党钾涛,　温振华,　杨　芊,　王劲草,2,　曹俊雅,　解　强

(1.中国矿业大学 化学与环境工程学院, 北京 100083; 2.黑龙江科技学院 资源与环境工程学院, 哈尔滨 150027)



用于中低温热解的低阶烟煤型煤的制备

党钾涛1,温振华1,杨芊1,王劲草1,2,曹俊雅1,解强1

(1.中国矿业大学 化学与环境工程学院, 北京 100083; 2.黑龙江科技学院 资源与环境工程学院, 哈尔滨 150027)

将低阶烟煤粉煤制成高热强度的型块用于中低温热解，可减少环境污染、提高低阶烟煤的利用率。选用东荣长焰煤为原料，以煤焦油为黏结剂，利用自制模具在液压机上压制型煤，测定型煤的强度，研究成型压力、黏结剂掺入量和原料水分对型煤性能的影响，并利用扫描电镜对型煤微观结构进行分析表征。结果表明：型煤的强度随黏结剂含量的增大而增大，随成型压力的增加先增加后减小，水分含量对型煤强度也有一定影响；煤焦油能浸润煤粒，充填在煤粒间隙，起到了良好的粘连作用；在煤焦油掺入量为10%、原料水分质量分数为13%、成型压力为63 MPa的条件下制取的型煤强度最佳，热强度、冷压强度、热稳定性和落下强度分别达到536.4 N/个、691.3 N/个、97.98%、99.49%，可满足中低温热解对原料的强度要求。

低阶烟煤; 型煤; 热强度; 中低温热解; 粉煤

0　引　言

我国煤炭资源丰富,种类齐全,探明储量居世界前三,其中低阶烟煤储量最大,占我国已查明煤炭资源量的42.45%[1]。但低阶烟煤易风化氧化,水分含量高,长距离运输难度大且成本高,直接燃烧则污染严重,适于就近转化利用,生产附加值高、易储存运输的产品[2-4]。低阶烟煤中低温热解多联产以其产品多、效益好、成本低、能耗小、技术成熟等优点成为目前煤炭企业主要采用的低阶烟煤加工转化工艺。

中低温热解技术对原料块度有一定要求,如内热式直立炉在生产中要求炭化室有一定的透气性,原煤粒度必须为15～150 mm[5];GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》中也规定伍德式直立炉原料粒度为15～50 mm。但随着采煤机械化程度的提高,粉煤产率逐渐增大,块煤产量下降,粒度为0～3 mm的粉煤比例已达到30%左右[6]。块煤产量小但需求量大,粉煤难以利用却大量积压。因此,利用粉煤成型技术制备中低温热解用低阶烟煤型煤或为合理充分利用我国煤炭资源、解决块煤供需矛盾的途径之一。在现有粉煤成型研究中,学者们对型煤冷压强度、燃烧特性及防水性能已较为重视,对造气型煤和锅炉型煤亦有充分的研究[7-10],然而,对型煤热强度的关注相对较少,尤其是中低温热解用低阶烟煤型煤的制备及表征方面。

文中选取我国典型低阶烟煤——黑龙江东荣三矿长焰煤为原料,以煤焦油为黏结剂,在成型压力、黏结剂含量和水分含量不同的条件下进行中低温热解用型煤的制备研究,考察成型压力、黏结剂含量和水分含量在型煤制备中的作用及对型煤强度的影响,探索最佳成型工艺参数以制备具有较好热强度、能满足中低温热解的低阶烟煤型煤。

1　实验部分

1.1原料

实验选用东荣长焰煤,其煤质指标如表1所示。将3～13 mm粒径的煤样置于XMB-67型棒磨机(上海雷韵试验仪器制造有限公司)中破碎,使得煤样中1～3 mm粒径和0～1 mm粒径分别占27.20%和72.85%。黏结剂选用煤焦化副产煤焦油。

表1　东荣煤样工业分析和元素分析

1.2型煤制备

1.2.1压制

取煤样,加入质量分数为13%的水和10%的黏结剂(以空气干燥基煤样质量为基准),混合均匀后分别在47、63、78、94、和110 MPa成型压力下,采用自制模具压制成圆柱状型块;在成型压力为63 MPa、水分质量分数为13%的条件下,分别加入质量分数为0、6%、8%、10% 的黏结剂,混合均匀后于模具中压制成型;在成型压力为63 MPa、黏结剂质量分数为10%的条件下,分别加入质量分数为11%、13%和15%的水,混合均匀后于模具中压制成型。

自制模具分底座、套筒和压杆三部分,材质为45#钢。底座直径75 mm;套筒内径25 mm,外径41 mm,高60 mm;压杆为圆柱状,直径25 mm,高85 mm。

1.2.2干燥

将成型后的型煤放入DHG-9035A型电热恒温鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)中,于60 ℃下干燥60 min,升温至90 ℃后干燥20 min,继续升温至120 ℃再干燥20 min。取出型煤自然冷却至室温,放入密封袋中保存备用。

1.3型煤表征

型煤冷压强度、热强度和落下强度的测定分别参照MT/T 748—1997《工业型煤冷压强度测定方法》、MT/T 1073—2008《工业型煤热强度测定方法》、MT/T 925—2004《工业型煤落下强度测定方法》;热稳定性测定参照MT/T 924—2004《工业型煤热稳定性测定方法》,并稍作改动。为保证密封性,在马弗炉中加热时用小于1 mm细沙完全覆盖试样[11-12]。

采用JEOL JSM-6510A扫描电子显微镜(日本电子株式会社)分析表征型煤样品的微观形貌,探析低阶烟煤型煤的微观结构与黏结机理。

2　结果与讨论

2.1成型压力对型煤强度的影响

在黏结剂质量分数(wn)为10%、水分质量分数(ws)为13%的条件下,型煤热强度、冷压强度、热稳定性和落下强度随成型压力变化的关系曲线见图1。

图1　　　　成型压力与热强度、冷压强度、热稳定性、落下强度的关系曲线

低阶烟煤塑性较差,弹性较好,卸去成型压力后,型煤会发生较大的形变,使其脱模后强度下降[13]。由图1a可以看出,随着成型压力的增大,型煤的热强度和冷压强度均先增加然后开始减小;由图1b可以看出,型煤热稳定性随成型压力变化不大,落下强度表现为先增大后减小。综合图1可知,型煤热强度、冷压强度和落下强度随成型压力变化呈现相似的变化趋势。这说明在低阶烟煤成型过程中存在一个较优的成型压力,超出该压力,型煤强度不再增加,反而会下降。出现这种现象的原因可能是,在有黏结剂冷压成型过程中,型煤很大程度上是依靠黏结剂的“桥连”作用而被压制成型,当压力超过一定值后煤粒会发生再次破裂,而黏结剂不能润湿新增的表面,造成其分布不均,从而使型煤强度不增反降[14]。

实验中发现,成型压力为110 MPa的型煤,卸压后膨胀明显,冷态抗压强度最低;成型压力在63 MPa时，型煤强度指标达到最优,其中热强度达到536.4 N/个。

2.2黏结剂含量对型煤强度的影响

在水分质量分数为13%和成型压力为63 MPa的条件下,型煤热强度、冷压强度、热稳定性和落下强度随黏结剂含量变化的关系曲线见图2。

图2　　　　黏结剂含量与热强度、冷压强度、热稳定性、落下强度的关系曲线

黏结剂是决定型煤质量的重要因素,适合的黏结剂及其掺入量能提高型煤冷态强度,而且对型煤热态强度亦有明显的影响[15-16]。由图2可知,随着煤焦油黏结剂掺入量的增大,型煤热强度、冷压强度、热稳定性和落下强度四指标均呈增大的趋势,说明煤焦油可以渗入煤粒间隙,浸润煤粒表面,通过增加含量能增强其在煤粒间的粘连作用,提高型煤强度。

黏结剂含量过大会相对减少型煤中煤粒的“骨架”作用,不能提高反而降低其强度,同时考虑到煤焦油的生产成本,认为煤焦油的含量不宜超过10%。当黏结剂质量分数为10%时,型煤的各项强度指标均达到最优值,冷压强度达到691.3 N/个,热强度达到536.4 N/个,在高温下仍能很好的粘连煤粒,使型煤保持一定强度。

2.3水分含量对型煤强度的影响

在黏结剂质量分数为10%和成型压力为63 MPa的情况下,型煤热强度、冷压强度、热稳定性和落下强度随水分含量变化的关系曲线见图3。

图3　　　　水分含量与热强度、冷压强度、热稳定性、落下强度的关系曲线

粉煤成型往往需要一定水分润湿煤粒表面或溶解黏结剂以促进成型,提高强度。如图3所示,水分含量对型煤热强度、冷压强度和落下强度有较明显的影响,对热稳定性影响不大。在实验条件下,当水分质量分数为13%时,型煤的热强度、冷压强度和落下强度均达到最高值。这是因为适量水分能润滑煤粒、减少摩擦,帮助黏结剂均匀分布到煤粒表面;水分过多则会在煤粒表面形成较厚的水膜,阻碍黏结剂润湿煤粒和进入煤粒间的空隙。同时,过多的水分在干燥时逸出会留下空隙,而且干燥后残存在型煤中的水分会在受热时迅速蒸发,破坏型煤结构的稳定,影响型煤的强度。

2.4型煤微观形貌及黏结机理

利用扫描电镜对成型水分含量相同的不同型煤样品进行扫描得到型煤微观结构,如图4所示。

图4　型煤的微观结构

由图4a可知,在适合的成型条件下,型煤内煤粒包覆较好,黏结剂均匀充填在煤粒间隙内,连接着大小各异的煤粒,粘接效果理想,所以型煤各项强度较其他实验组好。由图4a和图4b的对比可知,当成型压力过大时,型煤中裂隙反而有增大的迹象,其原因可能是以下两点:(1)低阶烟煤弹性好,卸去成型压力后型煤膨胀,结构变得疏松,内部出现裂痕;(2)煤粒出现二次破裂,黏结剂不能在破裂瞬间润湿新裂隙,也不能及时“缝合”煤粒新间隙,影响了黏结剂的粘连效果。型煤中较大裂隙的出现必然造成型煤强度的下降,因此，当成型压力超过63 MPa后,型煤各项强度指标均出现不同程度的下降。图4d显示的是型煤在马弗炉中850 ℃加热30 min后的微观结构,与相同成型条件下制得的型煤(如图4a所示)相比,该种型煤已炭化,而黏结剂受热分解为稳定的微晶结构分嵌在型块中,所以利用煤焦油作为黏结剂制得的型煤有较好的热态性能。

从图4c和图4d的对比中可以看出,不加黏结剂,低阶烟煤成型性较差,为松散的煤粒堆积体,强度很低;加入黏结剂,黏结剂可包裹煤粒、充填煤粒间隙,如“胶水”般将煤粒连接成型,型煤强度得到大幅提升。这可能是由于在成型压力为63 MPa的条件下,煤焦油分子与煤粒中的分子距离减小到足以形成共价键或氢键,产生了物理化学结合力；又由于煤焦油渗入煤粒间隙和孔隙中,干燥固化后能产生机械啮合力。煤粒与黏结剂之间、煤粒与煤粒之间的物理化学结合力和机械啮合力共同产生粘合作用,提高了型煤的强度。

3　结　论

(1)加入黏结剂可改善低阶烟煤的成型性,随着煤焦油加入量的增加,型煤各强度指标均有不同程度地增大,在煤焦油掺入量达到10%时,型煤强度最好;低阶烟煤型煤强度受成型压力的影响显著,随成型压力的增大呈现先增大后减小的趋势,过大的压力会导致各项指标下降;水分对型煤的热强度、冷压强度和落下强度有一定的影响,对热稳定性没有明显的影响,若水分过多则会阻碍黏结剂润湿煤粒,经验证水分质量分数为13%较适宜。

(2)以煤焦油为黏结剂,在成型压力为63 MPa、黏结剂质量分数为10%、水分质量分数为13%条件下制取的型煤强度最佳,热强度、冷压强度、热稳定性和落下强度分别达到536.4 N/个、691.3 N/个、97.98%、99.49%,可满足中低温热解对原料的强度要求。

(3)扫描电镜的微观分析表明,煤焦油能很好地润湿煤粒表面,充填煤粒间隙,形成网状结构,从而牢牢粘连煤粒,使型煤具有较好的强度。

(4)将低阶烟煤粉煤压制成型煤,并赋予其特殊的工艺性质以满足中低温热解的需要,能提高粉煤利用率,缓解块煤供不应求及粉煤积压,解决低阶烟煤粉煤利用难题,提高其社会效益和经济效益。

[1]王永, 王佟, 康高峰, 等. 中国可供性煤炭资源潜力分析[J]. 中国地质, 2009, 36(4): 845-852.

[2]陈鹏. 中国煤炭性质、分类和利用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2007: 42-51.

[3]吴春来, 金嘉璐. 煤炭直接液化技术及其产业化前景[J]. 中国煤炭, 2002, 28(11): 35-37.

[4]董洪峰, 云增杰, 曹勇飞. 我国褐煤的综合利用途径及前景展望[J]. 煤炭技术, 2008, 27(9): 122-124.

[5]赵杰, 陈晓菲, 高武军. 我国低温干馏侏罗纪煤的生产技术现状及发展前景[J]. 重型机械, 2010(Z2): 73-75.

[6]刘胜, 史培宁. 浅谈动力煤选煤厂的工艺选择[J]. 选煤技术, 2011(4): 66-67.

[7]李云山. 煤焦混合成型及燃烧特性研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2011: 23-60.

[8]王鹤, 朱书全, 白志强, 等. 乳化硅油增强提质褐煤型煤防水性的研究[J]. 煤炭科学技术, 2011, 39(5): 116-119.

[9]田亚鹏, 伏盛世. 长焰煤制鲁奇气化炉气化型煤生产技术的改进[J]. 煤炭技术, 2009, 28(8): 132-133.

[10]邓加耀, 张会强, 吴坚, 等. 粒度、压力和水分对型煤冷态强度的影响[J]. 工程热物理学报, 2004(Z1): 182-184.

[11]RICHARDS S R. Physical testing of fuel briquettes[J]. Fuel Processing Technology, 1990, 25(2): 89-100.

[12]徐振刚, 刘随芹. 型煤技术[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 2001: 9-18, 32-46.

[13]黄山秀, 黄光许, 张传祥, 等. 低阶烟煤制取型煤的成型机理研究[J]. 煤炭转化, 2010, 33(4): 52-55.

[14]吉登高, 王祖讷, 张丽娟, 等. 粉煤成型原料粒度组成的实验研究[J]. 煤炭学报, 2005, 30(1): 100-103.

[15]ZHANG XIANGLAN, XU DEPING, XU ZHIHUA, et al. The effect of different treatment conditions on biomass binder preparation for lignite briquette[J]. Fuel Processing Technology, 2001, 73(3): 185-196.

[16]ELLIONTT M A. 煤利用化学: 上册[M]. 北京: 化学工业出版社, 1991: 533-538.

(编辑荀海鑫)

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

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2011AA05A202)

党钾涛(1988-),男,河南省洛阳人,硕士,研究方向:型煤制备、低阶烟煤综合利用,E-mial:dangjt1988@163.com。

TQ536.1

A