动态配煤下焦炭质量预测模型的研究

武汉科技大学硕士毕业论文1 文献综述 1.1 研究背景近几十年，随着高炉的大型化、富氧喷吹煤粉等技术的发展，高炉生产对焦炭质量的要求愈来愈高，稳定和改善焦炭质量已成为焦化行业所面临的主要课题之一。但用配煤炼焦实验来指导配煤存在工作量大、试验周期长等特点，生产上需要寻求更为快速、准确、科学的预测焦炭质量的方法。宝钢配煤工作主要依靠炼焦试验和生产经验为主，缺乏精确的焦炭强度模型进行预测，然而根据煤质数据预测焦炭质量，在世界范围已经引起重视。日本新日铁采用煤的最大流动度和煤灰碱度指数AI来预测CSR和CRI,美国内陆钢铁公司应用新日铁方法进行焦炭预测时，由于原料煤胶质体流动度过高，且灰成分中含碱过多导致新日铁模型不适用,于是采用煤的硫分和煤的塑性温度范围以及煤灰碱度指数来预测焦炭强度，并认为仅根据煤岩特征并不能精确预测焦炭的热性质。日本钢管公司则考虑了炼焦工艺条件对焦炭质量的影响，增加了火道温度这一工艺因素对焦炭质量的影响。加拿大炭化研究所(CCRA)则采用膨胀度，配合煤挥发分和碱度指数来预测焦炭热性质；英国钢铁公司还采用煤的反射率和铁、钙、硅含量来预测。我国酒钢采用以煤的挥发分或反射率和惰性成分含量预测。可见，由于配煤实践和工艺条件不同，已有的预测方法和模型有各自的适用范围，且需在大生产实践中不断修正。目前可供预测焦炭质量的不同模型应考虑到配煤的种类。1.2 配煤炼焦技术1.2.1 配煤炼焦的意义配煤炼焦就是将几种不同类别的炼焦用煤按一定比例配合作为加入炼焦炉炼焦的原料。配煤炼焦在合理利用炼焦煤资源、保证炼焦生产的顺利进行和提高焦炭质量等方面有重要的意义。(1)中国炼焦用煤产量较多，约占全国原煤总产量的40以上，煤种也较全，但中国煤炭储量中，炼焦用煤只占27。在炼焦用煤资源中高挥发分、黏结性中等的1/3焦煤和气煤约占45，中等挥发分、黏结性较好的烟煤如焦煤、肥煤约占21和15，低挥发分的瘦煤和贫瘦煤也占20左右。由此资源特点可以看出，在炼焦用煤中，黏结性好的焦煤和肥煤资源比例比较小，必须采用配煤的方法和多用气煤和1/3焦煤的技术，扩大炼焦用煤资源，配煤炼焦的主要意义就在于此。(2)在炼焦技术上，大多数炼焦用煤单独炼焦都不能炼出符合高炉对焦炭强度的质量要求的焦炭，而黏结性较好的主焦煤即使能用其单煤练出强度合格的焦炭，但由于在炼焦过程中要产生较强的膨胀压力，而影响焦炉的寿命或造成推焦困难的问题，而肥煤虽有较好的黏结性，但单独炼焦时，练成的焦炭易形成部分蜂窝焦而影响焦炭强度，因此在炼焦生产上都不采用单种煤炼焦，而是将几种类别的炼焦用煤配合使用，发挥各类煤在炼焦时的特点，扬长避短，优势互补，从而以经济合理的配煤方案练出质量符合要求的焦炭。(3)中国炼焦用煤中的焦煤、肥煤虽然黏结性好，但这两类煤在中国一般都是较难洗选的煤，洗精煤的灰高、硫高，使其用量受到一定限制，而中国所产的气煤和弱黏结性煤在炼焦中虽然黏结性差，但他们易选，灰低、硫低，其资源又较丰富，储量大、产量高、煤价相对较低，因而在配煤炼焦中，在一定比例的焦煤和肥煤基础上配入适量的气煤和弱黏结煤，因其挥发分高、收缩度大、便于推焦，且煤气焦化产品回收也多，有利于焦化产品的回收利用，又能使焦炭质量符合炼铁高炉的技术要求。因此，现代化炼焦厂一般都根据资源特点采用配煤炼焦，使炼焦用煤资源得到合理利用，同时也改善了焦炭的质量，还可优化生产、降低成本，从而使配煤炼焦成为炼焦工业必然采用的基本措施。1.2.2 配煤炼焦原理多年来，炼焦配煤理论发展较快，形成了多种配煤原理或配煤技术。最直观的配煤原理是胶质层重叠原理，以烟煤的大分子结构及其热解过程中由于胶质状塑性体的形成，使固体煤粒粘结的塑性成焦，由于不同烟煤所形成胶质状塑性体的数量和质量不同，导致粘结的强弱差别，并随气体析出数量和速度的差异，得到不同质量的焦炭；第二类是基于煤的岩相组成不同，决定煤粒有活性组分和非活性之分，煤粒之间的粘结是在其表面进行，则以活性组分为主的煤粒相互间成流动状结合型，固化后不再存在粒子的原形，而以非活性组分为主的煤粒相互间的粘结则呈接触结合型，固化后保留粒子的轮廓，从而决定最后形成焦炭的质量，即所谓的表面结合成焦原理；第三类是20世纪60年代后期发展起来的中间相成焦原理认为烟煤在热解过程中产生的各向同性液体中，随热解进行会形成由大分子的片状分子排列而成的聚合液晶，即新的各向异性流动相态中间相，成交过程就是这种中间相在各向同性胶质体基体中的长大、融并和固化过程，不同的烟煤表现为不同的中间相发展深度，最后形成不同质量和不同光学组织的焦炭。近年来由于计算机的发展和应用，以信息和计算机为主的配煤专家系统，其原理更加考虑单种煤的特性，包括常规的粘结性和煤的光学组织对焦炭质量的贡献，把模糊的配煤理论数值化，引入性能价格比、质量权重、炼焦专家经验等概念，为焦炭质量预测奠定了较好的基础。 围绕上述配煤理论形成了一系列的焦炭质量预测方法。(1) 胶质层重叠原理配煤炼焦时除了按加和方法根据单种煤的灰分、硫分控制配合煤的灰分、硫分以外,要求配合煤中各单种煤的胶质体的软化区间和温度间隔能较好地搭接，这样可使配合煤在炼焦过程中，能在较大的温度范围内煤料处于塑性状态，从而改善粘结过程，并保证焦炭的结构均匀。不同牌号炼焦煤的塑性温度区间见表1.1所示，各种煤的塑性温度区间不同，其中肥煤的开始软化温度较早，塑性温度区间最宽,瘦煤固化温度最晚，塑性温度区间最窄，气煤、1/3焦煤、肥煤、瘦煤适当配合可扩大配合煤的塑性温度范围。这种以多种煤相互搭配、胶质层彼此重叠的配煤原理，曾长期指导我国的配煤技术。表1.1不同煤化度煤的塑性温度范围煤种挥发分范围(Vdaf)塑性温度范围/气煤>37290420肥煤2904501/3焦煤330430气肥煤310400焦煤370430瘦煤420480周师庸教授曾提出以两种煤炼焦的界面结合指数来评价其界面结合的好坏，并认为各种煤的胶质体之间实际上均有一定的重叠，只不过不同类型单种煤之间的结合情况差异很大。同样他认为配煤中一定要求有一定量的基础炼焦煤，既能够包容低挥发份的弱黏煤，也能够包容高挥发分的弱黏煤。(2) 互换性配煤原理根据煤岩学原理，煤的有机质可分为活性组分和非活性组分(惰性组分)两大类。日本城博提出用粘结组分和纤维质组分来指导配煤,按照他的观点，评价炼焦配煤的指标，一是粘结组分(相当于活性组分)的数量，这标志煤粘结能力的大小；另一是纤维质组分(相当于非活性组分)的强度，它决定焦炭的强度.煤的吡啶抽出物为粘结组分，残留部分为纤维质组分，将纤维质组分与一定量的沥青混合成型后干馏，所得焦块的最高耐压强度表示纤维质组分强度。要制得强度好的焦炭，配合煤的粘结组分和纤维质组分应有适宜的比例，而且纤维质组分应有足够的强度。当配合煤达不到相应要求时，可以用添加粘结剂或瘦化剂的办法加以调整，据此提出了图互换性配煤原理图，由图1.1可形象地看出：图1.1 互换性配煤原理1) 获得高强度焦炭的配合煤要求是：提高纤维质组分的强度(用线条的密度表示)，并保持合适的粘结组分(用黑色的区域表示)和纤维质比例范围。2) 粘结组分多的弱粘结煤，由于纤维质组分的强度低,要得到强度高的焦炭，需要添加瘦化组分或焦粉之类的补强材料。3) 一般的弱粘结煤，不仅粘结组分少，且纤维质组分的强+度低，需要同时增加粘结组分或添加粘结剂和瘦化组分或焦粉之类的补强材料，才能得到强度好的焦炭。4) 高挥发的非粘结煤，由于粘结组分更少，纤维质组分强度低，应在添加粘结剂和补强材料的同时，对煤料加压成型，才能得到强度好的焦炭。5) 无烟煤只有强度较高的纤维质组分，需添加粘结剂，才能得到足够强度的焦炭6。(3) 共炭化原理炼焦煤和非炼焦煤如沥青类有机物共炭化时，如能得到结合较好的焦炭，称为不同煤料的共炭化。共炭化产物与单独炭化相比，焦炭的光学性质有很大差异，合适的配合煤料(包括添加物的存在)在炭化时，由于塑性系统具有足够的流动性，使中间相有适宜的生长条件，或在各种煤料之间的界面上，或使整体煤料炭化后形成新的连续的光学各向异性焦炭组织，它不同与各单种煤单独炭化时的焦炭光学组织。对不同性质的煤与各种沥青类物质进行的共炭化研究表明，沥青不仅作为粘结剂有助于煤的粘结性，而且可使煤的炭化性能发生变化，发展了碳化物的光学各向异性程度，这种作用称为改质作用，这类沥青黏结剂又被称为改质剂。共炭化过程传氢对煤的改质有重要影响，沥青在共炭化时起着氢的传递介质作用，为描述氢的转移情况，可定量地用沥青与煤的供氢能力及受氢能力来描述。沥青的供氢能力远高于煤，为煤的35倍，气煤的受氢能力远高于其供氢能力，而沥青的受氢能力可忽略不计。因此煤与沥青共炭化时，沥青对煤有传氢作用，两者的受氢能力差别愈大，沥青对煤的改质活性愈强；此外煤的受氢能力愈大，共炭化时沥青对煤的改质活性也愈强。随着焦炭光学结构的研究，把共炭化的概念用于煤与沥青类有机物的炭化过程，以考察沥青类有机质与煤配合后炼焦对改善焦炭质量的效果。共炭化产物与单独炭化相比，焦炭的光学性质有很大的差异，合适的配合煤料（包括添加物存在）在共炭化时，由于塑性系统具有足够的流动性，使中间相有适宜的生长条件，或在各种煤料之间的界面上，或使整体煤料炭化后形成新的连续的光学各向异性焦炭组织，它不同于各单个煤单独炭化时的焦炭光学组织。(4) 炼焦配煤专家系统配煤专家系统是在计算机和信息技术基础上发展起来的配煤概念，综合利用了煤数据库、焦炭质量预测方法、炼焦专家经验以及过程控制原理，以实现生产成本最小、优质炼焦煤用量最小或弱黏结煤用量最大为优化目标，对完善炼焦煤资源规划具有极大的推动作用。专家系统用于配煤原理是：根据炼焦配煤生产过程和煤质历史数据的水平，在给定的决策水平、工艺控制水平和生产操作水平条件下，由专家控制器、执行控制器实现专家配煤过程。其中，专家控制器是基于神经网络的知识推理，由计算机根据设定的焦炭质量和知识库中的焦炭质量预测模型和规模规则以及专家经验计算出个单种煤的配合比例。专家控制器给出每一种配合煤的流量信号，由执行控制器给出准确地控制运行皮带的速率和下煤量。该专家系统包括数据库系统、焦炭质量控制模型系统和配煤控制系统。与数据库配套的数据库管理系统，采用Access开发，在Windows下运行，可以进行数据库管理、统计表格管理以及反射率分布图管理等多种功能。焦炭质量控制模型包括：标准单种煤性质与归属；配合煤与单种煤的关系；焦炭质量预测等。1.2.3 配煤炼焦技术的发展趋势 (1) 区域性配煤中国炼焦用煤的分布很不均匀，并且铁路运力紧张，这些不利因素限制了国内企业使用统一的配煤比。对国内不同地区焦化企业使用的生产配煤方案进行研究可以发现，尽管各企业的配煤思路仍然采用了气煤、气肥煤、肥煤、1/3焦煤、焦煤、瘦煤几大类配合，但是各类煤使用的比例却大不相同，都尽力使用本地区或邻近地区产量大的煤种，区域性特征比较明显，如华东地区的焦化企业使用的各类煤的比例比较均衡，中南地区使用1/3焦煤和焦煤的比例比较大，东北地区使用肥煤和焦煤的比例比较大，1/3焦煤的比例比较小，西南地区使用的煤料比较单一，以1/3焦煤和焦煤为主，几乎不使用瘦煤。尽管国内焦化企业使用的生产配煤方案具有很强的地域性特点，但是所炼制的焦炭均能满足当地高炉生产的需要。(2) 精确配煤现在实行的按照气煤、气肥煤、肥煤、1/3焦煤、焦煤、瘦煤几大类的模式，在中国的炼焦史上确实发挥了重大的作用。但是，随着煤炭市场的变革，国内炼焦企业使用的单种煤料普遍增加，由原来的10多种增加到2030种，甚至有的企业多达8090家，尤其是以焦煤和1/3焦煤的品种最多，而且配入量一般较大，它们的质量波动对焦炭的质量影响非常大，