相而增 大，另一方面，小球體間隨著距離縮小而相互接觸，以最大 表面能合并成個(gè)復(fù)球。復(fù)球內(nèi)的分子重新排列，又重復(fù)上 述的過(guò)程使球體進(jìn)一步長(zhǎng)人；待基質(zhì)消耗殆盡，系統(tǒng)粘度迅 速增加，系統(tǒng)中逸出氣的壓力和剪切力的作用，使液晶相中 彎曲層面的分子排列變形進(jìn)一步順序化，最后固化形成具有 各種類型的光學(xué)結(jié)構(gòu)。 1 2 2 3 液晶與焦化過(guò)程 組成向列型液晶相的分子為平面的稠環(huán)芳烴大分子，圖 1 1 為z i m m e r w h i t e 提出的液晶相的分子結(jié)構(gòu)模型【6 】，分子 是平面狀的，但甲基，缺碳原子的窄位以及斷鍵等使平面程 度降低。這些大分子平行堆積在一起，構(gòu)成向列型液晶相， 如圖1 。2 ( a ) 所示。h u m p h r i e s 等| 8 】認(rèn)為向列型液晶相中分子 間作用力決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和其它性質(zhì)。 圖i - 1z i m m e r w h i t e 的液晶相分子結(jié)構(gòu)模型 6 查墜些j 叁主! ! ! ：! ：些絲蘭 _ - _ - _ - - _ h h r 一 a 液晶相中的分子排列b - 磁場(chǎng)作用下的分子排列 圖1 2 液晶相的結(jié)構(gòu)示意圖 液晶中同焦化過(guò)程有關(guān)的物理性質(zhì)有如下幾點(diǎn)： 第一，液晶相中大分子的取向受所接觸表面的影響，其 取向趨于同表面平行。圖1 2 ( b ) 為液晶相中的大分子在強(qiáng) 磁場(chǎng)作用下的表現(xiàn)行為，受表面的作用，同表面接近的大分 子其取向同表面平行。 第二，形成向列型液晶相的分子具有定的幾何構(gòu)型， -7 并且具有強(qiáng)偶極性或易極化官能團(tuán)的分子更有利于液晶相的 形成吼 第三，加入不形成液晶相的電解質(zhì)不會(huì)破壞液晶相，并 且其電解質(zhì)分子取向與液晶相分子取向趨于一致。在焦化過(guò) 程中，液晶形成之后。伴隨著液晶的擴(kuò)散及液晶間聚集長(zhǎng)大 的過(guò)程，此過(guò)程受膠質(zhì)體的流動(dòng)性和其中存在的固相表面性 質(zhì)的影響，液晶的數(shù)量和液晶聚集程度決定了焦炭中各向異 性組織的形狀和含量。 各向異性的液晶相分布在焦化系統(tǒng)中氣泡的外表面上， 增強(qiáng)了表面強(qiáng)度，阻礙氣泡的膨脹，也就阻礙了泡沫狀焦炭 的形成，川州影響焦炭的孔隙度和孔譬厚度， 抒刈l i j 次 度影響顯著。 1 2 2 4 影響液晶形成和增長(zhǎng)的因素 m a r s h 等岬i i ，1 1 1 12 利用模型化合物、煤進(jìn)行焦化實(shí)驗(yàn)，分析 焦炭結(jié)構(gòu)，考察了影響液晶形成和增長(zhǎng)的因素： ( 1 ) 焦化時(shí)各向同性的塑性體中的化學(xué)不均性的影 響。若僅有少量的組分能形成液晶，此時(shí)液晶的增長(zhǎng)過(guò)程受 限制；若能形成液晶的組分含量高，但形成液晶的溫度相差4 0 以上，液晶的增長(zhǎng)同樣受限制。 ( 2 ) 膠質(zhì)體中“惰性”固體物的影響。膠質(zhì)的物性、顆 粒小的物質(zhì)( 如碳黑) 限制液晶的增長(zhǎng)，而具有大表面積的 顆粒( 如焦粉) 能促進(jìn)液晶的聚集。 ( 3 ) 雜原子o 、n 、s 的影響。帶有多個(gè)含氧官能團(tuán)的 芳香族化合物有利于液晶的形成，而含有單羥基的酚類嚴(yán)重 地阻礙液晶的形成3 】。對(duì)n 、s 而言，當(dāng)含量低于3 時(shí)，對(duì) 液晶的形成無(wú)負(fù)影響，相反則存在明顯的阻礙作用。 1 3 影響焦炭質(zhì)量的重要因素 在一定工藝條件下研究煤的成焦特性與機(jī)理，我們談到 最多的就是兩個(gè)主要影響因素，即煤料的變質(zhì)程度及巖相組 成，這也是預(yù)測(cè)焦炭質(zhì)量及評(píng)價(jià)來(lái)煤質(zhì)量的重要指標(biāo)，因而 有必要研究不同煤階煤在成焦過(guò)程中的變化與異同，以及煤 巖組成對(duì)焦炭質(zhì)量的影響。 1 3 1 不同煤階煤的成焦過(guò)程 所有的煤都包含聚芳香結(jié)構(gòu)單元( b s u ) ，尺寸上相近( 大 g 約1 n m ) ，這砦b s u 尤| i f f , sj ：t m i 1j e - h ；各種化學(xué)毖i 剖1 ，t | ：炭 化過(guò)程中，煤通過(guò)個(gè)或多或少的塑性階段，它們變得更加 有序，但不同的煤具有不同大小的b s u 及其它性質(zhì)，從而其 成焦機(jī)理和生成焦炭的織態(tài)結(jié)構(gòu)也有顯著的差別。低階煤由 j i 有較高的氧含量以及芳香微晶子的縮合環(huán)數(shù)少，芳香度低， 在炭化過(guò)程中，煤分子中的氧促進(jìn)形成交聯(lián)鍵，限制了中問(wèn) 相的形成和發(fā)展，最后發(fā)展成為各向同性；高階煤芳香度高， 其本身就己存在一定的b s u ，炭化時(shí)在塑性相中進(jìn)一步定向 或流動(dòng)發(fā)展，形成焦炭中的各向異性組織。 f r i e l 等在透射電鏡的熱臺(tái)上觀測(cè)了p g 種不同煤階煤炭 化形成半焦的過(guò)程，r 。為o 6 9 的i l l i n o i s 煤，中間相小球 體僅成長(zhǎng)到直徑約o 1 “m ，且從不聚集，這種煤的鏡質(zhì)組形 成的焦炭呈現(xiàn)極小的光學(xué)各向異性，或完全沒(méi)有。r 。、為 0 8 4 的p i t t s b u r g h 煤形成尺寸為0 3 “m 的中i 日j n d , 球體，r 。 為l5 7 的l o w e rk i t t a n n i n g 煤中間相小球體的形成溫度提 高，而且成為棒狀體，開(kāi)始時(shí)尺寸約為3 n m l o h m ，由于生長(zhǎng) 速度相當(dāng)快，可從光學(xué)顯微鏡中看到，它最后可形成各向異 性的織態(tài)結(jié)構(gòu)。 f o r t i n 和r o u z a u d l ”i 用光學(xué)顯微鏡( o m ) 和透射電鏡 ( t e m ) 詳細(xì)觀測(cè)了不同煤階5 種煤的炭化過(guò)程，提出焦炭 微組織形成的兩種不同機(jī)理：第一是典型的煉焦煤( 民為 o 8 1 4 6 ) ，在4 0 0 。c 和5 0 0 之間，通過(guò)個(gè)完全發(fā)展的 塑性階段，可與瀝青或重油的炭化過(guò)程相似，聚芳香結(jié)構(gòu)單 元( b s u ) 在流動(dòng)相中重新定向，形成分子定向區(qū)域( m o d ) ， 最終形成鑲嵌結(jié)構(gòu)；第二種機(jī)理是完全不同的，它指高階煉 9 焦煤c r o ，為1 5 5 一1 8 0 ) ，原料煤中山o m 就表現(xiàn)出 一個(gè)弱的基本各向異性，在炭化中，在有限的但必需的塑性 幫助j i ，顱織態(tài)被積極地提高了，形成o m 可看到的塊狀組 織，兩種結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1 3 。 p a t t i c k 和w a l k e r i ”1 研究了七種鏡煤( r 。為o 8 5 一 2 3 7 ) 的炭化過(guò)程表明：炭化過(guò)程中最初各向異性的發(fā)展和 揮發(fā)分的最大失重發(fā)生在同一溫度區(qū)間，碳含量在9 1 一 9 25 的鏡煤形成流動(dòng)型各向異性焦炭組織：而碳含量在8 75 一9 0 5 的鏡煤主要生成鑲嵌結(jié)構(gòu)為主的焦炭。 塑性相在煤的炭化過(guò)程中起著非常重要的作用，有關(guān)塑 性相的形成物質(zhì)也曾是一個(gè)有爭(zhēng)議的課題，煤中的可萃取物， 即中等分子量組分肯定是塑性相的組成部分，且在炭化時(shí)起 著重要的作用。f o r t i n 和r o u z a u d i ”的研究表明煤中n m p 萃 取后殘?jiān)傻慕固烤哂行〕叽绲墓鈱W(xué)組織，而萃取物卻可 生成大的光學(xué)組織，且煤階越高，生成的光學(xué)組織尺寸越大， 說(shuō)明中等分子組分可以充當(dāng)煤炭化時(shí)的懸浮介質(zhì)，支持基本 結(jié)構(gòu)單元( b s u ) 平行排列形成分子定向區(qū)域( m o d ) ，且分 子組分越重，氧含量越少，越有效。l a u r e n t 等用煤的加氫 裂解生成更加各向同性的焦炭表明塑性相的重要性，他認(rèn)為 由于有氫，使塑性相太輕，而不能使芳香結(jié)構(gòu)單元重新定向， 沒(méi)有生成更大的焦炭微組織。 o 落一瓣 毒害：一 臼 “：黑：苫舞 ( 1 ) ) 圖l 一3 焦炭微組織形成的兩種不同機(jī)理簡(jiǎn)圖 m a r o t o v a l e r 等i ”) 的研究表明煉焦煤中可萃取物和后來(lái)裂 解產(chǎn)生的低分子量物質(zhì)對(duì)于最大塑性度的發(fā)展有著相同的貢 獻(xiàn)，因?yàn)? 5 0 。c 以下，煙煤中很少有共價(jià)鍵的斷裂，從2 0 0 到3 8 0 。c 流動(dòng)相濃度的增加主要來(lái)自于煤中的可萃取物，超過(guò) 此溫度范圍后直到4 5 0 ，流動(dòng)相數(shù)量和流動(dòng)性的顯著增長(zhǎng)是 由于煤中共價(jià)鍵的裂解產(chǎn)生的“m e t a p l a s t ”。 場(chǎng)離子化質(zhì)譜分析表明m 】，煤中可萃取物的分子量一般 是1 5 0 一6 5 0 ，大多是在2 5 0 一4 5 0 范圍內(nèi)，其組成極其復(fù)雜， 主要是烷基取代( 直到正一c 。) 和非烷基取代芳香烴、氫化 芳香烴、脂環(huán)烴和脂肪烴，還有許多含一個(gè)或兩個(gè)氧原子的 芳烴衍生物，而共價(jià)鍵裂解后的產(chǎn)物分子量在5 0 一8 5 0 范圍 內(nèi)，最多是在2 5 0 一5 5 0 。 1 3 2 巖相分析在預(yù)測(cè)焦炭質(zhì)量和強(qiáng)度方面的應(yīng)用 煤是由一定地質(zhì)年代生長(zhǎng)的繁茂植物在適宜的地質(zhì)環(huán)境 下，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)歲月的天然煤化作用而形成的生物巖，利用通 黧 常研究巖石的方法來(lái)研究煤就廣：生了煤炭科學(xué)的 個(gè)分支一 一煤巖學(xué)。英困的s t o p e s 于1 9 1 9 , q - 色q 市了煤的反射光片觀測(cè) 技術(shù)，美罔的1 1 h i e s s e n 等在1 9 2 0 年創(chuàng)、7 了煤的薄片透刺光觀 測(cè)技術(shù)j ，此厲煤巖學(xué)得到r 很大的發(fā)展，在各力向的應(yīng)用 顯示了它的重要性，煤巖分析在煉焦工業(yè)中預(yù)測(cè)焦炭強(qiáng)度方 面的應(yīng)用也越來(lái)越受到人們的重視。 焦炭質(zhì)量的預(yù)測(cè)是本世紀(jì)煉焦 _ 業(yè)基礎(chǔ)研究中的一個(gè)重 大課題，從上世紀(jì)3 0 年代開(kāi)始到現(xiàn)在，直受到世界各國(guó)的 關(guān)注。人們認(rèn)識(shí)到，在工藝條件確定的狀況下，影響焦炭指 標(biāo)的主要因素為煤的變質(zhì)程度和煤巖組成，當(dāng)以七兩個(gè)因素 還不足以說(shuō)明問(wèn)題時(shí)，也取決于煤的還原程度1 ”1 。隨著煤巖 自動(dòng)分析設(shè)備和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的發(fā)展，利用煤巖分析數(shù)據(jù) 來(lái)指導(dǎo)配煤煉焦生產(chǎn)，預(yù)測(cè)焦炭質(zhì)量將成為煉焦工業(yè)中的重 要控制環(huán)節(jié)。 目前公認(rèn)鏡質(zhì)組平均最大反射率是代表煤變質(zhì)程度的最 佳參數(shù)，因?yàn)殓R質(zhì)組是煤中的主要組分，在整個(gè)變質(zhì)過(guò)程中， 特別是在煙煤階段，鏡質(zhì)組的反射率成線性規(guī)律變化，變化 幅度也較大，同時(shí)鏡質(zhì)組反射率的測(cè)試排除了其它煤巖組分 和礦物的干擾，比揮發(fā)分更具有優(yōu)越性i ”1 。鏡質(zhì)組反射率 1 2 “m ) 。煤中的絲質(zhì)組和微粒體在炭化時(shí)生成各向 同性的焦炭組織一一破片和類絲炭，半絲質(zhì)組和假鏡質(zhì)組生 成各向同性和極細(xì)粒鑲嵌組織。i 【”1 從煤巖數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)焦炭的質(zhì)量最早是由前蘇聯(lián)的 h h a m m o c o b 、a m m o a o v 等于1 9 5 7 年提出的，隨后許多 國(guó)家的煤科學(xué)家做了不少改進(jìn)工作，這些方法在預(yù)測(cè)焦炭質(zhì) 量方面曾經(jīng)做出一些貢獻(xiàn)，但大多比較繁瑣，適用面較窄或 預(yù)測(cè)精度不是很好。近年來(lái)不斷有人對(duì)此方法進(jìn)行改進(jìn)。 2 6 1 2 7 2 8 1 劉運(yùn)良等1 指出鏡質(zhì)組平均反射率只能反映出單種煤的 變質(zhì)程度，對(duì)于混煤或配煤只用這一參數(shù)是不準(zhǔn)確的，因?yàn)?單種煤鏡質(zhì)組反射率一般呈單峰正態(tài)分布，而混煤和配合煤 般為多峰分布，這種多峰分布的混煤或配合煤的平均反射 率不能代表其對(duì)應(yīng)的變質(zhì)程度，反映出的也不是該煤階煤的 性質(zhì)，而且傳統(tǒng)上煤巖組成參數(shù)的選擇中沒(méi)有考慮活性組分 的質(zhì)和量，煤中活性成分之間也需要配合，在國(guó)內(nèi)首次提出 了容惰指數(shù)i h 。作為煤巖組成參數(shù)，配合度d 。作為煤中活性 成分配伍合理性參數(shù)，較好地滿足了指導(dǎo)配煤、預(yù)測(cè)焦炭強(qiáng) 度對(duì)煤巖參數(shù)的要求。 以前的預(yù)測(cè)方法用于澳大利亞高惰性組含量煤( 惰性組 含量 2 0 ) 時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果低于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)這一現(xiàn)象，g r a y 和b o w l i n 9 1 2 9 1 通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出運(yùn)用所有煤巖顯微組分的反射率作 為反應(yīng)性的測(cè)量，得到更為精確的結(jié)果，”1 它的適用性：如何， 行待予進(jìn)一步考察。 肖文釗等1 3 0 1 的實(shí)驗(yàn)運(yùn)用煤巖顯微類型代替顯微組分來(lái)進(jìn) 行配煤煉焦，并沒(méi)有根本改善其預(yù)測(cè)焦炭強(qiáng)度的準(zhǔn)確度，二 者屬于同一水平。 目前通過(guò)煤巖分析預(yù)測(cè)焦炭強(qiáng)度存在如下幾個(gè)問(wèn)題： ( 1 ) 如何把鏡質(zhì)組平均最大反射率與煤的分子結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián) 起來(lái)，從煤的大分子結(jié)構(gòu)在炭化過(guò)程中所發(fā)生的變化來(lái)理解 煤的炭化機(jī)理。1 3 1 1 ( 2 ) 以前的預(yù)測(cè)方法或是針對(duì)某地區(qū)的煤或是相當(dāng)復(fù) 雜，沒(méi)有一個(gè)適用面極強(qiáng)的而又簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)方法。 ( 3 ) 各種煤巖次顯微組分在炭化過(guò)程中的詳細(xì)作用或過(guò) 程還不是很清楚，于是有時(shí)出現(xiàn)兩種煤鏡質(zhì)組的k 。在同一 水平，而結(jié)焦性不同，或是含非鏡質(zhì)組顯微組分高的煤出現(xiàn) 反常的結(jié)焦特性。 盡管煤巖分析在預(yù)測(cè)焦炭質(zhì)量和強(qiáng)度方面的應(yīng)用存在這 樣或那樣的缺點(diǎn)，但由于煤巖顯微組分與焦炭性質(zhì)之間存在 明顯的關(guān)聯(lián)關(guān)系及成功的應(yīng)用實(shí)踐，煤巖學(xué)研究者仍在探索 改進(jìn)煤巖顯微組分的分離和分析方法，以提高其準(zhǔn)確度，提 高其指導(dǎo)煉焦生產(chǎn)和預(yù)測(cè)焦炭強(qiáng)度的實(shí)用性。 1 4 炭化過(guò)程中分子結(jié)構(gòu)的變化及氣體膨脹壓力的產(chǎn)生 煤的炭化過(guò)程伴隨著煤大分子結(jié)構(gòu)的變化，目前的測(cè)試 煉焦煤塑性的方法如基氏塑性儀及奧亞膨脹儀等僅反應(yīng)了煤 的宏觀性質(zhì)，不能反應(yīng)出煤的微觀分子結(jié)構(gòu)的變化，煤的大 1 4 分f 結(jié)構(gòu)通常用交聯(lián)密度水描述，交聯(lián)密度越低，結(jié)構(gòu)越丌 放。溶劑膨脹技術(shù)日前被廣泛用來(lái)測(cè)定煤炭化時(shí)交聯(lián)密度的 變化，同時(shí)，煤炭化過(guò)程中氣體壓力的產(chǎn)生機(jī)理也是一個(gè)重 要的課題，因?yàn)樗汝P(guān)系到煉焦生產(chǎn)的安全又和生成焦炭的 質(zhì)量密切相關(guān)，結(jié)焦壓力常被認(rèn)為產(chǎn)生于煤的塑性層，是由 于加熱煤中的揮發(fā)分產(chǎn)物作為氣泡陷于塑性層而產(chǎn)生。 m a r z e c 3 2 1 從芳烴化合物的炭化過(guò)程出發(fā)，認(rèn)為煤的炭化 形成半焦的過(guò)程中發(fā)生了兩種縮合反應(yīng)：種為脫氫環(huán)化反 應(yīng)：一種為齊聚化反應(yīng)。脫氫環(huán)化反應(yīng)的發(fā)生要有兩個(gè)條件： 或者是每一個(gè)反應(yīng)物分子有由三個(gè)碳原子組成的凹型結(jié)構(gòu)， 或者是一個(gè)反應(yīng)物分子有四個(gè)碳原子的凹型結(jié)構(gòu)而另一個(gè)是 有兩個(gè)碳原予的容易接近的邊緣。值得注意的是如果低于甲 基基團(tuán)的熱穩(wěn)定溫度7 5 0 。c ，凹型結(jié)構(gòu)相鄰碳原子上的甲基取 代物會(huì)阻止脫氫環(huán)化反應(yīng)的發(fā)生，脫氫環(huán)化反應(yīng)生成平面芳 香簇，最后生成各向異性相；齊聚化反應(yīng)對(duì)反應(yīng)物分子無(wú)結(jié) 、鑒蘿、氣 + 一。1 7 。、7 。 l 弦c * c 、c l - c - i c 露c-c c c 即c c 餮 圖l 一4 能發(fā)生脫氫環(huán)化反應(yīng)生成平面產(chǎn)物的芳香結(jié)構(gòu) 構(gòu)要求，任何芳香分予都可發(fā)生，由于共平面時(shí)氫原子間的 i l l ：k f 力，齊聚物不是平面結(jié)構(gòu)，它形成半焦中的各向同性， 而且半焦中非平面的芳香簇問(wèn)n 軌道共軛，使得半焦成為半 導(dǎo)體。兩種反應(yīng)例子見(jiàn)圖1 4 與圖i 一5 。 q 之，? ”袋港 h h hh h 胛h “蘑醛= = c - - _ 【7 ， hh 圖1 5 芘和萘的二聚體作為齊聚化反應(yīng)的例子 目前對(duì)于煤炭化時(shí)的塑性與它的化學(xué)結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性關(guān)系 的研究有兩種理論：一是y 一化合物理論，另一個(gè)是氫轉(zhuǎn)移理 論。前者是由o u c h i 等【3 3 1 以喹啉和吡啶萃取日本a k a b i r a 煤的 實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出來(lái)的，煤被處理到4 0 0 。c 后，吡啶可以萃取出很 多物質(zhì)，該物質(zhì)無(wú)供氫性相對(duì)分子量較小，作者把此種煤的 塑性歸于具有大量的可溶的小分子物質(zhì)，即y 一化合物。后一 種理論認(rèn)為煤中可轉(zhuǎn)移的氫對(duì)于煤塑性的發(fā)展是非常重要 的，它可以穩(wěn)定煤受熱裂解產(chǎn)生的自由基。k i d e n a 等【3 4 用模 型化合物測(cè)試了所用幾種煤的供氫性和接受氫的能力，結(jié)果 表明供氫能力的強(qiáng)弱與煤的基氏塑性度有類似的傾向。煤中 1 6 供氰的活悄：1 奇 是環(huán)烷一i ：的i f l 撐碳連接芳香基團(tuán)之間的乙撐 碳，在x r d 和s e m 觀測(cè)熱處理煤( 半焦) 的基礎(chǔ)上，作者 認(rèn)為，在煤達(dá)到軟化溫度時(shí)，芳香層的定向丌始變得混亂， 隨著溫度的升高，芳香層才開(kāi)始發(fā)展，所以在塑性階段，鍵 裂解反應(yīng)、氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)及芳香層的重排同時(shí)發(fā)生，這些反應(yīng) 之間的平衡是非常重要的。他提出了炭化過(guò)程初始階段反應(yīng) 模型的圖象解釋，見(jiàn)圖】一6 。 、a p h t h c n mb r t d g c c lj 1 、i c 1 c 駑j 。幺i1 i 。悠妞o f 、f r7 、l l 了、“ q 3o ”相 t 她p 。 0 p 一l ，j c 專，o t o ；c “、 r c a n d i 毒毀器護(hù) 圖1 - 6 炭化初始階段的反應(yīng)模型簡(jiǎn)圖 英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)北方碳研究實(shí)驗(yàn)室用溶劑膨脹技術(shù)研 究煤大分子結(jié)構(gòu)隨裂解溫度的變化及氣體壓力的產(chǎn)生方面做 了許多工作1 3 5 1 1 ”i i ”i i3 8 l ，他們的研究結(jié)果表明：熱處理首先減 弱和破壞了煤中分子間的相互作用，部分交聯(lián)鍵也得到裂解， 導(dǎo)致煤的溶劑膨脹率增加，表腮交聯(lián)密度降低，這時(shí)發(fā)生的 趕撩避1 j 、學(xué)壩t 學(xué)位論殳 失重相對(duì)較小，最小表觀交聯(lián)密度通常1 芏膨脹軟化點(diǎn)和最大 收縮溫度之劃，接近于恒定剪切率塑性結(jié)焦峰( 最大凝聚溫 度) ，當(dāng)溶劑膨脹率達(dá)到一個(gè)最大值( 即交聯(lián)密度的最小值) 后，煤大分子結(jié)構(gòu)發(fā)生大量降解，形成最大流動(dòng)性，表觀交 聯(lián)密度丌始增加，這也是發(fā)生最大失重的溫度區(qū)域，交聯(lián)反 應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，引起交聯(lián)密度的增加和溶劑膨脹率的下降，用漫 反射紅外傅立葉變換光譜( d r i f t s ) 可觀測(cè)到次甲基c h ，強(qiáng) 度的降低，c h , 。j c h 。增加，表明煤中大分子間的次甲基交聯(lián) 橋鍵裂解，導(dǎo)致芳香層片的增長(zhǎng)和交聯(lián)密度的增加，同時(shí)表 明發(fā)生了芳環(huán)的脫脂肪側(cè)鏈反應(yīng)，溶劑膨脹特性在固化溫度 以上也在變化。最終在6 0 0 。c 左右停止。對(duì)于低階煤，裂解分 子間的相互作用和熱降解在靠近最小交聯(lián)密度的溫度附近有 些重疊，而高階煤僅在熱降解之后才看到明顯的交聯(lián)密度的 降低。 他們認(rèn)為氣壓的來(lái)源是塑性層的脫揮發(fā)分和塑性層、半 焦層的低滲透性，高膨脹壓力是由于大分子結(jié)構(gòu)的交聯(lián)對(duì)于 揮發(fā)分的釋放產(chǎn)生了阻礙，在塑性層釋放的氣體大多流向半 焦方向，因?yàn)槊哼@邊的塑性層是相對(duì)難滲透的，氣體的流動(dòng) 被塑性層的低氣體滲透性和重新固化溫度區(qū)阻礙，發(fā)生最大 失重，交聯(lián)密度越高，對(duì)氣體阻力越大，產(chǎn)生的膨脹壓力就 越大。 氣體滲透性在溫度接近于軟化點(diǎn)時(shí)明顯降低，在最大收 縮度和重新固化溫度附近達(dá)到最小值：結(jié)焦壓力的產(chǎn)生與大 小和大分子結(jié)構(gòu)限制揮發(fā)分釋放的程度很有關(guān)系，當(dāng)主要的 失重發(fā)生在交聯(lián)密度比較低的溫度區(qū)域時(shí)，揮發(fā)分的放出受 限制少，產(chǎn)生的膨脹r 力就低；當(dāng)1 要的火氯發(fā)7 1 1 存交聯(lián)密 度比較高的溫度區(qū)域時(shí)，低滲透性限制了揮發(fā)分的釋放，從 而產(chǎn)生高的膨脹壓力。 b a r r i o c a n a l 等m 】1 4 0 認(rèn)為煤炭化時(shí)，由于塑性發(fā)展的溫度 范圍和脫揮發(fā)分的溫度范圍重疊，揮發(fā)分的釋放不可避免要 受到限制，結(jié)焦壓力產(chǎn)生的大小取決于氣體被限制的程度， 這可由比較脫揮發(fā)分來(lái)評(píng)估，若最大脫揮發(fā)分發(fā)生在最大流 動(dòng)度之前，產(chǎn)生的氣壓就比較小j 相反，若發(fā)生最大失重的 溫度超過(guò)最大流動(dòng)度，就會(huì)產(chǎn)生高的膨脹壓力，二者溫差越 大，產(chǎn)生的內(nèi)在氣壓越高。因?yàn)樗械臒捊姑涸谒苄詫拥拿?邊形成低的滲透區(qū)，氣體壓力的產(chǎn)生嚴(yán)格取決于半焦及焦炭 層的滲透性，半焦的滲透性取決于其孔的寬窄和裂隙的發(fā)展 程度，對(duì)于高揮發(fā)分煤，由于在7 0 0 。c 左右有高度的二次收縮， 產(chǎn)生高度的裂隙，從塑性層釋放的氣體逃離較容易，因此形 不成高壓；對(duì)于v d a f l 5 一2 5 的中低揮發(fā)分煤，半焦及焦 炭層的裂隙很少，且孔又窄，氣體逃脫困難，因此形成高的 膨脹壓力。 1 5 選題背景及意義 隨著高爐大型化的發(fā)展，焦化生產(chǎn)也必須緊隨其后，滿 足發(fā)展的需要，但目前在焦化領(lǐng)域仍存在一些問(wèn)題與不足， 如：焦炭中的灰、硫含量較高；焦炭在高爐中長(zhǎng)時(shí)間與c o ， 的反應(yīng)中及渣鐵的侵蝕下，不能保持足夠的強(qiáng)度。同時(shí)由于 優(yōu)質(zhì)煉焦煤短缺，煉焦對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，焦炭成本升高這已 成為全球性的問(wèn)題，所以大力開(kāi)發(fā)非煉焦煤的煉焦技術(shù)，合 理利用能源，降低成本，減少污染，己成為焦化工業(yè)發(fā)展的 1 9 必山之路。這小但能提高高爐生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，而對(duì)于改 善人類生存環(huán)境質(zhì)量都有著深遠(yuǎn)的意義。 本淪文以實(shí)驗(yàn)室理論研究為主，從煤的變質(zhì)程度、巖相 組成、粘結(jié)能力及焦炭的顯微組成與顯微強(qiáng)度多角度出發(fā)， 試圖了解由煤成焦這一復(fù)雜過(guò)程中所發(fā)生的變化，并探討煤 粘結(jié)成焦機(jī)理，通過(guò)理論研究和實(shí)驗(yàn)室技術(shù)條件的探索，對(duì) 提高焦炭強(qiáng)度，充分利用煤炭資源，開(kāi)發(fā)煤巖配煤新技術(shù)， 發(fā)展我國(guó)的煉焦工業(yè)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 第二章煤炭化過(guò)程及成焦特性的研究 實(shí)驗(yàn)部分 本實(shí)驗(yàn)分析測(cè)定了從高揮發(fā)分煙煤到無(wú)煙煤的不同煤階 的1 6 種煤的基本特性，同時(shí)觀察和測(cè)定了不同煤階煤所煉得 焦炭的顯微結(jié)構(gòu)和顯微強(qiáng)度，以便于運(yùn)用多種分析數(shù)據(jù)來(lái)推 測(cè)成焦機(jī)理及結(jié)焦過(guò)程中所發(fā)生的化學(xué)變化。 2 1 煤巖顯微組分的測(cè)定【4 1 1 2 1 1 材料與設(shè)備 2 1 1 1 材料 蟲(chóng)膠漆 氧化鉻：粒度 3 r a m 金剛砂：1 2 0 1 8 0 號(hào) 白泥漿：1 2 0 0 號(hào) 2 1 1 2 設(shè)備 反射偏光顯微系統(tǒng)： 西德產(chǎn)l e it zm p v 一3 顯微光度系統(tǒng) 轉(zhuǎn)盤(pán)磨片機(jī)：轉(zhuǎn)速5 0 0 一1 0 0 0 r m i l 3 拋光機(jī) 金相鑲嵌機(jī) 放大鏡 坐型! ! 、望型型坐! 表2 - 1 實(shí)驗(yàn)用煤及工、j k 分析數(shù)據(jù)表 v d a fm a da a df c d a f 泉煤 78 8l l372 49 2 1 2 3 、1 1 0 晉城煤 3 9 69 5 12 8 8 7 曉莊煤 1 1 0 34 4 294 68 89 7 a 11 40 40 3 594 38 59 61 8 2 8 a 21 4l702 81 10 78 58 3 18 7 4 a 51 7 3 80 5 879 58 2 6 21 8 5 0 b 32 05 50 3 21 0 9 47 9 4 5 b 22 0 8 00 2 41 0 9 97 9 2 01 4 6 2 b 12 48 903 41 1 1 l7 5 1 1 12 3 1 d 12 7 4 92 8 56 0 27 25 108 6 3 d 23 0 0 041 340 7 7 0 0 008 2 2 c 13 4 2 50 5 193 96 57 5 c 43 4 4 00 3 59 9 26 5 6 008 9 9 c 33 6 0 40 3 577 66 3 9 6 y 23 8 9 41 9 21 3 5 66 10 6 07 2 8 泉 晉城 曉莊 介休 介休 介休 介休 介休 介休 大同 大同 介休 介休 介休 兗州 y 14 3 9 8 i 0 25 6 25 60 20 6 5 9 兗州 2 1 2 方法與步驟 2 1 2 1 制片 取粒度在1 0 m m 左右煤樣3 4 9 ，按1 ：l 比例與蟲(chóng)膠漆 混合均勻，放入金相鑲嵌機(jī)中熱壓成型，壓好的煤塊依次先 在轉(zhuǎn)盤(pán)粗磨機(jī)上進(jìn)行粗磨，然后在玻璃板上用不同型號(hào)由粗 到細(xì)的磨料進(jìn)行細(xì)磨，最后在拋光機(jī)上拋光。在制片的整個(gè) 過(guò)程f 1 ，每一道工序完成之后，都要將光片充分洗凈，以免 將磨謄4 帶入f 一道工序，產(chǎn)7 劃道。 2 1 2 2 光片在顯微鏡f 的定量觀察 將磨好的光片用橡皮泥在壓平器下水平壓在載玻片上， 然后在光片表面滴一滴浸油放在西德產(chǎn)l e 】t zm p v 一3 顯微光 度系統(tǒng)的載物盤(pán)上，( 采用蘭波濾光，插入石膏試板) 調(diào)出清 晰圖象，以十字叉絲為分界將視閾分為四個(gè)象限，以一二三 四象限的順序，靠近十字叉絲的連貫組分作為該點(diǎn)的組分， 手動(dòng)按下計(jì)數(shù)器的相應(yīng)按鍵。以行間距0 1 m m ，列間距0 3 m m 移動(dòng)載物盤(pán)，依次數(shù)點(diǎn)布滿整個(gè)光片區(qū)域，點(diǎn)數(shù)要在6 0 0 點(diǎn) 以上。參照中國(guó)煤田地質(zhì)學(xué)分類標(biāo)準(zhǔn)，將煤巖組分劃分 為鏡質(zhì)組，絲質(zhì)組，半絲質(zhì)組，穩(wěn)定組和礦物質(zhì)。 2 2 奧亞膨脹度的測(cè)定 2 2 j 制備煤筆及測(cè)試記錄設(shè)備 成型模及其附件 脫模壓力器及其附件 量規(guī) 成型打擊器 切樣器 膨脹管及膨脹桿 加熱電爐 程序控溫記錄儀：控制升溫速度為3 。c m i n 記錄轉(zhuǎn)筒：周邊速度為l m m m i n 2 2 2 實(shí)驗(yàn)步驟與方法 2 2 2 1 試樣的制備與貯存 先將煤樣破碎到1 5 m m ，稱取l o g 在研缽中研磨至剛好通 過(guò)0 16 m m 的篩子，控制粒度組成應(yīng)符合： o 2 m m 為1 0 0 ： o 1