无烟煤配入沥青制备型焦的试验研究

无烟煤配入沥青制备型焦的试验研究 祝永强 攀钢煤化工厂 【摘要】 无烟煤是一种非粘结性煤，不能直接用来炼焦。沥青、焦油、焦油渣等焦化产品或废弃物可以作为生产型焦的粘结剂。本文论述了采用冷压成型工艺，用无烟煤配入适量的沥青或焦油，进行制备型焦的试验，效果良好，型焦各项指标基本达到国标规定的三级冶金焦要求。 【关键词】 无烟煤 型焦 试验 0 前言 无烟煤（英文名称anthracite），俗称白煤或红煤。是煤化程度最大的煤，粘结性很弱，属非炼焦煤。无烟煤黑色坚硬，有金属光泽，固定碳含量高，挥发分产率低，密度大，硬度大，燃点高，燃烧时不冒烟，火焰呈青蓝色。无烟煤一般含碳量在90%以上，挥发分(可燃基)含量在10%以下，热值约8000-8500千卡/公斤。中国无烟煤预测储量为4740亿吨，占全国煤炭总资源量的10%。无烟煤块煤主要应用是化肥、陶瓷、制造锻造等行业，另外还被利用来生产型焦、铸造焦、增碳剂、活性炭、电极糊等炭素材料。冶金上无烟煤主要用于高炉喷吹。 沥青（英文名称bitumen）主要分为煤沥青、石油沥青和天然沥青三种，主要用于涂料、塑料、橡胶等工业以及铺筑路面等。煤沥青是炼焦的付产品，即焦油蒸馏后残留在蒸馏釜内的黑色物质。煤沥青中主要含有难挥发的蒽、菲、芘等。由于这些成分的含量不同，煤沥青的性质也因而不同。 煤焦油（英文名称coal tar）是煤经高温干馏后回收得到的有特殊臭味的黑色粘稠状液体。焦油是多种环状化合物组成的混合物，通常分低温(450～700℃)干馏焦油与高温(1000～1100℃)干馏焦油两种，一般呈黑褐色，密度在1.15～1.19g/cm3之间。焦油具有良好的粘结性能、防水性能。煤焦油可用来分馏出各种芳香烃、烷烃、酚类等，也可制取油毡、燃料和炭黑。 以非炼焦煤为主体的煤料，通过不同的工艺，挤压成型，制成有一定尺寸和强度的成型煤，经炭化制成型焦，用以代替焦炭，是扩大炼焦煤源的一个重要方法。国内外很多文献都介绍了无烟煤添加煤沥青或煤焦油制造型焦的工艺和方法。由于各种原因，攀钢一直没有开展此方面的研究，为此，本文拟通过最近开展的试验，探索无烟煤配入沥青制备型焦的可行性。 1 工艺介绍及选择 1.1 型焦工艺介绍 因成型时煤料的状态不同，型焦工艺可分为热压和冷压型焦两种，前者煤料在塑性状态下挤压成型，后者煤料在远低于塑性状态温度下成型。 冷压型焦又分为粘结剂成型和无粘结剂成型两种，无粘结剂者只靠压力成型，多用于低变质程度的褐煤和泥煤。变质程度较高的煤（如无烟煤），无粘结剂成型比较困难，常采用加粘结剂成型，所用粘结剂多种多样。由于粘结剂的作用，成型压力可较低，工业上便于实现，但必须提供廉价优质的粘结剂。 热压成型比较复杂，因加热方式的不同分气体载热体和固体载热体两种类型。按燃料不同，又分单一煤种和配煤型焦两种。一般热压型焦之煤料必需具有一定的粘结性。 加入适合的粘结剂，可改善型焦的热性质，使型焦具有类似于焦炭的结构和使用性能。压制型煤时所使用的粘结剂有沥青、焦油渣、腐植酸钠、阳离子淀粉、彭润土、硅酸钠、ZCM-1型水溶性絮凝剂等等；

图1 冷压型焦工艺流程图 图2 热压型焦工艺流程图 1.2 无烟煤制型焦的工艺选择 通过比较分析，无烟煤型焦工艺我们选择采用有粘结剂的冷压型煤工艺，理由如下： （1） 我们的原料是无烟煤，无粘结性，不适合热压工艺，因为热压型焦的煤料必须具有一定的粘结性； （2） 冷压型煤工艺简单，成型压力较低（基本上大于30Mpa即可），工业上便于实现； （3） 沥青、焦油为我厂的产品及原料，使用其作为压制型煤时的粘结剂，来源广泛； （4） 大量文献资料显示，使用沥青、焦油作为型煤的粘结剂，效果较好； 2 无烟煤制备型焦的试验 2.1 试验目的 以无烟煤为原料，经过破碎分级，配入一定比例的粘结剂（沥青及焦油），在一定压力下压制成型煤，然后经过一定时间的炭化处理，制得型焦。 2.2 试验流程 型焦试验的整个流程分为原料准备、分析检验、破碎分级、粘结剂配入混捏、压制成型煤、型煤炭化、试验产品指标化检验等过程。

图3 型焦试验的流程图 2.3 试验参数确定 （1）无烟煤原料粒度组成 根据经验，增加原料煤的细度，其表面积的增加，使得粘结剂可以完全浸润煤粒表面，同煤粒表面保持充分紧密地接触，同时煤粒理想平面的距离更近，可以产生较大的范德华力，从而起到提高型焦强度的目的。 无烟煤通过制样，粒度全部小于3mm，部分经过再次破碎，分为粗细2种备用，粗的为80目～3mm，细的为≤80目，试验时粗、细样品的加入比例为1：1。

图4 无烟煤原料制样后照片 （2）强度 考虑到型焦今后使用的工况，型焦必须具有一定的强度，所以型煤成型后及炭化后的型焦须经过落下试验（2M高处自由落体摔下无明显破碎），以检验其大概的强度； （3）成型模具及型煤大小 成型模具采用厚壁钢管制作，尺寸为φ50mm×90mm，脱模工具采用圆钢制作。型煤尺寸为φ50mm×50mm； （4）成型压力 型煤成型压力的增加，型焦的冷强度随之增大；当成型压力＜30MPa时，型焦的质量较差；型焦压力在30MPa～40MPa范围内时，质量较好。最适合的成型压力为30MPa。 根据压力＝30MPa的需要，经推算，压力机的成型压力6吨为宜；

（5）其它 粘结剂比例必须适量，以便成型效果好及顺利脱模。随着型煤中粘结剂加入量的增加，型焦的强度随之增大。当粘结剂加入量＜10％时，型煤强度不能满足生产工艺的要求；经过试验摸索，粘结剂比例在15％～20％为宜；混捏机混料时温度应控制在100℃～130℃左右，并经30min左右混捏，才能使得粘结剂颗粒与煤料颗粒之间充分混合并粘连；试验测试指标：无烟煤、粘结剂的工业分析、全硫；试验焦炭产品的工业分析、全硫、四分之一转鼓强度M10和M40、反应性和反应后强度。 2.4 试验设备 试验的主要设备有：对辊破碎机、锤式粉碎机、立式混捏机、电炉、模具、万能试验压力机、高温炉、1/4米库姆转鼓，以及200Kg小焦炉等。

混捏机 压力机

Φ50mm×50mm型煤成型模具 高温炉 2.5 试验 采用先粉后配的工艺，小于3mm的无烟煤料与小于80目的无烟煤料按照1：1的比例，放入混捏锅，混合均匀，按照比例配入粘接剂。在不低于100℃的温度下，煤与粘接剂充分混合，混捏时间不少于30分钟。取出热煤样，在温度不低于40℃时放入成型模具，用压力机成型，成型压力为6t，成型及脱

成型压力计算：成型模具的表面积＝пR2＝3.14×（50／2）2＝1962.5 mm2 成型压力＝6吨力/成型模具的上表面积＝6×103kgf/1962.5mm2=6×103kgf/19.625cm2＝6000kgf/19.625cm2≈300 kgf/cm2≈30MPa 模顺利，成型后样品外观要求完整，无边角破损现象。在密闭的高温炉（终温980℃）或小焦炉炭化室（终温1210℃）内进行炭化。 （1）由于成型效果差，脱模困难，脱模后边角及顶底部破损严重，型煤强度低2M高落下易破碎等原因，淘汰了以下一些配比：无烟煤+13%沥青；无烟煤+10%沥青；10%沥青+3%焦油+3%水玻璃； （2）经过试验的摸索，决定开展以下配比的型煤压制及型焦试验。

试验编号 样品号 配比 炭化温度 炭化时间 熄焦方式 一 1号 无烟煤+16%昆煤所粘结剂 980 ℃ 6 hr 隔绝空气 干熄 二 2号 无烟煤+16%沥青 980 ℃ 6 hr 隔绝空气 干熄 三 3号 无烟煤+10%沥青+5%焦油 1210 ℃ 10 hr 未隔绝空气 水熄 四 4号 无烟煤+15%沥青+3%焦油 1210 ℃ 10 hr 未隔绝空气 水熄 2.6 试验结果 （1）炭化后，1号样品外观完整，每个样品均无裂纹产生，有一定的金属光泽。（注：以下依次为型煤及型焦的照片）

（2）炭化后，2号样品外观与型煤阶段相比较基本无变化，每个样品均无裂纹产生，有一定的金属光泽。

（3）3号样品成型后样品外观完整率达90%，部分型煤有边角破损现象。炭化在煤化工厂小焦炉进行，型焦整体外观良好，约60%样品不同程度出现裂纹，个别样品裂纹较深。 （4）4号样品成型后样品外观基本完整，部分样品有边角破损现象。炭化在煤化工厂小焦炉进行，型焦整体外观良好，约60%样品不同程度出现裂纹，部分样品裂纹较深。

3 数据分析与讨论 3.1 原料的指标 （1）无烟煤原料产地宜宾，本次试验取的是无烟煤原煤，具体指标如下： 样品 Mad % Ad % Vdaf % FCad % St,ad% 原料煤 2.58 13.45 7.92 79.70 0.98 （2）沥青采用煤化工厂生产的高温沥青，具体指标如下： 软化点℃ 甲苯不溶物% 水分% 灰分 % 挥发分% 96.3 12.53 2.90 0.20 70.03 （3）煤焦油采用的是昆钢的煤焦油，由于使用比例较小（3%左右），所以未分析其指标情况。 3.2 型煤产品 型煤产品外观较好，有金属光泽，2M高落下试验强度满足要求。 3.3 型焦产品及指标 样品名称 1号样品，% 2号样品，% 3号样品，% 4号样品，% 三级冶金焦指标% Md 1.48 1.21 4.03 3.43 12 Ad 13.99 13.46 13.84 13.60 15 Vd 1.06 1.22 1.33 1.89 1.8 St 0.58 0.67 0.72 0.62 1.00 M25 92 85.1 82.6 86.2 83 M10 8.0 14.9 11.8 9.6 10.5 CRI 45.0 49.9 45.4 45.3 35（二级） CSR 31.4 24 25.6 27.9 50（二级） 全气孔率 55.3 54.4 49.0 50.0