炼焦煤挥发分析出规律对焦炭孔结构的影响_胡文佳.docx
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1、中图分类号: TQ522.16 U D C: _ 论文编号: HBT.G2016-341 密 级: 公 开 石页士学位论文 炼焦煤挥发分析出规律对焦炭孔结构的影响 作者姓名: 胡文佳 学科名称: 化学工稈 研究方向: 棋化工新抟术及下游产品开发 学习单位: 牮北理 T.太学 学制 :2.5年 提交日期: 2015年 11月 30日 申请学位类别: 工程硕士 导师姓名: 梁 英 华 教 授 单位: 华北理工大学 郭 瑞 博 士 单位: 华北理工大学 韩小东 if高工 单位: 唐山市热力公司 论文评阅人: 刘太成教授 单位: 唐山学院 谢全安副教授 单位: 华北理工大学 论文答辩日期: 2016年
2、 02月 28日 答辩委员会主席: 刘大成教授 关键词:焦炭;挥发分;粘结性;气孔结构;数学模型 唐山华北理工大学 2016年 03月 The Effect of Devolatilization Behavior of Coking Coal Volatile Matter on the Pore Structure of Coke Dissertation Submitted to North China University of Science and Technology in partial fulfillment of the requirement for the degree
3、 of Master of Engineering by Hu Wenjia (Chemical Engineering) Professor Liang Yinghua Supervisor: Ph D. Guo Rui Han Xiaodong March, 2016 独 创 性 说 明 本人郑重声明:所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的 地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含 为获得华北理工大学以外其他教育机构的学位或证书所使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明
4、确的说明并表示了谢意。 论文作者签名: &日期: 2016年 03月 3 口 关于论文使用授权的说明 本人完全了解华北理工大学有关保留、使用学位论文的规定, 即:已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文,学校有权 保 留、送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以将学位论 文的全部或部分内容采用影印、缩印或编入有关数据库进行公开、检 索和交流。 作者和导师同意论文公开及网上交流的时间 : 0自授予学位之曰起 自 年 月 日 起 作者签名 : 签 字 日期 : 2016年 03月 3日 导师签名 : 签 字 日期 : 2016年 03月 3日 摘 要 摘 要 焦炭的气孔结构对其冷态机械强
5、度 ( M4、 M1()和热态性能 ( CRI、 CSR)有 着至关重要的影响,进而影响着高炉冶炼的稳定进行。就此,开展对煤成焦过程中 气孔形成规律的研究,以期为炼焦生产提供理论指导。 选取具有代表性的不同变质程度的炼焦煤:气煤、肥煤、焦煤,并在变质程度 不同的煤样间以 1:1的比例进行配合。在炼焦终温分别为 500 C、 600 C、 800 C、 950 C下,对各单煤及其配合煤炼制坩埚焦。应用图像分析法测量所得焦炭的气孔 结构参数中气孔率、平均孔径、孔径分布,而比表面积应用氮吸附法测量,比较不 同终温下所成焦炭的气孔结构差异。实验结果表明:终温为 500 C、 600 C所 成焦炭 的气
6、孔结构最发达,说明此温度段内是焦炭气孔结构发展的关键阶段。肥煤在 950 C所成焦炭的气孔结构比气煤、焦煤所成焦炭的气孔结构发达,并且单煤与其 配煤在 950 C所成焦炭的气孔结构参数间具有一定加和性。 测定了煤样热解 ( 0 950 C)时的挥发分析出特性(挥发分析出最大失重速率 DTGmax, 0300 C、 300600 C、 600800 C、 800950 C 温度段内挥发分析出 率)、粘结特性(吉氏流动度 LgMF)。运用 SPSS分析软件,对所得高温焦炭的气 孔结构参数与上述特性参数间进行多元线性回归,建立数学模型,分析焦炭气孔结 构形成的影响因素。模型分析表明,煤样热解时的最大
7、失重速率 ( Xi)和吉氏流 动度 ( X2)是影响焦炭气孔结构形成的最关键因素。同时 800 950 C挥发分析出率 (X3)和平均最大镜质组反射率云 max (X6)也有一定影响。结合煤样热解时的粘 结流动与挥发分析出特性建立焦炭气孔参数模型,结果直观、精确度高,对配煤炼 焦生产有很大的指导意义。 图 13幅;表 31个;参 91篇。 关键词:焦炭;挥发分;粘结性;气孔结构;数学模型 分类号: TQ531.2; Abstract The pore structure of coke has a very important influence on the mechanical stren
8、gth (M40, Mi ) and thermal performance (CRI, CSR), and the stability of blast furnace smelting is affected. Thus, this study carried out research on the formation law of coke pore in coking process, to provide the oretical guidance for coke production. Some representative coking coals with different
9、 coal ranks are selected, including gas coal, fat coal and coking coal. Blending was carried out with the ratio of 1:1, among the coals with different degrees of metamorphism. At 500 C, 600 C, 800 C and 950 C crucible coke were made with single coal and blended coal. For the pore stucture parameters
10、 of coke, the porosity, average pore size and pore size distribution were measured by image analysis, and the specific surface area was measured by nitrogen adsorption method. The pore stucture of coke under the different final temperature were compared. Experimental results show that, the coke whic
11、h was made at 500 C , 600 C has the most developed pore stucture, indicating that 500 600 C is the key stage for the development of coke pore structure. At 950 C , the coke which was made with fat coal has more developed pore strcuture than the coke which was made with gas coal, fat coal. The pore s
12、tructure parameters of coke have a additivity, this coke were made with single and blending coal. The caking property and volatile release characteristics of testing coal sample were tested. Test parameters include maximum weight loss rate (DTGmax), Gieseler fluidity (LgMF) and volatile matter yield
13、 in different temperature section (0 300 C , 300 600 C , 600 800 C , 800 950 C ) . Multiple linear regression was performed among the above parameters and mathematical model was established by SPSS analysis software, to analyze the factors affecting the formation of coke pore. The model analysis sho
14、ws that DTGmax (Xi) and LgMF (X2) are the most important factors for the pore structure. And the average maximum reflectance of vitrinite Rmx and the percentage of volatile matter in 800 950 C have a certain influence. The prediction model of coke pore structure has intuitive results and high accura
15、cy. It has a great guiding significance for coke production. Figure 13; Table 31; Reference 91 Keywords: coke, volatile matter, caking properties, porosity structure, mathematical model Chinese books catalog: TQ531.2 目 次 弓丨 g . 1 第 1章文献综述 . 2 1.1焦炭的性能指标与高炉冶炼 . 2 1.1.1焦炭在高炉中的变化与作用 . 2 1.1.2焦炭性能指标的影响因
16、素 . 4 1.2孔结构与焦炭性能 . 6 1.2.1孔结构对焦炭冷态性能的影响 . 6 1.2.2孔结构对焦炭热态性能的影响 . 7 1.3焦炭孔形成机理 . 8 1.3.1炼焦煤成焦过程 . 8 1.3.2烟煤热解过程的成孔行为 . 8 1.4炼焦煤挥发分析出规律对焦炭孔结构影响课题提出的意义 . 11 第 2章实验部分 . 12 2.1研究内容及实验方案 . 12 2.1.1研究内容 . 12 2.1.2实验方案 . 12 2.2实验设备 . 16 2.3实验用煤的性质分析 . 16 2.3.1煤质分析 . 16 2.3.2煤岩分析 . 17 2.4煤的粘结性指标分析 . 18 2.5煤
17、的挥发分析出特征分析 . 20 2.6焦样的制备 . 23 第 3章煤成焦后孔结构分析 . 25 3.1炼焦煤成焦过程中孔结构的变化 . 25 3.2炼焦煤最终成焦后孔结构的差异 . 29 3.2.1单种煤 950 C成焦后的孔结构差异 . 29 3.2.2配合煤 950 C成焦后的孔结构差异 . 30 3.3小结 . 32 第 4章焦炭气孔模型的建立 . 33 4.1微米级气孔模型的建立 . 33 4.1.1模型参数的选择 . 34 4.1.2回归模型的建立 . 35 4.1.3回归模型的检验 . 41 4.1.4回归模型分析 . 43 4.2纳米级气孔模型的建立 . 44 4.2.1模型参
18、数的选择 . 44 4.2.2回归模型的建立 . 45 4.2.3回归模型的检验 . 47 4.2.4回归模型的分析 . 48 4.3 /H吉 . 48 50 参考文献 . 52 if . 57 导师简介 . 58 作者简介 . 59 学位论文数据集 . 60 焦炭是高炉冶炼必不可少的原料,其性能直接影响料柱的透气性、透液性以及 炉内其他状况 1。焦炭作为炉内软熔带以下高温区唯一的固态物质,承载着炉内的 机械负荷,抵抗各种物理破坏和化学侵蚀 2_3,为此要求焦炭要具有 良好的冷、热 态性能。 焦炭是一种碳质多孔材料,孔结构对焦炭性能有至关重要的影响。焦炭的气孔 壁显微强度影响其冷态强度 ( M
19、1Q、 M4Q),而且气孔率 W、 不同级别气孔的分布以 及气孔的圆度 5、气孔的形状和彼此的连接方式等也都会影响焦炭的冷态强度。 同时研究表明 7_9,焦炭的气孔结构与其热性能密切相关。焦炭气孔率和平均孔径 増大,使焦炭在高炉中的碳溶反应变得更加剧烈,破坏了焦炭的气孔结构,加剧了 焦炭在高炉中的劣化程度,使焦炭的热态强度降低。因此,焦炭的气孔结构是其宏 观性能好坏的决定性因素之一,有必要对煤成焦过程中气孔结构的形成规律进行研 究。但研究表明煤成焦过程中气孔结构发生剧烈变化,主要集中在热塑性阶 段。此阶段内煤的粘结特性和挥发分析出特征,构成了煤成焦过程中孔形成、发展 和融并的主要影响因素。而塑
20、性阶段内形成的气、液、固三相共存的胶质体又和煤 的粘结特性和挥发分析出紧密相关,而胶质状态是一个复杂多变的阶段,很难应用 试验手段精准把握此阶段内气孔的形成机理,这就增加了研究成焦过程中气孔形成 规律的难度。目前对于成孔规律的研究报道甚少,更没有方便而准确的预测焦炭气 孔结构的方法。 为此,本研究从炼焦煤粘结和挥发分析出特征方面入手,测定了煤高温 (950 C)热解时,表征粘结特性和挥发分析出特性的参数。并运用 SPSS软件, 进行焦炭气孔结构参数与上述特性参数间的多元线性回归分析,建立焦炭气孔结构 参的数模型。定量分析各影响因素对气孔结构形成的贡献大小,为炼焦生产实践的 科学进行提供理论指导
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