（化学工艺专业论文）动态配煤下焦炭质量预测模型的研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 焦炭质量预测模型的开发是近年来焦化行业研究的热点课题之一，焦炭的质量预测 从广义上讲，包括焦炭的灰分、硫分等化学性质指标、冷态强度指标以及热态性质指标。 许多焦炭质量预测模型已建立，其中大部分是基于煤质特征的，并仅限于同一地理煤， 但目前还并不存在普遍适用的预测公式。 当前对焦炭质量进行预测仅沿用过去传统的煤质指标结合配煤炼焦生产经验指导 配煤，已不能满足高炉生产对焦炭质量的要求，为寻求更为快速、准确、科学的预测焦 炭质量和方法，本文结合近年来国内外多种焦炭质量预测的方法和研究内容，建立了线 性回归模型来预测焦炭质量。 通过炼焦实验，分析结果表明：煤中灰分与其焦炭灰分成线性关系，煤中灰分、挥 发分、粘结指数与焦炭强度也呈线性关系，焦炭热性质与挥发分、粘结指数也呈线性关 系，说明用线性回归的方法来预测焦炭质量是可行的。对实验及生产数据进行一系列的 多元回归分析，从而得出了一套适合生产使用的焦炭质量预测模型。 关键词：配煤方案；冷态强度；焦炭热性质；预测模型 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fc o k eq u a l i t yp r e d i c t i o nm o d e li so n eo ft h eh o tt o p i c si ne o k i n g i n d u s t r yi nr e c e n ty e a r s ，t h ec o k eq u a l i t yp r e d i c t i o nb r o a d l ys p e a k i n g , i n c l u d i n gt h ec o k ea s h , s u l f u rg r a d ec h e m i c a ln a t u r eo fi n d i c a t o r s ，c o l ds t r e n g t ha n dt h e r m a lp r o p e r t i e si n d i c a t o r s m a n ym o d e l so fc o k eq u a l i t yp r e d i c t i o nh a v e b e e np r o p o s e d ，m o s to fw h i c h a r eb a s e do nc o a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dl i m i t e dt ot h es a m ec o a lg e o g r a p h i co r i g i n ，b u ta sy e tt h e r ei s n o u n i v e r s a l l ya p p l i c a b l ep r e d i c t i o nf o r m u l a a tp r e s e n tu s i n gt h et r a d i t i o n a lm e t h o dc o m b i n i n gc o k i n ge x p e r i e n c e sc a n ts a t i s f yt h e d e m a n do fb l a s tf u r n a c e i no r d e rt os e e kaf a s ta n ds c i e n t i f i ca p p r o a c ht oc o k eq u a l i t y p r e d i c t i o n ，t h ep a p e rb a s e do nr e c e n ty e a r sav a r i e t yo fc o k eq u a l i t yp r e d i c t i o nm e t h o d sa n d r e s e a r c h e sa th o m ea n da b r o a d ，e s t a b l i s hal i n e a rr e g r e s s i o nm o d e lt op r e d i c tt h eq u a l i t yo f c o k e t h er e s u l t ss h o wt h a t ：c o a la s ha n dc o k ea s hi sal i n e a rr e l a t i o n s h i p c o a la s h ，v o l a t i l e ， b o n di n d e xa n dt h ei n t e n s i t yo fc o k es h o w e dal i n e a rr e l a t i o n s h i pt o o c o a la s ha n dt h e v o l a t i l en a t u r eo ft h e r m a l b o n di n d e xa l s os h o w e dal i n e a rr e l a t i o n s h i p i tp o i n t so u tt h a t u s i n gl i n e a rr e g r e s s i o nm o d e lt op r e d i c tt h ec o k eq u a l i t yi sf e a s i b l e u s i n ga s e r i e so fm u l t i p l e r e g r e s s i o na n a l y s i sd e a l w i t ht h ed a t a , t h e nw eg e ta l lc o k eq u a l i t yp r e d i c t i o no ft h e m a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c ha p p r o p r i a t et op r o d u c t k e yw o r d s ： b l e n dc o a lp r o j e c t ； m e c h a n i c a ls t r e n g t h ； c o k et h e r m a lp e r f o r m a n c e ； p r e d i c t i v em o d e l 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：垄丛 日期：塑2 ：委：! 翌 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 磙域 指导教师签名：速堡丕 日 期：_ 毕止 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1文献综述 1 1 研究背景 近几十年来，随着高炉的大型化、富氧喷吹煤粉等技术的发展，高炉生产对焦炭质 量的要求愈来愈高，稳定和改善焦炭质量已成为焦化行业所面临的主要课题之一【1 1 。但 用配煤炼焦实验来指导配煤存在工作量大、试验周期长等特点，生产上需要寻求更为快 速、准确、科学的预测焦炭质量的方法。宝钢配煤工作主要依靠炼焦试验和生产经验为 主，缺乏精确的焦炭强度模型进行预测，然而根据煤质数据预测焦炭质量，在世界范围 已经引起重视【2 1 。日本新日铁采用煤的最大流动度和煤灰碱度指数a i 来预测c s r 和c r i 美国内陆钢铁公司应用新日铁方法进行焦炭预测时，由于原料煤胶质体流动度过高，且 灰成分中含碱过多导致新日铁模型不适用，于是采用煤的硫分和煤的塑性温度范围以及 煤灰碱度指数来预测焦炭强度，并认为仅根据煤岩特征并不能精确预测焦炭的热性质。 日本钢管公司则考虑了炼焦工艺条件对焦炭质量的影响，增加了火道温度这一工艺因素 对焦炭质量的影响。加拿大炭化研究所( c c r a ) 则采用膨胀度，配合煤挥发分和碱度 指数来预测焦炭热性质；英国钢铁公司还采用煤的反射率和铁、钙、硅含量来预测。我 国酒钢采用以煤的挥发分或反射率和惰性成分含量预测【3 1 。可见，由于配煤实践和工艺 条件不同，已有的预测方法和模型有各自的适用范围，且需在大生产实践中不断修正。 目前可供预测焦炭质量的不同模型应考虑到配煤的种类。 1 2 配煤炼焦技术 1 2 1 配煤炼焦的意义 配煤炼焦就是将几种不同类别的炼焦用煤按一定比例配合作为加入炼焦炉炼焦的 原料【4 5 】。配煤炼焦在合理利用炼焦煤资源、保证炼焦生产的顺利进行和提高焦炭质量等 方面有重要的意义。 ( 1 ) 中国炼焦用煤产量较多，约占全国原煤总产量的4 0 以上，煤种也较全，但 中国煤炭储量中，炼焦用煤只占2 7 。在炼焦用煤资源中高挥发分、黏结性中等的1 3 焦煤和气煤约占4 5 ，中等挥发分、黏结性较好的烟煤如焦煤、肥煤约占2 1 和1 5 ， 低挥发分的瘦煤和贫瘦煤也占2 0 左右【6 】。由此资源特点可以看出，在炼焦用煤中，黏 结性好的焦煤和肥煤资源比例比较小，必须采用配煤的方法和多用气煤和l 3 焦煤的技 术，扩大炼焦用煤资源，配煤炼焦的主要意义就在于此。 ( 2 ) 在炼焦技术上，大多数炼焦用煤单独炼焦都不能炼出符合高炉对焦炭强度的 质量要求的焦炭，而黏结性较好的主焦煤即使能用其单煤练出强度合格的焦炭，但由于 在炼焦过程中要产生较强的膨胀压力，而影响焦炉的寿命或造成推焦困难的问题，而肥 煤虽有较好的黏结性，但单独炼焦时，炼成的焦炭易形成部分蜂窝焦而影响焦炭强度【7 】， 因此在炼焦生产上都不采用单种煤炼焦，而是将几种类别的炼焦用煤配合使用，发挥各 类煤在炼焦时的特点，扬长避短，优势互补，从而以经济合理的配煤方案练出质量符合 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 要求的焦炭。 ( 3 ) 中国炼焦用煤中的焦煤、肥煤虽然黏结性好，但这两类煤在中国一般都是较 难洗选的煤，洗精煤的灰高、硫高，使其用量受到一定限制，而中国所产的气煤和弱黏 结性煤在炼焦中虽然黏结性差，但他们易选，灰低、硫低，其资源又较丰富，储量大、 产量高、煤价相对较低，因而在配煤炼焦中，在一定比例的焦煤和肥煤基础上配入适量 的气煤和弱黏结煤，因其挥发分高、收缩度大、便于推焦，且煤气焦化产品回收也多， 有利于焦化产品的回收利用，又能使焦炭质量符合炼铁高炉的技术要求【8 】。 因此，现代化炼焦厂一般都根据资源特点采用配煤炼焦，使炼焦用煤资源得到合理 利用，同时也改善了焦炭的质量，还可优化生产、降低成本，从而使配煤炼焦成为炼焦 工业必然采用的基本措施。 1 2 2 配煤炼焦原理 多年来，炼焦配煤理论发展较快，形成了多种配煤原理或配煤技术。为焦炭质量预 测奠定了较好的基础，并围绕这些配煤理论形成了一系列的焦炭质量预测方法。主要的 配煤原理包括以下几点： 1 2 2 1 胶质层重叠原理 配煤炼焦时除了按加和方法根据单种煤的灰分、硫分控制配合煤的灰分、硫分以外， 要求配合煤中各单种煤的胶质体的软化区间和温度间隔能较好地搭接，这样可使配合煤 在炼焦过程中，能在较大的温度范围内煤料处于塑性状态，从而改善粘结过程，并保证 焦炭的结构均匀。不同牌号炼焦煤的塑性温度区间见表1 1 所示e 9 , 1 0 ，各种煤的塑性温 度区间不同，其中肥煤的开始软化温度较早，塑性温度区间最宽，瘦煤固化温度最晚，塑 性温度区间最窄，气煤、i 3 焦煤、肥煤、瘦煤适当配合可扩大配合煤的塑性温度范围。 这种以多种煤相互搭配、胶质层彼此重叠的配煤原理，曾长期指导我国的配煤技术。 表1 1 不同煤化度煤的塑性温度范围 煤种 塑性温度范围。c 气煤 肥煤 i 3 焦煤 气肥煤 焦煤 瘦煤 周师庸教授曾提出以两种煤炼焦的界面结合指数来评价其界面结合的好坏，并认为 各种煤的胶质体之间实际上均有一定的重叠，只不过不同类型单种煤之间的结合情况差 异很大。同样他认为配煤中一定要求有一定量的基础炼焦煤，既能够包容低挥发份的弱 黏煤，也能够包容高挥发分的弱黏煤【i f , 1 2 】。 0 0 o o 0 0 2 5 3 o 3 8 9 9 3 l 7 2 2 2 3 3 3 4 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 1 2 2 2 互换性配煤原理 根据煤岩学原理，煤的有机质可分为活性组分和非活性组分( 惰性组分) 两大类。 日本城博提出用粘结组分和纤维质组分来指导配煤，按照他的观点，评价炼焦配煤的指 标，一是粘结组分( 相当于活性组分) 的数量，这标志煤粘结能力的大小；另一是纤维 质组分( 相当于非活性组分) 的强度，它决定焦炭的强度煤的吡啶抽出物为粘结组分， 残留部分为纤维质组分，将纤维质组分与一定量的沥青混合成型后干馏，所得焦块的最 高耐压强度表示纤维质组分强度【1 3 , 1 4 】。要制得强度好的焦炭，配合煤的粘结组分和纤维 质组分应有适宜的比例，而且纤维质组分应有足够的强度。当配合煤达不到相应要求时， 可以用添加粘结剂或瘦化剂的办法加以调整，据此提出了互换性配煤原理图，由图1 1 【1 5 】 可形象地看出： 添加物( 焦粉等) 牯 添加物 焦粉等 图1 1 互换性配煤原理 ( 1 ) 获得高强度焦炭的配合煤要求是：提高纤维质组分的强度( 用线条的密度表示) ， 并保持合适的粘结组分( 用黑色的区域表示) 和纤维质比例范围。 ( 2 ) 粘结组分多的弱粘结煤，由于纤维质组分的强度低，要得到强度高的焦炭，需 要添加瘦化组分或焦粉之类的补强材料。 ( 3 ) 一般的弱粘结煤，不仅粘结组分少，且纤维质组分的强+ 度低，需要同时增 加粘结组分或添加粘结剂和瘦化组分或焦粉之类的补强材料，才能得到强度好的焦炭。 ( 4 ) 高挥发的非粘结煤，由于粘结组分更少，纤维质组分强度低，应在添加粘结 剂和补强材料的同时，对煤料加压成型，才能得到强度好的焦炭。 ( 5 ) 无烟煤只有强度较高的纤维质组分，需添加粘结剂，才能得到足够强度的焦 炭。 1 2 2 3 共炭化原理 炼焦煤和非炼焦煤如沥青类有机物共炭化时，如能得到结合较好的焦炭，称为不同 煤料的共炭化【1 6 ，1 7 1 。共炭化产物与单独炭化相比，焦炭的光学性质有很大差异，合适的 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 配合煤料( 包括添加物的存在) 在炭化时，由于塑性系统具有足够的流动性，使中间相 有适宜的生长条件，或在各种煤料之间的界面上，或使整体煤料炭化后形成新的连续的 光学各向异性焦炭组织，它不同与各单种煤单独炭化时的焦炭光学组织。对不同性质的 煤与各种沥青类物质进行的共炭化研究表明，沥青不仅作为粘结剂有助于煤的粘结性， 而且可使煤的炭化性能发生变化，发展了碳化物的光学各向异性程度，这种作用称为改 质作用，这类沥青黏结剂又被称为改质剂。 共炭化过程传氢对煤的改质有重要影响，沥青在共炭化时起着氢的传递介质作用， 为描述氢的转移情况，可定量地用沥青与煤的供氢能力及受氢能力来描述。沥青的供氢 能力远高于煤，为煤的3 5 倍【l 引，气煤的受氢能力远高于其供氢能力，而沥青的受氢能 力可忽略不计。因此煤与沥青共炭化时，沥青对煤有传氢作用，两者的受氢能力差别愈 大，沥青对煤的改质活性愈强；此外煤的受氢能力愈大，共炭化时沥青对煤的改质活性 也愈强。随着焦炭光学结构的研究，把共炭化的概念用于煤与沥青类有机物的炭化过程， 以考察沥青类有机质与煤配合后炼焦对改善焦炭质量的效果。共炭化产物与单独炭化相 比，焦炭的光学性质有很大的差异，合适的配合煤料( 包括添加物存在) 在共炭化时， 由于塑性系统具有足够的流动性，使中间相有适宜的生长条件，或在各种煤料之间的界 面上，或使整体煤料炭化后形成新的连续的光学各向异性焦炭组织，它不同于各单个煤 单独炭化时的焦炭光学组织。 1 2 2 4 炼焦配煤专家系统 配煤专家系统是在计算机和信息技术基础上发展起来的配煤概念，综合利用了煤数 据库、焦炭质量预测方法、炼焦专家经验以及过程控制原理，以实现生产成本最小、优 质炼焦煤用量最小或弱黏结煤用量最大为优化目标，对完善炼焦煤资源规划具有极大的 推动作用【1 9 ，2 0 1 。专家系统用于配煤原理是：根据炼焦配煤生产过程和煤质历史数据的水 平，在给定的决策水平、工艺控制水平和生产操作水平条件下，由专家控制器、执行控 制器实现专家配煤过程。其中，专家控制器是基于神经网络的知识推理，由计算机根据 设定的焦炭质量和知识库中的焦炭质量预测模型和规模规则以及专家经验计算出个单 种煤的配合比例。专家控制器给出每一种配合煤的流量信号，由执行控制器给出准确地 控制运行皮带的速率和下煤量。 该专家系统包括数据库系统、焦炭质量控制模型系统和配煤控制系统。与数据库配 套的数据库管理系统，采用a c c e s s 开发，在w i n d o w s 下运行，可以进行数据库管理、 统计表格管理以及反射率分布图管理等多种功斛2 。焦炭质量控制模型包括：标准单 种煤性质与归属：配合煤与单种煤的关系；焦炭质量预测等。 1 2 3 配煤工艺提高焦炭质量的方法 配合煤是把不同变质程度的炼焦煤按适当比例配合起来利用各种煤在性质上的优 势互补，从而使配合煤的质量优于单种煤的质量，以生产符合质量要求的焦炭，这对合 理利用煤资源、节约优质炼焦煤、扩大炼焦煤资源具有重要意义。因此，研究各单种煤 的特性和它们在配合煤中的相容性以及在焦炉中的成焦特性，是配煤技术的关键。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 1 2 3 1 提高煤料的堆密度 因为堆密度提高，煤粒间的间隙减小，在炼焦过程中胶质体易于填满空隙，气体不 易析出，胶质体的膨胀性和流动性都增加，使煤粒间的接触更加紧密，形成结构坚实的 焦炭。另外，堆密度高，炼焦过程中半焦收缩小，因而焦炭裂纹少，提高了焦炭的强度 【2 2 ，2 3 1 。煤捣固工艺、配型煤工艺、煤干燥工艺和煤预热工艺等方法，都可以使煤的堆密 度增加。 煤料的堆密度随着煤料水分含量的变化而变化，这已被许多的研究结果所证实，而 且各种研究几乎都得到类似的结论，改变装炉煤水分，煤料堆密度发生如图所示的变化， 水分为7 1 0 时，煤料的堆密度最小，水分在此值的基础上逐渐增加或减少时，堆 密度逐渐增大；但水分减少时堆密度增加较快【2 4 】。 值得注意的是，虽然煤料水分大，具有使堆密度增大的优点，但水分太大的煤料炼 焦时，除对炉墙起到激冷的热冲击外，对焦炭质量带来不良的影响，尤其对焦炭的耐磨 指标m l o 影响更甚。m l o 值随着水分的增加而增加，不过，影响的程度视煤料的黏结性 不同而有所不同。当水分不变、堆密度增大时，m l o 和m 4 0 值减小；当煤料的堆密度不 变化时，干煤炼焦所得的焦炭的m l o 和m 4 0 值均比湿煤炼焦时好。由此可见，煤料水分 变化时，一方面，煤料堆密度变化，影响焦炭质量；另一方面使加热速度变化影响焦炭 质量。因此，在水分变化时，弱黏结性煤和对加热速度特别敏感的材料，其m l o 值变化 比较突出，而优质焦煤的m l o 值的变化却不太明显。 1 2 3 2 煤料粒度组成 在实际的炼焦配煤中，煤的颗粒组成与煤料堆密度之间的关系是很复杂的。备煤工 艺不同或粉碎机的负荷改变，以及配煤煤种的变化会改变煤粒的粒度组成。许多研究工 作已经证明，煤料的粒度组成与堆密度关系密切，而且往往是煤料的粒度和水分都对堆 密度产生影响。由此可见，煤的粒度越大，堆密度越大；粒度越小，堆密度越小。在炼 焦配煤规定的水分范围内，煤粉碎得越细，堆密度则越小【2 5 1 。其主要原因是煤的颗粒小 时，单位容积内煤的总粒数多，总的比表面积大，因而堆密度变小；而颗粒较大时，单 位容积内煤的粒数少，总比表面积少，所以堆密度变大。但是，干燥煤( 水分小于4 ) 或预热煤的堆密度与筛分组成的关系与湿煤不同。例如，在很大的粒度组成的范围内， 同一粒度的煤粒，干燥煤或预热煤比湿煤的堆密度高，而且曲线变化的趋向也有所不同。 适当增加煤料的细度和煤料过细粉碎对焦炭强度的影响是不同的，适当增加煤料细 度有利于提高焦炭强度。因为煤料中的惰性组分细碎，在一定程度上消除了由于煤料的 不均匀性( 惰性组分大颗粒可形成裂纹中心) 所引起的不均衡收缩，使煤中惰性组分的 比表面积增加，使成焦过程中邻层间的黏结力降低，收缩应力减小，煤料的散密度提高， 邻层间的温度梯度减小，使收缩梯度降低。这些都导致焦炭裂纹降低，提高了焦炭的强 度。煤料过细粉碎反而降低了焦炭强度。因为煤中活性组分粒度过细，胶质体的流动性 降低，黏结性下降，煤料过细使散密度下降，煤粒间接触情况变坏，煤料过细使惰性组 分表面积增大，对胶质体液相的吸附量相对增加。而煤料液体量不因细度变化而改变， 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 故使煤料的黏结性降低。这些都导致焦炭强度降低。 1 2 3 3 配添加物 在装炉煤中配入适量的黏结剂和抗裂剂等非煤添加物，可改善其结焦性。配黏结剂 工艺适用于高流动度的高挥发分煤料，可增大焦炭块度、提高焦炭机械强度、改善焦炭 气孔结构。这两种工艺也可同时并用，相辅相成【2 6 】。例如在炼制优质铸造焦时，必须配 入足够数量的低灰、低硫石油焦等抗裂剂，同时配入数量匹配的黏结剂，才能铸造焦达 到块度大、强度高、灰分低、硫分低、气孔率低和反应性低等全优指标。 常用的配煤黏结剂有煤焦油黏结剂、煤焦油沥青黏结剂、石油沥青黏结剂和煤石油 沥青混合黏结剂等。 1 2 3 4 配煤抗裂剂 常用的配煤抗裂剂有粉状焦炭( 焦粉) 、粉状半焦( 半焦粉) 和粉状延迟焦。各种 抗裂剂的共性是挥发分比炼焦煤低得多，但不同抗裂剂有不同的特性。 1 2 3 5 配型煤 配型煤工艺是将一部分煤料在入炉前配入黏结剂压成型块，然后与散状煤料配合装 炉。配型煤工艺的优点有以下三个： ( 1 ) 配型煤粒间的间隙小，有助于改善煤料的黏结性； ( 2 ) 配型煤可提高煤料的堆密度； ( 3 ) 可以多配用弱黏结性或非黏结性的高惰性组分煤。 1 2 3 6 煤调湿 装炉煤调湿工艺是将装炉煤预先干燥，使水分控制在5 “，并保持稳定后再装 炉。可以在一定程度上改善焦炭质量，并稳定焦炉操作，降低炼焦耗热量。 1 3 焦炭质量预测模型 焦炭在高炉中起四个作用：提供热源、还原剂、渗碳和料柱骨架作用。利用煤和配 合煤的各种实验室测定的性质指标预测焦炭质量，可以用次数较少的配煤实验，确定经 济合理的配煤比。随着煤质指检测标的自动化，以及计算机技术的应用，使焦炭预测技 术直接用于配煤作业的日常管理，因此焦炭质量预测技术得到世界各国普遍重视。在炼 焦行业使用模型帮助预测焦炭质量是很普遍的做法。焦炭质量预测从广义上讲，包括焦 炭的灰分、硫分等化学性质指标，冷态强度指标以及热态性质指标。 为了科学的提高焦炭质量，确定煤的性能参数也是很重要的，因为参数能够控制焦 炭的质量，进而确定一个煤种选择的预测方法，以取得高的质量和低的成本。 1 3 1 焦炭灰分与硫分预测 焦炭的灰分、硫分与配合煤的灰分、硫分有直接的关系，在生产状况稳定的条件下， 两者存在较好的线形关系。因此，如表1 2 所示【2 7 1 ，不同的企业依据炼焦生产历史数据， 建立了焦炭灰分、硫分预测模型。预测模型中考虑焦炭的成焦率k 、配合煤干基挥发分 v d 、焦炭的干基挥发分v d 等。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 表1 2 焦炭灰分( a d ) 和硫分( s l d ) 预测模型 1 3 2 焦炭冷态强度预测 焦炭冷态强度( m 4 0 、m l o ) 预测所采用的指标一般为煤化度指标和黏结性指标。预 测方法的的总趋势是从宏观参数向包括煤岩指标在内的微观参数发展，从仅以煤质参数 预测向包括工艺参数在内的预测指标发展。预测方法基本可以分为三类：第一类以煤的 工艺指标为参数，如乩f 与c i 、m f 、g 、y 的组合；第二类是以煤岩指标为参数；第 三类在考虑配合煤指标的同时，也考虑炼焦煤准备和炼焦工艺条件。表1 3 所示是国内 外焦炭预测方法的概况【2 引。 表1 3国内外焦炭质量预测方法概况 1 3 2 1 挥发分一黏结性参数预测法 ( 1 ) v d a f c i 法 该法的黏结性参数采用黏结力指数c i ( c a k i n gi n d e x ) ，是以l g 空气干燥粉煤样与 9 9 无水焦粉混合后，在9 5 0 - j ：2 0 。c 下炭化7 m i n 后，以炭化产物中大于2 9 7 的筛上物占原 料( 1 0 9 ) 的百分率作为c i 值【2 9 1 。以v d a f 和c i 两个参数作图这种方法对于预测配入大量 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 弱黏结性煤的配合煤所得焦炭的质量比较灵敏。 ( 2 ) v d a f - - m f 法 日本的本屋醇等提出以v d a f 代表煤化度指标，以m f 代表粘结性指标，在v d a f m f 配煤图中将烟煤分为九类，位于对角线两侧区域的煤相互配合后，若两个指标 落入图中斜线区域，则可炼出强度高的焦炭，如图1 2 所示。该最佳区域为v d a f = 3 2 3 7 ，m f = 1 5 0 0 7 0 0 0 d d p m 。日本的佐田等人曾在炭化室高度为5 5 m 、平均宽度 4 5 0 r a m 的焦炉上对3 0 多种不同煤样进行了实验，实验结果表明，当流动度对数值g p 4 0 时，则焦炭强度主 要取决于挥发分【2 5 1 。并将数据进行回归分析，得出如下回归方程： l g m f 4 0 ，d i = 3 6 5 1 l g m f + 6 7 8 ( r = 0 8 7 ) ( 1 1 ) l g m f 4 0 ，d i = 一o 8 + 1 0 7 4 ( ，= 0 7 3 9 ) ( 1 - - 2 ) v 二 一 1 一 a ，、 ，、， 翳 ，卜。 i - t 一 i i 杉勿： x 目 v m ，_ d j ，j 鼎一 i r i 拜茬分( 十五助 图1 2v d 。棚配煤图 ( 3 ) v d a f g 法 北京煤炭科学研究院在中国烟煤分类方案研究的基础上，提出了用粘结指数g 作为 粘结性指标，并得出了v d a 广毛配煤图，如图1 3 【3 0 1 所示。图中标出了最佳配煤区：v 幽f - - - - 2 8 3 2 ，g = 5 8 7 2 。以v d a r 乇预测焦炭强度( m 4 0 、m t o ) 的等强曲线如图1 4 所 示。由图表明，当v 幽f a 时) 、瓯= 1 ( b = a 时) 、0 g b l ( b a 时) 以及曲线仅收缩时g b = o 四种情况。对于大 量不同g b 因子的单种煤或配合煤，其g b 因子通常为1 0 5 1 1 0 ，高于此值的煤，粘结能 力过多，也即活性组分过多；低于此值则粘结能力不足，即惰性组分过多。 在最佳g b 因子条件下，焦炭强度随挥发分变化的关系如图1 6 所示。曲线表明，在 最佳g b 因子和v d a f = 2 4 - 一2 6 时，可获得强度最好的焦炭。 在大量的实验室和工业实验的基础上，s i m o n i s 提出了用v d a f 、g b 并考虑煤的粒度 组成和炼焦条件的预测方程。 t 、s ， mk d 口险誓竺= = 二二二j a 朋 图1 5g b 因子示意图图1 6 最佳g b 因子条件下煤的 a 一收缩度：b 一膨胀度；t l 一软化温度；t 广固化温度 挥发分与焦炭强度关系 ( 1 ) 煤的最佳粒度组成和偏离度m s 装炉煤的细度或粒度组成影响堆密度，并进 而影响焦炭质量。装炉煤的挥发分愈高，堆密度对焦炭质量的影响也愈大。装炉煤最佳 粒度分布时，达到最紧密的堆积，因而堆密度最大，煤的最佳粒度分布服从于罗申一勒 姆拉分布，不同的平均粒度有其相应的最佳粒度分布值，一般装炉煤的平均粒度为i m m ， 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 用罗申一勒姆拉粒度分布图得出平均粒度为l m m 的最佳粒度分布如表1 3 ，此时的偏 离度m s = o ，它与实际装炉煤的粒度比较，可计算也影响焦炭质量的偏离度m s 【3 2 】( 见 表1 3 实例) ，作为预测焦炭强度的粒度因素。 表1 3 装炉煤粒度分布偏离度的计算实例 ( 2 ) 炼焦条件在预测方程式中用k 表示炼焦条件的参数。 k = p v 一b ，g 化聊办) 式中p 装炉煤堆密度，v m 3 ( 或锄3 ) ； 孑一平均结焦速度，一v - - z b ，c m h ； f 一结焦时间，h ； b 一炭化室平均宽度，c m 。 s i m o f i s 由试验得出，随k 值增加，焦炭的m 4 0 有一个最大值， = 1 8 2 4 ( 硎h ) ，该值处于曲线的下降段。 ( 3 ) 预测方程与校正系数预测焦炭质量m 4 0 和m l o 的方程为： m 怕= d k + b + ms q m l o = m o + m l k + m 2 k m s + m k m ： 式中 a 一取决于v d a f 和g b 因子的k 值系数； b 一取决于乩f 的系数，相当于k = 0 时的m 4 0 ； 口一取决于v d a f 和g b 因子的粒度校正系数； ( 1 一1 1 ) 一般焦化厂的k ( 1 一1 2 ) ( 1 1 3 ) m o 、m t 、m 2 、m 3 一回归系数。 1 2 3 3 煤岩指标预测法 煤岩指标预测简称c b i - - s i 预测法，首先有前苏联阿莫索夫在1 9 5 7 年提出，后经 美国夏皮洛在1 9 6 1 年作了改进，日本的小岛鸿次郎于2 0 世纪6 0 年代后期进一步发展， 并于1 9 7 4 年在新日铁得到应用【3 3 1 。 1 2 3 4 煤岩参数和黏结性参数预测法 ( 1 ) 镜质组反射率一奥亚膨胀度预测法 ( 2 ) 镜质组反射率一惰性组分含量预测法 ( 3 ) 镜质组反射率一黏结性指数预测法 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 镜质组反射率一最大流动度预测法 ( 5 ) 镜质组反射率一惰性组分一容惰能力预测法 1 2 3 5 煤料性质和操作参数综合预测法 由于操作工艺因素多变，仅以煤料性质预测焦炭强度的方法，常因操作条件与提出 预测方程或图表时的工艺条件不同而影响预测技术的应用。因此，有人将工艺条件作为 焦炭强度预测的一个参数。 ( 1 ) v 血广- m f - 一d 法 日本美浦义明在用乩f m f 法预测焦炭强度的基础上加入了配合煤细度d ( 3 m m ，) 、水分w p 、火道温度t ( ) 、焖炉时间t o ( h ) 等因素，提出以下预测方 程： l g m f 4 0 时： 所p = 0 7 4 7l g m f - 0 4 2 4 v a i - 0 0 3 d - 0 0 1 w 尸- 0 0 1l ( t - 1 0 0 0 ) + 0 2 15 r o + 8 2 8 5 ( 1 1 4 ) 日本川崎钢铁公司水岛厂则通过理论分析结合实验数据提出了包括煤的反射率、活 性组分含量、基氏最大流动度等煤质指标和火道温度、炭化室尺寸等操作条件的预测焦 炭d i j 、5 0 的方程。该方程允许根据煤的结焦性质变化确定不同操作条件下的最佳配煤比。 ( 2 ) v d 。厂g d 法 山西煤焦集团采用多元回归分析方法，找出了配合煤干燥无灰基挥发分v d a f 、粘结 指数g 、细度d 和配合要厌分与焦炭强度之间的关系： m 4 0 = 6 3 1 9 4 5 + 1 2 4 0 9 v d a f - - 0 1 6 0 2 g + 0 0 0 4 6 4 2 d + 0 4 1 2 a d m i o = 2 7 4 4 6 8 - - 0 4 8 8 7 v d a f - - 0 0 4 5 4 5 g - - 0 0 1 5 2 5 d + 0 0 5 1 7 2 a d( 1 1 5 ) f 检验表明，上述模型在o 0 5 的置信水平上显著。 1 3 3 焦炭热态强度的预测 随着高炉的大型化和喷煤技术的发展，对高炉焦炭的要求不仅仅限于灰分、硫分和 冷态强度的要求，更重要的要求有良好的热态性质。焦炭的热态性质通常采用焦炭的反 应性指标( c r i ) 和反应后强度( c s r ) 来表示。焦炭热态性质与冷态性质一样，要受 煤料和生产条件的影响，由于它还受到势力和化学反应的作用，所以比冷态指标的预测 更为复杂。影响焦炭热态性质的因素一般考虑：煤化度指标、粘结性指标、惰性物含量 和灰分中矿物质组成等。因而，多数预测焦炭热性质模型也就考虑这些因素。 焦炭的狄成分对焦炭的碳溶反应有明显的影响，而不同煤种的灰成分又不尽相同， 为了充分地改善焦炭的反应性和反应后强度，就必须考虑灰成分的影响。要考虑灰成分 的影响就必须将灰成分的影响量化。因此，不少学者都提出了灰成分“催化指数”的概念。 并称之为：矿物质催化指数、灰催化指数、碱度指数、酸碱平衡指数等不一而足【3 4 ，3 5 1 。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 由于对各灰成分的催化作用顺序的认识不一，以及考虑的灰成分个数的不同，催化指数 的构成也不尽相同。在确定了催化指数的基础上，不少学者和钢铁公司都进行了将催化 指数与焦炭的热性质相关联，并给出了焦炭热性质的预测方法。下面仅就国内外有代表 性的简述如下。 1 3 3 1日本神户钢铁公司的方法 日本神户钢铁公司将焦炭的反应性和反应后强度归因于煤化度( r r 眦) 、粘结性( m f ) 和灰分催化指数。并定义灰分催化指数为【3 6 1 ： k 2 0 q - n a 2 0 + c a o + f e 2 0 3 a 1 2 0 3 + s i 0 2 】。 并将三者关联给出了焦炭反应后强度的预测方法： c s r = r s i - 1 0 r s i - 7 0 9 r 一+ 7 8 1 9 ( m f ) - 8 9 竺筹筹盟_ 3 2 ( 1 - 1 6 ) 该方法存在很大的局限性，当用于内陆钢铁公司进行焦炭反应强度预测时，预测值 远低于实测值，校正系数为o 7 4 ，标准差是1 0 7 5 ，因为r n m 和m f 是相互关联的，因 此这三个指标并没有正确表达出控制c s r 的全部因素。 1 3 3 2日本钢管( n k k ) 的方法 日本钢管将灰成分的催化指数称为碱度指数b a s h ，并定义为： 鼬= 黜，( 1 - - 1 7 )。肼a + 彳，a 7 并通过单种煤和配合煤的实验给出了焦炭反应后强度的预测方法【3 2 】： 对于单种煤： c s r = a l d l l 3 5 0 - - b i c r i + c l c r i = d lr m a 。呻ir l 眦+ f i e i - g l l g ( m f ) + h l b a s h + i l( 1 18 ) 对于配合煤： c r i = c r i 单种煤+ j l c v ( r n 嫩) + k l f t + i 2 c s r = a 2 d i1 3 5 0 - - b 2 c r i + 0 2 式中：a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 、i 、i 、卜均为常数； c r i 单种燃把配合煤作为单种煤看待时按单种煤预测模型得到的预测值； c v ( r 咖) = 配合煤中单种煤r m 强的标准差配合煤r m 觚； f t 一一火道温度，。 日本钢管用该预测方法指导炼焦用煤的选择和配合，达到了保持焦炭冷强度d i 不 变而c s r 可以按要求改变的目的。 1 3 3 3 加拿大炭化研究协会( c c r a ) 的方法 加拿大炭化研究协会将灰成分的催化指数称为碱度指数m b i ，并定义为： m b i = a a n a 2 0 + k 2 0 + c a o + m g o + f e 2 0 3 ( 1 - - 1 9 1 ( 1 0 0 一) ( 口d 2 + a 1 2 0 3 ) 7 并提出了焦炭反应性的预测模型： 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 c r i = 3 0 仙0 2 9 d + 2 2 9 ( m b i ) c 6 2 1 r 蚴 ( 1 - - 2 0 ) 式中：卜煤的膨胀度，； v 。n - 煤的挥发分，。 1 3 3 4 美国内陆钢铁公司的方法 美国内陆钢铁公司先求出灰成分的碱性指数a i 再将催化指数c i 定义为【3 7 】： c i = 9 6 4a i + 1 4 0 4s ai=adna20+k20+cao+mgo+fe203( 1 2 1 ) 钳a + 彳，a 、 并给出了焦炭反应后强度的预测模型： c s r = 2 8 9 1 + 0 6 3 a t - c i 式中：卜煤的硫分，； t _ - j 煤的塑性温度范围，。 该预测模型既适用于单煤也适用于配合煤。对c s r 的预测可进一步利用各单种煤 的c s r 的加和性予以辅佐，从而有助于在对各种煤进行测试获得c s r 后，算出配合煤 的c s r ，进行合理的配煤。 美国内陆钢铁公司还将预测模型绘成等强曲线图。如图1 7 所示。 僵化指致( c d 图1 7 美国内陆钢铁公司c s r 预测方法 1 3 3 5 我国宝钢的方法 我国的宝山钢铁公司把矿物质的催化指数m c i 定义f f ；j 3 8 , 3 9 】： m c i = a ，1 9 k 20 + 2 2 百n a 2 0 + 1 6 c a o + 0 9 3 m g o + f e 2 0 3 ( 1 2 2 ) 4 ( 1 0 0 - 哆) ( s 0 2 + 0 4 1 a 1 2 0 3 + 2 5 t i 0 2 ) 、7 与其它方法的不同之处在于将每个灰成分根据其对焦炭反应性催化作用的大小取 个加权系数，将各灰成分的催化作用量化。并研究了矿物质催化指数m c i 与各单种煤 焦炭热性质的关系，如图1 8 所示。 d，宣糖叫掣矗 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 图1 8 单种煤焦炭热性质与矿物质催化指数的关系 在总结国内外焦炭质量预测模型的基础上，采用改进的g m d h 方法，以大量s c o 炉炼焦试验数据为基础，建立了适用于宝钢的s c o 炉焦炭质量预测模型，再校正到生 产焦炉。实践证明，其模型能很好地预测大生产焦炭质量，指导宝钢炼焦生产。预测平 均偏差d i 。i s 。o 为0 1 6 ，c r i 为0 6 5 ，c s r 为0 8 2 。 其预测模型方程为： a ；= c a + k a ix 了石赣a m + l ：_ 形l ；：；s 二= c ，+ k s lx l o 二0 盟- e n y a 等一k 吩圪等 ( 彰：1 0 5 1 3 o )( ：0 4 2 一o 5 5 呦 _ d l t ，s 。j = c d i s 0 0 - 万( n ；a 葛，n ；t i i ，n ；掣) 弧n ；皑，n ；l g m f ；m ) ( d i l l 5 5 町：8 0 8 5 5 ) c s r ，= 。+ k ，l ，m c i j + f ( 啊嘭，吩l g m f s 肘) + 如硝 ( c s r 7 ：5 0 6 0 ) c r i ，= c c m 肋+ 跏e n i m c i i + f ( 吩掣，吩l g m f ，m ) + 哟吩硝 ( c r ，：2 5 一4 0 ) ( 1 - - 2 3 ) 式中：t i - 惰性物含量，w ； i 卜随机反射率： g 一粘结指数： m 卜基氏流动度，dd pm ； m c h 物质催化指数，w ； ) c 、号、 、p 一函数关系； n 一配煤中单种煤质量百分数，w ； c s i 卜焦炭反应性，w ： 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 c r i 焦炭反应后强度，w ： d i ：o 一焦炭冷强度，w ； c 一常数： k 一系数： 上标j s c o 炉结果； 下标i - 单种煤编号。 1 3 3 6 其它方法 确定矿物质催化指数、预测焦炭热性质的方法还有很多，但以杨俊和博士的方法最 具代表性。在研究矿物质对焦炭反应性作用规律的基础上，建立了矿物质影响焦炭反应 性的矿物质催化指数( m c i ) ，并提出了煤的v d 和m c i 是决定焦炭反应性的两个独立变 量，并据此建立了预测焦炭反应性和反应后强度的数学模型【删。 矿物质催化指数定义为： 当以煤中的灰分表达时： mcl：彳7fe203+185k20+22na20+16cao+191bao+083mgo+09mno 4 ( 1 0 0 一) ( 0 2 + 0 4 1 a 1 2 0 s + 2 5 t i 0 2 ) 当以焦炭中的灰分表达时： mci：彳；fe20s+185k20+22na20+16cao+191bao+083mgo+09mno 。 ( 0 2 + 0 4 1 a 1 2 0 s + 2 5 t i 0 2 ) ( 1 - - 2 4 ) 式中：a 孑煤的干基灰分，；a ：焦炭的干基灰分，；v d 煤的干基挥发分，； 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 2 实验方案及方法 2 1 实验方案 本研究拟从实验室实验和生产实验两方面着手。即先弄清楚单种煤的煤质和灰成