СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА КОКСА Российский патент 2015 года по МПК C10B57/04 G01N13/00 G01N33/22 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу производства доменного кокса высокой прочности.

Уровень техники

Доменный кокс применяется как восстанавливающий агент, источник тепла, и несущий материал для поддержания газопроницаемости в доменной печи. В настоящее время существует тенденция к производству высокопрочного кокса, с целью обеспечить стабильное функционирование при условии малого расхода восстанавливающего агента. Поскольку множественные типы (десять или более типов) угля обычно смешивают и используют при производстве доменного кокса, были произведены исследования, относящиеся к способу предсказания прочности кокса, получаемого из смеси углей. Например, способы от (А) до (С) хорошо известны.

(A) Способ предсказания прочности кокса, использующий прочность матрицы прочности кокса и текучесть в качестве показателей.

Этот способ основан на теории смешения, которая предсказывает прочность кокса на основании двух показателей, а именно среднего максимального показателя отражения витринита (средняя величина Ro, в дальнейшем просто обозначаемая Ro) и максимальной текучестью по Гизелеру (MF), в качестве параметров качества угля, и обычно используется в настоящее время.

(B) Способ предсказания прочности кокса, использующий ЯМР

Это способ предсказания прочности кокса, использующий показатель, отражающий количество пластического компонента угля, которое определяется с использованием ЯМР (ядерного магнитного резонанса), и показатель, отражающий вязкость пластического компонента угля (например, смотрите позицию 1 в списке Патентной литературы).

(C) Способ предсказания прочности кокса, использующий коэффициент эффекта смешения в качестве показателя.

Свойства угля изменяются в зависимости от происхождения, угольной шахты и угольного пласта, и отмечается, что существует совместимость между разными типами угля, при смешении разных типов угля при производстве кокса.

В случае типичных уравнений предсказания прочности кокса, используемых в способах, таких как способы, описанные выше в (А) и (В), поскольку прочность кокса, получаемого из смеси углей, состоящей из двух типов угля, предсказывается с использованием взвешенных средних значений различных физических свойств, существует множество случаев, в которых влияние повышения прочности вследствие совместимости, то есть эффект смешения, не предсказывается. С другой стороны, известен способ для предсказания эффекта смешения. В соответствии с данным способом, свойство кокса, получаемого из смеси углей, состоящей из множества типов углей, предсказывается на основании предположения, что кокс представляет собой агрегацию всех возможных комбинаций двух типов угля, выбранных из типов угля, составляющих кокс, разность между свойством кокса, полученного из двух типов угля, и взвешенным средним значением свойств двух типов кокса, полученных, соответственно, из двух типов угля, взятых в отдельности, представляется коэффициентом эффекта смешения, и уравнения предсказания прочности угля получают с использованием коэффициентов эффекта смешения (например, смотрите позицию 2 Патентной Литературы). Коэффициент эффекта смешения может быть получен на основании непосредственного измерения или на основании предположения.

Список цитирования

Патентная литература

[PTL 1] Нерассмотренная заявка на патент Японии, публикация №2002-294250

[PTL 2] Нерассмотренная заявка на патент Японии, публикация №9-255966

Не патентная литература

[NPL 1] J.K. Spelt и D. Li; «Подход к межфазным натяжениям, основанный на уравнении состояния, в Прикладной термодинамике поверхности», A.W. Neumann и J.K. Spelt (ред.); Серия Advances in Chemistry (Успехи химии), том 63, издательство Marcel Dekker, Нью-Йорк, 1996, стр. 239-292.

[NPL 2] D.W. Fuerstenau, «Международный журнал обработки руды, 20», 1987, стр. 153.

Раскрытие изобретения

Техническая задача

Хотя, в качестве способов предсказания прочности кокса для производства высокопрочного кокса, предложены описанные выше способы, уголь с высоким средним максимальным показателем отражения витринита (Ro) и высокой максимальной текучестью по Гизелеру, необходим для производства высокопрочного кокса с использованием метода, описанного в (А). Поскольку этот тип угля дорогостоящ, существует проблема повышения стоимости. Также, в случае, когда используется неспекающийся или слабоспекающийся уголь, имеющий малую текучесть, в связи с уменьшением чувствительности измерения показателя, отражающего текучесть, сложно определить текучесть, и возникает проблема неприменимости определенного значения.

Также, поскольку способ, описанный в (В), сосредоточен на текучести и вязкости угля, то есть показателях, имеющих в практическом смысле повышенную чувствительность определения максимальной текучести (MF), существует проблема, связанная со стоимостью, как и в случае способа, описанного в (А). Кроме того, оборудование, используемое в способе, описанном в (В), является дорогостоящим, специализированным и неудобным.

Более того, возможно более точно предсказать прочность кокса на основании способа, описанного в (С), в котором используется коэффициент эффекта смешения. Однако, поскольку параметр общепринятого уравнения прочности кокса используется в этом способе, этот способ все же не превосходит общепринятые способы, вследствие чего проблема, связанная со стоимостью, остается нерешенной. Также, хотя в этом способе и оценивается взаимодействие между частицами угля, поскольку эта оценка основана не на физическом свойстве, относящемся к адгезивности частиц угля, точность предсказания прочности недостаточно хороша, и существует проблема, связанная с неудобством, в случае, когда коэффициент эффекта смешения получают путем экспериментального измерения.

Настоящее изобретение было выполнено с целью решения описанной выше проблемы, и задачей настоящего изобретения является обеспечение способа для производства кокса, в котором возможно повысить прочность кокса, не допуская при этом повышения материальной стоимости угольного сырья.

Решение проблемы

Особенности настоящего изобретения, сделанного с целью решить описанные выше проблемы, следующие.

(1) Способ производства кокса, в котором смесь углей формируют путем смешения двух или более типов угля и карбонизуют указанную смесь углей, при этом способ, включает в себя использование межфазного натяжения между типами углей в качестве контрольного показателя для определения относительных содержаний каждого из типов угля в смеси при формировании смеси углей.

(2) Способ производства кокса в соответствии с пунктом (1), дополнительно включающий в себя: получение межфазного натяжения между типами углей с использованием поверхностного натяжения каждого из типов угля, предварительный вывод соотношения между указанным межфазным натяжением смеси углей, состоящей из двух или более типов угля, и прочностью кокса, который произведен путем карбонизации указанной смеси углей, и определение относительных содержаний каждого из типов угля в смеси с использованием указанного соотношения таким образом, чтобы межфазное натяжение смеси углей находилось в таком интервале, в котором кокс имел бы желаемую прочность.

(3) Способ производства кокса в соответствии с пунктом (2), в котором поверхностное натяжение угля получают нагреванием угля при температуре, соответствующей температуре начального размягчения или более высокой, и при температуре затвердевания или более низкой, охлаждением нагретого угля в атмосфере инертного газа и осуществлением измерения с использованием охлажденного угля.

(4) Способ производства кокса в соответствии с пунктом (3), в котором поверхностное натяжение угля получают нагреванием угля при температуре 350°C или выше и 800°C или ниже, охлаждением нагретого угля в атмосфере инертного газа и осуществлением измерения с использованием охлажденного угля.

(5) Способ производства кокса в соответствии с любым из пунктов (2)-(4), в котором межфазное натяжение между типами угля получают вычислением межфазного натяжения γ_inter по приведенному ниже уравнению (1) с использованием поверхностного натяжения каждого из типов углей:

, где

γ_i: поверхностное натяжение угля i

γ_ij: межфазное натяжение между углем i и углем j

w_i: относительное содержание в смеси угля i

γ_inter: межфазное натяжение смеси углей, состоящей из угля 1, угля 2, угля 1, … и угля n.

(6) Способ производства кокса в соответствии с любым из пунктов (2)-(4), в котором межфазное натяжение между типами углей получают вычислением межфазного натяжения γ_inter по приведенному ниже уравнению (2) с использованием поверхностного натяжения каждого из типов углей:

, где

γ_i: поверхностное натяжение угля i

w_i: относительное содержание в смеси угля i

γ_inter: межфазное натяжение смеси углей, состоящей из угля 1, угля 2, угля 1, … и угля n.

$${\sigma }_{\gamma }^2$$ : дисперсия величин поверхностного натяжения всех составляющих типов угля.

(7) Способ производства кокса, в соответствии с п. (5) или (6), в котором относительное содержание каждого из типов угля в смеси определяют таким образом, чтобы межфазное натяжение γ_inter составляло 0,03 мН/м (миллиньютона на метр) или меньше.

(8) Способ производства кокса в соответствии с п. (7), в котором используют смесь углей, имеющую взвешенное среднее значение Ro составляющих типов угля, равное 0,90% или более и 1,30% или менее, и взвешенное среднее значение logMF составляющих типов угля, равное 2,3 или более и 2,8 или менее, где Ro - средний максимальный показатель отражения, а MF - максимальная текучесть по Гизелеру.

(9) Способ производства кокса в соответствии с п. (5) или (6), в котором относительное содержание каждого из типов угля в смеси определяют таким образом, чтобы межфазное натяжение γ_inter составляло 0,02 мН/м или меньше в случае смеси углей, имеющей взвешенное среднее значение Ro составляющих типов угля, равное 0,90% или более и 1,30% или менее, и имеющей взвешенное среднее значение logMF составляющих типов угля, равное 2,0 или более и 2,3 или менее, где Ro - средний максимальный показатель отражения, a MF - максимальная текучесть по Гизелеру.

(10) Способ производства кокса в соответствии с п. (5) или (6), в котором относительное содержание каждого из типов угля в смеси определяют таким образом, чтобы межфазное натяжение γ_inter составляло 0,01 мН/м или меньше в случае смеси углей, содержащей 30 масс. % или более угля, имеющего величину logMF, равную 1,4 или менее, где MF - максимальная текучесть по Гизелеру.

Преимущества изобретения

В способе настоящего изобретения, прочность кокса предсказывается с учетом силы адгезии, возникающей вследствие межфазных натяжений между частицами угля, и относительные содержания каждого из типов угля в смеси определяют с использованием данного способа предсказания. То есть в способе настоящего изобретения, кокс производят с использованием иных показателей, чем те, которые используются в традиционных способах. Следовательно, возникают следующие эффекты.

(a) Поскольку увеличивается точность предсказания уравнения прочности кокса, становится возможным производить кокс при условиях смешения, которые не могут быть определены с использованием традиционных параметров свойств углей.

(b) Кроме того, поскольку увеличивается количество параметров, определяющих свойства угля, увеличивается свобода в приобретении материалов, в связи с чем становится возможным повышать прочность кокса без увеличения материальной стоимости.

(c) Более того, поскольку способ настоящего изобретения может быть применен к неспекающимся или слабоспекающимся углям, текучесть которых слишком низка для определения с использованием пластометра Гизелера, становится возможным существенно увеличить свободу при смешении угольного сырья.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую принцип измерения поверхностного натяжения с использованием пленочной флотации.

Фиг. 2 представляет собой график, иллюстрирующий распределение поверхностного натяжения с использованием кривой частотного распределения.

Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее некую плоскость внутри кокса, полученного из смеси углей, состоящей из двух типов угля в соотношении 1:1.

Фиг. 4 представляет собой график, иллюстрирующий соотношение между дисперсией поверхностного натяжения и межфазным натяжением составляющих типов угля в смеси углей.

Фиг. 5 представляет собой график, иллюстрирующий влияние межфазного натяжения на показатель прочности кокса, полученный барабанной пробой.

Фиг. 6. представляет собой график, иллюстрирующий влияние межфазного натяжения на показатель прочности кокса, полученный барабанной пробой, для кокса, полученного из смесей угля, содержащих высокое количество углей с низким MF.

Фиг. 7 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую соотношение между показателем прочности кокса, полученным барабанной пробой, для кокса, произведенного в ПРИМЕРЕ 4 и logMF смесей угля.

Осуществление изобретения

Кокс производят путем карбонизации частиц угля, которые размягчаются и прилипают друг к другу. Следовательно, считается, что сила адгезии между частицами угля оказывает влияние на прочность кокса.

Как правило, сила адгезии между частицами угля повышается с уменьшением межфазного натяжения на поверхностях адгезии. Можно считать, что межфазное натяжение представляет собой тип свободной энергии, который существует на поверхностях, на основании того, что межфазное натяжение выражается в единицах мН/м. Следовательно, наличие межфазного натяжения означает наличие свободной энергии, способной вызывать действие сил, на поверхностях раздела. Следовательно, высокое межфазное натяжение приводит к склонности к образованию трещин. Хотя, в настоящем изобретении силу адгезии между частицами угля определяют с использованием межфазного натяжения в качестве показателя, на основании предположения, что межфазное натяжение оказывает влияние на силу адгезии между частицами угля, существует проблема, связанная со сложностью измерения межфазного натяжения.

Хотя предпочтительным является непосредственное измерение межфазного натяжения на границе раздела между частицами угля разных сортов, это весьма трудно, при использовании традиционных способов. Следовательно, в настоящем изобретении используется способ для предсказания межфазного натяжения на основании поверхностного натяжения каждого из типов сорта угля, как описано ниже, и относительные содержания углей в смеси определяют на основании межфазного натяжения. Однако, оставались невыясненными некоторые обстоятельства, такие как условия измерения поверхностного натяжения, которые могли быть подходящим образом использованы для предсказания прочности кокса, способ предсказания межфазного натяжения с использованием поверхностных натяжений и степень влияния этих факторов на прочность кокса. Авторы настоящего изобретения провели исследования относительно этих факторов, нашли способ эффективный для предсказания прочности кокса и создали настоящее изобретение.

Межфазное натяжение может быть определено из поверхностного натяжения материалов, которые приходят в соприкосновение друг с другом. Для разных материалов А и В, межфазное натяжение между материалами А и В может быть определено из поверхностного натяжения каждого из материалов А и В, и, например, межфазное натяжение может быть получено из приведенного ниже уравнения (3) с использованием уравнения Гирифалко и Гуда.

Здесь, γ_A, γ_B: поверхностные натяжения материалов А и В, γ_AB: межфазное натяжение между материалами А и В, и ϕ: коэффициент взаимодействия. ϕ может быть определен экспериментально, и известно, что величина ϕ изменяется в зависимости от материалов А и В.

Кроме того, D. Li и A.W. Neumann предлагают приведенное ниже уравнение (4), которое может быть выведено путем преобразования уравнения (3) в предположении, что ϕ увеличивается с увеличением разности между γ_A и γ_B.

Здесь β: постоянная β определяется экспериментально, и D. Li и A.W. Neumann вычислили значение, равное 0,0001247 (м²/мДж)² для β (смотрите позицию 1 в списке не патентной литературы). Следовательно, межфазное натяжение между углем А и углем В может быть определено путем измерения поверхностных натяжений угля А и угля В и подстановки этих величин в уравнение (3) или (4). Поскольку необходимо экспериментальное измерение ϕ при использовании уравнения (3), предпочтительным для удобного вычисления межфазного натяжения является использование уравнения (4), в котором предсказывается значение ϕ.

Считается, что сила адгезии между частицами угля при коксовании зависит от поверхностного натяжения от начала размягчения до окончания затвердевания. Следовательно, предпочтительным является измерение поверхностного натяжения угля в размягченном состоянии. Однако в практическом применении измерение поверхностного натяжения в условиях, когда частицы угля размягчаются и слипаются друг с другом, является сложным. На основании результатов исследований, авторы настоящего изобретения выяснили, что поверхностное натяжение угля в размягченном состоянии может быть предсказано путем нагревания угля в отсутствии воздуха до температуры, при которой уголь размягчается, то есть нагревания угля в инертной атмосфере, охлаждения нагретого угля при скорости охлаждения 10°C/сек или большей, и измерения поверхностного натяжения угля.

Поскольку считается, что поверхностное натяжение оказывает влияние на адгезию между частицами угля, уместным является установление температуры нагревания, описанной выше, в диапазоне, в котором частицы угля начинают размягчаться, прилипают друг к другу, затвердевают, и процесс коксования завершается, то есть при температуре 350°C или выше, при которой частицы угля начинают размягчаться, и при температуре 800°C или ниже, при которой завершается коксование. В диапазоне температур нагревания от 350°C до 800°C, температура, при которой происходит размягчение, особенно влияет на адгезию. Поскольку диапазон температур, при которых уголь, используемый для производства кокса, размягчается, составляет от 350°C до 500°C и можно сказать, что температура, при которой размягчаются угли всех типов, составляет 500°C, является предпочтительным, чтобы температура нагревания составляла от 480°C до 520°C, в особенности вблизи 500°C. Кроме того, поскольку поверхностное натяжение термически обработанного угля имеет некоторую корреляцию с поверхностным натяжением сырого угля, возможно также определить межфазное натяжение с использованием поверхностного натяжения угля.

Термически обработанный уголь быстро охлаждают, чтобы сохранить молекулярную структуру размягченного состояния, и, следовательно, предпочтительным является, чтобы скорость охлаждения составляла 10°C/сек или более, при этом считается, что молекулярная структура не изменяется. Примеры способов быстрого охлаждения включают в себя способ, использующий сжиженный азот, ледяную воду, воду или инертный газ, такой как азот. Является предпочтительным осуществлять быстрое охлаждение с использованием сжиженного азота, поскольку требуется время для охлаждения материала внутри образца, и наблюдается разброс в зависимости от скорости охлаждения в случае использования охлаждения газом, и поскольку на измерение поверхностного натяжения оказывает влияние влага, содержащаяся на поверхности образца при охлаждении ледяной водой или водой.

Что касается способов измерения поверхностного натяжения, известны методы лежачей капли, метод капиллярного поднятия, метод максимального давления пузырька, сталагмометрический метод, метод висячей капли, метод отрыва кольца, метод Вильгельми, метод измерения угла натекания и отекания, метод качающейся пластинки, метод пленочной флотации и другие схожие методы. Поскольку уголь состоит из различных молекулярных структур, и поскольку предполагается, что уголь имеет неравномерное распределение поверхностного натяжения, в особенности предпочтительным является использование метода пленочной флотации, при которой предполагается возможным выяснить распределение поверхностного натяжения (смотрите позицию 2 в Списке не патентной литературы). Метод пленочной флотации является способом, которым может быть измерено поверхностное натяжение твердого тела.

Основной принцип метода пленочной флотации будет описан со ссылкой на фигуру 1. Метод пленочной флотации основан на идее о том, что при падении измельченных частиц 3 образца из газовой фазы 1 на поверхность жидкости 2, поверхностные натяжения частицы образца и жидкости равны в том случае, когда частица 3 образца погружается как раз под уровень поверхности жидкости 2 (в случае частицы образца, расположенной в центре фигуры 1, для которой контактный угол, по существу, равен 0°). Стрелки 4 отражают направление силы поверхностного натяжения частицы 3 образца. Белая стрелка, расположенная в центре фигуры 1, отражает направление погружения, и горизонтальная стрелка показывает, что поверхностное натяжение жидкости велико на левой стороне (сторона H) фигуры и поверхностное натяжение жидкости мало на правой стороне (сторона L) фигуры. Погружая частицы образца в различные типы жидкостей с различными поверхностными натяжениями и получая массовую долю плавающих частиц образца для каждого из типов жидкости, и представляя результаты в виде кривой частотного распределения, получают кривую распределения поверхностного натяжения, как проиллюстрировано на фигуре 2. Здесь, поверхностное натяжение, непосредственно получаемое методом пленочной флотации, представляет собой критическое поверхностное натяжение (поверхностное натяжение жидкости, при котором контактный угол составляет 0°), и поверхностное натяжение угля может быть определено из критического поверхностного натяжения, как описано ниже. Приведенное ниже уравнение (5) получено из приведенного выше уравнения (3), где γ_S: поверхностное натяжение твердого тела (угля), γ_L: поверхностное натяжение жидкости, γ_SL: межфазное натяжение, γ_C: критическое поверхностное натяжение, и ϕ: коэффициент взаимодействия (угля и жидкости).

Уравнение (6) получено из уравнения Юнга.

Уравнение (7) получено из уравнений (5) и (6)

Уравнение (8) получено подстановкой θ=0° и γ_L=γ_C в уравнение (7).

Уравнение (9) получено возведением в квадрат обеих частей уравнения (8).

Поверхностное натяжение γ_S угля может быть получено из критического поверхностного натяжения γ_C и ϕ в уравнении (9).

Разница в структуре между жидкостью, используемой в методе пленочной флотации, и углем велика. По сравнению с данной разницей, считается, что разница в структуре между углями различных типов (типами угля) мала. Поскольку коэффициент взаимодействия ϕ является параметром, на который оказывает влияние молекулярная структура соответствующих материалов, поверхностное натяжение γ_S определяется лишь критическим поверхностным натяжением, на основании допущения, что коэффициент взаимодействия ϕ постоянен, вне зависимости от сорта угля. Следовательно, можно также сказать, что поверхностное натяжение угля может быть оценено только на основе критического поверхностного натяжения. В настоящем изобретении, на основании допущения, что коэффициент взаимодействия ϕ равен 1, считается, что величина поверхностного натяжения γ_S угля равна критическому поверхностному натяжению γ_C.

Ниже будут описаны различные условия осуществления метода пленочной флотации. Поскольку поверхностное натяжение угля или угля в размягченном состоянии распределено в диапазоне от 20 до 73 мН/м, следует использовать жидкость с поверхностным натяжением в этом диапазоне для метода пленочной флотации. Например, можно приготовить жидкость с поверхностным натяжением от 20 до 73 мН/м из водных растворов органических растворителей, таких как этанол, метанол, пропанол, трет-бутанол и ацетон. Что касается диаметра образца частиц, которые используются для измерения поверхностного натяжения, поскольку, с точки зрения принципа измерения, является предпочтительным измерение поверхностного натяжения при контактном угле, почти равном 0°, и поскольку контактный угол увеличивается с увеличением диаметра частиц образца, является предпочтительным использовать частицы настолько малого диаметра, насколько возможно. Однако, поскольку частицы склонны агрегировать в случае, когда диаметр частиц образца меньше, чем 53 мкм, является предпочтительным измельчать образец таким образом, чтобы диаметр частиц образца составлял от 53 до 100 мкм. Кроме того, поскольку метод пленочной флотации использует флотацию материала вследствие поверхностного натяжения, необходимо, чтобы измерение проводили в условиях, при которых сила тяжести материала пренебрежимо мала. Это связано с тем, что наблюдается увеличение контактного угла вследствие силы тяжести в случае большой плотности материала. Следовательно, является предпочтительным, чтобы измерялось поверхностное натяжение материала с плотностью, равной 2000 кг/м³ или меньшей, с тем, чтобы на контактный угол не оказывала влияние сила тяжести. Поскольку различные типы угля удовлетворяют этому условию, можно измерить поверхностное натяжение всех типов угля, таких как твердый коксующийся уголь, неспекающийся или слабоспекающийся уголь, и антрацит, вне зависимости от типов угля. Более того, также возможно тем же способом измерить поверхностное натяжение примесей, таких как деготь, нефтяной кокс, коксовая мелочь, пыль, отходы пластика и биомассы.

Один из примеров способов приготовления образов, используемых для метода пленочной флотации, является способ, в котором образец приготавливают измельчением угля в порошок с диаметром частиц 200 мкм или менее, нагреванием измельченного угля до температуры 500°C со скоростью нагревания 3°C/мин, охлаждением термически обработанного угля сжиженным азотом, измельчением охлажденного угля в порошок с диаметром 150 мкм или менее и сушкой порошка в потоке сухого инертного газа при температуре 120°C в течение 2 часов, и этот способ может быть применен. Предпочтительно, чтобы диаметр частиц измельченного термически обработанного угля составлял 250 мкм или менее, как указано в качестве диаметра измельченного угля в экспресс-анализе угля по JIS M 8812, чтобы сделать однородный образец из образца угля, неоднородного по мацералу угля или свойствам. Хотя скорость нагревания устанавливается равной 3°C/мин, поскольку скорость нагревания при производстве кокса в коксовой печи равна приблизительно 3°C/мин, является предпочтительным регулировать скорость нагревания в соответствии со скоростью нагревания, при которой кокс, поверхностное натяжение которого измеряют, нагревается в практическом способе производства. Можно использовать любой тип способа сушки, при котором влага, присутствующая на поверхности частиц образца, может быть удалена, и способ, при котором осуществляется сушка при пониженном давлении, также может быть использован взамен способа, при котором нагревание при температуре от 100°C до 200°C осуществляется в инертном газе, таком как азот или аргон.

Причина, по которой охлаждение осуществляется в инертной атмосфере после нагревания частиц образца до температуры около 500°C, состоит в том, что таким образом намереваются уменьшить ошибку измерения поверхностного натяжения. Причина состоит в том, что поскольку температура угля высока сразу после осуществления нагревания, происходит изменение структуры вследствие частичного окисления поверхности угля, в случае осуществления охлаждения в атмосфере, содержащей кислород, что приводит к ошибке измерения поверхностного натяжения. Результаты измерения поверхностного натяжения с использованием этого способа при охлаждении в различных атмосферах, даны в Таблице 1. Как показано в Таблице 1, осуществляли охлаждение некоего нагретого угля, изменяя лишь атмосферу при охлаждении, и измерение проводилось дважды (n=1,2) для каждой атмосферы, и определяли среднее значение из двух измеренных величин. Использовали два типа атмосферы при охлаждении, где одна представляла собой атмосферный воздух (20°C), другая представляла собой атмосферу азота (20°C).

В Таблице 1 показано, что, тогда как разница между результатами двух измерений находилась в пределах 0,3 в случае, когда охлаждение осуществлялось в инертной атмосфере (20°C), разница между результатами двух измерений составила 1,2 в случае, когда охлаждение осуществлялось в атмосферном воздухе (20°C). Считая, что ошибка измерения в этом способе измерения (стандартное отклонение результатов измерения одного и того же образца) составляет 0,4, является предпочтительным осуществлять охлаждение в инертной атмосфере, такой как газообразный азот, чтобы также уменьшить разброс результатов измерения поверхностного натяжения. Хотя в качестве инертной атмосферы может быть использован такой благородный газ, как аргон, или газообразный азот, обычно используется газообразный азот.

Примеры показателей, характеризующих поверхностное натяжение одного сорта угля (одного угля) включают в себя среднее значение распределения поверхностного натяжения, стандартное отклонение поверхностного натяжения, поверхностное натяжение в максимуме распределения поверхностного натяжения, максимальное и минимальное значения распределения поверхностного натяжения, и функция распределения поверхностного натяжения. Среднее значение распределения поверхностного натяжения (обозначаемое как γ с верхней чертой) выражается, например, приведенным ниже уравнением (10).

Здесь γ: поверхностное натяжение, f(γ): частота распределения поверхностного натяжения. Стандартное отклонение распределения поверхностного натяжения (σ_γ) выражается, например, уравнением (11).

Поверхностное натяжение в максимуме распределения поверхностного натяжения и максимальное и минимальное значения распределения поверхностного натяжения показаны, соответственно позициями 5, 6 и 7 на фигуре 2. Примеры функций распределения поверхностного натяжения включают нормальное распределение, логарифмически нормальное распределение, распределение Фишера, распределение хи-квадрат, экспоненциальное распределение, гамма-распределение и бета-распределение, каждое из которых имеет форму распределения, похожую на распределение поверхностного натяжения.

Что касается времени измерения поверхностного натяжения, предпочтительно измерять поверхностное натяжение в течение 7 дней до того дня, когда готовят смесь углей для производства кокса, более предпочтительно - непосредственно перед производством кокса, если это возможно. Поскольку на поверхностное натяжение оказывает влияние молекулярная структура, измеренная величина поверхностного натяжения может меняться из-за условий хранения угля и эрозии угля. Следовательно, является предпочтительным, чтобы время между измерением и приготовлением было настолько коротким, насколько возможно. Кроме того, поскольку поверхностное натяжение того же типа угля может изменяться в связи с изменением качества или степенью смешения на угольной шахте, предпочтительно, чтобы поверхностное натяжение измерялось при каждой поставке угля.

Далее будет рассмотрен иллюстративный случай определения межфазного натяжения смеси углей с применением уравнения (4), с использованием в качестве показателя, характеризующего поверхностное натяжение, среднего значения распределения поверхностного натяжения, определенного из уравнения (10). Здесь предполагается, что есть два типа угля А и В, имеющие различные поверхностные натяжения. Как показано на фигуре 3, в случае, когда кокс производят путем равномерного смешения угля А 8 и угля В 9 в соотношении 1:1, считается, что существует граница раздела 10а между частицами угля А 8, граница раздела 10d между частицами угля В 9, и границы раздела 10b и 10c между частицами угля А 8 и угля В 9 в некоей плоскости 11 внутри кокса. В предположении, что эти границы раздела называются, соответственно граница раздела а-а, граница раздела b-b, и граница раздела a-b, необходимо, чтобы межфазное натяжение угля А и угля В было определено путем суммирования величин межфазных натяжений границы раздела a-a, границы раздела b-b и границы раздела a-b. Следовательно, межфазное натяжение смеси углей, состоящей из угля А и угля В определяется суммой произведений межфазных натяжений и вероятностей существования всех границ раздела. Именно эта формула вычисления выражена в представленном ниже уравнении (12).

где γ_AB: межфазное натяжение смеси углей, состоящей из угля А и угля В, p_aa: вероятность существования границы раздела a-a, p_ab: вероятность существования границы раздела a-b, p_bb: вероятность существования границы раздела b-b, γ_aa: межфазное натяжение на границе раздела a-a, γ_ab: межфазное натяжение на границе раздела a-b, γ_bb: межфазное натяжение на границе раздела b-b. Предполагается, что межфазное натяжение каждой из границ раздела определяется подстановкой средних величин распределений поверхностных натяжений угля А и угля В в уравнение (4). Считается, что вероятность существования каждой границы раздела меняется в зависимости от соотношений угля А и угля В. Следовательно, предполагается, что вероятность существования каждой границы раздела определяется из произведений относительных содержаний угля А и угля В в смеси. Подробности будут описаны ниже.

граница раздела a-a: вычисляют умножением относительного содержания угля А на относительное содержание угля А. Поскольку уголь А и уголь В смешивают в соотношении 1:1, относительные содержания угля А, и угля В в смеси составляют каждый по 50%. Следовательно, вероятность существования границы раздела составляет 25% из приведенного ниже уравнения (13)

граница раздела a-b: вычисляют умножением относительного содержания угля А на относительное содержание угля В. Предполагают, что граница раздела a-b и граница раздела b-a суть одно и то же. Вероятность существования границы раздела составляет 50% из приведенного ниже уравнения (14).

граница раздела b-b: вычисляют умножением относительного содержания угля В на относительное содержание угля В. Вероятность существования границы раздела составляет 25% из приведенного ниже уравнения (15)

Подводя итог описанному выше, формула для вычисления межфазного натяжения выражается приведенным ниже уравнением (16), которое получается подстановкой в уравнение (12) вместо вероятностей существования относительных содержаний.

где w_a: относительное содержание угля А в смеси и w_b: относительное содержание угля В в смеси.

Расширяя этот подход на случай смеси углей, состоящей из двух или более типов угля, соотношение между относительными содержаниями в смеси всех составляющих типов угля выражается приведенным ниже уравнением (17) в случае, когда смешивают n типов угля.

Здесь, w_i: относительное содержание угля 1, 2, …, i, … n в смеси. Вероятность существования границы раздела i-j между углем i и углем j выражается произведениями w_i и w_j. Поскольку межфазное натяжение смеси углей определяется суммой произведений вероятностей существования и межфазного натяжения всех границ раздела, межфазное натяжение смеси углей выражается уравнением (18)

Здесь, γ_inter: межфазное натяжение смеси углей. Кроме того,

Путем переписывания уравнения (18) с использованием матриц, были получены уравнения (20)-(22).

Здесь t представляет собой символ транспонированной матрицы.

Как описано в начале, сила адгезии на границе раздела увеличивается с уменьшением межфазного натяжения. В уравнении (4) условие, при котором величина γ_AB минимальна, представляет собой

То есть в случае, когда смешиваются типы угля, поверхностные натяжения которых равны, межфазное натяжение минимизируется. Следовательно, можно сказать, что определение с использованием уравнения (20) условий смешения, при которых межфазное натяжение минимально, есть то же, что определение условий смешения, при которых разности между поверхностными натяжениями составляющих типов угля малы.

Кроме того, авторы настоящего изобретения нашли способ предсказания межфазного натяжения смеси углей с использованием дисперсии поверхностных натяжений всех составляющих типов угля вместо использования уравнения (20). Этот способ основан на использовании того, что существует сильная корреляция между межфазным натяжением, определяемым из уравнения (20), и дисперсией поверхностных натяжений всех составляющих типов угля в случае смесей угля, которые были использованы в практическом применении в течение прошедших двух лет. Корреляция иллюстрируется на фигуре 4. Кроме того, формула для вычисления дисперсии поверхностных натяжений всех составляющих типов угля выражается уравнением (24), и уравнение корреляции выражается уравнением (25).

Здесь, $${\sigma }_{\gamma }^2$$ : дисперсия величин поверхностного натяжения всех составляющих типов угля, γ_i: поверхностные натяжения углей 1, 2, …, i, … n, w_i: относительные содержания в смеси угля 1, 2, …, i, … n, удовлетворяющие уравнению (17). Для вычисления условий смешения в практических приложениях, часто используются приложения для редактирования электронных таблиц. Однако, поскольку матричные вычисления включены в случае, когда межфазное натяжение вычисляют с использованием уравнения (20), становится сложным осуществлять вычисление на единственном листе электронной таблицы, вследствие чего вычисление усложняется. Однако в случае, когда используется уравнение (25), поскольку вычисление в приложении для редактирования электронных таблиц упрощается, становится возможным более просто регулировать поверхностное натяжение.

Для производства высокопрочного кокса с использованием межфазного натяжения, существует проблема, связанная с тем, какая должна быть выбрана и установлена величина межфазного натяжения смеси углей, определяемая относительными содержаниями составляющих типов угля в смеси. Теоретически, предпочтительно минимизировать межфазное натяжение, чтобы увеличить силу адгезии и прочность кокса. Однако считается, что существует случай, когда желаемая прочность кокса может быть достигнута в практическом применении даже если межфазное натяжение не минимально. Следовательно, описанный ниже способ является подходящим способом для производства высокопрочного кокса с использованием межфазных натяжений, потому что способ позволяет широко варьировать смесевой состав. То есть, в данном способе условия смешения определяют таким образом, чтобы межфазное натяжение смеси угля было в таком диапазоне, при котором может быть достигнута желаемая прочность кокса, с использованием соотношения между межфазным натяжением и прочностью кокса, которое было предварительно выведено путем проведения измерений прочности кокса с использованием множества смесей угля с различными межфазными натяжениями.

В случае, когда производят высокопрочный кокс путем регулирования межфазного натяжения, предпочтительно, чтобы также использовалось регулирование среднего максимального показателя отражения витринита (Ro) и максимальной текучести по Гизелеру (logMF), которые являются традиционными параметрами, характеризующими свойства угля. Причина этого в том, что предсказание прочности кокса на основании этих традиционных характеристик свойств угля в некоторой степени эффективно, и в том, что способ увеличения прочности кокса по настоящему изобретению основан на принципе, отличном от данных традиционных параметров, характеризующих свойства угля. В практическом применении, условия смешения определяются путем регулирования таким образом, чтобы среднее значение среднего максимального показателя преломления витринита (Ro), взвешенное с относительными содержаниями углей в смеси, составляло от 0,90 до 1,30, а среднее значение максимальной текучести по Гизелеру (logMF), взвешенное с относительными содержаниями углей в смеси, составляло от 2,3 до 2,8. В этих диапазонах регулирования, дополнительно регулируя межфазное натяжение, можно увеличить точность предсказания прочности кокса и производить кокс с более высокой прочностью.

Авторы настоящего изобретения выяснили, что в случае, когда межфазное натяжение γ_inter, полученное с использованием уравнения (20) увеличивается, в то время как средняя величина среднего максимального показателя отражения витринита (Ro) смеси углей и среднее значение максимальной текучести по Гизелеру (logMF) смеси углей поддерживаются постоянными, прочность кокса уменьшается с увеличением γ_inter в случае когда γ_inter превышает 0,03 мН/м. Следовательно, в случае, когда средняя величина среднего максимального показателя отражения витринита (Ro) смеси углей и средняя величина максимальной ползучести по Гизелеру (logMF) смеси углей используются как показатели для смешения, можно сказать, что предпочтительным является поддержание γ_inter равного 0,03 мН/м или меньше.

Кроме того, авторы настоящего изобретения выяснили, что в рамках практического применения, описанных выше, в случае когда относительное содержание в смеси угля с низким MF высоко, особенно в случае, когда относительное содержание в смеси угля с logMF, равным 1,4 или меньшим, составляет 30% или более, наблюдается увеличение влияния межфазного натяжения на прочность кокса. Ниже будет описана причина этого.

Известно, что на адгезию между частицами угля влияет не только межфазное натяжение, но и текучесть. В случае, когда относительное содержание в смеси угля, имеющего малую MF, мало, поскольку частицы угля текут и размягчаются вместе друг с другом, на адгезию значительно влияет не только межфазное натяжение, но и эта текучесть. Считается, что в случае, когда относительное содержание угля, имеющего малую MF, велико, даже если одна частица угля размягчается, если другая частица угля имеет малую MF, частица угля с малой MF, не размягчается. Следовательно, наблюдается уменьшение эффекта адгезии вследствие текучести, которое приводит к повышению относительного вклада межфазного натяжения в адгезию. Считается, что это является причиной повышения влияния межфазного натяжения на прочность кокса в случае, когда относительное содержание в смеси угля, имеющего малую MF, велико. В настоящее время, поскольку наблюдается повышение количества неспекающегося и слабоспекающегося угля с низкими MF, вследствие значительного повышения стоимости твердого коксующегося угля, чаще, чем раньше, оказывается, что относительное содержание в смеси угля, имеющего logMF 1,4 или менее, составляет 30% или более. Следовательно, в свете ситуации спрос-предложение угля в настоящее время, настоящий способ является эффективным как способ повышения прочности кокса при условиях, когда относительное содержание в смеси неспекающегося или слабоспекающегося угля высоко. Наблюдается схожая тенденция в случае смеси углей, имеющей меньшую MF, чем обычно. В частности, в случае, когда взвешенная средняя величина logMF смеси угля составляет 2,0 или более и менее чем 2,3, предпочтительно, чтобы γ_inter поддерживало равным 0,02 мН/м или менее, чтобы предотвратить уменьшение прочности кокса.

При упоминании «сорта угля», можно применять классификацию по названию сорта, которое используется при продаже угля с угольной шахты. Однако поскольку в некоторых случаях смешанный уголь, состоящий из нескольких типов угля разного происхождения или из разных угольных пластов, продается как единственный сорт угля, и, поскольку свойства угля, как правило, зависят от происхождения или угольного пласта, в настоящем изобретении предпочтительно классифицировать типы угля разного происхождения или из разных угольных пластов как разные типы угля. В этом случае, «сорт угля (тип угля)» по настоящему изобретению не относится к (торговому) названию сорта, и настоящее изобретение может быть применено к углю, который продается как единственный сорт угля на угольной шахте, рассматривая этот уголь как смесь углей, состоящую из разных типов угля, или двух или более типов угля. Здесь «угольный пласт» относится к каждому из множественных слоев угля, которые, как правило, образуют слои в геологических пластах в определенном местоположении. В случае, когда типы угля производятся из смежных угольных пластов смежных областей и существует лишь практически пренебрежимая разница в свойствах между этими типами угля, такие типы угля могут рассматриваться как одинаковые типы угля.

Настоящее изобретение может быть применено не только к смешению обычного угля, но и к смешению брикетированного угля. Кроме того, настоящее изобретение может также быть применено к случаю, когда, например, деготь, нефтяной кокс, коксовая мелочь, пыль, отходы пластиков, или биомасса в малом количестве добавляется в качестве добавки в дополнение к двум или более типам угля. Здесь «в малом количестве добавляется» значит, что добавка добавляется в количестве не более чем около 10 массовых % от общего количества угля, обычно 5 массовых процентов или менее. Поскольку добавка добавляется в малом количестве, также возможно вывести регулирующий показатель для определения относительных содержаний типов угля в смеси только из межфазных натяжений между типами угля, вне зависимости от того, присутствует или нет добавка, при применении настоящего изобретения.

Как описано выше, межфазное натяжение угля может быть подходящим образом использовано как показатель для определения не только силы адгезии между типами угля, но и прочности кокса. Например, можно увеличить силу адгезии между типами угля и прочность кокса, заранее получив соотношение между межфазным натяжением и прочностью кокса и смешивая уголь таким образом, чтобы межфазное натяжение смеси углей находилось в диапазоне, при котором достигается желаемая прочность кокса. Кроме того, возможно предсказать прочность кокса с точки зрения, отличной от той, которая использует традиционные показатели, вводя данное межфазное натяжение в качестве нового параметра в формулу предсказания прочности кокса. Следовательно, возможно производить высокопрочный кокс без значительного увеличения стоимости и принимая в расчет межфазное натяжение.

ПРИМЕРЫ

ПРИМЕР 1

Будет описан пример, в котором высокопрочный кокс производят на основании межфазного натяжения. Чтобы прояснить условия производства высокопрочного кокса вне зависимости от традиционных параметров свойств угля, эксперимент проводили при условии, что традиционные параметры свойств угля были постоянны. Приготовили тринадцать типов угля (типы угля от А до М) и, во-первых, было проведено тестирование свойств этих типов угля с целью определения среднего максимального показателя отражения витринита (Ro), максимальной текучести по Гизелеру (logMF) и поверхностного натяжения, определенного методом пленочной флотации, которые являются традиционными параметрами свойств угля. Средний максимальный показатель отражения определяли в соответствии с JIS M 8816 (средний максимальный показатель отражения витринита угля), и максимальную текучесть по Гизелеру определяли в соответствии с JIS M 8801. Измерение поверхностного натяжения методом пленочной флотации проводили с использованием образца, приготовленного путем измельчения угля в порошки с диаметром 200 мкм или менее, нагревания порошка до температуры 500°C со скоростью нагревания 3°C/мин, быстрого охлаждения термически обработанного угля сжиженным азотом, измельчения охлажденного угля в порошок, имеющий диаметр 150 мкм или менее, и высушивания измельченного порошка в потоке сухого азота при температуре 120°C в течение 2 часов. В качестве жидкости, использованной для определения поверхностного натяжения в методе пленочной флотации, применяли этанол, который является недорогим и простым в обращении. Средняя величина распределения поверхностного натяжения определялась из измеренного поверхностного натяжения с использованием уравнения (10), и эта средняя величина распределения поверхностного натяжения использовалась как показатель поверхностного натяжения угля (γ). С использованием результатов измерений свойств угля, были определены 4 класса смесей (смеси от А до В) с разными межфазными натяжениями. Чтобы исключить влияния других параметров на прочность кокса, относительные содержания углей от А до М в смеси регулировали таким образом, чтобы все смеси имели одинаковое взвешенное среднее значение максимального показателя отражения витринита (Ro) смеси углей и одинаковое взвешенное среднее значение максимальной текучести по Гизелеру (logMF) смеси углей, которые использовали как традиционные параметры для предсказания прочности кокса. Среднее значение Ro смеси угля и среднее значение logMF смеси углей регулировали таким образом, чтобы они были равны величинам, используемым в практических применениях. Межфазное натяжение (γ_inter) определяли с использованием уравнения (20). Свойства 13 типов угля даны в Таблице 2, относительные содержания угля в смеси даны в Таблице 3, и свойства смесей даны в Таблице 4.

Чтобы проверить влияние межфазного натяжения на прочность кокса, кокс производили с использованием испытательной коксовой печи и оценивали. 16 килограмм каждого из 4 классов смесей угля, представленных в Таблице 3 загружали в электрическую печь при условии, что частицы угля, имеющие диаметр 3 мм или менее, составляли 100 массовых процентов, влажность составляла 8 массовых процентов и насыпная плотность угольной загрузки составляла 750 кг/м³, затем проводили карбонизацию в электрической печи. После проведения карбонизации в следующих условиях: температура нагревающей стенки составляла 1100°C, длительность составляла 6 часов, - производили охлаждение азотом и проводили барабанную пробу. С использованием методики барабанной пробы по JIS K 2161, массовое содержание кокса с диаметром частиц 15 мм или более определяли после проведения 150 оборотов при скорости 15 оборотов в минуту, и затем вычисляли отношение массового содержания к массовому содержанию до вращения, умноженное на 100, называемое по определению показателем барабанной пробы DI150/15.

Соотношение между межфазным натяжением (γ_inter) и показателем барабанной пробы проиллюстрировано на фигуре 5. На фигуре 5 показано, что наблюдается склонность к повышению показателя барабанной пробы с уменьшением межфазного натяжения. Однако в случае, когда межфазное натяжение составляло 0,03 мН/м или менее, прочность кокса была почти постоянной, независимо от межфазного натяжения. Так как 4 класса смесей в этом примере имели почти одинаковые величины традиционных параметров (взвешенная средняя величина Ro смеси углей и взвешенная средняя величина logMF смеси углей), которые используются для предсказания прочности кокса, можно сказать, что этот результат нельзя было бы ожидать на основании общепринятых знаний. Кроме того, прочность кокса после реакции с CO₂ (определенная с использованием методики по ISO 18894) составляла, например, 64,5 для смеси В и 63,4 для смеси С, что означает уменьшение прочности в случае, когда межфазное натяжение превышало 0,03 мН/м. Следовательно, ясно, что по крайней мере необходимо регулировать межфазное натяжение таким образом, чтобы оно составляло 0,03 мН/м или менее, чтобы в достаточной степени увеличить прочность кокса при рассмотрении межфазного натяжения. То есть в случае когда кокс производят смешением множества типов угля, ясно, что возможно производить кокс с более высокой прочностью, чем ранее, путем смешивания типов угля таким образом, чтобы межфазное натяжение уменьшилось по крайней мере до 0,03 мН/м или менее, в дополнение к регулированию традиционных параметров свойств угля. Из описанных выше результатов ясно, что возможно производить кокс, имеющий более высокую прочность, чем ранее, определяя условия смешения с использованием способа по настоящему изобретению.

ПРИМЕР 2

Пример, в котором высокопрочный кокс был произведен путем регулирования межфазного натяжения при условии, что относительное содержание в смеси угля, имеющего низкую MF, высоко. Приготовили восемь типов угля и, сначала было проведено тестирование свойств этих типов угля. Определяли Ro (средний максимальный показатель отражения витринита), logMF и поверхностное натяжение, как и в ПРИМЕРЕ 1, описанном выше. Способы измерения также были те же, что описаны в ПРИМЕРЕ 1. Средняя величина распределения поверхностного натяжения определялась из измеренного поверхностного натяжения с использованием уравнения (10), и эта средняя величина распределения поверхностного натяжения использовалась как показатель поверхностного натяжения угля (γ). С использованием результатов измерений свойств угля, были определены 5 классов смесей (смеси от Ε до I) с разными межфазными натяжениями. Чтобы исключить влияния других параметров на прочность кокса, относительные содержания углей от А до M в смеси регулировали таким образом, чтобы все смеси имели одинаковое взвешенное среднее значение максимального показателя отражения витринита (Ro) смеси углей и одинаковое взвешенное среднее значение максимальной текучести по Гизелеру (logMF) смеси углей, которые использовали как традиционные параметры для предсказания прочности кокса. Кроме того, смеси изготавливались таким образом, чтобы относительное содержание угля со значением logMF, равным 1,4 или ниже, составляло 30 массовых % или более. Среднее значение Ко смеси углей и среднее значение logMF смеси углей регулировали таким образом, чтобы они были равны величинам, используемым в практических применениях. Использовали межфазное натяжение (γ_inter), определенное с использованием уравнения (20). Свойства 8 типов угля даны в Таблице 5, относительные содержания угля в смеси даны в Таблице 6, и свойства смесей даны в Таблице 7.

Чтобы проверить влияние межфазного натяжения на прочность кокса, проводили испытание карбонизации и барабанную пробу, как было сделано в [ПРИМЕРЕ 1]. Соотношение между межфазным натяжением (γ_inter) и показателем барабанной пробы проиллюстрировано на фигуре 6.

На фигуре 6 показано, что даже в случае, когда относительное содержание в смеси угля, имеющего низкое значение MF составляло 30 массовых % или более, наблюдается склонность к повышению показателя барабанной пробы с уменьшением межфазного натяжения, как и в случае ПРИМЕРА 1. Для сравнения, результаты ПРИМЕРА 1 также проиллюстрированы на фигуре 6, в качестве примера случая, в котором относительное содержание в смеси угля, имеющего значение logMF, равное 1,4 или менее, составляет менее 30 массовых %. Прочность кокса после реакции с СО₂ (определенная с использованием методики по ISO 18894) также имеет ту же тенденцию, как и показатель барабанной пробы кокса, и прочность кокса после реакции с СО₂ составляла, например, 63,6 для смеси I и 62,6 для смеси G, что означает уменьшение прочности при увеличении межфазного натяжения. По сравнению результатов ПРИМЕРА 1 с результатами ПРИМЕРА 2, которые соответствуют результатам, полученным в случае, когда относительное содержание угля со значением logMF, равным 1,4 или ниже, составляло 30 массовых % или более, диапазон межфазных натяжений, в котором прочность не уменьшается, уменьшен от 0,03 мН/м до 0,01 мН/м при увеличении относительного содержания угля, имеющего значение logMF, равное 1,4 или менее. Следовательно, в случае когда относительное содержание угля с малым значением logMF, в частности в случае, когда относительное содержание угля со значением logMF, равным 1,4 или ниже, составляет 30 массовых % или более, ясно, что возможно производить кокс, имеющий более высокую прочность, чем ранее, смешивая уголь таким образом, чтобы межфазное натяжение было мало, по крайней мере составляло 0,01 мН/м или менее, в дополнение к оптимизации традиционных параметров свойств кокса. Из описанных выше результатов ясно, что возможно производить кокс, имеющий более высокую прочность, чем ранее, определяя условия смешения с использованием способа по настоящему изобретению.

ПРИМЕР 3

Пример, в котором высокопрочный кокс был произведен путем регулирования межфазного натяжения, которое предсказано из дисперсии поверхностного натяжения всех типов угля, составляющих смесь углей. Использовались те же измеряемые параметры и те же результаты испытаний, которые были использованы в ПРИМЕРЕ 1 и ПРИМЕРЕ 2, за исключением того что межфазное натяжение получали из уравнения (25). Результаты вычисления межфазных натяжений смесей от А до I с использованием уравнения (25) даны в Таблице 8.

Для сравнения в Таблице 8 также дано γ_inter, полученное с использованием уравнения (20). В Таблице 8 подтверждается, что значения γ_inter, полученные из уравнения (20) и полученные из уравнения (25) практически одинаковы. Следовательно, считается, что соотношение между межфазным натяжением и показателем барабанной пробы кокса, в котором используется межфазное натяжение, полученное из уравнения (25), также почти совпадает с соотношением в ПРИМЕРЕ 1 и ПРИМЕРЕ 2. Из описанных выше результатов ясно, что возможно производить кокс, имеющий более высокую прочность, чем ранее, определяя условия смешения путем предсказания межфазного натяжения по уравнению (25).

ПРИМЕР 4

С использованием 18 типов угля, различающихся по названию сорта и из различных партий, из типов угля, использованных в ПРИМЕРАХ от 1 до 3, влияние межфазного натяжения смеси углей на прочность кокса была изучена при условии, что текучесть угля низка. Свойства использованных типов угля представлены в Таблице 9.

С использованием результатов испытаний свойств угля, представленных в Таблице 9, всего 6 классов смесей определили таким образом, чтобы смеси имели средние значения logMF смеси углей, равные 2,00, 2,30 или 2,50, причем три класса имели межфазное натяжение от 0,01 до 0,02 мН/м, и три класса имели межфазное натяжение от 0,04 до 0,05 мН/м. Кроме того, в качестве межфазного натяжения использовали γ_inter, полученное с использованием уравнения (1). Чтобы исключить влияния других параметров на прочность кокса, относительные содержания углей от P до g в смеси регулировали таким образом, чтобы все смеси имели одинаковое взвешенное среднее значение максимального показателя отражения витринита (Ro) смеси углей, которое использовали как традиционный параметр для предсказания прочности кокса. Взвешенное среднее значение Ro или logMF смеси углей определяется из уравнения, подобного уравнению (26), которое является примером в случае logMF.

[0080]

Здесь, m_i: значение logMF (логарифм максимальной текучести по Гизелеру) угля i, w_i: относительное содержание в смеси угля i, и m_c: значение logMF (логарифм максимальной текучести по Гизелеру) смеси угля, причем выполняется соотношение (17). Относительные содержания типов угля и свойства смесей угля даны в Таблице 10.

Кокс производили и характеризовали так же, как делали в ПРИМЕРАХ, описанных выше. Барабанную пробу проводили с использованием 6 классов смесей угля, представленных в Таблице 10. Соотношение между MF и барабанной пробой кокса проиллюстрировано на фигуре 7. На фигуре 7 показано, что, тогда как прочность кокса не уменьшалась даже для log(MF/[dppm])=2,0 по сравнению со случаем log(MF/[dppm])=2,5, для классов, имеющих значение межфазного натяжения от 0,01 до 0,02 мН/м, прочность кокса уменьшалась для log(MF/[dppm])=2,0 для классов, имеющих значение межфазного натяжения от 0,04 до 0,05 мН/м. Из этого результата ясно, что точка (критическая точка текучести), при которой прочность кокса начинает уменьшается с уменьшением текучести, уменьшается до значения log(MF/[dppm])=2,0 при задании значения межфазного натяжения, от 0,01 до 0,02 мН/м. Следовательно, ясно, что, даже в случае смеси, имеющей значение log(MF/[dppm]), равное 2,0, когда достаточная прочность кокса не может быть достигнута с использованием традиционных смесей, становится возможным подавить уменьшение прочности путем задания значения межфазного натяжения, равного 0,02 мН/м или менее. В этом случае также, наблюдалась похожая тенденция прочности кокса после реакции с СО₂ (определенная с использованием способа по ISO 18894), и оказалось возможным подавить уменьшение прочности даже в случае смеси, имеющей значение log(MF/[dppm]), равное 2,0 путем задания значения межфазного натяжения, равного 0,02 мН/м или менее. Из описанных выше результатов, возможно производить высокопрочный кокс, определяя условия смешения с использованием способа по настоящему изобретению, даже в случае уменьшения критической текучести до более низкого уровня, чем раньше, и в случае, когда MF уменьшался до того уровня, при котором невозможно производить высокопрочный кокс традиционными способами.

ПРИМЕР 5

Кокс производили и прочность кокса определяли, как в описанных выше ПРИМЕРАХ от 1 до 4, приготавливая смеси угля с различными взвешенными средними значениями Ro, взвешенными средними значениями logMF и межфазными натяжениями и состоящие из множества типов угля. Здесь, межфазное натяжение смеси углей рассчитывали с использованием уравнения (2). Свойства смесей угля и результаты измерений прочности полученного кокса даны в Таблице 11.

Из этих результатов, для широкого диапазона составов смесей угля подтверждается, что в случае, когда межфазное натяжение γ_inter смеси углей превосходит 0,03, наблюдается уменьшение прочности кокса, и, таким образом, является предпочтительным, чтобы межфазное натяжение смеси углей составляло 0,03 мН/м или менее.

ПРИМЕР 6

Путем приготовления образцов термически обработанного угля тем же способом, который использовался в ПРИМЕРЕ 1, при разных температурах и определения поверхностного натяжения угля, было подтверждено, что наблюдается склонность к повышению поверхностного натяжения с повышением температуры термической обработки в диапазоне температур, равных или более высоких, чем температура, при которой происходит размягчение. Например, как показано в Таблице 12, в случае, когда температура термической обработки составляла 400°C, 450°C, 500°C, 600°C и 800°C, значения поверхностного натяжения угля С составляли, соответственно 33,0, 35,5, 41,1, 45,2 и 52,3 мН/м, и величины поверхностного натяжения угля М составляли, соответственно, 30,4, 32,4, 37,6, 42,2 и 48,7 мН/м. Поверхностные натяжения других типов угля, представленных в Таблице 2 находились почти между значениями этих величин для угля C и угля M при всех перечисленных выше температурах.

В соответствии с описанным выше, было подтверждено, что наблюдается склонность к монотонному повышению поверхностного натяжения термически обработанного угля с повышением температуры термической обработки и что, в частности при температуре, равной или превышающей 450°C, наблюдается склонность к монотонному повышению поверхностного натяжения всех охарактеризованных типов угля с повышением температуры термической обработки (тенденция близка к линейной зависимости от температуры). С использованием этой зависимости, на основании корреляции поверхностного натяжения и температуры термической обработки, полученной с использованием образцов некоторых углей, которые были приготовлены при двух или более температурах термической обработки, можно точно определять поверхностное натяжение при любой температуре внутри диапазона температур термической обработки. Следовательно, поверхностное натяжение некоторого угля может быть предсказано этим способом. Как показано в Таблице 13, из результатов вычисления величины межфазного натяжения γ_inter смесей угля для разных температур термической обработки следует, что γ_inter смеси угля В, вычисленная на основании уравнения (20) с использованием поверхностных натяжений составляющих термически обработанных типов угля, обработанных при температуре 400°C, составляла 0,023 мН/м, а значения межфазного натяжения γ_inter для температур 450°C, 600°C и 800°C составляла соответственно 0,023 мН/м, 0,025 мН/м и 0,026 мН/м, что означает, что не наблюдается большой разницы в поверхностных натяжениях для разных температур термической обработки. Также, в случае смеси угля С, межфазное натяжение смеси угля, полученное из поверхностных натяжений составляющих термически обработанных типов угля, которые были обработаны при температурах 400°C, 450°C, 600°C и 800°C составляла соответственно 0,034 мН/м, 0,036 мН/м, 0,039 мН/м и 0,039 мН/м, что означает, что не наблюдается большой разницы в межфазных натяжениях при различных температурах термической обработки. То есть ясно, что возможно производить высокопрочный кокс даже в случае, когда температура термической обработки изменяется, путем смешения углей таким образом, чтобы межфазное натяжение составляло 0,03 мН/м или менее. Поскольку поверхностное натяжение термически обработанного угля зависит от температуры термической обработки, здесь необходимо вычислять межфазное натяжение смеси угля с использованием величин поверхностных натяжений всех составляющих типов угля, которые были определены для образцов, обработанных при той же температуре термической обработки, или предсказанный для той же температуры термической обработки.

Описание позиций на фигурах

1 газовая фаза

2 жидкость

3 частица образца

4 поверхностное натяжение

5 максимальное значение распределения поверхностного натяжения

6 минимальное поверхностное натяжение распределения поверхностного натяжения

7 максимальное поверхностное натяжение распределения поверхностного натяжения

8 уголь А

9 уголь В

10 (10а, 10b, 10с, 10d) контактная граница раздела между частицами угля

11 схематическое изображение сечения внутри кокса, полученного из смеси угля, состоящей из угля А и угля В

Изобретения могут быть использованы в коксохимической промышленности. Способ производства кокса включает формирование смеси углей путем смешения двух или более типов угля и карбонизацию указанной смеси углей. При этом предварительно выводится соотношение между межфазным натяжением смеси углей, состоящей из двух или более типов угля, и прочностью кокса, который произведен путем карбонизации указанной смеси углей. Межфазное натяжение указанной смеси углей получают с использованием поверхностного натяжения каждого из типов углей и определения относительных содержаний каждого из указанных типов угля с использованием указанного соотношения между межфазным натяжением и прочностью кокса, которое было предварительно выведено, таким образом, чтобы межфазное натяжение смеси углей находилось в таком интервале, в котором кокс имел бы желаемую прочность. Изобретения позволяют смешивать различное угольное сырье и производить доменный кокс с высокой прочностью. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил., 13 табл., 6 пр.

1. Способ производства кокса, в котором смесь углей формируют путем смешения двух или более типов угля и карбонизуют указанную смесь углей, при этом способ включает в себя предварительный вывод соотношения между межфазным натяжением смеси углей, состоящей из двух или более типов угля, и прочностью кокса, который произведен путем карбонизации указанной смеси углей, получение межфазного натяжения указанной смеси углей с использованием поверхностного натяжения каждого из типов углей и определение относительных содержаний каждого из указанных типов угля с использованием указанного соотношения между межфазным натяжением и прочностью кокса, которое было предварительно выведено, таким образом, чтобы межфазное натяжение смеси углей находилось в таком интервале, в котором кокс имел бы желаемую прочность.

2. Способ по п. 1, в котором поверхностное натяжение угля представляет собой поверхностное натяжение, полученное нагреванием угля при температуре, соответствующей температуре начального размягчения или более высокой, и при температуре затвердевания или более низкой, охлаждением нагретого угля в атмосфере инертного газа и осуществлением измерения с использованием охлажденного угля.

3. Способ по п. 2, в котором поверхностное натяжение угля представляет собой поверхностное натяжение, полученное нагреванием угля при температуре 350°C или выше и 800°C или ниже, охлаждением нагретого угля в атмосфере инертного газа и осуществлением измерения с использованием охлажденного угля.

4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором межфазное натяжение смеси углей представляет собой межфазное натяжение γ_inter, полученное по приведенному ниже уравнению (1) с использованием поверхностного натяжения каждого из типов угля:

, где

γ_i: поверхностное натяжение угля i
γ_ij: межфазное натяжение между углем i и углем j
w_i: относительное содержание в смеси угля i
γ_inter: межфазное натяжение смеси углей, состоящей из угля 1, угля 2,…,угля i,…и угля n.

5. Способ по любому из пп. 1-3, в котором межфазное натяжение смеси углей представляет собой межфазное натяжение γ_inter, полученное по приведенному ниже уравнению (2) с использованием поверхностного натяжения каждого из типов угля:

, где

γ_i: поверхностное натяжение угля i
w_i: относительное содержание в смеси угля i
γ_inter: межфазное натяжение смеси углей, состоящей из угля 1, угля 2,…, угля i,… и угля n.
σ_γ ²: дисперсия величин поверхностного натяжения всех составляющих типов угля.

6. Способ по п. 4, в котором относительное содержание каждого из указанных типов угля в смеси определяют таким образом, чтобы межфазное натяжение γ_inter составляло 0,03 мН/м или менее.

7. Способ по п. 5, в котором относительное содержание каждого из указанных типов угля в смеси определяют таким образом, чтобы межфазное натяжение γ_inter составляло 0,03 мН/м или менее.

8. Способ производства кокса, в котором смесь углей формируют путем смешения двух или более типов угля и карбонизуют указанную смесь углей, при этом способ включает в себя определение относительного содержания каждого из типов угля таким образом, чтобы по меньшей мере одна из величин межфазного натяжения γ_inter, полученных по приведенным ниже уравнениям (1) и (2), для смеси углей составляла 0,03 мН/м или менее:

, где

γ_i: поверхностное натяжение угля i
γ_ij: межфазное натяжение между углем i и углем j
w_i: относительное содержание в смеси угля i
γ_inter: межфазное натяжение смеси углей, состоящей из угля 1, угля 2,…угля i,… и угля n;

, где

γ_i: поверхностное натяжение угля i
w_i: относительное содержание в смеси угля i
γ_inter: межфазное натяжение смеси углей, состоящей из угля 1, угля 2,…, угля i,... и угля n.
σ_γ ²: дисперсия величин поверхностного натяжения всех составляющих типов угля.

9. Способ по пп. 6, 7 или 8, в котором используют смесь углей, имеющую взвешенное среднее значение Ro составляющих типов угля, равное 0,90% или более и 1,30% или менее, и взвешенное среднее значение logMF составляющих типов угля, равное 2,3 или более и 2,8 или менее, где Ro - средний максимальный показатель отражения, а MF - максимальная текучесть по Гизелеру.

10. Способ по п. 4, в котором относительное содержание каждого из типов угля в смеси определяют таким образом, чтобы межфазное натяжение γ_inter составляло 0,02 мН/м или меньше в случае смеси углей, имеющей взвешенное среднее значение Ro составляющих типов угля, равное 0,90% или более и 1,30% или менее, и взвешенное среднее значение logMF составляющих типов угля, равное 2,0 или более и 2,3 или менее, где Ro - средний максимальный показатель отражения, a MF - максимальная текучесть по Гизелеру.

11. Способ по п. 5, в котором относительное содержание каждого из типов угля в смеси определяют таким образом, чтобы межфазное натяжение γ_inter составляло 0,02 мН/м или меньше в случае смеси углей, имеющей взвешенное среднее значение Ro составляющих типов угля, равное 0,90% или более и 1,30% или менее, и взвешенное среднее значение logMF составляющих типов угля, равное 2,0 или более и 2,3 или менее, где Ro - средний максимальный показатель отражения, a MF - максимальная текучесть по Гизелеру.

12. Способ по п. 8, в котором относительное содержание каждого из типов угля в смеси определяют таким образом, чтобы межфазное натяжение γ_inter составляло 0,02 мН/м или меньше в случае смеси углей, имеющей взвешенное среднее значение Ro составляющих типов угля, равное 0,90% или более и 1,30% или менее, и взвешенное среднее значение logMF составляющих типов угля, равное 2,0 или более и 2,3 или менее, где Ro - средний максимальный показатель отражения, a MF - максимальная текучесть по Гизелеру.

13. Способ по п. 4, в котором относительное содержание каждого из типов угля в смеси определяют таким образом, чтобы указанное межфазное натяжение γ_inter составляло 0,01 мН/м или меньше в случае смеси углей, содержащей 30 масс. % или более угля, имеющего величину logMF, равную 1,4 или менее, где MF - максимальная текучесть по Гизелеру.

14. Способ по п. 5, в котором относительное содержание каждого из типов угля в смеси определяют таким образом, чтобы указанное межфазное натяжение γ_inter составляло 0,01 мН/м или меньше в случае смеси углей, содержащей 30 масс. % или более угля, имеющего величину logMF, равную 1,4 или менее, где MF - максимальная текучесть по Гизелеру.

15. Способ по п. 8, в котором относительное содержание каждого из типов угля в смеси определяют таким образом, чтобы указанное межфазное натяжение γ_inter составляло 0,01 мН/м или меньше в случае смеси углей, содержащей 30 масс. % или более угля, имеющего величину logMF, равную 1,4 или менее, где MF - максимальная текучесть по Гизелеру.