TWI748706B - 煤炭的表面張力推測方法以及焦炭的製造方法 - Google Patents
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Abstract
提供一種簡便地推測煤炭的表面張力之方法。
一種煤炭的表面張力推測方法，係將複數個品牌的煤炭之表示表面張力、煤炭化度的物性值及總惰性量進行多元迴歸分析，並預先生成以目標變數作為煤炭的表面張力且包含前述物性值及前述總惰性量作為解釋變數的迴歸式，測定欲推測表面張力的煤炭的前述物性值及總惰性量，並使用所測定的前述物性值及前述總惰性量與前述迴歸式算出煤炭的表面張力。
Description
本發明，係關於煤炭的表面張力推測方法以及焦炭的製造方法。
作為用於在高爐中製造熔鐵的高爐原料使用之焦炭係以高強度為佳。焦炭若強度低則會在高爐內粉化，使高爐的透氣性受到阻礙，而會無法穩定地進行熔鐵的生產。
焦炭能夠藉由乾餾煤炭而獲得。所謂乾餾，係將煤炭在非氧化性的環境氣體加熱至熱分解溫度以上(大約300℃以上)的操作。作為焦炭的原料之煤炭，係適合使用在乾餾過程之350~600℃軟化熔融的煤炭。藉由進行軟化熔融，粉狀或粒子狀的煤炭會彼此接著、熔接而獲得塊狀的焦炭。
為了製造高強度的焦炭，煤炭係彼此確實接著為佳。作為用以評估煤炭的接著性之物性值，係使用熱處理了的煤炭(半焦炭)的表面張力。
作為煤炭的表面張力的測定方法，係已知有毛管上升法、最大泡壓法、液重法、懸滴法、輪環法、Wilhelmy法、擴張/收縮法、滑落法、水膜浮游(Film Flotation)法等。煤炭係以各種分子構造構成，且可預期其表面張力亦不會一致，故能夠期待表面張力分布的評估之非專利文獻1及專利文獻1所記載之水膜浮游法可謂最為合理的測定法。
水膜浮游法，係應用了在將粉碎了的試料粒子投入至液體時，於試料粒子自上浮狀態開始沉降的情形，試料粒子與液體的表面張力相等之思想的手法。使試料粒子掉落至具有各種表面張力的液體，並對於各個液體求取漂浮之試料粒子的質量比例，而自其結果獲得表面張力分布。能夠測定強黏結煤、非微黏結煤、無煙煤及將該等熱處理了的熱處理煤炭(半焦炭)等無論煤種之各種煤炭的表面張力。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本特許第5737473號公報
[非專利文獻]
非專利文獻1：D.W.Fuerstenau:International Journal of Mineral Processing,20(1987),153
[發明所欲解決之問題]
藉由水膜浮游法所進行之煤炭的表面張力的測定，需長時間(約1天左右)進行，而有自時間的觀點而言效率不佳之問題。因表面張力的測定操作繁瑣，故會有若非熟練的測定者則表面張力之測定會不穩定之問題。因此，本發明之目的，係在於提供一種解決煤炭的表面張力之測定中之該等問題且能夠簡便地推測煤炭的表面張力之方法。
[解決問題之技術手段]
用以解決前述問題之手段，係如以下記載。
(1)將複數個品牌的煤炭之表示表面張力、煤炭化度的物性值及總惰性量進行多元迴歸分析，並預先生成以目標變數作為煤炭的表面張力且包含前述物性值及前述總惰性量作為解釋變數的迴歸式，測定欲推測表面張力的煤炭的前述物性值及總惰性量，並使用所測定的前述物性值及前述總惰性量與前述迴歸式算出煤炭的表面張力。一種煤炭的表面張力推測方法，係
(2)如(1)所述之煤炭的表面張力推測方法，其中，前述物性值，係煤炭的鏡質體的平均最大反射率。
(3)如(1)或(2)所述之煤炭的表面張力推測方法，其中，前述煤炭係被加熱至350℃以上800℃以下之任一溫度的半焦炭。
(4)一種焦炭的製造方法，係摻合藉由(1)至(3)中任一項所述之煤炭的表面張力推測方法推測了表面張力的煤炭作為摻合煤，並乾餾前述摻合煤而製造焦炭。
[發明之效果]
藉由實施本發明之煤炭的表面張力推測方法，能夠簡便地推測煤炭的表面張力。如此，只要能夠簡便地推測煤炭的表面張力，則能夠將該表面張力的推測值使用於煤炭的摻合評估，藉此能夠製造高品質的焦炭。
以下，藉由本發明之實施形態說明本發明。本發明之發明者們，係著眼於煤炭的成分有因加熱而軟化熔融的成分(以下稱為軟化熔融組織)以及即便加熱亦不會軟化熔融的分量(以下稱為惰性組織)。首先，說明軟化熔融組織及惰性組織的表面張力與煤炭的表面張力的關係。
因煤炭的惰性組織比軟化熔融組織更硬，故於粉碎後的煤炭中，惰性組織有濃縮於粗粒側的傾向。利用該傾向，能夠藉由粉碎及篩分自相同品牌的煤炭調製惰性量不同的試料。測定如此般調製之惰性量不同的試料的總惰性量(以下亦有稱為TI之情形)，並將試料以預定的溫度分別進行熱處理而形成半焦炭。TI係JIS M8816所界定之總惰性量，表示煤炭所包含之惰性組織的比例(體積%)。
於本實施形態中，作為推測表面張力之對象的煤炭，係包含即半焦炭之被熱處理了的煤炭。於本實施形態之煤炭的表面張力之推測方法，對於未被熱處理的煤炭及半焦炭皆能夠運用。半焦炭的表面張力，因特別有用於焦炭強度的預測、製造強度高的焦炭，故於本實施形態係說明作為熱處理了的煤炭之半焦炭的表面張力的測定方法。於本實施形態中，半焦炭係藉由下述(a)~(c)製造。
(a)將煤炭粉碎。煤炭的粉碎粒度，自組織、性狀等不均勻的煤炭製作均質的試料之觀點而言，係將煤炭粉碎至JIS M8812所記載之煤炭的工業分析中之粉碎粒度之粒徑250μm以下為佳，粉碎至200μm以下更佳。
(b)將粉碎了的煤炭在隔絕了空氣或惰性氣體中以適當的加熱速度加熱至350℃以上800℃以下之任一溫度。加熱速度，係視在焦炭爐中製造焦炭時之加熱速度來訂定為佳。
(c)係將加熱了的煤炭在惰性氣體中冷卻而製造半焦炭。
因認為煤炭粒子之間的接著會受到表面張力的影響，故認為加熱煤炭的加熱溫度，係加熱自煤炭開始軟化熔融之350℃以上至焦炭化完成之800℃以下之任一溫度為妥當。然而，在加熱溫度350~800℃中，認為特別有助於接著的溫度係軟化熔融的溫度之350~550℃，且接著構造係在500℃左右確定。因此，作為加熱溫度，係特別以500℃附近之480~520℃為佳，於本實施形態係使加熱溫度為500℃。加熱係在不與煤炭反應之惰性氣體(例如氮、氬、氦等)環境進行為佳。
冷卻係在不與煤炭反應之惰性氣體環境進行為佳。將熱處理之後的煤炭以10℃/sec以上的冷卻速度急速冷卻為佳。進行急速冷卻的理由，係為了保持在軟化熔融狀態下之分子構造，故以認為分子構造不會變化之10℃/sec以上的冷卻速度進行冷卻為佳。使用液態氮、冰水、水或氮氣般之惰性氣體等進行急速冷卻亦可，然而使用液態氮急速冷卻為佳。
煤炭的表面張力，係使用非專利文獻1所記載之水膜浮游法進行測定。該方法，對於煤炭及自該煤炭所獲得之半焦炭皆能夠同樣地運用，藉由使用微粉碎了的試料能夠求取表面張力的分布，藉此將所獲得的表面張力的分布的平均值作為該試料的表面張力的代表值。使用水膜浮游法測定半焦炭的表面張力的詳情係記載於專利文獻1。
圖1，係表示以500℃熱處理了的6品牌(A~F)的煤炭(半焦炭)之惰性量不同的試料之表面張力(表面張力分布的平均值)的標繪(3點)及該標繪的迴歸線的圖表。圖1的橫軸係TI(%)，縱軸係表面張力(mN/m)。迴歸線係對於TI之表面張力的單迴歸式，已使該單迴歸式與各繪製的誤差為最小的方式使用最小平方法算出。如圖1所示，對於各品牌的煤炭而言，TI與表面張力之間可觀察到大致為直線性的關係。該迴歸線中對應於TI=100的值，係設惰性組織為100%之情形之表面張力(以下有稱為γ100
之情形)的推測值，對應於TI=0的值，係設軟化熔融組織為100%之情形之表面張力(以下有稱為γ0
之情形)的推測值。
自圖1可知，無論煤炭的品牌，γ0
有收斂至幾乎一定值之傾向，相對於此，γ100
沒有收斂的傾向，而隨煤炭的品牌大幅不同。如此，因可觀察到表面張力與TI有直線性的關係，以及γ100
會隨煤炭的品牌大幅不同，故認為TI及γ100
係對於煤炭的表面張力造成影響的支配要素。
發明者們，在確認到γ100
與煤炭性狀的關係性之後，發現γ100
係與煤炭的鏡質體的平均最大反射率(以下有稱為Ro之情形)有強烈的相關性。因此，認為於煤炭的表面張力造成影響的主要支配要素係TI及Ro，而確認到能夠從該等之測定值推測煤炭的表面張力。表1係表示使用於該確認之煤炭G~M之性狀。Ro係表示煤炭化度的物性值之一例。就表示煤炭化度的物性值而言，除了Ro以外，已知有煤炭的揮發成分、碳含有率、軟化熔融時之再固化溫度等，該等亦皆展現與Ro之良好相關。因此，作為對於表面張力造成影響的支配要素，係能夠使用煤炭的揮發成分、碳含量、軟化熔融時之再固化溫度以取代Ro，該等物性值能夠使用作為後述之多元迴歸分析中之解釋變數。
表1之「logMF(log/ddpm)」，係藉由JIS M8801之流動度測定法所測定之煤炭的最高流動度(Maximum Fluidity：MF/ddpm)之常用對數值。「Ro(%)」係JIS M8816之煤炭G~M的鏡質體的平均最大反射率。「TI(%)」係總惰性量(體積%)，JIS M8816之煤炭或是摻合煤的細微組織成分的測定方法及其解說，係藉由根據所記載之Parr算式之下述(1)式算出。
惰性量(體積%)=絲煤素(體積%)+硬煤素(體積%)+(2/3)×半絲煤素(體積%)+礦物質(體積%)...(1)
「實測表面張力(mN/m)」係使用水膜浮游法，測定將煤炭G~M以500℃加熱處理而製作之半焦炭的表面張力(代表值)。「推測表面張力(mN/m)」，係使用以表面張力(Y)作為目標變數並以Ro及TI作為解釋變數(X1
、X2
)之迴歸式，與Ro及TI的測定值所算出的推測表面張力。
表1之煤炭，係一般使用作為焦炭原料的煤炭之煤炭之例。使用作為焦炭原料之煤炭，係MF為0~ 60000ddpm(logMF為4.8以下)，Ro為0.6~1.8%，TI為3~50體積%之範圍，本實施形態之煤炭的表面張力推測方法係能夠妥善運用於該範圍的煤炭。
以表面張力作為目標變數並以Ro及TI作為解釋變數之迴歸式，係能夠以下述(2)式表示。
表面張力=a+b1
×Ro+b2
×TI...(2)
在此，於(2)式中，a、b1
、b2
係迴歸式的參數。
於本實施形態中，係藉由將複數個品牌之煤炭G~L的實測表面張力、Ro及TI的測定值進行多元迴歸分析而算出(2)式的參數，而獲得下述迴歸式(3)。
推測表面張力=42.805-3.123Ro+0.0614TI...(3)
表1之「推測表面張力(mN/m)」，係使用前述迴歸式(3)所算出的推測表面張力。煤炭M，雖未使用於算出迴歸式(3)的參數，然而使用迴歸式(3)所算出之煤炭M的推測表面張力係與煤炭M的實測表面張力幾乎相同。
圖2，係表示煤炭G~M之實測表面張力與推測表面張力的關係的圖表。於圖2中，橫軸係實測表面張力(mN/m)，縱軸係推測表面張力(mN/m)。圖2中之圓繪製係表示表1之煤炭G~L之標繪，四角標繪係表示表1的煤炭M的標繪。自圖2可知，實測表面張力與推測表面張力具有極為強烈的相關性。自該等結果，確認到藉由本實施形態之煤炭的表面張力推測方法，能夠以高精度推測煤炭的表面張力。
於圖2中，雖表示推測以500℃熱處理的煤炭的表面張力之例，然而本實施形態中之煤炭的熱處理溫度不限於500℃。為了確認本實施形態中之煤炭的表面張力推測方法係不限於以500℃熱處理的情形，係對於圖1所示之TI與表面張力的關係在其他熱處理溫度的情形是否亦成立進行確認。
使用3品牌(N、O、P)之煤炭，藉由前述之方法調製TI含量不同的試料。僅將該試料之熱處理溫度變更為400℃及600℃，且其他條件係以前述之(a)~(c)的方法調製半焦炭，測定各個半焦炭的表面張力，而與圖1同樣地確認到表面張力與TI的關係。
圖3，係表示熱處理溫度為400℃之3品牌(N、O、P)的煤炭之惰性量不同的試料之表面張力的標繪(3點)及該標繪的迴歸線的圖表。圖4，係表示熱處理溫度為600℃之3品牌(N、O、P)的煤炭之惰性量不同的試料之表面張力的標繪(3點)及該標繪的迴歸線的圖表。圖3、圖4的橫軸係TI(%)，縱軸係表面張力(mN/m)。
如圖3、圖4所示，可知即便是改變熱處理溫度而調製之半焦炭，TI與表面張力之間亦會成立與圖1類似的關係，若為相同的煤炭，則其傾向不會改變。如此，可知即便是改變熱處理溫度，因TI與表面張力之間亦會成立與圖1類似的關係，故本實施形態之煤炭的表面張力推測方法，能夠運用於藉由不同的熱處理溫度調整的半焦炭。
藉由350~800℃以下之熱處理溫度調製的半焦炭的表面張力，係無論煤炭的種類皆會展現相同的傾向之情事，亦揭示於專利文獻1。因此，可知本實施形態之煤炭的表面張力推測方法，係不限於以500℃熱處理的半焦炭，而亦能夠運用於藉由350℃以上800℃以下之任一溫度所調製的半焦炭。亦即，在欲推測350℃以上800℃以下之預定溫度熱處理了的煤炭的表面張力的情形，係使用在藉由該預定溫度熱處理複數個煤炭而獲得的表面張力的資料進行多元迴歸分析而獲得的迴歸式即可。
一般而言，Ro等表示煤炭的煤化度的物性值、TI等之煤炭組織分析，係在商業交易上以表示煤炭的特徵為目的而廣泛受到運用及分析。因此，若能夠自煤炭的煤化度及TI推測煤炭的表面張力，則不須倚賴熟練的測定者便能夠推測煤炭的表面張力，且能夠節省用以測定該表面張力的時間。
可知若預先生成前述迴歸式(3)，則僅需測定作為推測表面張力的對象之煤炭的Ro及TI便能夠推測該煤炭的表面張力，故藉由實施本實施形態之煤炭的表面張力推測方法，能夠以高精度且簡便、迅速地推測煤炭的表面張力。以摻合有表面張力不同的煤炭之摻合煤所製造的焦炭的強度，會比以摻合有表面張力同等的煤炭之摻合煤所製造的焦炭的強度低。如此，只要能夠推測煤炭的表面張力，則能夠將該表面張力的推測值使用於煤炭的摻合評估，因此能夠將藉由該摻合評估訂定摻合比例的摻合煤用於製造焦炭，而能夠製造高品質的焦炭。
[圖1]圖1，係表示6品牌(A~F)的煤炭之惰性量不同的試料之表面張力的標繪(3點)及該標繪的迴歸線的圖表。
[圖2]圖2，係表示煤炭G~M之實測表面張力與推測表面張力的關係的圖表。
[圖3]圖3，係表示熱處理溫度為400℃之3品牌(N、O、P)的煤炭之惰性量不同的試料之表面張力的標繪(3點)及該標繪的迴歸線的圖表。
[圖4]圖4，係表示熱處理溫度為600℃之3品牌(N、O、P)的煤炭之惰性量不同的試料之表面張力的標繪(3點)及該標繪的迴歸線的圖表。
Claims (4)
- 一種煤炭的表面張力推測方法，係： 將複數個品牌的煤炭之表示表面張力、煤炭化度的物性值及總惰性量進行多元迴歸分析，並預先生成以目標變數作為煤炭的表面張力且包含前述物性值及前述總惰性量作為解釋變數的迴歸式， 測定欲推測表面張力的煤炭的前述物性值及總惰性量，並使用所測定的前述物性值及前述總惰性量與前述迴歸式算出煤炭的表面張力。
- 如請求項1所述之煤炭的表面張力推測方法，其中， 前述物性值，係煤炭的鏡質體的平均最大反射率。
- 如請求項1或請求項2所述之煤炭的表面張力推測方法，其中， 前述煤炭係被加熱至350℃以上800℃以下之任一溫度的半焦炭。
- 一種焦炭的製造方法，係摻合藉由請求項1至請求項3中任一項所述之煤炭的表面張力推測方法推測了表面張力的煤炭作為摻合煤，並乾餾前述摻合煤而製造焦炭。
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