我国煤炭资源丰富,但煤种分布不均,优质炼焦煤资源短缺已经成为制约我国焦化和冶金行业发展的主要瓶颈。因此,探索扩大炼焦煤资源的方法和技术,对我国焦化行业、经济发展和国家长远规划有着重要意义。基于煤岩组分性质的差异,利用煤岩组分分离技术,富集获得不同煤岩组成的富集物并进行分质利用,成为扩大炼焦煤资源的可能途径。本文以神东长焰煤、东欢坨气煤、钱家营肥煤和吕家坨焦煤为研究对象,首先研究了不同变质程度煤煤岩组分的力学性质和破碎解离规律;在煤岩组分分离基础上,研究了气煤不同活性组分含量富集物的黏结性、膨胀性、热失重以及不同热解半焦(或焦炭)的结构特征、光学组织和微晶结构,并对气煤不同活性组分含量富集物进行单独炼焦试验;最后分别对气煤富镜质组和富惰质组富集物进行配煤炼焦试验,研究了单位基础煤中气煤活性组分配入量对焦炭冷强度和热强度的影响规律,并从气孔结构、光学组织和微晶结构角度分析了焦炭质量劣化的原因。获得的主要结论如下:1煤岩显微组分破碎解离规律研究(1)煤岩组分力学性质研究表明,随着变质程度增加,镜质组和惰质组的显微硬度、显微脆度和哈市可磨性指数(HGI)均逐渐增大;长焰煤镜质组显微脆度和HGI低于惰质组,气煤和肥煤镜质组显微脆度和HGI高于惰质组。(2)煤岩组分破碎特性研究表明,长焰煤惰质组质脆易碎,易富集在细粒级中,镜质组不易碎,易富集在粗粒级中;气煤和肥煤镜质组质脆易碎,易富集在细粒级中,惰质组不易碎,易富集在粗粒级中。(3)煤岩组分解离特性研究表明,随着破碎粒度降低,煤岩组分单体解离度增高;以有用矿物解离度达到85%为标准时,长焰煤、气煤和肥煤最佳解离粒度分别为0.125mm、0.074mm和0.074mm,对应的镜质组单体解离度分别为91.88%,91.42%和90.77%,惰质组单体解离度分别为86.77%、87.81%和61.78%。(4)煤岩组分密度分布研究表明,随着破碎粒度降低,镜质组在低密度中的纯度和分布率逐渐升高;以-1.33kg/l密度级产品作为镜质组富集物,最佳解离粒度时,长焰煤、气煤和肥煤的镜质组回收率分别为58.73%、58.50%和61.19%,产品中镜质组含量分别为86.05%、89.52%和90.54%。2气煤不同活性组分含量富集物性质研究(1)富集物黏结性和膨胀性研究表明,随着活性组分含量增多,富集物黏结性指数逐渐增大,无烟煤颗粒被胶质体黏结形成的网状结构数量增多,尺寸变大;建立了煤岩组成与总膨胀度的关系,得出气煤活性组分最大容惰量为16.19%。(2)富集物热失重研究表明,煤的焦化过程主要经历干燥脱附阶段、热解初始阶段、黏结成焦阶段和半焦缩聚阶段,热失重行为主要发生在黏结成焦阶段,活性组分含量越高,该阶段失重比例越大;随着活性组分含量减少,Tf向高温方向偏移,TG曲线下降幅度逐渐减小,DTGmax逐渐减小。动力学计算结果表明,当活性组分含量由65.63%增加到91.11%时,富集物反应活化能由68.43 kJ·mol-1提升至76.81 kJ·mol-1。(3)富集物热解半焦(或焦炭)结构分析表明,热解温度不高于450℃时,活性组分含量高的DQ1热解产物脂肪类结构含量多,活性组分含量较低的DQ3热解产物芳烃类结构含量多;热解温度高于550℃后,各富集物热解产物分子结构差异不明显。(4)富集物热解半焦(或焦炭)光学组织分析表明,350℃以下,镜质组和惰质组反射率和表观形貌无明显变化。350-550℃,镜质组颗粒软化、熔融形成气孔结构;镜质组和惰质组反射率明显增大;550-750℃,镜质组主要生成各向同性组织和少量细粒镶嵌组织,惰质组主要转化为破片和类丝炭组织,两者反射率迅速增大至5%,;750-900℃,光学组织不再发生变化,反射率增大至6.5%左右。550℃以后,随着富集物中活性组分含量增加,惰质组表面黏附的胶质体数量逐渐增多。(5)富集物热解半焦(或焦炭)微晶结构分析表明,热解温度小于650℃时,微晶结构的发展主要以纵向接合生长为主;热解温度高于650℃时,芳香片层自身内部的生成逐渐增多。富集物中活性组分含量越高,热解产物的Lc和La越大,d002越小。(6)富集物单独炼焦焦炭性质研究表明,随着活性组分含量增加,富集物所炼焦炭I10和SSI逐渐增强,MSI逐渐减小;CRI逐渐增大,CSR逐渐减小。比表面积的差异是造成不同活性组分含量富集物所炼焦炭热强度差异的主要原因。3气煤煤岩组分富集物配煤炼焦试验研究(1)气煤活性组分的配入量对焦炭冷强度影响研究表明,气煤富镜质组(DQ1)和富惰质组富集物(DQ3)的配入,对焦炭的冷强度均产生劣化,相比于肥煤,气煤的配入对焦煤所炼焦炭冷强度的影响更大。单位质量基础煤中气煤活性组分配入量相同时,配入DQ1对焦炭I10和SSI的劣化程度小,配入DQ3对焦炭MSI劣化程度小。当配煤焦炭I10、SSI较肥煤单独成焦焦炭变化较小时,以DQ1和DQ3分别为参与煤,单位质量肥煤中气煤活性组分配入量最多分别为0.39和0.16;当配煤焦炭MSI较肥煤单独成焦焦炭变化较小时,以DQ1和DQ3分别为参与煤,单位质量肥煤中气煤活性组分配入量最多均为0.10。气煤配入焦煤后焦炭冷强度均匀下降,没有出现劣化点。(2)气煤活性组分的配入量对焦炭热强度影响研究表明,气煤富镜质组(DQ1)和富惰质组富集物(DQ3)的配入,对肥煤和焦煤所炼焦炭的热强度均产生劣化,且随着气煤活性组分分配入量增加,热强度劣化程度均匀,不存在明显的劣化点。相比于肥煤,气煤的配入对焦煤所炼焦炭热强度的影响更大。当单位基础煤中气煤活性组配入量相同,配入DQ3对焦炭热强度的劣化程度较小。(3)气煤活性组分的配入量对焦炭气孔结构影响研究表明,随着单位质量基础煤中气煤活性组分配入量增加,焦炭的气孔率、气孔平均直径逐渐增大,气孔分布向大气孔方向转移,气孔壁平均厚度逐渐降低,焦炭比表面积先增大后减小。单位质量基础煤中气煤活性组分配入量相同时,配入DQ3对焦炭气孔率、气孔平均直径的增大影响更显著,配入DQ1对焦炭气孔壁厚度变薄和微气孔比表面积增大影响更显著。当配煤焦炭气孔率和气孔平均直径较肥煤单独成焦焦炭变化较小时,分别以DQ1和DQ3为参与煤,单位质量肥煤中气煤活性组分配入量最多分别为0.39和0.22。焦炭气孔率和气孔平均直径的改变是造成焦炭SSI劣化的主要原因;焦炭气孔壁平均厚度与焦炭MSI、气孔比表面积与焦炭CRI之间均存在较好相关性。这为焦炭SSI、MSI和CRI与气煤活性组分配入量的变化关系提供解释。(4)气煤活性组分的配入量对焦炭光学组织影响研究表明,随着单位质量基础煤中气煤活性组分配入量增加,焦炭各向异性程度逐渐降低,这为CO2反应性与活性组分含量间的变化关系提供解释;气煤活性组分配入量相同时,配入DQ3对焦炭各向异性减弱的程度更大。气煤与肥煤配煤炼焦时,肥煤对气煤具有改质作用,促进焦炭各向异性组织的发展,焦炭OTI>OTI加权值,ISO<ISO加权值;焦煤对气煤没有改质作用,这为气煤配入后对焦煤热强度劣化程度大于肥煤提供解释。(5)气煤活性组分的配入量对焦炭微晶结构影响研究表明,气煤富镜质组(DQ1)和富惰质组富集物(DQ3)的配入,对肥煤和焦煤所炼焦炭的微晶结构均产生劣化,相比于肥煤,气煤的配入对焦煤所炼焦炭冷强度的影响更大。单位质量基础煤中气煤活性组分配入量相同时,配入DQ3对焦炭微晶结构的劣化程度更大。当配煤焦炭La、Lc和d002较肥煤单独成焦焦炭变化较小时,分别以DQ1和DQ3为参与煤,单位质量肥煤中气煤活性组分配入量最多分别为0.30和0.16。以上突变点与焦炭热强度随气煤活性组分配入量的变化的突变点相同或为相邻点,说明气煤配入后焦炭微晶结构的改变是引起焦炭热强度改变的因素之一。(6)造成焦炭SSI劣化的原因主要为焦炭气孔率和气孔平均直径的改变;造成焦炭MSI劣化的原因主要焦炭光学组织结构和气孔壁厚度的改变;造成焦炭热强度劣化的原因主要为焦炭比表面积、光学组织结构和微晶结构的改变。