CN113817489B - 基于焦炭光学特性指标的配煤方法 - Google Patents

基于焦炭光学特性指标的配煤方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于焦炭光学特性指标的配煤方法，包括步骤1：单种煤炼焦；步骤2：标定反射率测定工作曲线；步骤3：测定单种煤焦炭的各向异性指数Φ和最大反射率Rmax；步骤4：Rmax＜7.9％的单种煤在配合煤中质量比例不超过30％；Rmax＞9％且Φ＜0.470的单种煤在配合煤中质量比例不超过25％；步骤5：设定配合煤中各单种煤的配比，根据配比计算配合煤焦炭的Φ，
Figure DDA0002544409720000011
步骤6：预测配合煤焦炭的CRI＝76.33‑126.06Φ，CSR＝‑2.56+166.63Φ。本发明根据有限试验次数、预测任意煤种数量和比例结构的配煤方案所得到的焦炭质量，选出焦炭质量能满足高炉冶炼要求且成本最低的配煤方案。

Description

基于焦炭光学特性指标的配煤方法
技术领域
本发明涉及炼焦配煤方法，尤其涉及一种基于焦炭光学特性指标的配煤方法。
背景技术
现代室式炼焦工艺的装炉煤，通常是由多个单种煤按适宜比例配成的配合煤。由于高炉要求焦炭的灰分低、含硫少、强度好、各向异性程度高，而在大规模生产条件下，单种煤炼焦很难满足上述要求，现有的煤炭资源也无法满足单种煤炼焦的需求，必须采用配煤炼焦。
配煤技术的核心是如何将不同质量的各单种煤按一定的比例搭配起来，得到的配合煤成本既低，又能炼出满足一定质量要求的焦炭。由于炼焦过程是一个非常复杂的高温化学反应过程，学术界关于从煤到焦的成焦机理还有争议，因此目前还无法完全通过理论计算出不同配煤结构的焦炭质量，尤其是焦炭的强度指标。目前所有的配煤方法都是基于实验的经验配煤法，可以先在实验焦炉上进行炼焦试验，实验焦炉越大，得到的焦炭质量越接近生产焦炉的焦炭质量，试验结果也就越可靠，但试验过程比较复杂、效率低、试验成本高。为了模拟生产焦炉的升温速度，炼焦试验通常耗费十几个小时，只能对数量有限的少量配比进行试验，无法满足任意配比的调整要求，尤其不适用于配煤方案有重大调整或有比较重要的新煤种引入的情况。
现有技术的焦炭质量预测模型和配煤专家系统能够基于有限的煤质数据预判不同配煤方案所能得到的焦炭质量，由于影响焦炭质量的煤质指标太多，甚至有些影响因素可能还未被发现，大量的焦炭质量预测模型在使用当中都存在局限性。中国发明专利ZL201410417811.1公开了一种适合顶装焦炉的配煤专家系统，通过多因素非线性回归建立起焦炭强度与配合煤性能指标之间的函数关系，配合煤的各性能指标由单种煤的相应指标按配比加和计算得到。该发明专利主要存在以下不足：
1、先建立焦炭质量与配合煤性能指标间的关系，再通过单种煤性能指标和配比计算得到配合煤指标，中间需要通过配合煤的性能指标作为过渡，从而实现预测不同配煤结构下的焦炭质量，该方法的可靠性很大程度上取决于单种煤煤质指标的加和性，但MF只在2.3-3.5范围内具有相对较好的加和性，而G值也只在一定程度上具有可加性(参见《宝钢大型高炉操作与管理》，朱仁良编著，冶金工业出版社，2015)。当配合煤性能指标实测值与计算值偏大较大就会影响到焦炭质量预测的精度。
2、模型涉及到的煤质指标较多，检测分析工作量较大，应用受限不便利。
3、尽管包括了多个表征煤黏结性的指标，但这些指标也存在各自的缺陷，比如MF对强黏煤有夸大现象，主要原因为胶质体中气体含量高，而且一些强黏煤在加热过程中液相产物多而不易测准。G值的缺点是测定中要用到无烟煤标样，而性质恒定不变的无烟煤标样是不存在的，实际上每批标准无烟煤性质都不一样，这也会影响到分析结果的可比性。
中国发明专利ZL 201010585453.7公开了一种利用基氏流动度指标进行配煤炼焦的方法，首先设定配合煤中不同煤种的大致比例范围，然后对配合煤质量进行控制，该方法对不同配煤方案的配合煤进行检测，而不是由单种煤的煤质指标计算得到配合煤指标，可以避免煤质指标的加和性问题。只要配合煤的指标落在控制范围内，由该配合煤得到的焦炭质量就能达到预期水平；但配煤方案受到指标检测数量的限制，无法对任意配比的所有方案都进行检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于焦炭光学特性指标的配煤方法，能根据有限试验次数、预测任意煤种数量和比例结构的配煤方案所得到的焦炭质量，挑选出焦炭质量能够满足高炉冶炼要求且配煤成本最低的配煤方案。
本发明是这样实现的：
一种基于焦炭光学特性指标的配煤方法，包括以下步骤：
步骤1：分别对各单种煤进行炼焦，得到单种煤焦炭；
步骤2：标定反射率测定系统，得到反射率测定工作曲线；
步骤3：分别测定各单种煤焦炭的各向异性指数Φ和最大反射率Rmax；
步骤4：限定配合煤中各单种煤的比例范围并优化配合煤的煤种配比，限定条件包括：
限定条件i：按质量百分比计，最大反射率Rmax＜7.9％的单种煤在配合煤中的比例不超过30％；
限定条件ii：按质量百分比计，最大反射率Rmax＞9％，且各向异性指数Φ＜0.470的单种煤在配合煤中的比例不超过25％；
限定条件i和ii应同时满足；
步骤5：设定配合煤中各单种煤的配比，计算配合煤焦炭的各向异性指数Φ，计算公式为：
Figure BDA0002544409700000031
其中，Φi为配合煤中第i种单种煤所得焦炭的各向异性指数Φ，Xi为配合煤中第i种单种煤的质量百分比；
步骤6：预测配合煤焦炭的反应性CRI和反应后强度CSR，预测公式为：
反应性CRI＝76.33-126.06Φ (2)
反应后强度CSR＝-2.56+166.63Φ (3)。
每种所述的单种煤的炼焦方法是：
步骤1.1：破碎单种煤，使破碎后的单种煤粒度在3mm以下；
步骤1.2：取不少于300g破碎后的单种煤粉，隔绝空气加热，从室温加热到950℃，加热时升温速度控制在3～5℃/min之间；
步骤1.3：加热到950℃后恒温3-4小时；
步骤1.4：隔绝空气自然冷却单种煤焦炭。
在所述的步骤3中，统计拍摄的单种煤焦炭所有像素点的最大反射率Rmax和各向异性指数Φ，计算单种煤焦炭的所有有效像素点的最大反射率Rmax的平均值，得到该单种煤焦炭的最大反射率Rmax，计算单种煤焦炭的所有有效像素点的各向异性指数Φ的平均值，得到该单种煤焦炭各向异性指数Φ。
在统计单种煤焦炭所有像素点的最大反射率Rmax和各向异性指数Φ时，将最大反射率Rmax≥3.5％的像素点划归为有效像素点，最大反射率Rmax＜3.5％的像素点划归为无效像素点，即背景和孔洞。
在统计单种煤焦炭所有像素点的最大反射率Rmax和各向异性指数Φ时，有效像素点的数量在5000万个以上。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明通过测定各单种煤焦炭的光学特性，即可预测各单种煤的任意配比的配合煤所生产的焦炭的质量指标，焦炭质量指标尤其是CRI和CSR的预测值准确性高，解决了传统配煤方法中每次试验只能对单个配比进行预测即一个配比只能对应一次炼焦试验的问题，实现任意配比的比较和预测。
2、本发明利用各向异性指数Φ良好的可加性，使得预测模型只需要一个参数就可满足可靠性要求，相比现有焦炭热性能指标预测模型需要用到2-3个甚至更多的煤质参数，采用本发明的配煤方法能更便捷的预测焦炭质量，实际使用效果良好。
3、本发明采用自动测量的技术方案测定最大反射率Rmax和各向异性指数Φ，在实现快速测定的同时有效排除了人为干扰；且单次分析的有效点数能够达到5000万个以上，分析效率和测量精度非常高。
本发明能通过有限的试验次数、预测任意煤种数量和比例结构的配煤方案所得到的焦炭质量，从中挑选出焦炭质量能够满足高炉冶炼要求的配煤方案，尤其是高炉特别重视的焦炭反应性和反应后强度指标均在控制范围内，为制订、评估配煤方案提供了一种更简便且准确度更高的技术方法；采用本发明优化的配煤方案既能生产出优质的焦炭，又能提高低价煤的用量，降低焦炭的生产成本。
附图说明
图1是本发明基于焦炭光学特性指标的配煤方法的流程图；
图2是焦炭反射率测定工作曲线；
图3是采用带有自动扫描与拍摄功能的光学显微镜拍摄单种煤焦炭数字图像的流程图；
图4是采用带有自动扫描与拍摄功能的光学显微镜拍摄到的单种煤焦炭某个视域的数字图像(起偏器位于0°)；
图5是采用带有自动扫描与拍摄功能的光学显微镜拍摄到的单种煤焦炭与图4同个视域的数字图像(起偏器位于18°)；
图6是采用带有自动扫描与拍摄功能的光学显微镜拍摄到的单种煤焦炭与图4同个视域的数字图像(起偏器位于36°)；
图7是采用带有自动扫描与拍摄功能的光学显微镜拍摄到的单种煤焦炭与图4同个视域的数字图像(起偏器位于54°)；
图8是采用带有自动扫描与拍摄功能的光学显微镜拍摄到的单种煤焦炭与图4同个视域的数字图像(起偏器位于72°)；
图9是采用带有自动扫描与拍摄功能的光学显微镜拍摄到的单种煤焦炭与图4同个视域的数字图像(起偏器位于90°)；
图10是采用带有自动扫描与拍摄功能的光学显微镜拍摄到的单种煤焦炭与图4同个视域的数字图像(起偏器位于108°)；
图11是采用带有自动扫描与拍摄功能的光学显微镜拍摄到的单种煤焦炭与图4同个视域的数字图像(起偏器位于126°)；
图12是采用带有自动扫描与拍摄功能的光学显微镜拍摄到的单种煤焦炭与图4同个视域的数字图像(起偏器位于144°)；
图13是采用带有自动扫描与拍摄功能的光学显微镜拍摄到的单种煤焦炭与图4同个视域的数字图像(起偏器位于162°)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
请参见附图1，一种基于焦炭光学特性指标的配煤方法，包括以下步骤：
步骤1：分别对各单种煤进行炼焦，得到单种煤焦炭。
每种单种煤的炼焦方法是：
步骤1.1：破碎单种煤，使破碎后的单种煤粒度在3mm以下。
步骤1.2：取不少于300g破碎后的单种煤粉，隔绝空气加热，从室温加热到950℃。优选的，加热时的升温速度控制在3-5℃/min。
步骤1.3：加热到950℃后恒温3-4小时。
步骤1.4：自然冷却单种煤焦炭。冷却过程也要在隔绝空气的条件下进行。
步骤2：标定反射率测定系统，得到反射率测定工作曲线。
反射率测定工作曲线的标定方法是：采用带自动扫描与拍摄功能的光学显微镜作为分析平台，在对焦炭样品分析之前，先采用已知反射率的标准物质对显微镜进行标定。标定是在单偏光下用数字摄像头拍摄3-4个已知反射率的标准片，通过线性回归建立起数字图像的像素值与反射率之间的对应关系，请参见附图2，以此作为后续反射率测定时的工作曲线。在对焦炭样品进行测量时，利用该工作曲线，可以根据拍摄到的数字图像的像素值及该对应关系换算成焦炭的反射率。
步骤3：分别测定各单种煤焦炭的各向异性指数Φ和最大反射率Rmax。
采用带有自动扫描与拍摄功能的光学显微镜作为分析平台测定单种煤焦炭的各向异性指数Φ和最大反射率Rmax，具体操作是：将制好的单种煤焦炭的样品置于自动扫描载物台上开始拍摄。制样参照行业标准YB/T 077-2017“焦炭光学组织的测定方法”中的制样方法。拍摄前根据总的拍摄视域数设置载物台在X、Y方向上自动扫描时移动的步长和步数，以使拍摄到的视域在样品表面呈均匀分布。为了使测定结果有较好的重现性和稳定性，一般每个样品一次分析拍摄的视域总数不少于200个。
请参见附图3，拍摄在单偏光下进行。开始拍摄时，对于每一个拍摄视域，起偏器从0°开始转动到180°，每隔18°拍摄一张数字图像，因180°与0°重合，每个视域共拍摄十张数字图像，请参见附图4至附图13。完成一个视域的拍摄之后，载物台根据预设的步长和步数自动移动到下一个拍摄视域，再拍摄十张数字图像。再移动到下一个拍摄视域，直至所有视域全部扫描拍完。拍摄过程中，起偏器旋转角度的控制、载物台的移动及摄像机的拍摄过程全部由计算机控制自动完成。
每个视域拍到的十张数字图像为一组。在十张一组的数字图像中，每张数字图像含有100万个像素点(数字图像的像素点数量取决于摄像头的分辨率，分辨率越高像素点越多)，每个像素点在不同偏振光角度下都被拍摄了十次，得到十个反射率测定值，其中，反射率测定最大值和反射率测定最小值分别对应该像素点的最大反射率Rmax和最小反射率Rmin，最大反射率Rmax与最小反射率Rmin之差为双反射率Rbi。双反射率Rbi与最大反射率Rmax的比值为各向异性指数Φ。采用该系统一次分析200个视域最终得到的有效像素点可达到5000万个以上，可保证分析结果具有较高的稳定性和可靠性。
统计单种煤焦炭的所有像素点的最大反射率Rmax和各向异性指数Φ，将其中最大反射率Rmax＜3.5％的像素点划归为背景和孔洞，即无效像素点，剩余的像素点，即最大反射率Rmax≥3.5％的像素点归为有效像素点。计算每个单种煤焦炭的所有有效像素点的最大反射率Rmax的平均值，得到该单种煤焦炭的最大反射率Rmax。计算每个单种煤焦炭的所有有效像素点的各向异性指数Φ的平均值，得到该单种煤焦炭的各向异性指数Φ。
步骤4：限定配合煤中各单种煤的比例范围并优化配合煤的煤种配比，限定条件包括：
限定条件i：按质量百分比计，最大反射率Rmax＜7.9％的单种煤在配合煤中的比例不超过30％。
限定条件ii：按质量百分比计，最大反射率Rmax＞9％，且各向异性指数Φ＜0.470的单种煤在配合煤中的比例不超过25％。
限定条件i和ii应同时满足。
步骤5：设定配合煤中各单种煤的配比，计算配合煤焦炭的各向异性指数Φ，计算公式为：
Figure BDA0002544409700000071
其中，Φi为配合煤中第i种单种煤所得焦炭的各向异性指数Φ，Xi为配合煤中第i种单种煤的质量百分比。
步骤6：预测配合煤焦炭的反应性CRI和反应后强度CSR，预测公式为：
反应性CRI＝76.33-126.06Φ (2)
反应后强度CSR＝-2.56+166.63Φ (3)
根据预测的配合煤焦炭的反应性CRI和反应后强度CSR即可判断采用该配煤方案生产的焦炭成品是否满足高炉对焦炭热性能的要求，同时能根据单种煤的价格和配比得到该配煤方案的配合煤成本。
当预测的配合煤焦炭的反应性CRI和反应后强度CSR指标符合要求时，通过对不同配煤方案进行对比，在所有满足CRI和CSR指标要求的配煤方案中可以挑选成本最低的方案组织生产，从而有效降低焦炭的生产成本。
某厂现有12种单种煤，对该12种单种煤进行炼焦试验得到的焦炭最大反射率Rmax和各向异性指数Φ如表1所示：
表1各单种煤焦炭的最大反射率Rmax和各向异性指数Φ
Figure BDA0002544409700000072
Figure BDA0002544409700000081
实施例1：
基于上述12种单种煤，制定配煤方案，各单种煤的质量比例如表2所示：
表2实施例1配煤方案配比
单种煤 配比
A 0％
B 5％
C 16％
D 0％
E 5％
F 10％
G 5％
H 19％
I 0％
J 22％
K 5％
L 13％
根据表1中12种单种煤焦炭的光学特性参数和表2的配比，利用公式(1)计算得到实施例1的配合煤焦炭的各向异性指数Φ＝0.421。再由预测公式(2)和(3)计算得到该配合煤焦炭反应性CRI和反应后强度CSR的预测值分别为23.32％和67.51％。
采用该配煤方案生产焦炭，该焦炭的实际反应性CRI和反应后强度CSR分别为22.01％和68.95％，因此，采用本发明的配煤方法能较为准确的预测配合煤实际生产焦炭的性能，对配煤具有重要的参考意义和指导意义。
实施例2：
基于上述12种单种煤，制定配煤方案，各单种煤的质量比例如表3所示：
表3实施例2配煤方案配比
单种煤 配比
A 7％
B 0％
C 6％
D 11％
E 11％
F 6％
G 0％
H 23％
I 10％
J 3％
K 10％
L 13％
根据表1中12种单种煤焦炭的光学特性参数和表3的配比，利用公式(1)计算得到实施例1的配合煤焦炭的各向异性指数Φ＝0.423。再由预测公式(2)和(3)计算得到该配合煤焦炭反应性CRI和反应后强度CSR的预测值分别为23.06％和67.86％。
采用该配煤方案生产焦炭，该焦炭的实际反应性CRI和反应后强度CSR分别为22.31％和69.11％，因此，采用本发明的配煤方法能较为准确的预测配合煤实际生产焦炭的性能，对配煤具有重要的参考意义和指导意义。
实施例3：
基于上述12种单种煤，制定配煤方案，各单种煤的质量比例如表4所示：
表4实施例3配煤方案配比
Figure BDA0002544409700000091
Figure BDA0002544409700000101
根据表1中12种单种煤焦炭的光学特性参数和表3的配比，利用公式(1)计算得到实施例1的配合煤焦炭的各向异性指数Φ＝0.410。再由预测公式(2)和(3)计算得到该配合煤焦炭反应性CRI和反应后强度CSR的预测值分别为24.70％和65.69％。
采用该配煤方案生产焦炭，该焦炭的实际反应性CRI和反应后强度CSR分别为25.73％和66.02％，因此，采用本发明的配煤方法能较为准确的预测配合煤实际生产焦炭的性能，对配煤具有重要的参考意义和指导意义。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于焦炭光学特性指标的配煤方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：分别对各单种煤进行炼焦，得到单种煤焦炭；
步骤2：标定反射率测定系统，得到反射率测定工作曲线；
步骤3：分别测定各单种煤焦炭的各向异性指数Φ和最大反射率Rmax；
步骤4：限定配合煤中各单种煤的比例范围并优化配合煤的煤种配比，限定条件包括：
限定条件i：按质量百分比计，最大反射率Rmax＜7.9％的单种煤在配合煤中的比例不超过30％；
限定条件ii：按质量百分比计，最大反射率Rmax＞9％，且各向异性指数Φ＜0.470的单种煤在配合煤中的比例不超过25％；
限定条件i和ii应同时满足；
步骤5：设定配合煤中各单种煤的配比，计算配合煤焦炭的各向异性指数Φ，计算公式为：
Figure FDA0002544409690000011
其中，Φi为配合煤中第i种单种煤所得焦炭的各向异性指数Φ，Xi为配合煤中第i种单种煤的质量百分比；
步骤6：预测配合煤焦炭的反应性CRI和反应后强度CSR，预测公式为：
反应性CRI＝76.33-126.06Φ (2)
反应后强度CSR＝-2.56+166.63Φ (3)。
2.根据权利要求1所述的基于焦炭光学特性指标的配煤方法，其特征是：每种所述的单种煤的炼焦方法是：
步骤1.1：破碎单种煤，使破碎后的单种煤粒度在3mm以下；
步骤1.2：取不少于300g破碎后的单种煤粉，隔绝空气加热，从室温加热到950℃，加热时升温速度控制在3～5℃/min之间；
步骤1.3：加热到950℃后恒温3-4小时；
步骤1.4：隔绝空气自然冷却单种煤焦炭。
3.根据权利要求1所述的基于焦炭光学特性指标的配煤方法，其特征是：在所述的步骤3中，统计拍摄的单种煤焦炭所有像素点的最大反射率Rmax和各向异性指数Φ；计算单种煤焦炭的所有有效像素点的最大反射率Rmax的平均值，得到该单种煤焦炭的最大反射率Rmax，计算单种煤焦炭的所有有效像素点的各向异性指数Φ的平均值，计算该单种煤焦炭各向异性指数Φ。
4.根据权利要求3所述的基于焦炭光学特性指标的配煤方法，其特征是：在统计单种煤焦炭所有像素点的最大反射率Rmax和各向异性指数Φ时，将最大反射率Rmax≥3.5％的像素点划归为有效像素点，最大反射率Rmax＜3.5％的像素点划归为无效像素点，即背景和孔洞。
5.根据权利要求3或4所述的基于焦炭光学特性指标的配煤方法，其特征是：在统计单种煤焦炭所有像素点的最大反射率Rmax和各向异性指数Φ时，有效像素点的数量在5000万个以上。
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