粉煤成型影響因素的分析研究*

李　梅，張彥軍，井紅星

(1 榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西　榆林　719000;2 陜西神木化學(xué)工業(yè)有限公司，陜西　榆林　719319)

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粉煤成型影響因素的分析研究*

李梅1，張彥軍1，井紅星2

(1 榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西榆林719000;2 陜西神木化學(xué)工業(yè)有限公司，陜西榆林719319)

為了緩減粉煤大量堆積和工業(yè)生產(chǎn)對塊煤的需求，作者以粉煤為原料，分別使用粘土、硅酸鈉、腐植酸鈉及其混合粘結(jié)劑等不同粘結(jié)劑，對粉煤進行成型，并研究其各個影響因素。通過測試其機械強度、跌落強度、及濕強度等重要指標，總結(jié)出在20 MPa下，水10%，采用復(fù)合粘結(jié)劑(5%的腐植酸鈉和5%的粘土)時成型最佳。本研究對工業(yè)生產(chǎn)型煤具有重要的實際意義。

粉煤成型；成型壓力；成型水分；粘結(jié)劑

現(xiàn)代化工業(yè)對塊煤的需求不斷增加，而開采煤炭的機械化程度越來越高，使得粉煤所占的比例高達60%～70%[1],因此就出現(xiàn)了大量粉煤積壓而塊煤供應(yīng)不足的現(xiàn)象。為了緩減粉煤大量堆積這一問題，粉煤成型技術(shù)的發(fā)展是非常必要的。而粉煤成型技術(shù)作為潔凈煤技術(shù)之一[2]，世界能源機構(gòu)也曾把型煤視為節(jié)能減污的有效路徑并給以推行。工業(yè)鍋爐燃用型煤與原煤相比，節(jié)煤15%～20%，煙塵排放量減少約60%，強致癌物減少50%以上[3]，氮氧化物減少40%[4]，通過對粉煤成型，不僅僅提高了粉煤的利用率，解決塊煤供應(yīng)不足的狀況，還可以有效降低污染物的排放，使霧霾等污染現(xiàn)象得到緩減，同時也對經(jīng)濟增長起到了促進作用。所以，在此對粉煤成型影響因素的研究很有價值。

1　實　驗

1.1儀器和試劑

1.1.1儀器

BT25S電子微量天平，北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；101-1型電熱鼓風干燥箱，鶴壁市鑫達儀器儀表有限公司；ZCDS-5000A全自動型煤壓力試驗機，濟南中創(chuàng)工業(yè)測試系統(tǒng)有限公司；XDGY-3000型自動工業(yè)分析儀，鶴壁市鑫達儀器儀表有限公司；XDLR-8型微機全自動熱儀，鶴壁市鑫達儀器儀表有限公司；DY-30型臺式電動粉末壓片機，天津市科器高新技術(shù)公司；769YP-40C型手動粉末壓片機，天津市科器高新技術(shù)公司；單聯(lián)萬用電爐，北京科偉永興儀器有限公司。

1.1.2原料

(1)煤炭， 實驗所用煤炭為陜西省榆林市大保當杭來灣煤礦的煤，采用機械粉碎至3 mm以下。

表1　原料煤的工業(yè)分析

(2)粘土，取自當?shù)剞r(nóng)村，曬干并研磨成1 mm以下的細粉狀。

(3)其他試劑， 腐殖酸鈉、硅酸鈉。

1.2實驗步驟

1.2.1不同成型壓力對粉煤成型因素影響的實驗步驟

(1)用5%腐植酸鈉和5%粘土混合作為粘合劑，分別在5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa的成型壓力下進行試驗。

(2)壓制完后測其濕狀態(tài)下的跌落強度，用粒徑大于13 mm 的型煤部分與原來完整型煤的百分比作為比較的標準，觀察型煤在濕狀態(tài)下的強度[8]。

(3)將壓制出來的型煤塊在室溫下自然干燥3～4天，重量基本恒定時進行機械強度與跌落強度的測試。

1.2.2不同成型水分對粉煤成型因素影響的實驗步驟

(1)在改變水分的情況下，添加5%腐植酸鈉和5%粘土混合作為粘合劑，選用樣品100 g。

(2)混合后充分攪拌，使物料在20 MPa下成型。

(3)壓制完成后測其濕狀態(tài)下的跌落強度。

(4)待自然風干后測其冷壓強度(機械強度)。

1.2.3不同粘結(jié)劑對粉煤成型因素影響的實驗步驟

(1)分別添加無機粘結(jié)劑、有機粘結(jié)劑和復(fù)合粘結(jié)劑在原料煤中，適量添加水分后混合均勻。

(2)在20 MPa的壓力下成型。

(3)成型后在室溫下自然風干3～4天。

(4)等型煤質(zhì)量不在發(fā)生大的變化時，對其進行冷壓強度、跌落強度等指標的測定，從而得出較為優(yōu)秀的粘合劑配比方案。

2　結(jié)果與討論

2.1不同成型壓力對粉煤成型因素影響實驗的分析

(1)成型壓力與煤塊的濕狀態(tài)強度和跌落強度的關(guān)系

圖1　成型壓力與濕強度、跌落強度的關(guān)系

由圖1可知，在壓力不斷增加的狀態(tài)下型煤的跌落強度逐步增大在25 MPa時出現(xiàn)峰值，隨后不斷下降；而濕狀態(tài)強度在20 MPa時最大，隨后基本不發(fā)生改變。由此可以看出不是成型壓力越高型煤的強度就越大，找到合適的成型壓力不僅可以減少能耗還可以減少工作量。

(2)成型壓力與型煤機械強度的關(guān)系

圖2　成型壓力與型煤機械強度的關(guān)系

在成型壓力不斷增加的情況下，型煤的機械強度逐漸增加在20 MPa時其機械強度達到最大值。繼續(xù)增加成型壓力時，其機械強度開始下降。再次論證合適的成型壓力不僅會降低能耗還能提高型煤的質(zhì)量。所以在實際生產(chǎn)當中，選擇合適的成型壓力是非常必要的。

2.2不同成型水分對粉煤成型因素影響的分析

適宜的水分添加有助于粉煤粒之間的移動，能促進粘結(jié)劑更好的發(fā)揮，而水分太少就不能發(fā)揮出它的作用了，太多又會影響粘結(jié)劑與煤粒的接觸[5]。

圖3　不同成型水分對粉煤成型的影響

由圖3得出：(1)在實驗中100 g樣品添加6 mL水分時，型煤的濕狀態(tài)強度和跌落強度都不是很好，且不適合實際生產(chǎn)所需的型煤強度。(2)在實驗中，當水分含量逐漸增加時型煤的濕狀態(tài)強度及跌落強度都會先上升再下降，當加入水分為10 mL 時顯示其強度最佳，即在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)保持水分添加在10%左右?guī)Х勖撼尚妥顬檫m宜。

2.3不同粘結(jié)劑對粉煤成型因素影響的分析

(1)有機粘結(jié)劑：分別用3%、5%、7%、10%的腐植酸鈉作為粘合劑，成型壓力為20 MPa時，測得其機械強度。

圖4　腐植酸鈉添加量對型煤強度的影響

由圖4可知，在腐植酸鈉添加較少時，型煤的機械強度不太理想，在較高壓力下就會出現(xiàn)型煤破損的情況，當腐植酸鈉用量增加的時候其強度也會隨之增加。在腐植酸鈉的含量達到10%的時候，其機械強度達到6000 N，所以當腐植酸鈉作為粘合劑時，要保證其添加量，從而確保型煤的機械強度。

(2)無機粘結(jié)劑：分別采用3%、5%、7%、10%、的硅酸鈉及粘土分別實驗，成型壓力均為20 MPa，測其機械強度。

圖5　無機粘結(jié)劑含量與型煤機械強度的關(guān)系

由圖5可知，用硅酸鈉作為粘合劑時含量較少的情況下就可以達到強度要求，在3%的時候型煤的強度略有不佳，但到5%的時候已經(jīng)滿足型煤強度的要求了，由于市場硅酸鈉的價格不低所以繼續(xù)添加會對成本產(chǎn)生較大影響。無機粘結(jié)劑都有較高灰分；用粘土作為粘合劑也可以增加型煤的機械強度，其效果略微不如硅酸鈉，但由于粘土價格便宜且資源廣泛，因此比硅酸鈉更為實用。

(3)復(fù)合粘結(jié)劑：本次實驗所用粘合劑為腐植酸鈉與粘土的復(fù)合粘結(jié)劑，要確定合適的配比方案，首先用5%的腐植酸鈉，改變粘土的含量分析其機械強度，確定較合適的粘土比例；當確定粘土含量的配比后，改變腐植酸鈉的配比含量，從而分析出適宜的復(fù)合粘合劑的配比。

圖6　粘土添加量與機械強度的關(guān)系

圖7　腐植酸鈉添加量與機械強度的關(guān)系

由圖6和圖7可以看出：在粘土含量達到5%的時候，型煤的機械強度已經(jīng)達到成型粉煤的要求，繼續(xù)增加雖然型煤的強度會繼續(xù)增加但其產(chǎn)生的灰分也會逐漸增加，總體來說當粘土含量達到5%的時候較適宜粉煤成型的質(zhì)量要求。同上分析，在圖中可以看出當腐植酸鈉的含量到5%的時候適合粉煤成型，比例增加將會使費用也增加，比例太低型煤的機械強度也會得不到保障。復(fù)合粘結(jié)劑主要包括有機和有機、有機和無機、無機和無機三種類型，有機粘結(jié)劑本身具有可燃性，因此可以增加型煤的熱值但機械強度太低，無機粘合劑可以增強型煤的機械強度但同時會降低型煤的發(fā)熱量增加灰分，所以復(fù)合粘結(jié)劑的開發(fā)可以取長補短，更適合工業(yè)型煤的粘合劑使用。

3　結(jié)　論

(1)在實驗中發(fā)現(xiàn)隨著成型壓力的不斷增加，型煤的強度也隨之增大，在20 MPa的時候顯示效果最好，如果繼續(xù)增加壓力不僅會增加能耗還會破壞型煤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使型煤質(zhì)量下降；

(2)而在成型過程中添加水分為10%的時候最為適宜，水分太少難以成型粘結(jié)劑不能很好的起到粘結(jié)作用，而水分過多時會導(dǎo)致脫模等；

(3)關(guān)于粘結(jié)劑的使用，腐植酸鈉具有很好的粘結(jié)性，但其機械強度就顯得不盡人意了，且該粘結(jié)劑的費用也較大，在工業(yè)生產(chǎn)過程當中經(jīng)費一定相當龐大。而無機粘結(jié)劑硅酸鈉與粘土的比較，雖然二者都可以增加型煤的機械強度但同樣會增加型煤的灰分，從生產(chǎn)經(jīng)費上考慮粘土優(yōu)先。最后是復(fù)合粘結(jié)劑(5%的腐植酸鈉和5%的粘土)二者一個可以增加粘結(jié)性和熱值一個增加機械強度，互補長短。復(fù)合粘結(jié)劑是當今清凈煤領(lǐng)域正在努力研發(fā)的項目之一，更好的粘結(jié)劑對粉煤的成型以及型煤的工業(yè)化生產(chǎn)舉足輕重。

[1]鐘宏,曹智.羧甲基淀粉用作型煤粘結(jié)劑的研究[J].湖南化工,2000,30(2):23-25.

[2]徐愛民,羅衛(wèi)紅.潔凈型煤技術(shù)開發(fā)研制[J].潔凈煤技術(shù),2003,9(1):23-27.

[3]李師侖,韓錦德,徐桂芹,等.工業(yè)型煤的發(fā)展現(xiàn)狀及研究動向[J].煤炭加工與綜合利用,2000(2):6-10.

[4]李毛,顧強.型煤產(chǎn)業(yè)化進展緩慢的原因和提高型煤產(chǎn)業(yè)發(fā)展質(zhì)量的對策研究[J].能源環(huán)境保護,2006,20(6):57-59.

[5]趙玉蘭,常鴻雁, 吉登高,等.粉煤成型機理研究進展[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2001,24(3):12-14.

[6]張云,付東升,鄭化安,等.新型煤黏結(jié)劑的研究進展[J].潔凈煤技術(shù),2014,20(1):24-28.

[7]王俊杰,劉華.型煤粘結(jié)劑發(fā)展綜述[J].廣州化工,2013,41(2):22-25.

[8]張林生.型煤黏結(jié)劑研究現(xiàn)狀[J].廣州化工,2012,40(11):62-64,71.

[9]趙巍,李遠才,李章波,等.基于混料設(shè)計的泥炭腐殖酸型煤粘結(jié)劑研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2012,34(2):27-31.

Study on Factors of Coal Powder Forming Effect*

LIMei1,ZHANGYan-jun1,JINGHong-xing2

(1 Yulin University, Shaanxi Yulin 719000;2 Shaanxi Shenmu Chemical Industry Co., Ltd., Shaanxi Yulin 719319, China)

In order to alleviate the accumulation of large amounts of coal powder and industrial production of lump coal demand, using pulverized coal as raw material, using clay, sodium silicate, sodium humate and mixed binder to mold powder coal, the impact of various factors was studied. By testing the mechanical strength, strength, an important indicator of wet strength was dropped, it was summed up in 20 MPa, water 10%, the composite binder (5% sodium humate and 5% clay), molding of the powder coal were best. This research has important practical significance for the industrial production of coal briquette.

powder coal forming; molding pressure; molding moisture; binder

榆林學(xué)院(13YK25)項目; 榆林學(xué)院(2014SKL-DBM019)項目；陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點實驗室。

李梅(1980-)，女，學(xué)士，講師,研究方向：煤化工。

TQ636

A

1001-9677(2016)010-0073-03