新疆煤热解过程的结构变化及改质研究

发布时间：2020-04-24 18:03

【摘要】：随着高炉喷吹煤粉技术的强化和普及,焦炭的供热、还原剂和渗碳作用可不同程度地被喷吹煤粉所替代,但支撑骨架作用却愈加重要。因此,如何提高焦炭的强度,成为当今炼铁工作亟待解决的难题之一。我国新疆地区煤炭资源储量大,炼焦煤煤种齐全,但由于成煤期集中在早、中侏罗纪时期,比内地晚约1亿年,属于短期快速形成的煤,新疆炼焦煤煤质与内地炼焦煤有显著不同,新疆炼焦煤炼制的焦炭普遍表现出焦炭质量差,反应性(CRI)高、反应后强度(CSR)低的特点。本课题首先对新疆单种炼焦煤煤质和炼制的焦炭进行分析,结合新疆煤质特性,利用课题组自主研发的添加剂进行基础改质试验,成功地提高了焦炭的热态强度。根据改质结果对新疆煤及加入添加剂后热解过程的化学变化进行实验分析,以期深入了解添加剂的改质机理,并对焦炭冷态强度进行预测。结论如下:①对新疆炼焦煤进行煤质分析、镜质组随机反射率测定、元素分析(EA)和傅里叶变换红外光谱分析(FTIR),发现同种牌号的新疆炼焦煤煤化度较内地煤低,属于较短时间内快速变质而形成的炼焦煤,含氧官能团含量较多,主要以羟基形式存在,羧基几乎没有。说明新疆炼焦煤分子结构中芳香核的缩合程度低,煤分子结构中脂肪侧链较多。②新疆煤改质作用最明显的是低变质程度的气煤,对气煤进行热重分析(TG),发现添加剂可以减缓煤在450℃低温段的热解速率,促进煤在750°C高温段的缩聚程度。根据热重分析结果,控制不同的终温对新疆煤进行热解,得到不同终温下的热解产物,对不同终温下的热解产物进行元素分析、傅里叶变换红外光谱分析和高分辨率透射电镜分析(HRTEM)。通过获取HRTEM中的晶格条纹长度分布信息,可以得出煤热解过程中煤的化学结构变化规律,450°C加剂样的热解产物在450℃低温段的芳香环缩聚程度降低,即减缓了煤在低温段的热解。750°C加剂样的热解产物在750°C高温段的芳香环缩聚程度增加,即添加剂促进了煤在高温段的缩聚,其研究结论与热重分析结论一致。同时可以统计得出新疆气煤及不同热解温度段下的热解产物的分子式和平均分子量。气煤的平均分子式为C31.99H24.05N0.48S0.0805.12,则再根据元素的相对分子质量,其平均分子量为499.13。450℃和750 °C空白样的平均分子式则分别为C48.72H29.17N0.70S0.12O6.22和C47.95H11.67N0.73S0.10O4.06,平均分子量则分别为726.97和665.45。煤的分子式及官能团结构和含量,将作为后续分子结构模拟实验研究的基础。③在高分辨率透射电镜实验中,发现了煤中含有特殊的球状结构,该特殊结构可合理推测为富勒烯。其特殊结构的存在也可能是导致新疆煤性质特殊的原因之一。④根据焦炭冷态强度的影响因素,对新疆煤改质炼焦后的焦炭冷态强度建立预测模型,最终的预测模型为:M25 = 94.936-0.381Vdaf+0.176G-0.367Y M10 = 18.817-0.285Vdaf-0.110G + 0.368Y
【图文】：

热解过程,烟煤

重庆大学硕士学位论文色逐渐变淡，变蓝。随着热解温度的进一步升高，约在 750～1000℃，继续有少气体（H2）放出，芳香碳网不断增大、排列致密、密度增加，半焦强烈收缩变焦炭。此过程由于大量煤气析出使挥发分降低，形成气孔，同时由于焦炭本身度的增加，焦炭体积收缩，导致产生裂纹。焦炭的块度和强度与收缩程度有关，缩越剧烈，强度越差，块度越小。煤的热解过程是一个连续分段的过程，烟煤的热解过程比较典型，三个阶段区分明显，如图 1.1 所示。低煤化度煤（如褐煤）热解过程与烟煤大致相同，但解过程中不能形成胶质体，仅分解产生气体和部分焦油，得到粉状的固体残留。高煤化度煤（如无烟煤）热解过程则更简单，在加热升温过程中，既无胶质的形成，也无焦油产生，仅有少量热解气体放出，因此无烟煤不宜采用干馏加。

铁罐,焦炭,反应性,捣固

2 煤粉改质基础试验熄焦结束后，铁罐与焦炭一同倒至晾焦台，，人工取出铁罐，冷却后对焦炭进行预破碎，然后再放入转鼓中检测冷态强度（抗碎强度 M40、M25 和耐磨强度M10），检测方法根据 GB/T 2006-2008 测定。冷态强度检测完后，将焦炭砸制成23~25mm 粒径的球状样约 400g，在 180℃烘箱中烘干 2h，然后进行焦炭反应性和反应后强度检测。制样过程的工具和试样见图 2.4，反应性装置示意图见图 2.5:
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ530.2

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