郭云飛　劉書福　張永發(fā)

(太原理工大學(xué)煤科學(xué)與技術(shù)教育部和山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　太原 030024)

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影響炭化型煤成型性能的工藝參數(shù)研究*

郭云飛劉書福張永發(fā)

(太原理工大學(xué)煤科學(xué)與技術(shù)教育部和山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室太原 030024)

對(duì)無煙粉煤生產(chǎn)炭化型煤的成型工藝進(jìn)行了研究, 得出了粉煤成型的最優(yōu)工藝參數(shù)。同時(shí)用掃描電鏡(SEM)對(duì)炭化型煤高溫時(shí)的粘結(jié)機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，粘結(jié)劑用量為16%，成型水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%～15%，成型壓力為50 MPa，炭化溫度為800 ℃時(shí)，制得的高性能型煤的抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度分別為13.2 MPa和98.2%。型煤炭化時(shí),煤改性粘結(jié)劑產(chǎn)生液相膠質(zhì)體在無煙煤表面形成膠質(zhì)薄膜層，薄膜層逐漸縮聚、固化, 填充于顆粒間，提高了型煤強(qiáng)度。

炭化型煤成型工藝抗壓強(qiáng)度跌落強(qiáng)度

0　引言

隨著煤炭開采機(jī)械化程度的提高，粉煤所占的比例越來越高，塊煤產(chǎn)率大幅下降，無煙粉煤的大量積壓，造成了能源浪費(fèi)和環(huán)境污染[1-2]。通過炭化型煤技術(shù)，將高階粉煤潔凈轉(zhuǎn)化為炭化型煤，這對(duì)優(yōu)化煤炭深加工產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，豐富煤化工產(chǎn)品鏈，提高能源利用率都有重大意義[3]。

炭化型煤的性能，包括抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度對(duì)炭化型煤能否應(yīng)用于煉焦工業(yè)至關(guān)重要。成型工藝決定著炭化型煤的性能，成型工藝中的關(guān)鍵是型煤粘結(jié)劑，其作用是保證型煤成型后具有特定的形狀和較高的機(jī)械強(qiáng)度[4]。目前常用無機(jī)粘結(jié)劑所制備的型煤發(fā)熱量小，灰分大；有機(jī)粘結(jié)劑所制備的型煤熱強(qiáng)度差，成本昂貴；復(fù)合粘結(jié)劑制備型煤工藝復(fù)雜，提高了型煤生產(chǎn)成本。由于無煙煤屬純惰性物,因此使用無煙煤為型煤原料對(duì)粘結(jié)劑的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他煤種[5],使用現(xiàn)有粘結(jié)劑致使型煤生產(chǎn)過程中諸多問題不能突破。

基于此，本研究利用課題組提出的新型煤改性粘結(jié)劑[6]，以無煙粉煤為原料，采用冷壓成型炭化工藝制備炭化型煤，探討了不同成型工藝條件對(duì)無煙粉煤制炭化型煤性能的影響，對(duì)炭化型煤高溫時(shí)的粘結(jié)機(jī)理進(jìn)行了研究，從而為型煤工業(yè)化應(yīng)用提供理論支撐。

1　試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)原料

試驗(yàn)采用晉城無煙煤，粒度小于3 mm，實(shí)驗(yàn)室自制煤改性粘結(jié)劑粒度小于150 μm。試驗(yàn)原料的工業(yè)分析和元素分析見表1。

1.2試樣制備

粉煤經(jīng)過破碎、篩分分級(jí)后和粘結(jié)劑加水?dāng)嚢杌靹?，稱取40 g混勻料裝入模具中，在壓力機(jī)上加壓成型為φ40 mm圓柱狀型塊(保壓15 s)，在馬弗爐中按設(shè)定的程序升溫進(jìn)行炭化，升溫速度為3 ℃/min，加熱至所需溫度并恒溫60 min后制得炭化型煤，冷卻封袋備用，進(jìn)行性能測試。

表1　原料的工業(yè)分析和元素分析　%

1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備

WDS-30數(shù)顯式電子萬能試驗(yàn)機(jī)、上海一恒立式DHG鼓風(fēng)干燥箱、SX-N型馬弗爐、FA2104A分析天平、型煤模具D40 mm(自制)。

1.4型煤性能的測定

抗壓強(qiáng)度測定按照《工業(yè)型煤冷壓強(qiáng)度測定方法》(MT/T 748—2007)進(jìn)行，跌落強(qiáng)度測定按照《型煤跌落強(qiáng)度的測定》(GB/T 15459—2006)進(jìn)行，型煤的表面微觀形貌用日本電子光學(xué)公司生產(chǎn)的JSM-6700F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀察。

2　結(jié)果與討論

2.1粘結(jié)劑用量對(duì)型煤性能的影響

成型水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，成型壓力50 MPa，炭化溫度800 ℃時(shí)型煤抗壓和跌落強(qiáng)度隨粘結(jié)劑用量變化的關(guān)系曲線見圖1。由圖1可知,型煤抗壓強(qiáng)度隨粘結(jié)劑用量的增多呈增大的趨勢(shì)，粘結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%時(shí)抗壓強(qiáng)度為13.2 MPa，在16%以后變化不大；而型煤跌落強(qiáng)度隨粘結(jié)劑用量的增多一直在增大，粘結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)跌落強(qiáng)度為99.1%。這是因?yàn)闊o煙粉煤作為炭化型煤的主要骨架，在高溫下不軟化產(chǎn)生膠質(zhì)體,其顆粒之間的結(jié)合好壞完全依賴于粘結(jié)劑對(duì)其粘結(jié)的能力[7]，粘結(jié)劑含量較低時(shí), 粘結(jié)劑在炭化過程中不能形成足夠的膠質(zhì)體填充煤顆粒間的孔隙, 導(dǎo)致型煤強(qiáng)度較低; 隨著粘結(jié)劑用量的增多，產(chǎn)生的膠質(zhì)體能夠充分地將煤粒包覆起來從而使型煤強(qiáng)度提高，不過考慮到粘結(jié)劑用量增加帶來的成本增加，所以粘結(jié)劑用量取16%為宜。

圖1粘結(jié)劑用量對(duì)型煤強(qiáng)度的影響

2.2成型水分含量對(duì)型煤性能的影響

粘結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%，成型壓力50 MPa，炭化溫度800 ℃時(shí)型煤抗壓和跌落強(qiáng)度隨成型水分變化的關(guān)系曲線見圖2。由圖2可知,當(dāng)型煤成型水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<10%時(shí)，型煤抗壓和跌落強(qiáng)度較低。水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%時(shí)，型煤抗壓和跌落強(qiáng)度分別為4.2 MPa和74.6%。這可能是由于水是成型的潤滑劑，用量較少時(shí)，煤粒與粘結(jié)劑彼此不易混勻接觸，型煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，成型效果較差;成型水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%～15%時(shí)粘結(jié)劑的流動(dòng)性較好 ,能夠包裹和浸潤煤顆粒表面, 處于成型的最佳塑性狀態(tài)，因而型煤強(qiáng)度較高；成型水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>15%時(shí)，型煤的強(qiáng)度隨成型水分含量增大基本不變，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%時(shí)，型煤抗壓和跌落強(qiáng)度分別為13.0 MPa和98%。在成型過程中，會(huì)出現(xiàn)型煤脫膜困難，故成型水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以13%～15%為宜。

圖2成型水分含量對(duì)型煤強(qiáng)度的影響

2.3成型壓力對(duì)型煤性能的影響

成型水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，粘結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%，炭化溫度800 ℃時(shí)型煤抗壓和跌落強(qiáng)度隨成型壓力變化的關(guān)系曲線見圖3。 由圖3可知,型煤抗壓強(qiáng)度隨成型壓力的增大一直在增大，當(dāng)成型壓力為20 MPa時(shí)，型煤抗壓強(qiáng)度為3.8 MPa；當(dāng)成型壓力增至50 MPa時(shí)，型煤抗壓強(qiáng)度達(dá)到13.2 MPa；成型壓力在50 MPa以后，型煤抗壓強(qiáng)度隨成型壓力的增大緩慢增加；而型煤跌落強(qiáng)度隨成型壓力的增大整體上呈增大的趨勢(shì)，當(dāng)成型壓力為60 MPa時(shí)，型煤跌落強(qiáng)度為97.8%；型煤跌落強(qiáng)度在成型壓力60 MPa以后略微降低。這是由于成型壓力越大，型煤越密實(shí)，型煤抗壓和跌落強(qiáng)度越大。但高壓會(huì)造成煤粒破碎，破壞煤粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使成型后的型煤產(chǎn)生裂縫，降低了型煤的跌落強(qiáng)度。故可認(rèn)為成型壓力取50 MPa最佳。

圖3成型壓力對(duì)型煤強(qiáng)度的影響

2.4炭化溫度對(duì)型煤性能的影響

成型水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，粘結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%，成型壓力50 MPa時(shí)型煤抗壓和跌落強(qiáng)度隨炭化溫度變化的關(guān)系曲線見圖4。圖5是型煤不同溫度下SEM圖像。型煤抗壓和跌落強(qiáng)度隨炭化溫度變化的趨勢(shì)是相同的，都是隨炭化溫度的增大一直增大，但當(dāng)炭化溫度由500 ℃增至700 ℃時(shí)，型煤抗壓強(qiáng)度增加幅度較大，由5.4 MPa增加到11.3 MPa；而由700 ℃增至900 ℃時(shí)，型煤跌落強(qiáng)度增加幅度較大，由93.6%增加到99.1%。型煤抗壓和跌落強(qiáng)度隨炭化溫度變化的規(guī)律, 可以從原料煤和粘結(jié)劑相互作用的機(jī)理進(jìn)行解釋。

煤改性粘結(jié)劑是一種跟原料煤元素組分接近的粘結(jié)劑,加熱時(shí)熔融，在型煤炭化過程中具有很強(qiáng)的粘結(jié)性能。用苯和四氫呋喃有機(jī)溶劑對(duì)煤改性粘結(jié)劑進(jìn)行溶劑萃取出的含量為33.21%瀝青質(zhì)，是關(guān)鍵性致黏組分。此外粘結(jié)劑中還含有腐殖質(zhì)和樹脂，同樣具有良好的粘結(jié)性。在炭化升溫過程中，因粘結(jié)劑與原料有某些相似的理化性能，粘結(jié)劑中瀝青質(zhì)樹脂等吸附在煤粒表面上,隨炭化溫度升高，如圖5所示這些有良好的高溫流動(dòng)性液相膠質(zhì)體將無煙煤表面潤濕，形成膠質(zhì)薄膜層。粘結(jié)薄膜層發(fā)生分解、縮聚和固化，填充于顆粒間，提高了顆粒間的界面結(jié)合強(qiáng)度，從而型煤抗壓和跌落強(qiáng)度逐漸增大。

圖4炭化溫度對(duì)型煤強(qiáng)度的影響

(a)110 ℃

(b)500 ℃

(c)700 ℃

(d)900 ℃

圖5不同溫度下的型煤SEM圖

3　結(jié)語

(1)無煙粉煤生產(chǎn)炭化型煤的最優(yōu)工藝參數(shù)是：粘結(jié)劑用量為16%，成型水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%～15%，成型壓力50 MPa，炭化溫度為800 ℃時(shí)，可制得抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度分別為13.2 MPa和98.2%的高性能炭化型煤。

(2)型煤炭化升溫過程中,煤改性粘結(jié)劑產(chǎn)生液相膠質(zhì)體在無煙煤表面形成膠質(zhì)薄膜層。隨炭化溫度升高，膠質(zhì)薄膜層逐漸縮聚、固化, 填充于顆粒間，提高了顆粒間的界面結(jié)合強(qiáng)度, 從而型煤抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度得到提高。

[1]吳超,張永發(fā),梁言,等.無煙粉煤加工炭化型煤技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].山西能源與節(jié)能,2009(3):41-43.

[2]張永發(fā),孫亞玲.無煙粉煤制炭化型煤的微晶結(jié)構(gòu)研究[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2010,33(3):19-22.

[3]張永發(fā),張慧榮,田芳,等.無煙粉煤成型塊炭化行為及熱解氣體生成規(guī)律[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(4):670-675.

[4]張?jiān)?付東升,鄭化安,等.型煤黏結(jié)劑的研究進(jìn)展[J].潔凈煤技術(shù),2014,20(1):24-28.

[5]王燕芳,高晉生，吳春來，等.無煙煤型焦的成焦機(jī)理研究[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào),2000,28(3):216-220.

[6]DONG D L, ZHANG Y F, ZHAO Y Q, et al. Caking property improvement of lignite by hydro-modification in CO/subcritical water system[J].Chemistry Letters,2014,43(9):1470.

[7]沈強(qiáng)華,魏濤,陳雯,等.電石生產(chǎn)用無煙煤型焦制備工藝研究[J].煤炭工程,2010(5):90-92.

Study on Technical Parameters Affecting Carbonized Briquette Properties

GUO YunfeiLIU ShufuZHANG Yongfa

(KeyLaboratoryofCoalScienceandTechnologyofShanxiProvinceandMinistryofEducation,TaiyuanUniversityofTechnologyTaiyuan030024)

The briquetting technology of carbonized briquette made from pulverized anthracite is analyzed，the optimized technical parameters affecting the briquette quality are obtained. At the same time，the bonding mechanism of briquette at high temperature is analyzed by means of SEM, and the results show that, in conditions that content of binder is 16%，a moisture content of the briquette ranging from 13%～15%，forming pressure is 50 MPa and carbonization temperature is 800 ℃, the compressive strength and falling strength of high-performance briquette is 13.2 MPa and 98.2% respectively. In the carbonization the liquid phase colloid produced from the coal modified binder forms a colloid film layer in the anthracite surface and the generation of a gel-phase is considered important to promote the strength of the briquette through the agglomeration of coal particles.

carbonized briquettebriquetting technologycompressive strengthfalling strength

國家自然科學(xué)基金(51274147)。

郭云飛，男，1990年生，碩士，從事煤炭加工與利用研究工作。

2015-07-10)

節(jié)能減排與綜合利用