用于中低溫?zé)峤獾牡碗A煙煤型煤的制備

黨鉀濤,　溫振華,　楊　芊,　王勁草,2,　曹俊雅,　解　強(qiáng)

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100083; 2.黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

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用于中低溫?zé)峤獾牡碗A煙煤型煤的制備

黨鉀濤1,溫振華1,楊芊1,王勁草1,2,曹俊雅1,解強(qiáng)1

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100083; 2.黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

將低階煙煤粉煤制成高熱強(qiáng)度的型塊用于中低溫?zé)峤?，可減少環(huán)境污染、提高低階煙煤的利用率。選用東榮長(zhǎng)焰煤為原料，以煤焦油為黏結(jié)劑，利用自制模具在液壓機(jī)上壓制型煤，測(cè)定型煤的強(qiáng)度，研究成型壓力、黏結(jié)劑摻入量和原料水分對(duì)型煤性能的影響，并利用掃描電鏡對(duì)型煤微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析表征。結(jié)果表明：型煤的強(qiáng)度隨黏結(jié)劑含量的增大而增大，隨成型壓力的增加先增加后減小，水分含量對(duì)型煤強(qiáng)度也有一定影響；煤焦油能浸潤(rùn)煤粒，充填在煤粒間隙，起到了良好的粘連作用；在煤焦油摻入量為10%、原料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%、成型壓力為63 MPa的條件下制取的型煤強(qiáng)度最佳，熱強(qiáng)度、冷壓強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和落下強(qiáng)度分別達(dá)到536.4 N/個(gè)、691.3 N/個(gè)、97.98%、99.49%，可滿足中低溫?zé)峤鈱?duì)原料的強(qiáng)度要求。

低階煙煤; 型煤; 熱強(qiáng)度; 中低溫?zé)峤? 粉煤

0　引　言

我國煤炭資源豐富,種類齊全,探明儲(chǔ)量居世界前三,其中低階煙煤儲(chǔ)量最大,占我國已查明煤炭資源量的42.45%[1]。但低階煙煤易風(fēng)化氧化,水分含量高,長(zhǎng)距離運(yùn)輸難度大且成本高,直接燃燒則污染嚴(yán)重,適于就近轉(zhuǎn)化利用,生產(chǎn)附加值高、易儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)漠a(chǎn)品[2-4]。低階煙煤中低溫?zé)峤舛嗦?lián)產(chǎn)以其產(chǎn)品多、效益好、成本低、能耗小、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)成為目前煤炭企業(yè)主要采用的低階煙煤加工轉(zhuǎn)化工藝。

中低溫?zé)峤饧夹g(shù)對(duì)原料塊度有一定要求,如內(nèi)熱式直立爐在生產(chǎn)中要求炭化室有一定的透氣性,原煤粒度必須為15～150 mm[5];GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》中也規(guī)定伍德式直立爐原料粒度為15～50 mm。但隨著采煤機(jī)械化程度的提高,粉煤產(chǎn)率逐漸增大,塊煤產(chǎn)量下降,粒度為0～3 mm的粉煤比例已達(dá)到30%左右[6]。塊煤產(chǎn)量小但需求量大,粉煤難以利用卻大量積壓。因此,利用粉煤成型技術(shù)制備中低溫?zé)峤庥玫碗A煙煤型煤或?yàn)楹侠沓浞掷梦覈禾抠Y源、解決塊煤供需矛盾的途徑之一。在現(xiàn)有粉煤成型研究中,學(xué)者們對(duì)型煤冷壓強(qiáng)度、燃燒特性及防水性能已較為重視,對(duì)造氣型煤和鍋爐型煤亦有充分的研究[7-10],然而,對(duì)型煤熱強(qiáng)度的關(guān)注相對(duì)較少,尤其是中低溫?zé)峤庥玫碗A煙煤型煤的制備及表征方面。

文中選取我國典型低階煙煤——黑龍江東榮三礦長(zhǎng)焰煤為原料,以煤焦油為黏結(jié)劑,在成型壓力、黏結(jié)劑含量和水分含量不同的條件下進(jìn)行中低溫?zé)峤庥眯兔旱闹苽溲芯?考察成型壓力、黏結(jié)劑含量和水分含量在型煤制備中的作用及對(duì)型煤強(qiáng)度的影響,探索最佳成型工藝參數(shù)以制備具有較好熱強(qiáng)度、能滿足中低溫?zé)峤獾牡碗A煙煤型煤。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1原料

實(shí)驗(yàn)選用東榮長(zhǎng)焰煤,其煤質(zhì)指標(biāo)如表1所示。將3～13 mm粒徑的煤樣置于XMB-67型棒磨機(jī)(上海雷韻試驗(yàn)儀器制造有限公司)中破碎,使得煤樣中1～3 mm粒徑和0～1 mm粒徑分別占27.20%和72.85%。黏結(jié)劑選用煤焦化副產(chǎn)煤焦油。

表1　東榮煤樣工業(yè)分析和元素分析

1.2型煤制備

1.2.1壓制

取煤樣,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的水和10%的黏結(jié)劑(以空氣干燥基煤樣質(zhì)量為基準(zhǔn)),混合均勻后分別在47、63、78、94、和110 MPa成型壓力下,采用自制模具壓制成圓柱狀型塊;在成型壓力為63 MPa、水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的條件下,分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、6%、8%、10% 的黏結(jié)劑,混合均勻后于模具中壓制成型;在成型壓力為63 MPa、黏結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的條件下,分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%、13%和15%的水,混合均勻后于模具中壓制成型。

自制模具分底座、套筒和壓桿三部分,材質(zhì)為45#鋼。底座直徑75 mm;套筒內(nèi)徑25 mm,外徑41 mm,高60 mm;壓桿為圓柱狀,直徑25 mm,高85 mm。

1.2.2干燥

將成型后的型煤放入DHG-9035A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)中,于60 ℃下干燥60 min,升溫至90 ℃后干燥20 min,繼續(xù)升溫至120 ℃再干燥20 min。取出型煤自然冷卻至室溫,放入密封袋中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3型煤表征

型煤冷壓強(qiáng)度、熱強(qiáng)度和落下強(qiáng)度的測(cè)定分別參照MT/T 748—1997《工業(yè)型煤冷壓強(qiáng)度測(cè)定方法》、MT/T 1073—2008《工業(yè)型煤熱強(qiáng)度測(cè)定方法》、MT/T 925—2004《工業(yè)型煤落下強(qiáng)度測(cè)定方法》;熱穩(wěn)定性測(cè)定參照MT/T 924—2004《工業(yè)型煤熱穩(wěn)定性測(cè)定方法》,并稍作改動(dòng)。為保證密封性,在馬弗爐中加熱時(shí)用小于1 mm細(xì)沙完全覆蓋試樣[11-12]。

采用JEOL JSM-6510A掃描電子顯微鏡(日本電子株式會(huì)社)分析表征型煤樣品的微觀形貌,探析低階煙煤型煤的微觀結(jié)構(gòu)與黏結(jié)機(jī)理。

2　結(jié)果與討論

2.1成型壓力對(duì)型煤強(qiáng)度的影響

在黏結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wn)為10%、水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(ws)為13%的條件下,型煤熱強(qiáng)度、冷壓強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和落下強(qiáng)度隨成型壓力變化的關(guān)系曲線見圖1。

圖1　　　　成型壓力與熱強(qiáng)度、冷壓強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、落下強(qiáng)度的關(guān)系曲線

低階煙煤塑性較差,彈性較好,卸去成型壓力后,型煤會(huì)發(fā)生較大的形變,使其脫模后強(qiáng)度下降[13]。由圖1a可以看出,隨著成型壓力的增大,型煤的熱強(qiáng)度和冷壓強(qiáng)度均先增加然后開始減小;由圖1b可以看出,型煤熱穩(wěn)定性隨成型壓力變化不大,落下強(qiáng)度表現(xiàn)為先增大后減小。綜合圖1可知,型煤熱強(qiáng)度、冷壓強(qiáng)度和落下強(qiáng)度隨成型壓力變化呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)。這說明在低階煙煤成型過程中存在一個(gè)較優(yōu)的成型壓力,超出該壓力,型煤強(qiáng)度不再增加,反而會(huì)下降。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是,在有黏結(jié)劑冷壓成型過程中,型煤很大程度上是依靠黏結(jié)劑的“橋連”作用而被壓制成型,當(dāng)壓力超過一定值后煤粒會(huì)發(fā)生再次破裂,而黏結(jié)劑不能潤(rùn)濕新增的表面,造成其分布不均,從而使型煤強(qiáng)度不增反降[14]。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),成型壓力為110 MPa的型煤,卸壓后膨脹明顯,冷態(tài)抗壓強(qiáng)度最低;成型壓力在63 MPa時(shí)，型煤強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到最優(yōu),其中熱強(qiáng)度達(dá)到536.4 N/個(gè)。

2.2黏結(jié)劑含量對(duì)型煤強(qiáng)度的影響

在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%和成型壓力為63 MPa的條件下,型煤熱強(qiáng)度、冷壓強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和落下強(qiáng)度隨黏結(jié)劑含量變化的關(guān)系曲線見圖2。

圖2　　　　黏結(jié)劑含量與熱強(qiáng)度、冷壓強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、落下強(qiáng)度的關(guān)系曲線

黏結(jié)劑是決定型煤質(zhì)量的重要因素,適合的黏結(jié)劑及其摻入量能提高型煤冷態(tài)強(qiáng)度,而且對(duì)型煤熱態(tài)強(qiáng)度亦有明顯的影響[15-16]。由圖2可知,隨著煤焦油黏結(jié)劑摻入量的增大,型煤熱強(qiáng)度、冷壓強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和落下強(qiáng)度四指標(biāo)均呈增大的趨勢(shì),說明煤焦油可以滲入煤粒間隙,浸潤(rùn)煤粒表面,通過增加含量能增強(qiáng)其在煤粒間的粘連作用,提高型煤強(qiáng)度。

黏結(jié)劑含量過大會(huì)相對(duì)減少型煤中煤粒的“骨架”作用,不能提高反而降低其強(qiáng)度,同時(shí)考慮到煤焦油的生產(chǎn)成本,認(rèn)為煤焦油的含量不宜超過10%。當(dāng)黏結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí),型煤的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均達(dá)到最優(yōu)值,冷壓強(qiáng)度達(dá)到691.3 N/個(gè),熱強(qiáng)度達(dá)到536.4 N/個(gè),在高溫下仍能很好的粘連煤粒,使型煤保持一定強(qiáng)度。

2.3水分含量對(duì)型煤強(qiáng)度的影響

在黏結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和成型壓力為63 MPa的情況下,型煤熱強(qiáng)度、冷壓強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和落下強(qiáng)度隨水分含量變化的關(guān)系曲線見圖3。

圖3　　　　水分含量與熱強(qiáng)度、冷壓強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、落下強(qiáng)度的關(guān)系曲線

粉煤成型往往需要一定水分潤(rùn)濕煤粒表面或溶解黏結(jié)劑以促進(jìn)成型,提高強(qiáng)度。如圖3所示,水分含量對(duì)型煤熱強(qiáng)度、冷壓強(qiáng)度和落下強(qiáng)度有較明顯的影響,對(duì)熱穩(wěn)定性影響不大。在實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%時(shí),型煤的熱強(qiáng)度、冷壓強(qiáng)度和落下強(qiáng)度均達(dá)到最高值。這是因?yàn)檫m量水分能潤(rùn)滑煤粒、減少摩擦,幫助黏結(jié)劑均勻分布到煤粒表面;水分過多則會(huì)在煤粒表面形成較厚的水膜,阻礙黏結(jié)劑潤(rùn)濕煤粒和進(jìn)入煤粒間的空隙。同時(shí),過多的水分在干燥時(shí)逸出會(huì)留下空隙,而且干燥后殘存在型煤中的水分會(huì)在受熱時(shí)迅速蒸發(fā),破壞型煤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,影響型煤的強(qiáng)度。

2.4型煤微觀形貌及黏結(jié)機(jī)理

利用掃描電鏡對(duì)成型水分含量相同的不同型煤樣品進(jìn)行掃描得到型煤微觀結(jié)構(gòu),如圖4所示。

圖4　型煤的微觀結(jié)構(gòu)

由圖4a可知,在適合的成型條件下,型煤內(nèi)煤粒包覆較好,黏結(jié)劑均勻充填在煤粒間隙內(nèi),連接著大小各異的煤粒,粘接效果理想,所以型煤各項(xiàng)強(qiáng)度較其他實(shí)驗(yàn)組好。由圖4a和圖4b的對(duì)比可知,當(dāng)成型壓力過大時(shí),型煤中裂隙反而有增大的跡象,其原因可能是以下兩點(diǎn):(1)低階煙煤彈性好,卸去成型壓力后型煤膨脹,結(jié)構(gòu)變得疏松,內(nèi)部出現(xiàn)裂痕;(2)煤粒出現(xiàn)二次破裂,黏結(jié)劑不能在破裂瞬間潤(rùn)濕新裂隙,也不能及時(shí)“縫合”煤粒新間隙,影響了黏結(jié)劑的粘連效果。型煤中較大裂隙的出現(xiàn)必然造成型煤強(qiáng)度的下降,因此，當(dāng)成型壓力超過63 MPa后,型煤各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均出現(xiàn)不同程度的下降。圖4d顯示的是型煤在馬弗爐中850 ℃加熱30 min后的微觀結(jié)構(gòu),與相同成型條件下制得的型煤(如圖4a所示)相比,該種型煤已炭化,而黏結(jié)劑受熱分解為穩(wěn)定的微晶結(jié)構(gòu)分嵌在型塊中,所以利用煤焦油作為黏結(jié)劑制得的型煤有較好的熱態(tài)性能。

從圖4c和圖4d的對(duì)比中可以看出,不加黏結(jié)劑,低階煙煤成型性較差,為松散的煤粒堆積體,強(qiáng)度很低;加入黏結(jié)劑,黏結(jié)劑可包裹煤粒、充填煤粒間隙,如“膠水”般將煤粒連接成型,型煤強(qiáng)度得到大幅提升。這可能是由于在成型壓力為63 MPa的條件下,煤焦油分子與煤粒中的分子距離減小到足以形成共價(jià)鍵或氫鍵,產(chǎn)生了物理化學(xué)結(jié)合力；又由于煤焦油滲入煤粒間隙和孔隙中,干燥固化后能產(chǎn)生機(jī)械嚙合力。煤粒與黏結(jié)劑之間、煤粒與煤粒之間的物理化學(xué)結(jié)合力和機(jī)械嚙合力共同產(chǎn)生粘合作用,提高了型煤的強(qiáng)度。

3　結(jié)　論

(1)加入黏結(jié)劑可改善低階煙煤的成型性,隨著煤焦油加入量的增加,型煤各強(qiáng)度指標(biāo)均有不同程度地增大,在煤焦油摻入量達(dá)到10%時(shí),型煤強(qiáng)度最好;低階煙煤型煤強(qiáng)度受成型壓力的影響顯著,隨成型壓力的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),過大的壓力會(huì)導(dǎo)致各項(xiàng)指標(biāo)下降;水分對(duì)型煤的熱強(qiáng)度、冷壓強(qiáng)度和落下強(qiáng)度有一定的影響,對(duì)熱穩(wěn)定性沒有明顯的影響,若水分過多則會(huì)阻礙黏結(jié)劑潤(rùn)濕煤粒,經(jīng)驗(yàn)證水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%較適宜。

(2)以煤焦油為黏結(jié)劑,在成型壓力為63 MPa、黏結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%條件下制取的型煤強(qiáng)度最佳,熱強(qiáng)度、冷壓強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和落下強(qiáng)度分別達(dá)到536.4 N/個(gè)、691.3 N/個(gè)、97.98%、99.49%,可滿足中低溫?zé)峤鈱?duì)原料的強(qiáng)度要求。

(3)掃描電鏡的微觀分析表明,煤焦油能很好地潤(rùn)濕煤粒表面,充填煤粒間隙,形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而牢牢粘連煤粒,使型煤具有較好的強(qiáng)度。

(4)將低階煙煤粉煤壓制成型煤,并賦予其特殊的工藝性質(zhì)以滿足中低溫?zé)峤獾男枰?能提高粉煤利用率,緩解塊煤供不應(yīng)求及粉煤積壓,解決低階煙煤粉煤利用難題,提高其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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(編輯荀海鑫)

Preparation of briquette from low rank bituminous coal used for medium-low temperature pyrolysis

DANGJiatao1,WENZhenhua1,YANGQian1,WANGJincao1,2,CAOJunya1,XIEQiang1

(1.School of Chemical & Environmental Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China; 2.College of Resources & Environmental Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

Preparation of briquette with high thermal strength from low rank bituminous coal for medium-low temperature pyrolysis means a reduction in environmental pollution and an improvement in the efficiency of low rank bituminous coal utilization. This paper describes the preparation of briquette from Dongrong long flame coal with special mould by hydraulic machine in the presence of coal tar, and the investigation into the influences of briquetting pressure, amount of coal tar and water on the specifications of briquette, coupled with the characterization of the micro-structure of briquette by scanning electron microscope. The results show that thermal strength of briquette increases with the increase of amount of coal tar and increases with the increase of briquetting pressure, followed by decrease. The amount of water also has some effect on the strength of briquette. The tars, capable of wetting the surface of coal particle and filling up the space between coal particles, perform a better adhesion effect. The briquette, prepared with processing parameters of 10% tars, 13% water and briquetting pressure of 63 MPa，exhibits the optimal strength and shows thermal strength, cold compressive strength, thermal stability, and falling strength up to 536.4 N/block, 691.3 N/block, 97.98% and 99.49%, respectively, fulfilling the need of medium-low temperature pyrolysis.

low rank bituminous coal; briquette; thermal strength; medium-low temperature pyrolysis; coal fines

1671-0118(2012)06-0553-05

2012-09-04

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2011AA05A202)

黨鉀濤(1988-),男,河南省洛陽人,碩士,研究方向:型煤制備、低階煙煤綜合利用,E-mial:dangjt1988@163.com。

TQ536.1

A