加压气氛下低质煤碳化焦炭膨胀行为分析及其对焦炭强度的调控机制

本研究针对钢铁工业面临的高成本焦炭原料问题，通过分析加压气氛(1 MPa)与快速加热(30°C/min)协同作用下低质煤(非黏结煤Coal B与高挥发分煤Coal A)的膨胀行为，发现该组合使焦炭抗拉强度提升至8.5 MPa，显微结构显示煤粒熔融黏结增强。该技术为利用廉价非黏结煤生产高强度焦炭提供了新策略，可助力钢铁行业实现CO2减排目标。

　　

在全球钢铁需求激增与原材料价格飙升的背景下，如何利用廉价低质煤生产高强度焦炭成为行业迫切需求。传统焦炭生产依赖昂贵的主焦煤，而增加非黏结煤比例会导致煤粒熔融粘接不足，严重影响焦炭在高炉中作为还原剂、热源和气体通道支架的关键功能。日本钢铁业计划在2030年代实施COURSE50等创新工艺，通过氢能替代部分焦炭实现10%的CO₂减排，但该技术仍需高强度焦炭保障高炉稳定性。更棘手的是，当前对加压快速加热条件下煤膨胀行为与焦炭强度关联机制的认识仍存在空白。

北海道大学团队在《Carbon Resources Conversion》发表的研究，首次系统解析了加压气氛(1 MPa)与快速加热(30°C/min)对低质煤混合料(Goonyella:Coal A:Coal B=15:45:40)碳化过程的影响。研究采用四项关键技术：1）垂直固定床气流反应器实现0-1 MPa压力调控；2）长距离USB显微镜动态捕捉400-800°C煤样膨胀/收缩行为；3）间接抗拉强度测试仪定量焦炭力学性能；4）偏振光学显微镜分析焦炭孔隙结构与各向异性区域分布。

【焦炭强度与碳化条件的关系】

对比四种碳化条件发现，30°C/min+1 MPa组合使焦炭强度达8.5 MPa，较常压慢加热(0.5 MPa)提升17倍。强度排序为：快速加压>快速常压>慢速加压>慢速常压，证明加压与快速加热存在协同效应。

【煤膨胀行为的动态观测】

通过原位成像分析发现：

• 主焦煤GA在快速加压下最大膨胀比(SW)达1.93，较慢加热(1.17)显著提升

• 非黏结煤Coal B在常规条件下无膨胀，但快速加热使其出现1.09的膨胀比

• 混合煤在快速加压下膨胀起始温度(423°C)较单组分煤降低20-50°C

【显微结构揭示增强机制】

偏振显微镜显示：

• 快速加压样品中，各向异性区域(Coal B来源)熔融并入孔壁，界面模糊化

• 孔隙分布显示慢加热样品存在>1 mm大孔，而快速加压样品孔径集中<0.5 mm

• 500°C以上实施加压可显著增加煤粒黏结区域，减少孔隙缺陷

研究结论表明，快速加热延迟挥发分逸出，而加压抑制交联反应，共同促进低分子量组分积累。这种"化学-物理"双重作用使非黏结煤产生类熔融行为，通过优化膨胀-收缩动力学(收缩率CR达19.3%)和孔隙结构，最终实现强度突破。该技术有望使日本钢铁业年减碳3.3Mt，同时通过10%低价煤替代创造30亿日元/年效益。Yuuki Mochizuki等提出的膨胀导数最大流体度(MF)估算模型，为评估低质煤改性效果提供了新方法。