褐煤熱水干燥改質(zhì)后的性能研究

鞠春紅,張偉君,王志成,李福裿

(黑龍江省能源環(huán)境研究院，黑龍江 哈爾濱 150027)

褐煤熱水干燥改質(zhì)后的性能研究

鞠春紅,張偉君,王志成,李福裿

(黑龍江省能源環(huán)境研究院，黑龍江 哈爾濱 150027)

褐煤在我國煤炭能源中占有很大比重，因其含水量高、灰分大、容易風(fēng)化、發(fā)熱量低的缺點使褐煤的利用率較低。為了提高褐煤的利用率，采用高壓釜熱水干燥工藝對褐煤進(jìn)行改質(zhì)，并將改質(zhì)的褐煤成型，研究其改質(zhì)成型后的特性。實驗結(jié)果表明：經(jīng)熱水干燥后褐煤中的水分、灰分、揮發(fā)分的含量有所降低，但固定碳和發(fā)熱量有所提高；煤樣粒度、干燥溫度、成型壓力對褐煤抗壓強度的影響較為顯著；熱水干燥后褐煤的成型性明顯增強，使煤球的抗壓強度接近褐煤有粘結(jié)劑冷壓成型煤球的強度，并且成本低于有粘結(jié)劑成型煤球的強度。

褐煤；改質(zhì)；成型；熱水干燥

前 言

褐煤屬于軟質(zhì)煤，與其他煤種相比，褐煤含氧量高、灰分及灰熔點變化大、密度小、易于自燃。我國的褐煤是一種高揮發(fā)分(50%左右)、高水分(30%左右)、高灰分(30%左右)、低熱值(14MJ/kg左右)、低灰熔點的劣質(zhì)燃料[1]。新開采出的褐煤受陽光照射會因水分蒸發(fā)而龜裂粉碎，難以保存，而且在運輸?shù)冗^程中也存在一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此，將褐煤脫除水分并加工成型煤，不但解決了運輸和利用等問題，而且工業(yè)型煤還可以降低煤炭燃燒對大氣的污染。

本實驗利用高壓釜對褐煤進(jìn)行熱水干燥加工技術(shù)是模擬煤炭在自然界的炭化過程，僅用數(shù)分鐘的時間即可以代替數(shù)萬年的地質(zhì)年代過程，使褐煤轉(zhuǎn)化成高階煤[2]。

1 實驗部分

1.1 主要儀器

主要儀器：電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（101-1A溫度范圍10～300℃）、稱量瓶、電子天平、馬弗爐（XL-1、最高溫度1000℃）、坩堝、FYX高壓釜（5L）、成型機（XQ-5）、嵌樣規(guī)格 32×（8-12）、電子壓力試驗機（DY-1000）。

1.2 褐煤分析

對采自內(nèi)蒙古的褐煤進(jìn)行工業(yè)分析，其分析結(jié)果如表1所示。

表1 褐煤原煤工業(yè)分析Table 1 The industrial analysis of raw lignite

1.3 實驗步驟

1.3.1 水熱干燥實驗

取下高壓釜蓋，將煤水混和物放入高壓釜內(nèi)，蓋上高壓釜蓋子，擰緊螺絲。調(diào)節(jié)溫度控制閥，達(dá)到實驗的加熱溫度。調(diào)節(jié)磁力攪拌器，轉(zhuǎn)速為100r/min。打開磁力轉(zhuǎn)子的冷卻水閥門，避免磁力轉(zhuǎn)子過熱。打開加熱裝置，將高壓釜加熱。當(dāng)溫度加熱到所設(shè)定的溫度時，關(guān)閉開關(guān)停止加熱，打開釜體冷卻閥門。待樣品降至室溫后取出。

1.3.2 水熱干燥成型后的性能實驗

1.3.2.1 褐煤熱水干燥后與原料煤的成型對比

選取粒度為1mm和3mm的兩種煤樣進(jìn)行水熱處理，冷卻至室溫后加壓成型，測定其抗壓強度；在相同的實驗條件下與原煤的成型性進(jìn)行對比分析。

1.3.2.2 褐煤熱水干燥成型與無粘結(jié)劑和有粘結(jié)劑冷壓成型對比

選取粒度為1mm的煤樣三份各25g，分別采用上述三種成型方法成型，煤球全部進(jìn)行24h自然干燥。（有粘結(jié)劑冷壓成型中選用煤焦油做粘結(jié)劑，煤∶焦油=92∶8）

1.3.2.3 粒度對型煤質(zhì)量的影響

分別選取粒度＜0.1 mm、0.1 mm～1mm和＞1mm各占70%的三種煤樣25g，進(jìn)行水熱處理，自然干燥24h，加壓成210 kg/cm2型，測定其抗壓強度。

1.3.2.4 干燥固結(jié)條件影響

用粒度均為1mm的煤樣全部進(jìn)行水熱處理，冷卻成型后分別在70℃溫度下干燥3h、6h、24h，另取一組自然干燥24h作為對比實驗，測定煤球的抗壓強度。

1.3.2.5 成型壓力的影響

煤樣經(jīng)過熱水處理后，分別在200 kg/cm2、250 kg/cm2、290 kg/cm2和 350 kg/cm2的壓力下成型，自然干燥，每個煤球22 g，測定其抗壓強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 褐煤熱水干燥后與原煤工業(yè)分析對比

褐煤在熱水干燥前后，其工業(yè)分析結(jié)果如表2所示。

表2 褐煤熱水干燥后工業(yè)分析Table 2 The industrial analysis of lignite after hot water drying

根據(jù)表1、表2中的數(shù)據(jù)繪制成條形圖如圖1所示：

圖1 褐煤熱水干燥前后工業(yè)分析對比圖Fig.1 The industrial analysis of lignite before and after hot water drying

由上表可以看出，褐煤經(jīng)過熱水干燥處理后，其水分、揮發(fā)分都有所降低，灰分降低的不多。首先，水分降幅最大，降低約50%，這對褐煤成型十分有利，一般褐煤不易成型的原因就是因為水分含量過高所致，過多的水會形成水膜，阻止煤粒間結(jié)合[3]，經(jīng)過熱水干燥處理后，褐煤的內(nèi)在水分大部分被帶走，隨著加熱溫度升高，反應(yīng)就越劇烈。氣體從煤的孔隙中大量逸出時，帶走了煤中的水分，從而達(dá)到了脫水的效果。其次，揮發(fā)分在加熱后下降了14.41%，由于褐煤中的有機基團(tuán)大部分含有羥基和羧基，在高溫高壓環(huán)境下，羥基和羧基會大量脫去，形成CO2等小分子氣體，煤粒在水熱體系中受到超臨界水的萃取，小分子氣體可以很好地溶解到水體系中[2]。脫羧后的褐煤其復(fù)吸性會大大降低，經(jīng)過這種處理后會延長褐煤的存儲時間。最后，灰分含量也有降低，煤中灰分含量越小，煤的利用率越高?；曳值拿摮饕怯捎诿褐兴值拇罅繙p少導(dǎo)致煤樣總量的減少，而實質(zhì)上純無機鹽類物質(zhì)除去鈉、鉀等可溶性粒子外，其余的均無變化。本實驗中灰分降低不太明顯的原因是由于加熱釜的容積及條件因素。

通過工業(yè)分析對比結(jié)果我們可以看出，經(jīng)過熱水干燥處理后的褐煤，性質(zhì)發(fā)生了很大變化，許多不利因素的參數(shù)（高水分、高灰、高揮發(fā)分）大大降低了，這為褐煤成型提供了基礎(chǔ)條件。

2.2 水熱干燥成型后性能的研究結(jié)果

2.2.1 褐煤熱水干燥后與原料煤成型對比

將壓制成型后的煤樣進(jìn)行抗壓強度的實驗，其實驗結(jié)果如表3所示。

表3 褐煤熱水干燥前后抗壓強度對照Table 3 The compressive strength of lignite before and after hot water drying

由表3可以看出，熱水干燥處理后的褐煤比處理前原煤成型后的煤球質(zhì)量好，不散花，球體致密、結(jié)實。其原因主要是因為經(jīng)過高溫高壓環(huán)境處理后，褐煤內(nèi)在水分減少的同時其側(cè)鏈羧基等基團(tuán)也會相應(yīng)減少不同粒度的煤樣進(jìn)行熱水干燥處理后其抗壓強度均有明顯提高，3mm粒度的抗壓強度提高約35倍，粒度1mm的褐煤抗壓強度也提高了約1/5，可見熱水處理后的褐煤成型性能有明顯提高。此外，小粒度的褐煤成型性好于大粒度的褐煤成型，主要原因是小粒度的煤粒間隙容易壓實。

2.2.2 褐煤熱水干燥成型特點

將不同成型方法壓制成型制得的煤球進(jìn)行抗壓強度的實驗，其實驗結(jié)果如表4所示。

表4 不同成型方法抗壓強度對比結(jié)果Table 4 The compressive strength of briquette produced by different molding methods

通過表4的對比可以看出，熱水干燥處理的褐煤成型后其抗壓強度明顯高于無粘結(jié)劑冷壓成型，接近有粘結(jié)劑冷壓成型。其原因是褐煤在熱水干燥過程中雖沒有加入粘結(jié)劑，但是其自身在熱過程中褐煤自身產(chǎn)生的煤焦油有粘結(jié)作用，所以其抗壓強度很大。其優(yōu)點是熱水干燥成型的褐煤成本低、成型壓力低、對成型機械要求低、因此水熱處理成型就具備了無粘結(jié)劑冷壓成型和有粘結(jié)劑冷壓成型的雙重優(yōu)點，具有實際生產(chǎn)價值。

2.2.3 粒度的影響

不同的粒度配比的煤樣其抗壓強度的實驗結(jié)果如表5所示。

表5 不同粒度抗壓強度對比Table 5 The compressive strength of briquettes with different particle sizes

由表5可知，1號褐煤的抗壓強度最好，隨著小粒度所占比例的下降，抗壓強度也隨之下降。粒度小有助于煤粒間的緊密接觸，從而提高抗壓強度，但粒度過小在生產(chǎn)中增加了破碎的動力消耗，壓型時也不易脫模，所以合理的粒度配比是褐煤成型的關(guān)鍵因素。實驗結(jié)果表明，粒度＜0.1 mm占70%、0.1 mm～1mm占15%和＞1mm占15%的配煤成型時易脫模，動力消耗小，是較為合適的煤球顆粒配比。

2.2.4 干燥固結(jié)條件的影響

經(jīng)過熱水干燥處理的褐煤壓制成煤球后在不同的干燥條件下干燥后，其抗壓強度測定的實驗結(jié)果如表6所示。

煤球在70℃下烘4h，開始出現(xiàn)裂紋，增加烘干時間則崩解速度更快。所以全褐煤或以褐煤為主的煤球應(yīng)盡量避免烘干，所以補充做一組實驗，將同一煤樣褐煤熱水干燥成型后不經(jīng)任何處理直接置于通風(fēng)處自然干燥4d、8d、16d和32d后進(jìn)行抗壓強度的實驗，其實驗結(jié)果如表7所示。

表6 干燥時間與抗壓強度關(guān)系Table 6 The relation between drying time and compressive strength

表7 通風(fēng)處自然干燥結(jié)果Table 7 The results of air dry in ventilated place

由表7可以看出，壓制好的煤球在放置4d以上，煤球內(nèi)部水分在放置過程中就會趨于一致，煤球強度上升較大，也能達(dá)到一定的指標(biāo)要求。所以在天氣、場地條件不允許的情況下，也可適當(dāng)烘干、放置后再行裝運。

2.2.5 成型壓力的影響

將不同的成型壓力下分別制得的煤球進(jìn)行抗壓強度的實驗。（每組均制取煤球10個取抗壓強度的平均值）。實驗結(jié)果如表8所示。

表8 不同成型壓力煤球的抗壓強度Table 8 The compressive strength of briquette produced with different molding pressures

由表8可見，成型壓力在200～290kg/cm2范圍內(nèi)變化時抗壓強度逐漸升高，但隨著成型壓力升高，在250～290 kg/cm2之間比200～250 kg/cm2之間上升得緩慢，這說明成型壓力越高，抗壓強度的上升幅度越緩慢，也可以說抗壓強度的提高越困難，這是由煤粒的膨脹性質(zhì)所決定的，當(dāng)壓力過大時，其反彈力也會增大，當(dāng)其超過型塊的機械強度時，型塊脫模后就會出現(xiàn)裂紋，甚至?xí)蛎浰榱?，其抗壓性大大變?nèi)?，?中350 kg/cm2是壓潰后再成型的抗壓強度的測試結(jié)果，僅為632N。所以成型壓力并不是越高越好，當(dāng)壓力超過某個數(shù)值后，煤顆粒會被徹底壓潰，這種煤的顆粒之間本身將失去相互粘結(jié)的作用，其成型效果不好。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過熱水干燥處理后的褐煤，水分、灰分、揮發(fā)分含量都有所降低，發(fā)熱量、固定碳有所增加，這是褐煤改質(zhì)成型的理論基礎(chǔ)與前提。

(2)褐煤經(jīng)過熱水干燥的成型壓力降低、抗壓性明顯升高，煤球變得結(jié)實、致密，煤質(zhì)有利于成型。加熱中產(chǎn)生的粘結(jié)劑增強了抗壓強度，也節(jié)約了生產(chǎn)成本。粗細(xì)搭配的粒度能達(dá)到比較好的抗壓效果。褐煤成型后自然干燥是最佳的方案。褐煤水熱干燥成型壓力并非越大越好，成型壓力有一個最佳壓力值。

［1］劉翼洲,高春珍.冷壓成型壓力和粒度配比對強度的影響［J］.煤炭加工與綜合利用,1996，4：68～69.

［2］沈國娟,張明旭,王龍貴.淺談褐煤的利用途徑［J］.煤炭加工與綜合利用,2005，6：1～4.

［3］呂勁,虞繼舜.大同煤預(yù)熱改質(zhì)工藝及煉焦試驗研究［J］.鋼鐵,2004,39(2)：1～4.

Study on the Performance of Lignite Modified by Hot Water Drying

JV Chun-hong,,ZHANG Wei-jun,Wang Zhi-cheng and Li Fu-qi
(Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang,Harbin 150027,China)

Lignite possesses a significant proportion of energy in China,but it has a low utilization rate because of the high moisture and ash content,easily weathered and low heat productivity.In order to increase the utilization rate,the lignite is modified by the technology of high-pressure autoclave hot water drying,and the sample is molded so as to analyze its performance.The results show that the moisture,ash content and volatile content decreases,but the fixed carbon and heat productivity of the lignite increases after modification.The coal sample particle size,drying temperature and molding temperature has obvious effects on the compressive strength of lignite.The molding property of lignite is improved significantly which makes the compressive strength be close to that of briquettes molded by cold molding with adhesives,but the cost is less than it.

Lignite;modification;molding;hot water drying

P 168.11

A

1001-0017（2012）01-0036-04

2011-09-11

鞠春紅（1971-），女，漢族，黑龍江人，助理研究員，學(xué)士學(xué)位，主要從事替代能源技術(shù)、清潔能源技術(shù)的研究工作。