CN109097083A - 热性质优异的焦炭及其制备方法 - Google Patents

热性质优异的焦炭及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热性质优异的焦炭及制备方法。该热性质优异的焦炭由配合煤炼焦而成，所述配合煤包括如下重量份数的组分：1/3焦煤45‑55份、贫瘦煤10‑20份、主焦煤15‑25份、混煤3‑8份、肥煤10‑15份。本发明的有益效果为：该热性质优异的焦炭的反应性低，反应后强度高。

Description

热性质优异的焦炭及其制备方法
技术领域
本发明涉及焦炭，特别涉及一种热性质优异的焦炭及其制备方法。
背景技术
煤化工是指以煤为原料，经化学加工使煤转化为气体、液体和固体燃料以及化学品的过程，主要包括煤的气化、液化、干馏以及焦油加工和电石乙炔加工等。其中，煤干馏得到的主要产品就是焦炭。而焦炭的重要用途便是钢铁工业中的高炉炼铁。根据焦炭的灰分、硫分、机械强度、反应性和反应后强度等指标，焦炭被分为一级焦炭、二级焦炭和三次焦炭。
公开号为CN104694145A的中国专利公开了一种配用印尼气煤的焦炭及炼焦方法。该焦炭由以下质量百分比配煤混合炼焦而成：1/3焦煤10％-15％、印尼气煤5％-10％、气煤15％-20％、肥煤20％-25％、焦煤30％-40％、瘦煤4％-8％。
但是，印尼气煤在成焦时会分解出大量挥发物质，因此印尼气煤生成的焦炭因收缩大而产生较多纵裂纹，从而导致该配用印尼气煤的焦炭的反应性较强，反应后强度较弱。经过对配合煤组分的调整，该配用印尼气煤的焦炭的反应后强度达到大于65％。但人们仍然希望进一步降低焦炭的反应性，提高反应后强度。
发明内容
本发明的目的是提供一种热性质优异的焦炭。该热性质优异的焦炭的反应性低，反应后强度高。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种热性质优异的焦炭，由配合煤炼焦而成，所述配合煤包括如下重量份数的组分：1/3焦煤45-55份、贫瘦煤10-20份、主焦煤15-25份、混煤3-8份、肥煤10-15份。
本发明进一步设置为：按照重量份，所述配合煤还包括硼酸0.1-0.2份、硼砂0.1-0.2份和氧化硼0.1-0.2份。
本发明进一步设置为：按照重量份，所述配合煤还包括硼化钛0.4-0.5份和二氧化钛1-3份。
本发明进一步设置为：按照重量份，所述配合煤还包括沥青2-3份、石油焦3-8份和焦油渣2-4份。
本发明进一步设置为：按照重量份，所述配合煤还包括废塑料0.5-1.5份。
本发明进一步设置为：所述废塑料选用聚丙烯。
本发明进一步设置为：按照重量份，所述配合煤还包括氟化铝0.03-0.05份和氯化钇0.01-0.02份。
本发明另一发明目的在于提供一种热性质优异的焦炭的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：按照重量份，称取1/3焦煤45-55份、贫瘦煤10-20份、主焦煤15-25份、混煤3-8份、肥煤10-15份、硼酸0.1-0.2份、硼砂0.1-0.2份、氧化硼0.1-0.2份、硼化钛0.4-0.5份、二氧化钛1-3份、沥青2-3份、石油焦3-8份、焦油渣2-4份、废塑料0.5-1.5份、氟化铝0.03-0.05份和氯化钇0.01-0.02份；
步骤2：先将1/3焦煤、贫瘦煤、主焦煤、混煤和肥煤进行混合，再进行破碎，然后加入硼酸、硼砂、氧化硼、硼化钛、二氧化钛、沥青、石油焦、焦油渣、废塑料、氟化铝和氯化钇进行捣固，再进行炭化炼焦，炼焦温度为950-1050℃，结焦时间为18-20h，得到红焦；
步骤3：往红焦中加入熄焦水进行熄焦，熄焦完毕后进行晾晒得到焦炭。
本发明进一步设置为：所述熄焦水由如下重量百分比的组分组成：
聚乙二醇10-20％
氯化钠5-10％
硼酸1-5％
表面活性剂50-60％
吡啶1-5％
水20-30％。
本发明进一步设置为：按照重量份，所述表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚和十八烷基二羟乙基氧化胺，所述十二烷基苯磺酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚和十八烷基二羟乙基氧化胺的重量比为3∶1∶1。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、1/3焦煤是介于焦煤、肥煤、与气煤之间的含中等或较高挥发分的强粘结性煤。单独炼焦时，能生成强度较高的焦炭；
2、贫瘦煤是指煤化度高，挥发分低，粘结性介于贫煤进而瘦煤之间的烟煤。贫瘦煤的干燥无灰基挥发分Vdaf＞10-20％，粘结指数G＞5-20。贫瘦煤在加热时产生极少量胶质体，不能单独炼成块状焦炭，为炼焦煤与非炼焦煤之间的过渡煤。单独炼焦时，贫瘦煤生成的焦粉很多；当与其他适合炼焦的煤种混合时，贫瘦煤的掺入将使焦炭产品的块度增大，但它能起到瘦化剂的作用；
3、主焦煤的变质程度比肥煤略高，挥发分比肥煤稍低，其分子结构中大分子侧链比肥煤少，氧含量较低。热分解的过程中生成的液态产物比肥煤略少，但热稳定性比肥煤更高，胶质体数量多且粘性大，固化温度更高，半焦收缩量及收缩速度均较小，所以用于主焦煤炼制出的焦炭不仅块度大、裂纹少，耐磨强度高，而且抗碎强度也较好。主焦煤是结焦性最好的煤种，是最好的能炼制出高质量的焦炭的煤种。炼焦配煤的过程中，焦煤的配入量可以在比较宽的一个范围内进行波动，而且能够生产出强度较高的焦炭。故配合煤中配入主焦煤的目的就是为了增加焦炭的强度。但是由于我国主焦煤的贮量相当有限，在配煤的过程中，要尽量减少主焦煤的使用量，以节约主焦煤的开采量；
4、肥煤的煤化程度比气煤略高，属于中等变质程度的煤种。从其分子结构来看，肥煤中含的侧链比较多，但氧含量相对较少。在隔绝空气加热的过程中，能产生大量的大分子量的液态产物。因此，肥煤加热过程产生的胶质体数量为最多，其最大胶质层厚度可达25mm以上，且具有相当好的流动性能，热稳定性能也相对较好。肥煤的胶质体的生成温度为320℃，其固化温度为460℃，胶质体状态物资的温度区间为140℃。如果升温速度达3℃/分钟，胶质体的存在达50分钟，由此造成了肥煤的粘结性能最强，且是我国炼焦煤的基础煤种之一。由于肥煤的挥发分较高，半焦的热分解过程和热缩聚过程都比较剧烈，最终造成收缩量很大，所以生成的焦炭的裂纹也较多，且又深又宽，并出现较多的为横裂纹，故很容易碎成小块。肥煤用于单独炼焦时，由于胶质体数量较多，且又有一定的粘结性，膨胀性也较大，容易导致推焦困难。配合煤中加入肥煤后，可提高配合煤的粘结性，所以肥煤是炼焦配煤过程中的重要组成部分，并为多配入弱粘煤和不粘煤创造了有利条件；
5、硼酸和硼砂中的硼酸根在无水气的情况下能与晶格周边的碳原子结合，减少边缘碳原子等活性位的总量；硼在焦炭中以化合物的形式嵌入石墨晶体的层间，在碳中形成替代式固溶体；硼酸和硼砂覆盖在焦炭的表面起到保护膜的作用；硼是非金属元素，具有一般常见非金属元素的反应性能，多数情况下接受电子，在焦炭表面形成电负性离子，使氧的化学吸附位能升高，阻碍氧对碳的反应，抑制CO的生成；硼酸随着焦炭加热到1100℃时，部分脱水得到偏硼酸HBO2，进一步脱水得到B2O3，B2O3是典型的酸性物质。由于酸性物质加热脱水，在B2O3表面形成B-O-B键。B是缺电子体，具有亲电子倾向，焦炭溶损反应易发生在焦炭表面缺陷部位上。这些表面缺陷位上存在大量的碳弧对电子，使B-O-B键容易向孤对电子处聚集，从而堵塞溶损反应赖以发生的活性位，其活性点的有效表面积减小，由此阻碍溶损反应的发生，这种阻碍作用会因B-O-B键数量的增多而得到加强。因此，硼酸和硼砂的加入使焦炭溶损反应的反应性不断减小，反应后强度会不断增强；
6、氧化硼的加入使B-O-B键数量增多，进一步增强对溶损反应的阻碍作用；
7、硼化钛能够降低反应性，提高反应后强度，残留物对高炉冶炼无负面影响，适合工业化应用。二氧化钛也能够降低反应性，提高反应后强度。同时，二氧化钛在高炉冶炼时被还原成Ti(CN)高熔点物质，粘附到高炉炉缸的耐火砖上，起到保护高炉炉缸的作用，延长高炉的使用寿命；
8、沥青、石油焦和焦油渣的加入能够提高配合煤的粘结性能；同时，在体系软化熔融过程中，沥青、石油焦、焦油渣、聚丙烯和配合煤之间形成良好的共熔体。同时，沥青、石油焦和焦油渣的加入使整个体系在软化熔融时的流动性增强，更加有利于一些轻组分的溢出，减少空隙产生，从而沥青、石油焦和焦油渣在炭化过程中一方面填充因为聚丙烯熔融收缩形成的空洞，并与聚丙烯热解形成的自由基发生一定的作用从而抑制聚丙烯因为挥发分过高而增加焦炭的气孔率，从而弥补聚丙烯的加入导致焦炭的反应性增加；
9、聚丙烯与配合煤均为大分子结构且均由C、H元素组成，因而可以进行共炭化。废塑料的加入能够节省部分主焦煤，但并不会影响半焦的收率，同时提高焦油的收率；
10、氟化铝对焦炭的反应性有负催化作用，从而降低焦炭的反应性，提高焦炭反应后强度；
11、氯化钇为焦炭钝化剂体系中引入微量元素钇，而钇的加入增强焦炭钝化剂的钝化效果，进一步降低焦炭反应性，提高焦炭反应后强度；
12、聚乙二醇起到稳泡的作用。氯化钠起到催干和促进高温红焦表面石墨化的作用。硼酸从焦炭表面迅速渗透，形成充填焦炭表面孔道的硼化膜，强化焦炭表面强度。表面活性剂能够产生包裹高温红焦表面的气膜，使水不与高温红焦直接接触，基本杜绝水对高温红焦的物理冲击破坏作用和化学活化破坏作用，增加焦炭比表面积，有效地吸附粉尘，减少有害蒸汽的排放量。吡啶能够在高温条件下与硼形成氮化硼，进一步加强焦炭表面强度，从而大幅度降低熄焦造成的环境污染和热污染，有效提高焦炭的反应后强度；
13、十二烷基苯磺酸钠属于阴离子表面活性剂，烷基酚聚氧乙烯醚属于非离子表面活性剂，十八烷基二羟乙基氧化铵属于两性表面活性剂。十二烷基苯磺酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚和十八烷基二羟乙基氧化铵复配进一步提高气膜的稳定性。
具体实施方式
实施例1-5用于说明热性质优异的焦炭的组分。实施例1-5热性质优异的焦炭的组分见表1。
表1、实施例1-5热性质优异的焦炭组分表
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
1/3焦煤/份 45 50 55 52 48
贫瘦煤/份 20 10 12 18 15
主焦煤/份 25 20 18 15 23
混煤/份 8 5 4 6 3
肥煤/份 15 10 12 14 13
硼酸/份 0.1 0.2 0.1 0.1 0.2
硼砂/份 0.2 0.1 0.2 0.1 0.1
氧化硼/份 0.2 0.1 0.1 0.1 0.2
硼化钛/份 0.4 0.5 0.4 0.5 0.4
二氧化钛/份 3 2 1 2 3
沥青/份 2 3 2 3 2
石油焦/份 8 3 4 5 6
焦油渣/份 4 2 2 3 4
废塑料/份 1.5 1 0.5 0.7 1.3
氟化铝/份 0.03 0.05 0.04 0.03 0.04
氯化钇/份 0.02 0.01 0.02 0.01 0.01
注：“份”指重量份；废塑料选用聚丙烯；
其中，1/3焦煤购买自高庄低灰和大屯低灰，高庄低灰和大屯低灰的比例为16∶33；
贫瘦煤购买自潞安；主焦煤购买自迈迪S1.0和汇丰S2.0，迈迪S1.0和汇丰S2.0的比例为10∶9；混煤为捣固步骤产生的余煤；肥煤购买自大榭。
结合表1，以下详细说明热性质优异的焦炭的制备方法。
一种热性质优异的焦炭的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：按照重量份，称取1/3焦煤、贫瘦煤、主焦煤、混煤、肥煤、硼酸、硼砂、氧化硼、硼化钛、二氧化钛、沥青、石油焦、焦油渣、聚丙烯、氟化铝和氯化钇；
步骤2：先将1/3焦煤、贫瘦煤、主焦煤、混煤和肥煤进行混合，再进行破碎，然后加入硼酸、硼砂、氧化硼、硼化钛、二氧化钛、沥青、石油焦、焦油渣、聚丙烯、氟化铝和氯化钇进行捣固，再进行炭化炼焦，炼焦温度为950-1050℃，结焦时间为18-20h，得到红焦；
步骤3：往红焦中加入熄焦水进行熄焦，熄焦完毕后进行晾晒得到焦炭。
表2、热性质优异的焦炭的制备方法参数表
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
熄焦温度/℃ 1050 1000 1020 950 970
结焦时间/h 20 18 19 18.5 19.5
实施例6-10用于说明熄焦水的组分。实施例6-10熄焦水的组分见表3。
表3、实施例6-10熄焦水的组分表
实施例6 实施例7 实施例8 实施例9 实施例10
聚乙二醇/％ 20 18 15 10 13
氯化钠/％ 8 5 6 7 10
硼酸/％ 3 4 2 1 5
表面活性剂/％ 55 52 57 60 50
吡啶/％ 5 4 3 1 2
水/％ 25 22 27 30 20
注：“％”指重量百分比；表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚和十八烷基二羟乙基氧化胺。十二烷基苯磺酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚和十八烷基二羟乙基氧化胺的重量比为3∶1∶1。
结合表3，以下详细说明熄焦水的制备方法。
S1：按照重量比为3∶1∶1分别称取十二烷基苯磺酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚和十八烷基二羟乙基氧化胺，混合均匀得到表面活性剂；
S2：按照重量百分比，称取聚乙二醇、氯化钠、硼酸、表面活性剂、吡啶和水，混合均匀得到熄焦水。
其中，实施例1采用实施例6的熄焦水，实施例2采用实施例7的熄焦水，实施例3采用实施例8的熄焦水，实施例4采用实施例9的熄焦水，实施例5采用实施例10的熄焦水。
反应性和反应后强度试验
步骤1：参照GB/T 4000-1996《焦炭反应性及反应后强度试验方法》测试实施例1的反应性和反应后强度；
步骤2：重复5次步骤1，将5次得到的实施例1的反应性和反应后强度取平均值作为最终的反应性和反应后强度；
步骤3：将实施例2-5重复步骤1和2，得到实施例2-5的反应性和反应后强度。
表4、实施例1-5反应性和反应后强度试验记录表
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
反应性/％ 20.18 19.61 18.75 18.98 19.86
反应后强度/％ 71.93 72.67 73.59 73.13 72.42
从表4可知，实施例1-5的反应性和反应后强度均符合一级焦炭的标准。对比实施例1-5可知，实施例3的反应性最低，反应后强度最高。
成分试验
参照GB/T 2001-2013《焦炭工业分析测定方法》对实施例1-5的灰分进行测定，
参照GB/T 2286-2017《焦炭全硫含量的测定方法》对实施例1-5的硫分进行测定。
表5、实施例1-5成分试验记录表
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
灰分(A<sub>d</sub>)/％ 9.07 8.76 8.15 8.49 8.83
硫分S<sub>t，d</sub>(质量分数)/％ 0.57 0.56 0.55 0.56 0.58
从表5可知，实施例1-5的灰分和硫分均符合一级焦炭的标准。对比实施例1-5可知，实施例3的灰分和硫分均最低。
机械强度试验
参照GB/T 2006-2008《焦炭机械强度的测定方法》对实施例1-5的机械强度进行测定。
表6、实施例1-5机械强度试验记录表
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
M<sub>40</sub>/％ 85.1 85.4 85.9 85.5 85.6
M<sub>10</sub>/％ 4.8 4.7 4.5 4.6 4.9
注：M40越大，表面抗碎强度越高；M10越小，表明耐磨强度越高。
从表6可知，实施例1-5的机械强度均符合一级焦炭的标准。对比实施例1-5可知，实施例3的抗碎强度最高，耐磨强度最高。
对比例1
选用公开号为CN104694145A的中国专利的方案4作为对比例1。
将实施例3和对比例1重复反应性和反应后强度试验、成分试验和机械强度试验并进行记录。
表7、实施例3和对比例1试验记录表
实施例3 对比例1
反应性/％ 18.75 25.95
反应后强度/％ 73.59 65.65
灰分(A<sub>d</sub>)/％ 8.15 11.14
硫分S<sub>t，d</sub>(质量分数)/％ 0.55 0.68
M<sub>40</sub>/％ 85.9 82.3
M<sub>10</sub>/％ 4.5 6.7
注：M40越大，表面抗碎强度越高；M10越小，表明耐磨强度越高。
从表7可知，相比于对比例1，实施例3在反应性、反应后强度、灰分、硫分、抗碎强度和耐磨强度等指标上均更为优异。
对比例2
对比例2与实施例3的区别在于去除氯化钇，其他均与实施例3相同。
对比例3
对比例3与实施例3的区别在于去除氟化铝，其他均与实施例3相同。
对比例4
对比例4与实施例3的区别在于同时去除氯化钇和氟化铝，其他均与实施例3相同。
将实施例3和对比例2-4重复反应性和反应后强度试验、成分试验和机械强度试验并进行记录。
表8、实施例3和对比例2-4试验记录表
实施例3 对比例2 对比例3 对比例4
反应性/％ 18.75 22.55 22.38 23.67
反应后强度/％ 73.59 68.28 69.37 67.67
灰分(A<sub>d</sub>)/％ 8.15 10.04 9.24 10.06
硫分S<sub>t，d</sub>(质量分数)/％ 0.55 0.65 0.62 0.65
M<sub>40</sub>/％ 85.9 84.5 83.7 83.6
M<sub>10</sub>/％ 4.5 5.4 6.0 6.2
注：M40越大，表面抗碎强度越高；M10越小，表明耐磨强度越高。
对比表8中实施例3和对比例2-4可得出以下结论：
实施例3在反应性、反应后强度、灰分、硫分、抗碎强度和耐磨强度等指标上均优于对比例2和3。
对比例4在反应性和反应后强度这两个指标上均劣于对比例2和3。由此可见，氯化钇和氟化铝均能够降低反应性，提高反应后强度。但是，氯化钇和氟化铝复配使用导致反应性的降低程度和反应后强度的提高程度大于氯化钇和氟化铝各自单独使用导致反应性的降低程度和反应后强度提高程度之和。因此，氯化钇和氟化铝在本发明中能够产生复配作用，增加反应性的降低程度和反应后强度的提高程度。
对比例4在灰分和硫分这三个指标上均和对比例2相近，但劣于对比例3。由此可见，氯化钇能够降低灰分和硫分，而氟化铝几乎对灰分和硫分不造成影响。但是，氯化钇和氟化铝复配使用导致灰分和硫分的降低程度大于氯化钇单独使用导致灰分和硫分的降低程度。因此，氯化钇和氟化铝在本发明中能够产生复配作用，增加灰分和硫分的降低程度。
对比例4在抗碎强度和耐磨强度这两个指标上均劣于对比例2，但和对比例3较为接近。由此可见，氯化钇几乎对抗碎强度和耐磨强度不造成影响，而氟化铝能够提高抗碎强度和耐磨强度。但是，氯化钇和氟化铝复配使用导致抗碎强度和耐磨强度的提高程度大于氟化铝单独使用导致抗碎强度和耐磨强度的提高程度。因此，氯化钇和氟化铝在本发明中能够产生复配作用，增加抗碎强度和耐磨强度的提高程度。
本实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种热性质优异的焦炭，其特征是：由配合煤炼焦而成，所述配合煤包括如下重量份数的组分：1/3焦煤45-55份、贫瘦煤10-20份、主焦煤15-25份、混煤3-8份、肥煤10-15份。
2.根据权利要求1所述的热性质优异的焦炭，其特征是：按照重量份，所述配合煤还包括硼酸0.1-0.2份、硼砂0.1-0.2份和氧化硼0.1-0.2份。
3.根据权利要求1所述的热性质优异的焦炭，其特征是：按照重量份，所述配合煤还包括硼化钛0.4-0.5份和二氧化钛1-3份。
4.根据权利要求1所述的热性质优异的焦炭，其特征是：按照重量份，所述配合煤还包括沥青2-3份、石油焦3-8份和焦油渣2-4份。
5.根据权利要求1所述的热性质优异的焦炭，其特征是：按照重量份，所述配合煤还包括废塑料0.5-1.5份。
6.根据权利要求5所述的热性质优异的焦炭，其特征是：所述废塑料选用聚丙烯。
7.根据权利要求1所述的热性质优异的焦炭，其特征是：按照重量份，所述配合煤还包括氟化铝0.03-0.05份和氯化钇0.01-0.02份。
8.一种热性质优异的焦炭的制备方法，其特征是：包括如下步骤：
步骤1：按照重量份，称取1/3焦煤45-55份、贫瘦煤10-20份、主焦煤15-25份、混煤3-8份、肥煤10-15份、硼酸0.1-0.2份、硼砂0.1-0.2份、氧化硼0.1-0.2份、硼化钛0.4-0.5份、二氧化钛1-3份、沥青2-3份、石油焦3-8份、焦油渣2-4份、废塑料0.5-1.5份、氟化铝0.03-0.05份和氯化钇0.01-0.02份；
步骤2：先将1/3焦煤、贫瘦煤、主焦煤、混煤和肥煤进行混合，再进行破碎，然后加入硼酸、硼砂、氧化硼、硼化钛、二氧化钛、沥青、石油焦、焦油渣、废塑料、氟化铝和氯化钇进行捣固，再进行炭化炼焦，炼焦温度为950-1050℃，结焦时间为18-20h，得到红焦；
步骤3：往红焦中加入熄焦水进行熄焦，熄焦完毕后进行晾晒得到焦炭。
9.根据权利要求8所述的热性质优异的焦炭的制备方法，其特征是：所述熄焦水由如下重量百分比的组分组成：
聚乙二醇10-20%
氯化钠5-10%
硼酸1-5%
表面活性剂50-60%
吡啶1-5%
水20-30%。
10.根据权利要求9所述的热性质优异的焦炭的制备方法，其特征是：按照重量份，所述表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚和十八烷基二羟乙基氧化胺，所述十二烷基苯磺酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚和十八烷基二羟乙基氧化胺的重量比为3:1:1。
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