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1、炼焦煤各指标在优化配煤中的应用及专家系统的建立,北京煤化工分院 商铁成2015.10 徐州,煤炭科学技术研究院有限公司China Coal Research Institute,主要内容,专家系统的建立原则指标的选择及烟煤分类原则专家系统的建立结论,来源,企业的需求2005年院所基金焦炭热态质量控制技术专家系统（编号：0511004）2009年资源环境技术领域863计划重点项目新一代清洁炼焦工艺与装备开发（课题编号2009AA063302）2012年国家科技支撑计划重点项目煤炭焦化节能减排关键技术研究与开发（编号：2012BAA03B02）“新型捣固炼焦工艺开发的基础研究”和“炼焦煤粘结性与煤
2、性质关系研究”,瘦煤焦煤1/3焦煤肥煤气煤,煤场,配煤,焦炉,焦炭,初冷,终冷,洗苯,焦油,粗苯,粉碎,净煤气,脱氨,硫铵,炼焦工艺流程,专家系统的建立原则,专家系统的建立原则,焦炭制造成本：直接材料成本：原料煤、辅助材料等制造成本：直接人工、设备检修、技改、劳保、折旧等运输成本：煤炭焦炭运输费用，视距离调整期间费用：财务、管理、销售费用,炼焦配煤专家系统,影响焦炭质量的主要因素配合煤质量：原料煤+备煤工艺炼焦工艺熄焦工艺,提高焦炭质量的新技术与效果,专家系统的建立原则,、配煤炼焦优势节约优质结焦煤，扩大炼焦煤源。充分利用各单种煤的结构特性，改善焦炭质量。在保证焦炭质量的前提下，增加炼焦化学产
3、品的产率和炼焦煤气的发生量。有利于延长焦炉的炉龄降低成本,配煤的发展,单一煤种：简单配煤：挥发分、灰分、硫分、粘结性煤岩配煤：20世纪30年代，阿莫索夫、夏皮洛大数据时代、配煤专家系统,专家系统建立的原则,实现煤场管理、核心设备监测定位、单种煤煤质分析、质量计量等，进而达成预测焦炭质量、优化配煤比、提高焦炭强度、降低能耗等目标。,专家系统的建立原则,意义：1、高炉炼铁对焦炭日益提高的质量要求2、扩大炼焦煤源3、降低生产成本和提高经济效益原则：工艺适应原则地区资源原则有利化产原则缩短运距原则来煤量稳质匀原则低成本高效益原则,配煤原理胶质体叠加原理,黏结过程:在高温热解时，从粉煤分解开始，经过胶质
4、状态到生成半焦的过程称为煤的黏结过程。结焦过程:从粉煤开始分解到最后形成焦块的整个过程称为结焦过程，如图所示。由图可见煤的结焦过程大体可分为黏结过程和半焦收缩两个阶段。煤的黏结性取决于胶质体的生成和胶质体的性质。,黏结与成焦过程阶段示意图,胶质体的生成及性质 1胶质体液相的来源（1）煤分子结构单元之间各种桥键的断裂形成自由基碎片，其中分子量不太大的、含氢较多的生成液态产物，且以芳香族化合物居多。（2）脂肪化合物的分解，其中分子量较大的那部分形成液态产物，分子量小的部分生成气态析出，液相产物中，以脂肪化合物居多。（3）基本结构单元周围的脂肪族侧链和各官能团脱落，其中小部分可形成液体，而绝大部分则
5、形成气态产物析出。（4）残留煤（未分解的煤）在胶质体液相中部分溶解，使胶质体液相增加。,2胶质体的性质 在热解过程中，胶质体的液相分解、缩聚和固化而生成半焦，如图,胶质体的生成及转化示意图I软化开始阶段；II开始形成半焦阶段；III煤粒强烈软化和半焦破裂阶段 1煤；2胶质体；3半焦 液膜外层开始固化生成半焦，中间仍为胶质体，内部有没分解的煤粒，这种状态维持时间很短。因为半焦随着温度升高而分解，收缩形成裂纹，胶质体顺着裂纹流出，又固化成半焦，直到煤粒全部转变成半焦。,胶质体中的液相不仅起软化剂的作用，也起着隔离热分解生成的游离基的作用，阻止它们之间的结合。煤转变成胶质体后，黏度逐渐变小，直至达到
6、最大流动度。煤最大流动度是液相产品浓度提高的结果。煤的最大软化发生在胶质体液相下降的条件下，即当煤处于最大软化状态时，液相的分解速度超过其生成速度，由于液相的分解，增加固相和气相的生成，此时，胶质体逐渐固化为半焦。胶质体的固化是液相分解与缩聚的结果，缩聚作用既完成于液相之中，也发生在吸附液相和气相的固体颗粒表面上。胶质体的固化过程，是胶质体中的化合物因脱氢、脱烃基和其它热解反应而引起的芳构化和碳化的过程。,配煤原理,1、胶质层重叠原理,塑性成焦机理,配煤原理互换性配煤原理,活性组分或惰性组分；粘结剂、瘦化剂是可行的,配煤原理共炭化原理,煤中加入非煤粘结剂进行炭化，称为共炭化。共炭化研究为采用低
7、变质程度弱粘结煤炼焦时选用合适的粘结剂提供了理论依据，也为加入有机渣油塑料类 橡胶类沥青等与煤共炭化提供了可能性，并且为解决当前世界的环境污染问题做出了很大的贡献。国内中国科学院山西煤炭化学研究所李保庆等利用10g固定床反应器研究废塑料与 煤共焦化特性。煤焦油沥青具有较高的芳香性能，因 此溶剂性能较好，但QI含量高，对焦油过程中间相发展不利。,理论研究阶段，尚未工业应用,结焦原理中间相原理,Taylor在澳大利亚煤中发现了中间相小球体某些煤、沥青及其它含炭有机物在加热到350500时，能够在熔融状态液相中形成由聚合液晶构成的各向异性的流动物质，称为中间相。,主要内容,专家系统的建立原则指标的选
8、择及烟煤分类原则专家系统的建立结论,指标的选择及烟煤分类原则,炼焦煤性质取决于第一成因因素：地球生物化学（泥炭化）作用，导致不同煤岩显微组分形成第二成因因素：地球物理化学（成岩和变质）作用，导致煤分子结构不断变化，Vdaf、R、C、H、Q等第三成因因素：还原程度，与成煤年代、成煤植物、环境、PH值、矿物质有关系，荧光强度、容惰能力、G、Y等建立模型的要求：依据/原则尽量使用初始变量，减少复合变量常用性,指标的选择及烟煤分类原则,煤的工艺性质煤的性质通常指煤的物理性质、化学性质和工艺性质工艺性质指煤炭在一定的加工工艺条件下或某些转化过程中所呈现的特性。如煤的粘结性、结焦性、可选性、机械强度、热稳
9、定性、结渣性、灰熔性、灰黏度、发热量等。粘结性和结焦性是烟煤重要的工艺性质，粘结性是评价炼焦用煤的主要指标，炼焦用煤必须具有一定的粘结性，煤的粘结性也是评价低温干馏、气化或动力用煤的重要依据。,指标的选择及烟煤分类原则,煤的粘结性着重反映煤干馏过程中软化熔融形成胶质体并使散状煤粒间相互粘结、固化成半焦的能力。所形成的胶质体具有一定的塑性，在烟煤中显示软化熔融性质的煤叫粘结煤、反之非粘结性。煤的结焦性指煤在工业焦炉或模拟工业焦炉的炼焦条件下，结成具有一定块度和强度的焦炭的能力。结焦性好的煤除具备足够而适宜的粘结性外，还应在半焦到焦炭阶段具有较好的结焦能力。,指标的选择及烟煤分类原则,测定可塑性的
10、方法：根据胶质体的数量与性质进行测定，奥亚膨胀度、基式流动度、胶质层厚度根据煤粘结惰性物质的能力强弱进行测定，如罗加指数、粘结指数根据所得焦块外形进行测定，如自由膨胀序数、格金指数等在国际硬煤分类中，奥亚膨胀度、葛金焦型作为结焦性指标,指标的选择及烟煤分类原则,挥发分：变质程度的重要指标在高温条件下（900），将煤隔绝空气加热一定时间，煤的有机质发生热解反应，形成部分小分子化合物，在测定条件下呈气态析出。析出的挥发物占煤样质量的百分数 整个模拟炼焦过程影响因素：加热温度、加热时间、加热速率等优点：检测方便快捷缺点：易受到煤岩组成、无机矿物等干扰,指标的选择,罗加指数是波兰煤化学家B.罗加教授于
11、1949年提出的测定烟煤粘结性的一种方法。我国于1955年引进该法，经过研究、改进，现已制订了国家标准GB5549-85烟煤罗加指数测定方法。该法是指以在规定条件下煤与标准无烟煤完全混合并碳化后所得焦炭的机械强度来表征。值越大，煤的粘结性越强。一般而言，5，煤不具粘结力；在5至20之间，煤粘结性很差或不具有粘结性；在20至45之间，煤粘结性比较差；在45至80之间，煤粘结性良好；LR在80至90之间，煤粘结性很强。,指标的选择,指标的选择,粘结指数可以大致确定煤种用途定义：将一定量的试验煤样与专用无烟煤，在规定的条件下混合，快速加热成焦，所得焦块在一定规格的转鼓内进行强度检验，以焦块的耐磨强度
12、，即抗破坏力的大小表示煤样的粘结能力。煤样与惰性物结合牢固程度，容惰能力,指标的选择,影响因素：焦化温度：850；焦化时间：15min；温度回升速度：6min；煤样粒度；混合均匀转鼓转速、时间、压块质量与耐磨强度关系密切,指标的选择,Y：能够近似反应工业炼焦过程煤在加热过程中，形成和消失胶质体过程中瞬间产生胶质体的最大量，是产生胶质体数量的一个指标是我国煤的现行分类中区分强粘结性的肥煤、气肥煤的一个分类指标。,指标的选择,指标的选择,奥亚膨胀度将粒度小于0.15mm煤样10g与1ml水混合，制成煤笔，放入内部非常光洁的膨胀管内。然后放入已经预热到330的电炉中，升温速率3/min，加热至500
13、-550止。煤样膨胀性的指标区分强粘结性煤的分类指标,指标的选择,坩埚膨胀序数：表征粘结性和膨胀性ISO、英、美、法、日、俄、波等均有国标1g煤样，按规定程序放于坩埚，加热到820，所得焦块与标准对比所得编号。优点：速度快、简单缺点：主观误差大、易误判，5以上缺乏判断力,指标的选择,指标的选择,指标的选择,基式流动度煤在热解过程中所生成的胶质体的流动性质的量可以反映煤在干馏时形成胶质体的粘度，能表征煤的塑性，是研究煤的流变性和热分解动力学的有效手段。德国人基士勒提出，目前在美国、日本、加拿大作为国家标准，不同的标准在装煤甑的尺寸和形状、浆的形状、装煤方式不同，所以测定结果不能互比。,将一定量粒
14、度小于0.43mm的煤样装入煤坩埚中，坩埚中央垂直方向装有搅拌浆，向搅拌桨轴施加恒定的力矩，将煤坩埚放入已加热至规定温度的金属浴内，以3/min的速度升温。当煤受热软化形成胶质体后，阻力降低，搅拌桨开始旋转。胶质体相对数量越多，粘度越小，搅拌桨转动速度越快。转速以分度/min表示，每360为100分度。仪器自动记录每分钟旋转的分度（即流动度ddpm）和相应是时间、温度。通过测定即可得到上述指标。煤在流动度测定过程中的最大转动角速度即是基氏最大流动度。,测定原理,指标的选择,基式流动度优点：可以同时反映胶质体的数量和性质缺点：实用范围比较窄，仪器的规范性太强重复性太差，与胶质体接触部分的仪器尺寸
15、、形状和加工精度对测定结果有十分显著的影响。重复性限为两次测定平均值的10%,基氏流动度测定仪,控制系统,1、上位机控制采用工业触摸屏计算机，使系统具有极高的抗干扰能力，用VB语言编程，操作简单。2、下位机控制采用进口的德国西门子“可编程序控制器”（PLC），能根据实验要求自动计算初始软化温度,最大流动度温度,最后流动温度,固化温度,塑性区间,最大流动度,自动生成实验报表。使整机系统具有高可靠性、高稳定性。,主要通过PLC控制，在计算机上实现设备的启停和参数的设定和实时监控。,3.温度控制采用日本岛电公司高精度仪表以及相应的电力调整器，利用4-20mA的控制信号作为电源，输入信号和输出电压呈线
16、性比例输出，可使PID整个调节过程准确，温度波动小，并带有加热负载断线报警功能，保证升温的安全性；采用插片式散热器，散热效率高，具有完全自由输入，带手动输出调整，具有停电和故障保护等功能。温度精度可控制在3 0.1/min,温度控制,恒定扭力矩系统,1.塑性仪头恒转速的控制采用美国bodine电机和变频调速器组成,稳定可靠。调速范围从2Hz到50Hz控制，以满足电机空转时能精确达到100-1000r/min。2.恒转矩控制采用美国进口高精度磁滞制动器，控制电流和输出扭矩有较好的线性关系。扭矩的调整通过旋转外壳标度法兰，在两极之间组合调整角度，可实现连续调整，因为没有接触面，其设定与转速无关的转
17、矩，可长期保持不变。具有稳定可靠、使用转速高噪音小、使用寿命长等优点。,1.搅拌桨转速测定由美国进口的旋转编码器，输出脉冲信号直接输入给PLC，利用PLC的高速计数器对其脉冲信号进行计数，获得测量结果。编码器为1000p/min，分辨能力高，力矩小，耗能低，性能稳定2.煤甑坩埚采用304不锈钢材质，关键技术是搅拌桨顶端与煤甑底部坡口的接触方式，经大量试验证明，二者接触方式为点接触，采用数控机床精加工，其精度完全符合国标要求。,计数搅拌系统,试验结果,实时监控画面,自动生成实验报表,-采用全自动设计、无人工干预；-扭力矩恒定，无须实验前校正；-炉体自动旋转代替金属浴中的搅拌桨，使温度均匀；-炉体
18、内胆采用耐热合金钢，具有超长热使用寿命；-具有超温保护、热元件毁坏自判断；-能在线运行和修改PID参数；-可连续实验，效率值高；-全自动数据历史记录，可随时查阅，实现无纸化模式。,指标的选择,煤的岩相分析岩相组成第一成因因素反射率变质程度指标焦炭光学显微组织与焦炭强度关系密切人为因素,开展煤岩测试项目的意义,影响煤价的因素灰分、硫分等品质指标工艺性质指标：内在因素是煤岩指标指导炼焦配煤，预测焦炭质量混煤鉴定：镜质体反射率直方图,煤岩测试系统流程简图,现行标准方法存在的问题测试速度慢，用时长，报出结果迟滞于生产要求测试结果主观性强，误差来源复杂，需要精心操作测试准确度只能通过重复测试评价，鉴定结
19、果不能追溯测试过程中某些疑难组分常阻滞测试进度,图像法煤岩自动测试,相比传统测试方法及光度计直接自动测试：测试过程不再是封闭状态，过程很容易再现，结果可审核根据显微组分间差异，镜质组可以被自动、准确识别,比较优势,传统方法：显微组分40-60min，混煤反射率60-90min，合计100-150min。自动测试离线：图像自动扫描30-35min,显微组分10-15min，混煤自动反射率5-10min，合计45-60min。在线：显微组分测试和混煤镜质体反射率自动测试在扫描过程中完成，合计30-40min,煤岩自动测试系统的辅助功能,审核某特定煤种是否真实存在煤类判别功能：混煤组成及其比例焦炭显
20、微组分测量焦炭质量指标预测,检测指标总结,指标不是万能的，为了表征炼焦煤的某一项或几项而来的在进行炼焦专家系统时要尽量找初始单一变量，避免复合或衍生变量选择指标必须具有常用性如：G对于瘦煤很重要、MF对于焦煤,变质程度：Vdaf、R、C、H、Q等粘结性：罗加指数、粘结指数、坩埚膨胀序数、胶质层最大厚度结焦性指标：奥亚膨胀度、葛金焦型等,检测指标总结,不同国家煤炭分类,不同国家煤炭分类,国际硬煤分类：62种、烟煤59、无烟煤3硬煤国际分类采用3位数字表示煤的类别。第1位数字为煤的类别，用干燥无灰基挥发分和恒湿无灰基发热量表示煤化度。第2位数字为煤的组别，用表征煤的粘结性的坩埚膨胀序数或罗加指数来
21、评价。第3位数字为亚组别，用代表煤的结焦性的膨胀度或葛金焦型来区分。这个分类采用了以炼焦煤为主的体系。,中国煤炭分类简表,主要内容,专家系统的建立原则指标的选择及烟煤分类原则专家系统的建立结论,炼焦模型的建立,一、建立的依据和原则胶质体（metaplast）理论粘结性煤在热解过程中，经解聚反应而生成一不稳定的过渡相，即所谓胶质体，正是胶质体造成了煤的粘结行为，即：中间相理论：成焦过程就是中间相在各向同性胶质体中的长大、融并和固化的过程，不同的烟煤表现为不同的中间相发展深度，使最后形成不同质量和不同光学组织的焦炭。,炼焦模型的建立,焦炭CO2反应催化机理某些金属盐对碳与CO2的反应有催化作用，可
22、提高焦炭CO2反应速度，降低活化能，减少了反应对温度的依赖性。同时，某些元素具有反催化作用，它们可与晶格周边碳结合，堵塞活化通道，从而抑制了反应。电子迁移理论：M代表金属氧迁移理论：金属和金属盐都是通过其氧化物和过氧化物进行氧的传递的，这使得活性氧原子与碳发生反应。,炼焦模型的建立,金属盐在反应中也是以金属及金属氧化物为中间物参与催化作用的，尤其是K2CO3、Na2CO3的催化作用层间化合物为催化中间产物理论：在以钾、钠或碳酸盐进行CO2的催化反应中，有碳酸盐产生，也有石墨层间化合物CnK产生，其催化过程石墨层间化合物，如 等实际反应中，钾、钠与碳的化学结合是催化的主要因素。,炼焦模型的建立,
23、小结：焦炭的反应性与焦炭中显微结构有关，而各向异性组分主要是由中间相发展而来。通过对中间相形成动力学分析找出影响中间相的主要因子与反应性及反应后强度关联其次，碱金属、碱土金属对焦炭反应性有较强的催化作用，在模型中亦要考虑到有些碱金属、碱土金属的影响。中间相是由煤软化过程中的胶质体形成并聚集成长起来的，而胶质体是由煤中活性组分（镜质组、部分半镜质组、壳质组）形成的。,炼焦模型的建立,设为一级反应，则有,式中k是反应速率常数，t是软化范围内的反应时间，M是胶质体重量百分数。中间相的生成也可按一级反应处理，其动力学方程为：,按照胶质体理论，在恒温热解时，煤的热解机理可认为是一串联反应过程：,炼焦模型
24、的建立,在恒温下对两式求解,上式较复杂，假设k与 的差别不大，用 的一阶泰勒展开简化：即,表示中间相瞬间重量百分数在恒温时的关系。其中反应速率常数与温度、催化剂种类及浓度、变质程度及活性组分种类及数量有关。,炼焦模型的建立,若在煤的软化温度范围内用平均中间相重量百分数，而反应时间采用恒定加热速度下的软化温度区间来代替，则上式可描述不同煤在热解时中间相形成的数量，但许多不定因素归到速率常数中。一般速率常数可用阿累尼乌斯方程描述软化温度间隔 与活性组分（或惰性组分）的种类及数量、煤的变质程度、加热速度等因素有关。,炼焦模型的建立,炼焦模型的建立及影响因素分析,二、数学模型灰分：Ad,j=f(Ad,
25、m，Vdaf)全硫：St,d，j=f（St,d，m）机械强度：M40=f(Vdaf，Y)；M10=f(Ad，G)热强度：,炼焦模型的建立,预测值与实测值比较,影响因素分析,焦炭灰分影响因素全部来自炼焦煤中的灰分，同时与炼焦煤的挥发分密切相关。焦炭硫分影响因素与炼焦煤的硫分和赋存形态有关。焦炭冷强度影响因素抗碎强度与炼焦煤的挥发分和粘结性密切相关。耐磨强度主要受焦炭的孔孢结构即气孔率的影响，取决于焦炭气孔壁薄厚和其组成以及所形成气孔的均匀程度和所占体积，与炼焦煤的粘结性相关性很大。,影响因素分析,焦炭热性质影响因素 的影响：T1:随变质程度提高，热解活化能提高，使软化温度升高，即随MMR的增加T
26、1增加。在相同变质程度下（即MMR一定），随煤中惰性组分含量的增加软化温度提高在变质程度及惰性组分含量不变时，壳质组含量增加会使T1降低，但随变质程度的提高其与镜质组的差别减小T3:随MMR的增加而增加，但增加幅度较T1小。在MMR一定时，随惰性组分的增多而降低。壳质组固化温度一般较镜质组低，质组含量的增多也会使T3下降。随变质程度MMR的增加而减小，随惰性组分含量的增加而减小。,影响因素分析,焦炭热性质影响因素碱金属、碱土金属的影响：相同条件下催化活性顺序为KNaCaMg，说明碱金属K的催化作用强于Na，Ca和Mg更加次之。煤岩组分的影响：在变质程度一定时，随活性组分增加焦炭热强度出现极大值
27、而后降低，除影响 外，还影响粘结指数变质程度的影响：焦煤附近最佳，但需结合 和煤岩组成，综合考虑,结论,焦炭成本主要靠配煤成本专家系统是基于大数据时代的先进配煤技术专家系统的指标选择必须基于炼焦煤性质表征，同时兼顾常用性专家系统建立基于配煤理论和焦炭与CO2催化反应机理，同时考虑验证系数而来不断完善,谢谢！,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
