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1、应用煤岩学应用煤岩学在炼焦生产中的应用在炼焦生产中的应用石焦集团石焦集团 王宁王宁E_mail主要内容n概述n煤岩学基本概念n各个显微组分在结焦过程中的变化n煤岩学配煤原理与焦炭质量n应用实例n应用注意的问题第一部分 煤岩学的基本概念主要介绍煤的形成过程，显微组分及煤的镜质组反射率等。一、概述n应用煤岩学是近代煤化学的重要组成部分。它通过测定煤的显微组分组成及各显微组分性质，客观地反映出来了煤的有机成分的复杂混合体的丰质，应用于煤分类和煤加工工艺取得了显著成果。n在炼焦工业中，应用煤岩学丰富了配煤理论和焦炭质量预测理论，提高了配煤炼焦技术。尤其是发现了小球体和形成中间相概念后， 奠定了最有说服
2、力的成焦机理的新理论，大大推动了现代炼焦工业技术的进步。应用煤岩学已成为一门独立的学科。n煤岩学，不仅仅是几个指标问题，更重要的煤岩学内涵，煤岩学的研究方法，应将煤岩学提高到理念高度，将煤岩学贯穿于炼焦生产的各个环节。n主要研究工具：显微镜煤的形过程植物残骸泥炭褐煤烟煤无烟煤泥炭化作用变质作用成岩作用成煤作用在整个地质年代中，三个主要的成煤期：1、古生代的石炭纪和二迭纪，成煤植物主要为孢子植物，主要煤种为烟煤和无烟煤2、中生代的侏罗纪，成煤植物主要是裸子植物，3、新生代的第三纪，成煤植物主要为被子植物，主要煤种为褐煤和烟煤n我国煤炭资源成煤期特点：n1、成煤期多，从泥盆纪前就开始形成石煤到第三
3、纪的泥炭，持续时间六亿年，其中有十几次成煤期，以侏侏罗纪的石炭二迭纪成煤最为丰富n2、分布广泛类型复杂。阴山以北主要为晚侏罗纪及第三纪煤，阴山以南至昆仑秦岭之间，主要是石炭二迭纪煤及早、中侏罗世煤，昆仑秦岭以南，以二迭节煤为主，还有早古生代煤，早石炭世煤，晚三迭世及第三纪煤以炼焦为主的有机显微组分分类n分类的原则：从中国煤特点出发，采用成因与工工艺性质相结合原则，以反光油浸下的特征为主，结合透光及荧光特征进行分类。n分类依据：在显微镜下颜色，突起，反射率，结构，形态特征，成因及物理化学，工艺性质划分为四个显微组分组，即，镜质组，半镜质组，惰质组，壳质组，再根据细胞结构保存程度，形态我大小（个别
4、时按反射率）的差别，将显微组分再细分为若干个组分和亚组分n国标GB/Ir 15588-2001烟煤显微组分分类对各个显微组分都有具体的描述，但最好在有经验的人来指导烟煤有机组分分类表组代号组分代号亚组分代号镜质组V结构镜质体无结构镜质体碎屑镜质体TCVD结构镜质体1结构镜质体2均质镜质体基质镜质T1T2C1C2半镜质组SV结构半镜质体无结构半镜质体碎屑半镜质体STSCSVD惰质组I半丝质体丝质体微粒体粗粒体SFFMiMa粗粒体1粗粒体2壳质组E孢粉体角质体树脂体SPCuRe大孢子体小孢子体一些煤的照片n同一显微组分具有相近的成因过程，不同显微组分有成因上的联系n镜质组、惰质组主要由植物的木质纤
5、维细胞形成，但经受的早期分解作用不同。在泥炭阶段已经确立下来，成煤以后不再发生变化镜质组：腐植化作用凝胶化作用，近于还原环境；惰质组：丝炭化作用、缓慢氧化作用；不完全氧化产物过渡组分：凝胶化作用或丝炭化作用交替进行；n壳质组：植物器官、组织的残植化作用；n各个显微组分在性质是显著的差异，在结焦过程中所起的作用也是不同。n镜质组和壳质组是活性组分n惰质组和矿物是惰性组分n半镜质组是过渡性组分，在性质上和结结焦过程中所起的作用更接近惰性组分n在炼焦煤中，镜质组性质对炼焦煤性质起决定性作用镜质组壳质组惰质组挥发分中等高低粘结性高中低反射率中等低高碳含量中等低高氢含量中等高低样品Mad%Ad%Vdaf
6、%FCdaf%原料煤 7.434.4336.4363.57镜质组6.402.3739.6060.40惰质组6.883.5425.3074.70样品Cdaf%Hdaf%Odaf%Ndaf%Sdaf%原料煤79.774.6714.370.990.20镜质组77.835.0315.941.010.19惰质组82.633.7712.620.800.18中国炼焦煤的显微组分特征n中国炼焦煤中显微组分布特征与成煤时代密切相关，即镜质组以侏罗纪最高，惰质组以石炭，二叠纪煤最高，壳质组以晚二叠纪乐平煤系最高n经统计，我国主要炼焦煤产地的岩相组成镜质组含量小于70的占62%大于80的只有12%。如果含量以惰质组
7、（惰质组2/3半镜质组矿物）进行统计，大于30%煤样占一半以上，而小于20%的为18.3n岩相不均一，惰性组分含量高是我国主要炼焦煤矿区的基本特征之一。n主要炼焦煤中镜质组含量（上图）与总惰质组含量（下图）的分布煤的镜质组分射率及反射率分布n反射率定义：矿物对垂直入射于磨光面上的光线反射能力。n常用的反射率种类：n镜质体最大反射率：在单偏光下转动物台所测得的镜质体反射率的最大值。用Rmax表示n镜质体随机反射率：是把在非偏光下，不转动物台把测得的镜质体反射率。用Rran表示nRmax2.5%时：Rran=0.938RmaxnRmax为2.56.5时Rran=0.777Ramx+0.3082n同
8、一种煤，不同点的反射率的值是不同的。但分布范围很窄，接近正态分布，方差小于0.1，这用于鉴定混煤。所有煤的显微组分均随煤的变质程度的提高而增大镜质体的数量在煤中占绝对地位镜质组较均一，同一煤镜质组的反射率健在n反射率是反映变质程度的最准确的指标。随着煤变质程度的提高，镜质组的反射率有规律的增大n方差，是表示煤的反射率分布范围即混洗混配程度的一个指标，反射率分布范围越宽，其值越大n镜质组反射率分布情况比平均最大反射率值更有用，它能体现全镜质组反射率分布情况比平均最大反射率值更有用，它能体现全部镜质组质量的细节。部镜质组质量的细节。煤的结焦性除了和煤的变质程度及炭相结成影响外，还有其它因素有着，如
9、成煤植物种类，年代，所处的环境有关。不同时代煤中活性组分粘结性差异图中为古生代煤中生代煤不仅仅是G值，其它Y值，基氏流动度等也有类似的规律。而且硫含量也有明显的差异。中国不同类别炼焦煤的镜质体最大平均反射率n中国各类煤的Rmax及Vdaf的分布范围煤种RmaxVdaf煤种RmaxVdaf气煤0.6000.8060.704（12）34.450.540.1焦煤1.0351.5151.228(21)18.028.023.2气肥煤0.6500.8100.711（6)37.850.544.8瘦煤1.3841.6321.450(5)14.519.817.11/3焦煤0.7251.0830.915（52)3
10、7.550.544.8贫瘦煤1.3181.6921.580(20)13.418.516.0肥煤0.9471.4081.050(32)25.636.831.2中国煤分类（炼焦煤）16肥煤肥煤2636气肥煤气肥煤56转换指标转换指标Y25mm8515焦煤焦煤25351/3焦煤焦煤45气煤气煤655014瘦煤瘦煤SM243444351323中粘煤中粘煤33433042长焰煤长焰煤CY2022弱粘煤弱粘煤32512贫瘦煤贫瘦煤PS011贫煤贫煤PM21不粘煤不粘煤BN314110202837粘粘结结指指数数G挥发分挥发分VdafRomax/% 可能煤类（按出现频率排列）0.5 褐煤、长焰煤0.50.6
11、 长焰煤、不粘煤、气煤0.60.7 1/3焦煤、气煤、长焰煤、不粘煤、气肥煤0.70.8 1/3焦煤、气煤、气肥煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤0.80.9 1/3焦煤、气煤、弱粘煤、不粘煤、肥煤、气肥煤0.91.0 1/3焦煤、肥煤、气煤、1/2中粘煤、气肥煤1.01.1 肥煤、焦煤1.11.2 肥煤、焦煤1.21.3 焦煤、肥煤、1.31.4 焦煤、肥煤1.41.5 焦煤1.51.6 焦煤、瘦煤、贫瘦煤1.61.7 瘦煤、焦煤、贫瘦煤1.71.8 瘦煤、贫瘦煤、焦煤、贫煤1.81.9 贫瘦煤、瘦煤、贫煤1.92.0 贫瘦煤、贫煤、瘦煤2.02.5 贫煤煤的变质程度与中国煤分类n在应用反射率及反射
12、分布鉴定时就注意的几个问题n混煤鉴定，不能得到很精确的混煤比。如果两种煤的显微组分差别很大，所得到的结果也是很不令人满意如两种煤，A、B两种煤按1:1的比例混匀，A的镜质组含量为60，B煤镜质组含量为40，能过镜质组反射率分布得到的混主煤比可能为6:4。但煤焦煤中，镜质组一般占约大多数，在组分含量相差不大的情况下，剥离出的镜质组比例可近似看作是原混入煤的比例。n反射率不能准确判断煤种，中国炼焦煤分类主要依据煤的工艺性质还分类，不是按照煤的变质程度。反射率与煤种只有一个大致的对应关系。反射率测定应注意的几个问题n粘结剂和煤样比例问题n制样时破碎方式及粒度掌握控制n光片的质量n仪器的稳定时间n固定
13、的点行间距，符合数学统计学原理n一但开始测定，显微镜光路等不能再动n保证一定的区域n如果人工和半自动测定，必须保证点数。镜质组反射率及反射率测定自动化n目前，世界顶级的蔡司显微镜配合显微光度计系统已经实现对镜质组反射率反射率分布的自动化测定，在全国范围内已经广泛推广，数十家焦化企业的使用证明，其测定精度已经完全满足国标GB694886 煤的镜质组反射率测定方法要求，具有省时、省力，效率高等优点，也降低了煤岩测定的门槛要求，可以在较短的时间内开展工作，在工作实践中再学习，提高，特别适合企业的基础不太好的企业应用。此外，本系统还功能丰富，提供了确实混煤比，半自动测定，测定焦炭气孔率等功能，对煤岩的
14、普及，提高焦化企业对煤认识水平和配煤水平，起到了推动作用。n煤岩测定自动化是发展趋势煤岩测定自动化是发展趋势第二部分 煤的各个显微组分在结焦过程中的作用主要介绍煤的结焦过程及各个显微组分的衍生物及煤岩学配煤的基本原理镜质组在成焦过程中的作用n镜质组是成焦的主体原料，由它性质和数量决定的。它是成焦过程中颗粒表面产生非挥发性液相的主体。煤粒表而的非挥发性液相是形成焦块的绝对原因。n镜质组质量主要表现在产生的胶质体的质量和数量上差异，主要由煤的变质程度决定。测定最大胶质层厚度主要体现在胶质体的数量上，而不能反应胶质体的质量。Rmax在1.1附近时，产生的胶质体的质量是最好的。n焦炭多孔体的形成 镜质
15、组受热处于软化状态，分解气体的内压小于胶质体的阻力，则形成封闭气孔，如气体能冲破胶质体的阻力，固化则形成开放气孔，后者约占90以上，如果备煤和炼焦工艺条件固定，气孔参数主要决定于镜质组的反射率及反射率分布。n由镜质组衍生的焦炭是微组构对焦炭强度的影响。镶嵌结构多的焦炭冷态强度好，同性结构反应性较高，分子层片来不及排列就趋向固化，强度不高，层状结构的流动形和片状结构内部的层片排列趋向有序，比各向同性致密，但光学结构单元而结合不一定牢固。n镜质组形成的光学结构 变质程度由低到高形成各向同性、细粒、粗粒，流动、叶片，基础各向异性，光学各向异性结构单元尺过依序均与，与CO2的反应性依次减弱。惰质组及其
16、焦化后的衍生物n惰质组的惰性现象 惰质组在加热过程中有分解反应，但不软化，不会出现中间相过程。它参与成焦必须在其表面吸附一定量的非自生的非挥发液相。n惰质组在成焦过程中的两面性 主要决定于它的大小和数量。n颗粒大，形成裂纹中心。n颗粒细，参与气孔壁形成，使气孔壁增厚，提高焦焦炭强度n颗粒过细，比表面过大，要吸附更多的非挥发性液相，影响焦炭强度，特别是耐磨强度M10n惰质组是煤中天然瘦化剂。n惰质组对焦炭成焦后气孔参数的影响n惰质质组衍生物的光学性质：丝炭和破片，为各向同性。半镜质组及其焦化后的衍生物n半镜质组 是一种镜质组和惰质组两者之间过渡性组分，其性质介于两者之间n半镜质组在加热过程中的动
17、态和光学性质 更接近惰质组。在加热过程中，棱角不再尖锐，有些软化倾向外，其它一切均同惰质组。成焦后的衍生物是碎片，为光学各向同性。壳质组组及其焦化后的衍生物n低变质程度煤中壳质组分解温度低，胶质体多而稀，挥发分和氢含量高，固化温度低，残留炭少n中变质程度炼焦煤中的壳质组结焦性逐渐类似于其共生的镜质组，在加热过程也近似于镜质组。I各向同性 Mf细粒镶嵌 Mc粗粒镶嵌 F流动状L叶片 B基础各向异性生产配合煤镜质组反射率分布及其与焦炭的光学组织组成的关系煤中不同变质程度镜质组与焦炭光学组织之间大致衍变关系煤中不同变质程度镜质组与焦炭光学组织之间大致衍变关系焦炭光学焦炭光学组织相相应的的镜质组变质程
18、度程度各向同性各向同性镜质组反射率反射率0.75%镶嵌嵌结构构镜质组反射率反射率0.751.5%纤维状状结构构镜质组反射率反射率1.11.6%片状片状结构构镜质组反射率反射率1.42.0%基基础各向异性各向异性镜质组反射率反射率2.0%第三部分 煤岩学配煤原理与焦炭质量煤岩学配煤基本原理n煤不是均一物质。每一种煤都是天然的配煤。n活性组分即镜质组的反射率分布是决定炼焦煤性质的首要因素。活性组分的质量不均一，可以用反射率分布来表示。在1.1附近活性组分的质量最好。塑性温度区间宽，适应性好。n决定煤性质的另一个重要因素是惰性组分含量。在结焦过程中，惰性组分是必不可少的。n结焦过程中煤粒之间不是简单
19、的互熔，是通过界面反应键合联结起来的。n煤中惰性组分与任何其它煤岩组分在成焦后的界面是清晰而尖锐n变质程度接近的煤成焦化界面结合良好，界面不清晰n两种变质程度不同的炼焦煤的形成的界面清晰，结合的质量取决于变质程度的差异。nRmax在1.1附近时，与其它炼焦煤均有不同程度的界面过渡带n界面质量决定焦炭的质量。n理想的配合煤反射率布应是平滑斜降的，不应出现明显的凹口，尤其是Rmax在1.1附近。n膨胀压力有利于促进界面反反应的进行一些焦炭图片焦炭质量n焦炭抗碎强度M40，主要和裂纹的生成有关n焦炭的耐磨强度M10：主要和胶质体的质量和数量有关。低变质程度和高变质程度煤都影响M10nM10对煤质的变
20、化反应灵比M40灵敏n焦炭的反应性CRI：除于焦炭的光学组织有关外，也和焦炭的气孔结构如开放气孔的比例，气孔率及孔径分布有关，因为这和气体分子的扩散速度有关。n焦炭的反应后强度CSR：受焦炭的主要受反应性CRI影响。也受焦炭的光学组织结构有关。 CO2对不同的显微组构，破坏的情况是不同的。对于镶嵌结构，形成麻点，对于基础各向异性，形成长的深的裂纹，可以解释为什么有的焦炭反应性并不高，但反应后强度低的情况n关于捣固炼焦：总是改善焦炭的M10但对M40的影响不一定。捣固炼焦虽然不能改变焦炭的光学结构组织，但是因为更为致密，也可以从分子扩散速度上改善焦炭的反应性和反应后强度。第四部分 应用实例一 、
21、石焦的情况n石焦集团，自1996年起，就与鞍山科技大学周师庸教授合作开展了应用煤岩学在炼焦生产中的应用研究课题，取得了显著的经济效益和社会效益。2000年该课题通过了由煤炭科学研究总院北京分院、河北理工大学、鞍山科技大学等地的知名专家主持的省级鉴定，获省科技进步二等奖，省冶金科技进步一等奖。n当时的立项背景：1)进厂精煤的混洗混配;2)传统的依靠G值、Y值已无法满足控制焦炭质量的需要。n其主要工作内容包括：n1)控制来煤质量将煤岩指标纳入焦煤合同考核。如果配入其它如果配入其它非炼焦煤，其变质程度跨度变大，那么标准差也要变大非炼焦煤，其变质程度跨度变大，那么标准差也要变大。煤种都有混洗混配现象。
22、最为麻烦的是，无烟煤等非炼焦煤的配入。尽管从总体配煤而言，配入量少，但可以影响全局。存在混混配的情况主要有：n焦煤的混洗混配最为杂乱，可以长焰煤，1/3焦煤，一直到无烟煤，反射率分布范围从0.6到2.5以上n1/3焦煤 高挥发分强粘结性煤配入长焰煤不粘煤或弱粘煤，这种情况下，基本上还是一个峰，但峰变宽n瘦煤的情况，主要是用贫煤等，配入粘结性煤，以提高总体的粘结性n肥煤也存在类似的情况，但较少见，因为配入后，Y值达不到要求n以上情况，大多时从Y值膨胀曲线上也有所反应，但远不如煤的反射率分布表现的直观。煤种 RmaxSGY肥煤 1.082 0.189 87.224.5煤种 RmaxSGY1/3焦
23、0.813 0.134 80.314.5煤种 RmaxSGY焦煤 1.384 0.326 79.414.0煤种 RmaxSGY瘦煤 1.604 0.235 56.24.5n2)合理堆放煤种;堆入同一堆的煤必须靠近这一堆煤的Rmax的中心值;同一堆煤各煤的反射率分布围成的面积必须大部分重合。但目前情况下，有其局限性。因为煤资源的紧张，煤的采购不仅仅局限于一个较近地域范围，采购范围的扩大导致常有不同成煤年代，不同成因的情况，导致结焦性的差异。n n3)3)优化配煤方案优化配煤方案理想的配煤方案反射率分布图理想的配煤方案反射率分布图是连续的，平滑斜降的，不应有明显的凹口，特别是连续的，平滑斜降的，不
24、应有明显的凹口，特别是是1.01.01.21.2附近。分布范围不能太宽，尤其是小于附近。分布范围不能太宽，尤其是小于0.60.6和大于和大于2.12.1的量不在占太大的比例。的量不在占太大的比例。平均最大最小正离差负离差M10后6.37.85.20.560.65前8.111.26.41.030.81M40后86.288.083.0+1.07-0.89前79.583.272.41.903.02所取得的效果：瘦煤多配入10; 实施前后对比：采取措施前后M40的对比采取措施前后M40的对比实际中遇到的一些问题的实例n1、M40难以改善的问题n当时的情况是，配煤G值为83，Y值17，所得到焦炭外观颜色
25、、块度均正常，但M40一直很低7779，采取提高焦煤用量，等等多配入提高焦煤用量等等，无论如何也达到到80以上。其后观察转鼓后的焦炭发现有不粒度约36mm范围的不融物质。收集后做成光片，在正交偏光下观察为基础各向性，所以断定混入无烟煤所致。对所有煤种进行反射率测定，发现有一供煤商在煤中配入无烟煤所致。n调整配比后的G值为75，Y值为15.5，M40为82，问题得以解决。n结论是：无烟煤混入后，如果不能粉碎到一定粒度后，会形成裂纹中心，影响焦炭的M40n2、M10难以改善的问题n当时的情况是M10总在9左右，甚至有时超过10，但M40尚可，在80以上，如何降低M10成为一个因拢配煤配煤人员的一个
26、棘手问题。对配入煤精确测定反射率健在，小于0.6范围占到12.5，焦炭外观结构不均匀，粘结性组分明显不足，确定有或不弱粘结性煤参与。对所有煤的种进行反射率测定，找到胶质层测定的原始记录，确定某供应商混入不粘煤。n调整配比后，M10得以降低。n结论：M10和M40的影响因素虽然决定与煤质，但影响机理要是有区别的，M10，M40 两者间没有必然联系。n3）捣固炼焦焦炭碎，M25低n问题:焦炭碎，M40低，G值62Y值12.3，M25为86，经观察，判断除焦炭过火外，还惰性物质不足的原因。n解决：原有的瘦煤质量：挥发分为16.04，G值52，S为0.42，换为挥发分为14.12，G为26的另一种瘦（
27、贫）煤，配入比例不变，M25提高至90.5，块度增大，而且降低了成本。n结论：捣固炼焦更需要瘦化剂，但前提是粒度必须保证。n4）捣固炼焦焦炭块度大，M10高n问题现象：焦炭块大，没有棱角，结构疏松。经过咨询，在配合煤中配入3未经磨细的焦粉。导致结焦过程中气体保持不住，膨胀压力变小。n结论：焦粉作为一种惰性物质，必须细粉碎，否则作为一种多孔物质它还会吸附一定量的胶质体。n5）大同煤（周老师做的工作）大同煤具有低灰，低硫的特点，原来仅作为动力煤，但通过对煤进行深入研究，其镜质组是有粘结性的，其不结焦的原因主要是惰性物质太高，单独块煤仍可以形成较坚硬的焦炭，所以后来开始应用与配煤炼焦，现在已经广泛应
28、用，特别是唐山一带焦化企业。 同样神木煤，则不能大量应用于焦炭生产，其根本原因是，由于变质程度低，其镜质组在结焦过程中也是惰性n6）推焦电流的问题n推焦电流，除了操作和焦炉本身的原因外，最重要的，还是煤的关系。焦炉的原因如：机侧装煤缺角，炉墙石墨，炉框变形，加热制度的原因外，主要还是由煤决定的。排除焦炉操作的原因外，可以着手从以下两方面来考虑：n焦饼的收缩，n裂纹，平行于炉墙的横裂纹过多，焦炭偏碎，也可以影响推焦电流n细度过小，也会导致推焦困难。应注意的几个问题n煤岩学指标有其局限性：n虽然决定炼焦煤性质的主要因素是煤的变质程度和岩相组成，但是不能忽略煤的第三成因因素。n煤岩学不能替代目前所用
29、的其它指标。如G值，Y值。G值，Y值是变质程度、煤岩组成、第三成因因素共同影响的，从一定程度上可以反应煤的还原程度。n煤岩学更重要的是一种理念，一种方法，不仅仅是几个检测指标的问题。煤岩学更重要的是一种理念，一种方法，不仅仅是几个检测指标的问题。n关于焦炭质量预测n虽然文献资料报导的焦炭质量预测方法和公式，但均有其局限性。如阿莫索夫和施皮罗法、美国伯利恒钢铁公司法、中国周师庸法等。日前也有单位在时行配煤专家系统的研究，目前，最终还离不开人的干预。影响焦炭质量的因素太多，有时不经意的一个环节，就可以对焦炭质量造成较大的影响。同时，对于目前的焦化企业，煤源结构复杂，煤质波动不稳定，同时企业的生产很难做到长时期内稳定，所以，目前还不能说算成熟，但也是一个发展趋势。n由于煤的复杂性，还离不开人的干预。由于煤的复杂性，还离不开人的干预。n关于对Y值的理解 Y值在测定过程中，可供参考指标多。除最大胶质层厚度（y值）外，有加热过程中样品的体积膨胀收缩图、软化点、固化点、可塑带、收缩率、焦块裂纹率。这些指标综合起来，其重要意义甚至要超过Y值这一个数。当煤中配入弱粘结性煤时，膨胀曲线大多要发生变化。膨胀曲线也能反映结焦过程中的膨胀压力，而膨胀压力，可以促进界面反应的进行谢谢大家！祝大家中秋节快乐！
