利用煤泥制備生物質型煤的研究

趙璐琪

(中國礦業(yè)大學應用技術學院,江蘇省徐州市,221008)

本研究以晉城、焦作、永城煤泥為原料,用經加工處理的玉米秸稈為粘結劑,開展生物質型煤制備的研究,著重考察煤泥種類、粘結劑含量及成型壓力等因素對型煤機械強度的影響。

1 試驗部分

1.1 原料與設備

(1)玉米秸稈:取自河南農村,經粉碎機粉碎后,取2 mm以下秸稈作為粘結劑原料。

(2)煤泥:分別選取晉城、焦作、永城煤泥為原料,煤泥干燥后經破碎、篩分,取粒度小于2 mm的細粉備用。

(3)主要試驗儀器:液壓式壓力機、分析天平、電動攪拌器、可調加熱電爐、型煤成型機、自動振篩機、馬弗爐、灰熔融性測試儀等。

1.2 試驗方案的確定

本研究主要采用正交試驗法,分別以煤泥種類(晉城煤泥、焦作煤泥及永城煤泥)、生物質粘結劑含量(5%、10%及20%)及成型壓力(15 MPa、25 MPa及35 MPa)為主要因素來設計三因素三水平L9(33)的正交試驗方案,具體試驗方案見表1。

1.3 生物質型煤的制備

將3種煤泥樣品分別與秸稈粘結劑按一定的比例混合均勻后,在預先設計的壓力下機械壓制成型,其中秸稈粘結劑按照黃光許等報道的加工方法制得,其具體制備工藝流程如圖1所示。

表1 生物質型煤的試驗方案及測定結果

圖1 生物質型煤的制備工藝流程

2 試驗結果及分析

機械強度是衡量型煤質量的重要指標之一,本研究主要以跌落強度和抗壓強度來評價生物質型煤的機械強度,其具體測試按照G B/T154959及MT/T748規(guī)定的方法進行。其中為了提高試驗的準確性,本試驗對每種生物質型煤的機械強度都進行3次測定,結果取其平均值,測定結果如表1所示。

依據數理統(tǒng)計知識,由表1中的數據經計算可得正交試驗結果分析(表2),其中Kj為第j水平對應的生物質型煤跌落(抗壓)強度之和;kj為第j水平對應的生物質型煤跌落(抗壓)強度的平均值;即由公式kj=ΣKj/3計算得到。R為極差,即同一水平kj的最大值與最小值之差。

表2 正交試驗結果分析

2.1 煤泥種類對生物質型煤機械強度的影響

圖2 生物質型煤機械強度與煤泥種類的關系

為了優(yōu)化出制備生物質型煤的最佳煤泥種類,本試驗以跌落強度及抗壓強度為參考指標對3種型煤的機械強度進行了比較,如圖2所示。從圖2中的變化趨勢可以看出,生物質型煤的機械強度隨著煤泥種類的變化,先增大后減小。其中以焦作煤泥為原料的型煤機械強度最佳,而以永城煤泥為原料的型煤機械強度最差。存在這種差異的原因與原料煤的性質有著密切的關系。

2.2 粘結劑含量對生物質型煤機械強度的影響

圖3 生物質型煤機械強度與粘結劑含量的關系

生物質型煤機械強度與粘結劑含量的關系如圖3所示,從圖3中可看出,隨著粘結劑含量的增加,生物質型煤的機械強度逐漸增大,在粘結劑含量為10%時,型煤的機械強度達到最大,隨后繼續(xù)提高粘結劑的含量,其機械強度呈緩慢減小趨勢。這是因為,在一定的成型壓力下,加入適量的秸稈粘結劑,有利于秸稈中的纖維素結構與煤泥顆粒充分結合,形成所謂的“鋼筋—混凝土”結構,提高型煤的跌落強度和抗壓強度。而又由于秸稈本身的強度比煤泥低很多,若秸稈粘結劑的添加量過高,則又會使型煤機械強度下降。

2.3 成型壓力對生物質型煤機械強度的影響

生物質型煤的成型有冷壓成型和熱壓成型2種。本試驗采用冷壓成型技術進行成型。生物質型煤機械強度與成型壓力的關系如圖4所示,生物質型煤的機械強度隨著成型壓力的增加先增大后減小。其原因在于:在一定的壓力范圍內,粘結劑中的纖維結構在型煤的成型過程中可以形成網狀骨架,隨著成型壓力的增大,物料顆粒間距減小,分子間作用力和氫鍵作用增強,型煤的機械強度也隨之提高;而一旦壓力超過最佳值,型煤內部較長的纖維素結構被壓斷,秸稈之間的交聯(lián)作用減弱,使型煤抵抗外部沖擊與擠壓的能力大大降低,從而導致型煤的機械強度減小。因此,在實際工業(yè)生產中,型煤的成型壓力并不是越大越好,而是應該優(yōu)化在合理的壓力范圍內。

圖4 生物質型煤機械強度與成型壓力的關系

2.4 極差分析及追加試驗

極差R的大小反映了各因子對試驗結果的影響程度。極差R越大,則該因子對試驗的影響就越大;反之影響就較小。由表2中R值,跌落強度:RB=10.9>RA=6.0>RC=5.2;抗壓強度:RB=268.0>RA=136.4>RC=123.8,各因素對生物質型煤跌落強度和抗壓強度的影響大小是一致的,即影響生物質型煤機械強度因素的主次順序為:粘結劑含量、煤泥種類和成型壓力。而通過分析各因素對生物質型煤機械強度的影響可得出其最佳制備工藝為:原料為焦作煤泥,粘結劑含量為10%,成型壓力為25 MPa。

為了滿足實際生產應用的要求,通過追加試驗,在優(yōu)化出的最佳工藝條件下,制備出10號生物質型煤,并對其各項性能指標進行了全面的測試,具體結果見表3。從表中可以看出,10號生物質型煤的各項指標均能較好地滿足工業(yè)使用的要求。

表3 生物質型煤各項性能指標

3 結論

(1)以選煤廠煤泥為原料,以經加工處理的玉米秸稈為粘結劑,在無任何其它添加物的條件下可生產出機械強度高、熱穩(wěn)定性和灰熔融性好的生物質型煤,它可以很好的滿足工業(yè)使用的要求。

(2)粘結劑含量是影響生物質型煤機械強度的主要因素,其次是煤泥種類和成型壓力。依據本次試驗,確定出生產生物質型煤的最佳工藝條件為:焦作煤泥,粘結劑含量為10%,成型壓力為25 MPa。在此工藝條件下,生物質型煤的跌落強度達94.6%,抗壓強度達1182.3 N/個,熱穩(wěn)定性達70.7%,灰熔融性達1315℃。

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