低階粉煤制備型煤-焦及粘結(jié)機(jī)理研究.pdf

1、低階粉煤制型煤/焦（氣化焦）技術(shù)是低階煤科學(xué)、合理轉(zhuǎn)化的一條重要技術(shù)途徑。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)以低揮發(fā)分碳質(zhì)原料（如無(wú)煙煤煤粉、焦粉、半焦粉）為主體原料制備型煤/焦技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究，而關(guān)于褐煤、低變質(zhì)煙煤等低階煤成型-炭化直接制備型煤/焦的研究較少。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和研究中存在以下問題：①影響型煤/焦強(qiáng)度的因素之間存在交互作用，且粘結(jié)作用機(jī)制隨煤種、煤質(zhì)變化而變化，并沒有形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)；②影響型煤/焦強(qiáng)度的粉煤成型和型煤炭化過程的研究不系統(tǒng)，

2、特別是這兩個(gè)關(guān)鍵階段中粘結(jié)力類型、來(lái)源、大小及影響因素等科學(xué)基礎(chǔ)問題認(rèn)識(shí)不清；③粘結(jié)劑種類多，且炭化過程中煤與粘結(jié)劑的粘結(jié)作用機(jī)制尚不明確。本文以低變質(zhì)煙煤為主要原料，考察了無(wú)粘結(jié)劑成型和粘結(jié)劑成型過程中成型條件和炭化條件對(duì)型煤/焦強(qiáng)度的影響，并分別對(duì)冷態(tài)和熱態(tài)時(shí)粘結(jié)作用機(jī)理進(jìn)行研究；詳細(xì)分析了粉煤成型過程中粘結(jié)力類型、來(lái)源及大小，并利用MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬和評(píng)價(jià)；最后，研究了煤、粘結(jié)劑和型煤熱解特性及動(dòng)力學(xué)。經(jīng)研究獲得的主

3、要結(jié)果和結(jié)論如下。
　　1、無(wú)粘結(jié)劑成型煤塊的強(qiáng)度與煤種、成型負(fù)荷、粒徑分布、水分添加量等成型條件密切相關(guān)，且各因素之間存在交互作用。隨著原料煤粒徑減小、成型負(fù)荷（40~150 KN）和水分添加量（8~24％）增加，抗壓強(qiáng)度逐漸升高，而跌落強(qiáng)度先升高后略微降低，其中細(xì)煤粉（＜0.125 mm）最佳配入比例在60~80%內(nèi)隨水分添加量的增加而升高。型煤完全開裂時(shí)的跌落次數(shù)受成型條件的影響程度為：粒徑分布＞水分添加量＞成型負(fù)荷。無(wú)粘結(jié)

4、劑成型的最佳成型條件為：成型負(fù)荷為100 KN，細(xì)煤粉含量為60%，水分添加量為15~20%，此時(shí)成型煤塊的抗壓強(qiáng)度為3.16~4.40MPa，跌落強(qiáng)度＞80%，且完全開裂時(shí)的跌落次數(shù)為4次。
　　2、煤表面含氧官能團(tuán)、電勢(shì)特性和孔結(jié)構(gòu)特性是無(wú)粘結(jié)劑成型時(shí)影響煤粒間粘結(jié)作用的重要因素。煤表面含氧官能團(tuán)越多，微孔容積越高，潤(rùn)濕性增強(qiáng)，越有利于無(wú)粘結(jié)劑成型，其中煤表面含氧官能團(tuán)與煤粒間自由移動(dòng)液體之間可形成氫鍵（O-H···O），氫鍵

5、力是煤粒之間在無(wú)粘結(jié)劑成型階段的主要粘結(jié)作用力。
　　3、粘結(jié)劑類型及配比量是粘結(jié)劑成型煤塊強(qiáng)度的主要影響因素。添加有機(jī)粘結(jié)劑（聚乙烯醇PVA、酚醛樹脂PR、堿化淀粉AS、羥甲基纖維素甲酯 HPMC）和無(wú)機(jī)粘結(jié)劑（硅酸鈉、膨潤(rùn)土）后明顯提高了型煤塊的跌落強(qiáng)度，但變化趨勢(shì)不同，型煤的濕態(tài)和干態(tài)跌落強(qiáng)度均高于95%時(shí)的PVA、PR、AS、HPMC添加量依次為0.6%、5%、10%、5%，而添加20%的硅酸鈉和膨潤(rùn)土?xí)r，干態(tài)強(qiáng)度分別為9

6、4.6%和96.6%，但濕態(tài)強(qiáng)度較差，分別為86.1%和84.1%。
　　4、冷壓成型條件、炭化條件和粘結(jié)劑類型及添加量對(duì)炭化產(chǎn)率、炭化型煤密度ρc和強(qiáng)度具有不同程度地影響。炭化產(chǎn)率和ρc隨水分添加量和炭化溫度變化明顯。隨著成型負(fù)荷、細(xì)煤粉（＜0.125 mm）含量、水分添加量和改性煤粘結(jié)劑添加量增加，炭化后抗壓強(qiáng)度均有不同程度地提高，且影響程度關(guān)系為：改性煤粘結(jié)劑添加量＞水分添加量＞成型負(fù)荷＞粒徑分布，而跌落強(qiáng)度隨成型條件變化呈

7、現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。隨著炭化溫度在350~850℃范圍內(nèi)升高，炭化型煤的抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，最高達(dá)9.10 MPa，當(dāng)炭化溫度為450℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度和跌落強(qiáng)度達(dá)到最小，分別為2.05 MPa和69.2%。
　　5、隨著炭化溫度在350~850℃內(nèi)升高，總孔容和平均孔直徑基本上呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，而比表面積沒有明顯變化規(guī)律；芳香層面層間距d002由3.58埃米逐漸降低至3.52埃米，芳核有效堆積高度

8、Lc和芳香層層面直徑La分別由14.31埃米、41.42埃米升高至26.75埃米、68.32埃米，芳香度f(wàn)a為0.30~0.63，表明芳環(huán)的縮合程度逐漸升高，碳網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固；脂肪族C-H、芳烴C=C和C=O等特征峰隨炭化溫度的升高而逐漸減弱，表明炭化脫除了大量的脂肪烴側(cè)鏈和脂肪醚鍵及部分含氧官能團(tuán)；改性煤粘結(jié)劑在煤表面依次發(fā)生吸附和軟化（~450℃）、浸潤(rùn)和粘結(jié)（450~650℃），以及固化收縮（650~850℃）等過程。
　　

9、6、粉煤成型過程中粘結(jié)作用力類型主要為：范德華力Fv、液橋力Fl、粘附力Fa、固橋力Fs和機(jī)械嚙合力Fm。數(shù)值模擬及分析知，煤自身性質(zhì)、煤粒半徑R、煤粒間距離s、液體表面張力σ和粘度μ等因素對(duì)粘結(jié)力大小具有不同程度地影響。粘結(jié)劑成型時(shí)，各粘結(jié)力的大小順序?yàn)椋篎m＞Fs＞Fa＞Fl＞Fv，即主要以機(jī)械嚙合力和固橋力為主。無(wú)粘結(jié)劑成型時(shí)，F(xiàn)s和Fl2近似為零，粘結(jié)力大小順序?yàn)椋篎m＞Fa＞Fl1＞Fv，即主要以機(jī)械嚙合力和氫鍵力為主。

10、>　　7、神木煤、改性煤粘結(jié)劑和型煤在炭化時(shí)釋放出H2、CH4和CO2等氣體產(chǎn)物，其中改性煤粘結(jié)劑產(chǎn)生大量H2對(duì)混合料熱解具有促進(jìn)作用。采用一級(jí)反應(yīng)描述其熱解動(dòng)力學(xué)，并運(yùn)用Coats-Redfern積分法擬合，神木煤和改性煤粘結(jié)劑在各溫度段擬合情況較好，型煤在＜500℃時(shí)擬合度較好，而在500~850 ℃時(shí)擬合度明顯降低。熱解-粘結(jié)和固化收縮階段中，煤與改性煤粘結(jié)劑熱解存在協(xié)同效應(yīng)。三者的活化能 E均隨溫度升高呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，

11、350~500℃溫度段活化能最高，分別為59.66KJ·mol-1、52.59 KJ·mol-1和44.84 KJ·mol-1。
　　8、以自主研發(fā)的改性煤作為粘結(jié)劑，冷壓成型并經(jīng)850℃炭化后，寶日希勒褐煤型煤的炭化產(chǎn)率為48.83%，神木、黑山、寬溝、潞安煙煤型煤的炭化產(chǎn)率為60~65%，晉城無(wú)煙煤型煤的炭化產(chǎn)率為77.66%。炭化后，褐煤型煤密度和抗壓強(qiáng)度為0.81 g/cm3和3.99 Mpa，煙煤型煤密度和抗壓強(qiáng)度為0.