基于真空擠壓技術(shù)的圓棒型煤成型因素研究

王 超 王傳志 洪吉祥

（1.兗礦集團(tuán)潔凈煤技術(shù)工程研究中心，山東 鄒城 273500；2.兗礦科技有限公司，山東 鄒城 273500；3.濟(jì)南山源環(huán)保科技有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

國家大力提倡發(fā)展煤炭高效清潔能源。國內(nèi)外清潔燃料[1]主要是林木生物質(zhì)、無煙煤及潔凈型煤產(chǎn)品。型煤產(chǎn)品種類較多，主要有磚型型煤，如柏林能源公司生產(chǎn)的褐煤磚；蜂窩型煤，用于蜂窩煤爐，是東亞居民采暖的主要燃料；枕狀型煤，如兗礦高效改性潔凈型煤、國內(nèi)民用無煙潔凈型煤；圓棒型煤，如西班牙Verdés 公司焦炭棒，國內(nèi)自動(dòng)化爐具蘭炭棒。國內(nèi)外型煤成型工藝和成型設(shè)備的研究均取得了重大進(jìn)展。劉倩倩等[2]通過研究馬鈴薯渣基黏結(jié)劑對(duì)型煤抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，得出當(dāng)馬鈴薯黏結(jié)劑黏度為28 565 MPa·s、渣粒度為0.15 mm 時(shí)，可以制得高強(qiáng)度型煤。郭利[3]通過對(duì)真空擠出機(jī)的泥料流場(chǎng)模型進(jìn)行有限元分析，對(duì)絞刀形狀進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，得到滿足安全性施工要求的絞刀模型。楊街良[4]針對(duì)國內(nèi)擠出機(jī)存在的問題，分析產(chǎn)生原因，并提出解決措施。

兗礦枕狀型煤采用高壓對(duì)輥擠壓成型方式，系統(tǒng)長期高壓造成輥皮易損壞、壽命周期由3 個(gè)月縮短為2 個(gè)月，增加生產(chǎn)成本。此外，枕狀型煤不適用于兗礦自主設(shè)計(jì)的民用自控爐，自控爐采用螺旋給料器，枕狀型煤在給料過程中阻力大，極易發(fā)生破碎產(chǎn)粉，甚至堵塞螺旋機(jī)構(gòu)。針對(duì)上述問題，需開發(fā)一種新型成型方式，繼續(xù)利用煙煤推廣清潔型煤燃料。圓棒型煤成型工藝具有如下優(yōu)勢(shì)：1）相對(duì)于枕狀型煤，圓棒型煤空隙率大，燃燒時(shí)通風(fēng)效果好，燃燒更穩(wěn)定，延長燃燒時(shí)間，提高燃燒效率；2）成型方式采用濕法擠出成型，擠出成型腔為開放式，成型壓力要求低，一般不超過5 MPa，具有工藝簡單、生產(chǎn)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)；3）煤棒直徑易于調(diào)節(jié)，產(chǎn)品直徑一般不低于Φ6 mm，通過調(diào)整出料?？壮叽纾梢詽M足不同行業(yè)的應(yīng)用需求，如民用采暖爐燃煤、煉鋼用增熱劑、自控爐煤焦顆粒等。

現(xiàn)有圓棒型煤多使用無煙煤或蘭炭粉作為原料，對(duì)以煙煤為主體的棒狀成型工藝研究較少。結(jié)合兗礦集團(tuán)豐富的煙煤資源現(xiàn)狀，開發(fā)基于煙煤煤質(zhì)特性的圓棒型煤成型工藝，推廣以煙煤作為清潔型煤主要原料，具有廣泛的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文以兗礦煙煤為原料，利用真空擠壓成型技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)真空擠出機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，制備Φ25 mm 煤棒，研究煤粉粒度、成型壓力及水分、烘干時(shí)間、無機(jī)黏結(jié)劑對(duì)圓棒型煤的影響規(guī)律，為中試系統(tǒng)設(shè)備選型及工業(yè)化型煤生產(chǎn)線設(shè)計(jì)提供參數(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用原料煤為兗礦煙煤，具體煤質(zhì)分析見表1。

表1 兗礦煙煤煤質(zhì)分析 %

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為改進(jìn)設(shè)計(jì)后的雙級(jí)真空擠出機(jī)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。其工作原理：物料經(jīng)一級(jí)給料螺旋推送至真空室內(nèi)，真空室內(nèi)撥料裝置持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)繼續(xù)向前推送物料，物料經(jīng)二級(jí)擠壓螺旋向前轉(zhuǎn)動(dòng)至出料模具孔擠出成型。相比傳統(tǒng)單級(jí)擠出機(jī)，具有如下優(yōu)勢(shì)：1）物料通過一級(jí)預(yù)壓螺旋給料裝置，提前擠壓物料中空氣，提高密實(shí)度；2）增加雙軸撥料裝置，防止物料積聚在真空室，形成“料斗”不下料；3）增設(shè)冷卻套，進(jìn)、出水口與冷卻水箱相連，防止物料摩擦持續(xù)升溫，堵塞模具孔；4）增加報(bào)警組件，在出料模具端面嵌入壓力變送器，可以實(shí)時(shí)顯示擠出壓力、物料溫度，同時(shí)運(yùn)行信號(hào)接入操作控制柜，運(yùn)行值一旦超設(shè)定保護(hù)值，將自動(dòng)停止給料裝置。

圖1 擠出機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 抗壓強(qiáng)度的測(cè)定方法

該試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度的測(cè)定參考《工業(yè)型煤冷壓強(qiáng)度測(cè)定方法》（MT/T 748-2007）規(guī)定的工業(yè)型煤冷壓強(qiáng)度的測(cè)定方法。由于型煤為Φ25 mm 的圓柱體，具體抗壓強(qiáng)度的測(cè)定方法：將型煤側(cè)面放置于微機(jī)控制的萬能試驗(yàn)機(jī)施力面的中心位置上，以10 mm/min 的速度均勻施力，微機(jī)自動(dòng)記錄煤棒開裂時(shí)的最大壓力，10 個(gè)樣品為一組，取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 粒度配比研究

傳統(tǒng)輥壓濕法成型常用的粒級(jí)配比為1～3 mm占粒度組成的30%，0～1 mm 占粒度組成的70%；輥壓干法成型的粒度要求D90 ≤0.25 mm。原料中的細(xì)顆粒有利于增加顆粒之間的接觸面積、提高混勻效果，同時(shí)大顆粒起骨架支撐作用，所以必須含有一定量的大顆粒，才能提高型煤的體積密度和強(qiáng)度。孫朋[5]通過研究冷壓型煤強(qiáng)度的影響因素，認(rèn)為任何單一粒徑顆粒的組成都會(huì)降低型煤強(qiáng)度，故粉煤級(jí)配分布時(shí)要以粗細(xì)搭配為主。

為探究成型物料最佳粒度組成，利用真空擠出機(jī)開展了不同粒度組成原料的成型試驗(yàn)。根據(jù)蓋茨-高登-舒茲曼粒度特性方程[6]，通過變化分布模數(shù)，確定成型原料的粒度組成，其方程：

式中：F（D）代表篩下物，%；D代表粒度；Dmax代表物料中的最大粒度；m代表分布模數(shù)。

由表2 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)分布模數(shù)在0.3～0.5 之間時(shí)，型煤冷壓強(qiáng)度較高，說明此時(shí)的粒級(jí)配比關(guān)系，使其達(dá)到緊密堆積的效果，孔隙率小，顆粒之間接觸密實(shí)，從而確定制備型煤的最優(yōu)粒度組成范圍。利用雙級(jí)錘式破碎機(jī)設(shè)備，分別進(jìn)行一次破碎與二次破碎，篩分結(jié)果見表3。分析粒度組成，發(fā)現(xiàn)二次破碎后的顆粒煤粒徑分布與模數(shù)0.4 的粉煤粒徑分布相近，故生產(chǎn)線采用雙級(jí)錘式破碎機(jī)進(jìn)行二次破碎的方式，可以制備所需粒度的粉煤。

表2 不同粒度組成型煤冷壓強(qiáng)度

表3 不同破碎次數(shù)粒度分布

2.2 成型壓力及水分研究

成型壓力與煤種、物料水分、粒度組成、模具開孔率有密切關(guān)系[7]。成型壓力過大會(huì)破壞煤粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使型煤產(chǎn)生裂紋，強(qiáng)度降低；成型壓力過低，顆粒之間無法充分嚙合，物料擠出松散。其中，水分對(duì)壓力的影響最為明顯。全水由兩部分組成，一部分來自原料煤自身，另一部分來自外加水，外水主要起潤滑作用，降低顆粒之間的摩擦力。適宜的成型水分有利于粘結(jié)劑的分散，水分過少，摩擦阻力大，無法順暢擠出；水分太多，物料黏連擠出，成型強(qiáng)度差。為了更好地研究成型壓力的影響規(guī)律，在出料模具端部配置傳感器，可以實(shí)時(shí)獲取擠出壓力、物料溫度、擠出電流等參數(shù)。

通過現(xiàn)場(chǎng)擠出試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，物料全水低于23%時(shí)，物料以粉狀形態(tài)噴出或者以煤棒形態(tài)少量擠出后進(jìn)而大量堵塞模具孔；物料全水高于26%時(shí)，物料以軟條形態(tài)擠出后黏連成團(tuán)。結(jié)合圖2 可以看出，擠出壓力與擠出電流呈正相關(guān)；物料全水20%～26%范圍內(nèi)，擠出壓力與擠出水分大致呈負(fù)相關(guān)，正常成型壓力為3～5 MPa，適宜成型水分為24%～25%，此時(shí)冷壓強(qiáng)度平均值可達(dá)600 N/個(gè)。考慮實(shí)際生產(chǎn)過程中攪拌方式為連續(xù)不間斷式，為防止攪拌不均勻，成型水分選取25%；成型壓力保護(hù)值設(shè)定為5 MPa，超過設(shè)定值時(shí)，暫停給料，低于設(shè)定值時(shí)，恢復(fù)給料。

圖2 擠出壓力與全水、擠出電流關(guān)系

2.3 烘干時(shí)間研究

型煤成型后，產(chǎn)品烘干是決定型煤產(chǎn)量的重要一環(huán)，如果型煤不能夠在數(shù)小時(shí)內(nèi)干燥，那么連續(xù)生產(chǎn)就無法實(shí)現(xiàn)。烘干時(shí)間取決于烘干速率，烘干速率過快，型煤外部失水率遠(yuǎn)大于內(nèi)部失水率，造成型煤爆裂，裂紋增多，強(qiáng)度下降。為縮短型煤干燥時(shí)間，降低烘干成本，減少型煤爆裂，型煤含水應(yīng)控制在4%～5%。國內(nèi)對(duì)超過Φ25 mm 棒狀濕物料干燥時(shí)間研究較少，尤其對(duì)于干燥速度與干燥時(shí)間的確定還是以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主。馬新輝[8]通過對(duì)干燥靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究，提出了實(shí)際工程可用的型煤烘干時(shí)間關(guān)聯(lián)公式：

式中：t為干燥所需時(shí)間；R為型煤半徑，取0.025 m；t0為濕物料初始溫度，取0 ℃；ts為熱載體溫度，取130 ℃；tp為烘干一段時(shí)間后，型煤圓心處的溫度，取129.9 ℃；α為熱擴(kuò)散系數(shù)，與物料熱導(dǎo)率、密度、比熱容有關(guān)，查詢《煤化工技術(shù)手冊(cè)》，取4.4×10-4。

將上述邊界條件代入后，t=4 h。為進(jìn)一步驗(yàn)證公式模型的可靠性，利用網(wǎng)帶式烘干機(jī)進(jìn)行干燥試驗(yàn)。

樣品初始水分24.74%，干燥至水分4.72%，實(shí)測(cè)烘干時(shí)間約3.5 h。從圖3 可以看出，干燥2 h 內(nèi)，水分基本呈線性下降，干燥2～4 h 時(shí)，失水速率緩慢減小，干燥4 h 以后，型煤水分緩慢降低并最終趨于平衡，此時(shí)樣品內(nèi)部水分與環(huán)境水分達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。通過與產(chǎn)品實(shí)際干燥時(shí)間的對(duì)比，說明上述公式模型可以用于計(jì)算相同煤料在不同干燥溫度下的干燥時(shí)間，為烘干設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。但是相近物料α 差異很大，如若用于其他物料的干燥，關(guān)聯(lián)公式需要重新計(jì)算。型煤生產(chǎn)線選取三層網(wǎng)帶式烘干機(jī)，在130 ℃干燥溫度下干燥4 h，可以實(shí)現(xiàn)干燥要求。

圖3 不同時(shí)刻下的型煤水分

2.4 黏結(jié)劑研究

黏結(jié)劑分為有機(jī)黏結(jié)劑與無機(jī)黏結(jié)劑，黏結(jié)劑直接影響型煤的抗壓強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、燃燒性能及生產(chǎn)成本。有機(jī)黏結(jié)劑對(duì)保證型煤強(qiáng)度起主要作用，無機(jī)黏結(jié)劑耐高溫，熱穩(wěn)定性好，可以提高型煤熱強(qiáng)度，因此加入適量的無機(jī)黏結(jié)劑有助于提高型煤質(zhì)量，降低制備成本[9]。本次試驗(yàn)主要研究鈣基膨潤土與黏土對(duì)型煤質(zhì)量的影響程度，此前通過試驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)?shù)矸圩饔袡C(jī)黏結(jié)劑，且占比低于2%時(shí)，型煤強(qiáng)度下降明顯且易碎。選取淀粉作有機(jī)黏結(jié)劑時(shí)，膨潤土、黏土比例各為2%，進(jìn)行對(duì)照成型試驗(yàn)。

由圖4 可以看出，相同配比的情況下，加入黏土的成型強(qiáng)度高于加入膨潤土的成型強(qiáng)度。加入膨潤土的樣品強(qiáng)度波動(dòng)較大，最高值905 N，最低值427.4 N；加入黏土的樣品強(qiáng)度波動(dòng)較小，最高值731 N，最低值480.3 N。因此，選擇黏土作為無機(jī)黏結(jié)劑時(shí)強(qiáng)度值略高于膨潤土，且黏土每噸售價(jià)低于膨潤土100 元。

圖4 黏土與膨潤土型煤強(qiáng)度對(duì)比

3 結(jié)論

1）煤粒度組成影響圓棒型煤抗壓強(qiáng)度，當(dāng)分布模數(shù)在0.3～0.5 之間時(shí)，此時(shí)的粒級(jí)配比關(guān)系使其達(dá)到緊密堆積的效果，顆粒之間接觸密實(shí)，其中1～3 mm 粒徑占比65%；生產(chǎn)線利用雙級(jí)錘式破碎機(jī)進(jìn)行兩次破碎，可以制備所需粒徑煤粉。

2）擠出壓力與擠出電流呈正相關(guān)；物料全水20%～26%范圍內(nèi)，擠出壓力與水分大致呈負(fù)相關(guān)，正常成型壓力為3～5 MPa，成型水分區(qū)間為24%～25%；生產(chǎn)線成型水分宜選取25%進(jìn)行配水，壓力保護(hù)值設(shè)定為5 MPa，防止出現(xiàn)堵塞?？赚F(xiàn)象。

3）隨著干燥時(shí)間的增加，型煤失水速率先快后緩慢下降至趨于穩(wěn)定；通過干燥關(guān)聯(lián)公式計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比，選取適宜的邊界條件、物料熱擴(kuò)散系數(shù)，可以為同一物料在不同干燥溫度下的烘干時(shí)間確定及烘干設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)；利用三層網(wǎng)帶式烘干機(jī)，130 ℃干燥條件下，需要干燥4 h，實(shí)現(xiàn)型煤水分低于5%。

4）黏結(jié)劑在相同配比的情況下，加入2%黏土的型煤冷壓強(qiáng)度高于膨潤土，生產(chǎn)線宜選取黏土作無機(jī)黏結(jié)劑，經(jīng)濟(jì)成本更低。