李　梅，張彥軍，井紅星

(1 榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西　榆林　719000;2 陜西神木化學(xué)工業(yè)有限公司，陜西　榆林　719319)

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粉煤成型影響因素的分析研究*

李梅1，張彥軍1，井紅星2

(1 榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西榆林719000;2 陜西神木化學(xué)工業(yè)有限公司，陜西榆林719319)

為了緩減粉煤大量堆積和工業(yè)生產(chǎn)對(duì)塊煤的需求，作者以粉煤為原料，分別使用粘土、硅酸鈉、腐植酸鈉及其混合粘結(jié)劑等不同粘結(jié)劑，對(duì)粉煤進(jìn)行成型，并研究其各個(gè)影響因素。通過(guò)測(cè)試其機(jī)械強(qiáng)度、跌落強(qiáng)度、及濕強(qiáng)度等重要指標(biāo)，總結(jié)出在20 MPa下，水10%，采用復(fù)合粘結(jié)劑(5%的腐植酸鈉和5%的粘土)時(shí)成型最佳。本研究對(duì)工業(yè)生產(chǎn)型煤具有重要的實(shí)際意義。

粉煤成型；成型壓力；成型水分；粘結(jié)劑

現(xiàn)代化工業(yè)對(duì)塊煤的需求不斷增加，而開(kāi)采煤炭的機(jī)械化程度越來(lái)越高，使得粉煤所占的比例高達(dá)60%～70%[1],因此就出現(xiàn)了大量粉煤積壓而塊煤供應(yīng)不足的現(xiàn)象。為了緩減粉煤大量堆積這一問(wèn)題，粉煤成型技術(shù)的發(fā)展是非常必要的。而粉煤成型技術(shù)作為潔凈煤技術(shù)之一[2]，世界能源機(jī)構(gòu)也曾把型煤視為節(jié)能減污的有效路徑并給以推行。工業(yè)鍋爐燃用型煤與原煤相比，節(jié)煤15%～20%，煙塵排放量減少約60%，強(qiáng)致癌物減少50%以上[3]，氮氧化物減少40%[4]，通過(guò)對(duì)粉煤成型，不僅僅提高了粉煤的利用率，解決塊煤供應(yīng)不足的狀況，還可以有效降低污染物的排放，使霧霾等污染現(xiàn)象得到緩減，同時(shí)也對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)起到了促進(jìn)作用。所以，在此對(duì)粉煤成型影響因素的研究很有價(jià)值。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1儀器和試劑

1.1.1儀器

BT25S電子微量天平，北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱，鶴壁市鑫達(dá)儀器儀表有限公司；ZCDS-5000A全自動(dòng)型煤壓力試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南中創(chuàng)工業(yè)測(cè)試系統(tǒng)有限公司；XDGY-3000型自動(dòng)工業(yè)分析儀，鶴壁市鑫達(dá)儀器儀表有限公司；XDLR-8型微機(jī)全自動(dòng)熱儀，鶴壁市鑫達(dá)儀器儀表有限公司；DY-30型臺(tái)式電動(dòng)粉末壓片機(jī)，天津市科器高新技術(shù)公司；769YP-40C型手動(dòng)粉末壓片機(jī)，天津市科器高新技術(shù)公司；單聯(lián)萬(wàn)用電爐，北京科偉永興儀器有限公司。

1.1.2原料

(1)煤炭， 實(shí)驗(yàn)所用煤炭為陜西省榆林市大保當(dāng)杭來(lái)灣煤礦的煤，采用機(jī)械粉碎至3 mm以下。

表1　原料煤的工業(yè)分析

(2)粘土，取自當(dāng)?shù)剞r(nóng)村，曬干并研磨成1 mm以下的細(xì)粉狀。

(3)其他試劑， 腐殖酸鈉、硅酸鈉。

1.2實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1不同成型壓力對(duì)粉煤成型因素影響的實(shí)驗(yàn)步驟

(1)用5%腐植酸鈉和5%粘土混合作為粘合劑，分別在5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa的成型壓力下進(jìn)行試驗(yàn)。

(2)壓制完后測(cè)其濕狀態(tài)下的跌落強(qiáng)度，用粒徑大于13 mm 的型煤部分與原來(lái)完整型煤的百分比作為比較的標(biāo)準(zhǔn)，觀察型煤在濕狀態(tài)下的強(qiáng)度[8]。

(3)將壓制出來(lái)的型煤塊在室溫下自然干燥3～4天，重量基本恒定時(shí)進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度與跌落強(qiáng)度的測(cè)試。

1.2.2不同成型水分對(duì)粉煤成型因素影響的實(shí)驗(yàn)步驟

(1)在改變水分的情況下，添加5%腐植酸鈉和5%粘土混合作為粘合劑，選用樣品100 g。

(2)混合后充分?jǐn)嚢?，使物料?0 MPa下成型。

(3)壓制完成后測(cè)其濕狀態(tài)下的跌落強(qiáng)度。

(4)待自然風(fēng)干后測(cè)其冷壓強(qiáng)度(機(jī)械強(qiáng)度)。

1.2.3不同粘結(jié)劑對(duì)粉煤成型因素影響的實(shí)驗(yàn)步驟

(1)分別添加無(wú)機(jī)粘結(jié)劑、有機(jī)粘結(jié)劑和復(fù)合粘結(jié)劑在原料煤中，適量添加水分后混合均勻。

(2)在20 MPa的壓力下成型。

(3)成型后在室溫下自然風(fēng)干3～4天。

(4)等型煤質(zhì)量不在發(fā)生大的變化時(shí)，對(duì)其進(jìn)行冷壓強(qiáng)度、跌落強(qiáng)度等指標(biāo)的測(cè)定，從而得出較為優(yōu)秀的粘合劑配比方案。

2　結(jié)果與討論

2.1不同成型壓力對(duì)粉煤成型因素影響實(shí)驗(yàn)的分析

(1)成型壓力與煤塊的濕狀態(tài)強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度的關(guān)系

圖1　成型壓力與濕強(qiáng)度、跌落強(qiáng)度的關(guān)系

由圖1可知，在壓力不斷增加的狀態(tài)下型煤的跌落強(qiáng)度逐步增大在25 MPa時(shí)出現(xiàn)峰值，隨后不斷下降；而濕狀態(tài)強(qiáng)度在20 MPa時(shí)最大，隨后基本不發(fā)生改變。由此可以看出不是成型壓力越高型煤的強(qiáng)度就越大，找到合適的成型壓力不僅可以減少能耗還可以減少工作量。

(2)成型壓力與型煤機(jī)械強(qiáng)度的關(guān)系

圖2　成型壓力與型煤機(jī)械強(qiáng)度的關(guān)系

在成型壓力不斷增加的情況下，型煤的機(jī)械強(qiáng)度逐漸增加在20 MPa時(shí)其機(jī)械強(qiáng)度達(dá)到最大值。繼續(xù)增加成型壓力時(shí)，其機(jī)械強(qiáng)度開(kāi)始下降。再次論證合適的成型壓力不僅會(huì)降低能耗還能提高型煤的質(zhì)量。所以在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，選擇合適的成型壓力是非常必要的。

2.2不同成型水分對(duì)粉煤成型因素影響的分析

適宜的水分添加有助于粉煤粒之間的移動(dòng)，能促進(jìn)粘結(jié)劑更好的發(fā)揮，而水分太少就不能發(fā)揮出它的作用了，太多又會(huì)影響粘結(jié)劑與煤粒的接觸[5]。

圖3　不同成型水分對(duì)粉煤成型的影響

由圖3得出：(1)在實(shí)驗(yàn)中100 g樣品添加6 mL水分時(shí)，型煤的濕狀態(tài)強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度都不是很好，且不適合實(shí)際生產(chǎn)所需的型煤強(qiáng)度。(2)在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)水分含量逐漸增加時(shí)型煤的濕狀態(tài)強(qiáng)度及跌落強(qiáng)度都會(huì)先上升再下降，當(dāng)加入水分為10 mL 時(shí)顯示其強(qiáng)度最佳，即在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)保持水分添加在10%左右?guī)Х勖撼尚妥顬檫m宜。

2.3不同粘結(jié)劑對(duì)粉煤成型因素影響的分析

(1)有機(jī)粘結(jié)劑：分別用3%、5%、7%、10%的腐植酸鈉作為粘合劑，成型壓力為20 MPa時(shí)，測(cè)得其機(jī)械強(qiáng)度。

圖4　腐植酸鈉添加量對(duì)型煤強(qiáng)度的影響

由圖4可知，在腐植酸鈉添加較少時(shí)，型煤的機(jī)械強(qiáng)度不太理想，在較高壓力下就會(huì)出現(xiàn)型煤破損的情況，當(dāng)腐植酸鈉用量增加的時(shí)候其強(qiáng)度也會(huì)隨之增加。在腐植酸鈉的含量達(dá)到10%的時(shí)候，其機(jī)械強(qiáng)度達(dá)到6000 N，所以當(dāng)腐植酸鈉作為粘合劑時(shí)，要保證其添加量，從而確保型煤的機(jī)械強(qiáng)度。

(2)無(wú)機(jī)粘結(jié)劑：分別采用3%、5%、7%、10%、的硅酸鈉及粘土分別實(shí)驗(yàn)，成型壓力均為20 MPa，測(cè)其機(jī)械強(qiáng)度。

圖5　無(wú)機(jī)粘結(jié)劑含量與型煤機(jī)械強(qiáng)度的關(guān)系

由圖5可知，用硅酸鈉作為粘合劑時(shí)含量較少的情況下就可以達(dá)到強(qiáng)度要求，在3%的時(shí)候型煤的強(qiáng)度略有不佳，但到5%的時(shí)候已經(jīng)滿足型煤強(qiáng)度的要求了，由于市場(chǎng)硅酸鈉的價(jià)格不低所以繼續(xù)添加會(huì)對(duì)成本產(chǎn)生較大影響。無(wú)機(jī)粘結(jié)劑都有較高灰分；用粘土作為粘合劑也可以增加型煤的機(jī)械強(qiáng)度，其效果略微不如硅酸鈉，但由于粘土價(jià)格便宜且資源廣泛，因此比硅酸鈉更為實(shí)用。

(3)復(fù)合粘結(jié)劑：本次實(shí)驗(yàn)所用粘合劑為腐植酸鈉與粘土的復(fù)合粘結(jié)劑，要確定合適的配比方案，首先用5%的腐植酸鈉，改變粘土的含量分析其機(jī)械強(qiáng)度，確定較合適的粘土比例；當(dāng)確定粘土含量的配比后，改變腐植酸鈉的配比含量，從而分析出適宜的復(fù)合粘合劑的配比。

圖6　粘土添加量與機(jī)械強(qiáng)度的關(guān)系

圖7　腐植酸鈉添加量與機(jī)械強(qiáng)度的關(guān)系

由圖6和圖7可以看出：在粘土含量達(dá)到5%的時(shí)候，型煤的機(jī)械強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到成型粉煤的要求，繼續(xù)增加雖然型煤的強(qiáng)度會(huì)繼續(xù)增加但其產(chǎn)生的灰分也會(huì)逐漸增加，總體來(lái)說(shuō)當(dāng)粘土含量達(dá)到5%的時(shí)候較適宜粉煤成型的質(zhì)量要求。同上分析，在圖中可以看出當(dāng)腐植酸鈉的含量到5%的時(shí)候適合粉煤成型，比例增加將會(huì)使費(fèi)用也增加，比例太低型煤的機(jī)械強(qiáng)度也會(huì)得不到保障。復(fù)合粘結(jié)劑主要包括有機(jī)和有機(jī)、有機(jī)和無(wú)機(jī)、無(wú)機(jī)和無(wú)機(jī)三種類型，有機(jī)粘結(jié)劑本身具有可燃性，因此可以增加型煤的熱值但機(jī)械強(qiáng)度太低，無(wú)機(jī)粘合劑可以增強(qiáng)型煤的機(jī)械強(qiáng)度但同時(shí)會(huì)降低型煤的發(fā)熱量增加灰分，所以復(fù)合粘結(jié)劑的開(kāi)發(fā)可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，更適合工業(yè)型煤的粘合劑使用。

3　結(jié)　論

(1)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著成型壓力的不斷增加，型煤的強(qiáng)度也隨之增大，在20 MPa的時(shí)候顯示效果最好，如果繼續(xù)增加壓力不僅會(huì)增加能耗還會(huì)破壞型煤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使型煤質(zhì)量下降；

(2)而在成型過(guò)程中添加水分為10%的時(shí)候最為適宜，水分太少難以成型粘結(jié)劑不能很好的起到粘結(jié)作用，而水分過(guò)多時(shí)會(huì)導(dǎo)致脫模等；

(3)關(guān)于粘結(jié)劑的使用，腐植酸鈉具有很好的粘結(jié)性，但其機(jī)械強(qiáng)度就顯得不盡人意了，且該粘結(jié)劑的費(fèi)用也較大，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中經(jīng)費(fèi)一定相當(dāng)龐大。而無(wú)機(jī)粘結(jié)劑硅酸鈉與粘土的比較，雖然二者都可以增加型煤的機(jī)械強(qiáng)度但同樣會(huì)增加型煤的灰分，從生產(chǎn)經(jīng)費(fèi)上考慮粘土優(yōu)先。最后是復(fù)合粘結(jié)劑(5%的腐植酸鈉和5%的粘土)二者一個(gè)可以增加粘結(jié)性和熱值一個(gè)增加機(jī)械強(qiáng)度，互補(bǔ)長(zhǎng)短。復(fù)合粘結(jié)劑是當(dāng)今清凈煤領(lǐng)域正在努力研發(fā)的項(xiàng)目之一，更好的粘結(jié)劑對(duì)粉煤的成型以及型煤的工業(yè)化生產(chǎn)舉足輕重。

[1]鐘宏,曹智.羧甲基淀粉用作型煤粘結(jié)劑的研究[J].湖南化工,2000,30(2):23-25.

[2]徐愛(ài)民,羅衛(wèi)紅.潔凈型煤技術(shù)開(kāi)發(fā)研制[J].潔凈煤技術(shù),2003,9(1):23-27.

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Study on Factors of Coal Powder Forming Effect*

LIMei1,ZHANGYan-jun1,JINGHong-xing2

(1 Yulin University, Shaanxi Yulin 719000;2 Shaanxi Shenmu Chemical Industry Co., Ltd., Shaanxi Yulin 719319, China)

In order to alleviate the accumulation of large amounts of coal powder and industrial production of lump coal demand, using pulverized coal as raw material, using clay, sodium silicate, sodium humate and mixed binder to mold powder coal, the impact of various factors was studied. By testing the mechanical strength, strength, an important indicator of wet strength was dropped, it was summed up in 20 MPa, water 10%, the composite binder (5% sodium humate and 5% clay), molding of the powder coal were best. This research has important practical significance for the industrial production of coal briquette.

powder coal forming; molding pressure; molding moisture; binder

榆林學(xué)院(13YK25)項(xiàng)目; 榆林學(xué)院(2014SKL-DBM019)項(xiàng)目；陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

李梅(1980-)，女，學(xué)士，講師,研究方向：煤化工。

TQ636

A

1001-9677(2016)010-0073-03