粉煤成型技術(shù)研究進(jìn)展

許 偉，王鵬山，石 鑫

(1.陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000；2.陜西長(zhǎng)青能源化工有限公司，陜西 寶雞 721000；3.華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 華亭744100)

專論與綜述

粉煤成型技術(shù)研究進(jìn)展

許 偉1，王鵬山2，石 鑫3

(1.陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000；2.陜西長(zhǎng)青能源化工有限公司，陜西 寶雞 721000；3.華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 華亭744100)

綜述了國內(nèi)外型煤技術(shù)研究現(xiàn)狀，針對(duì)我國煤炭機(jī)械化開采過程中的粉煤利用難問題，提出了粉煤成型利用的必要性?？偨Y(jié)了粉煤成型影響因素、型煤粘結(jié)劑及粉煤成型機(jī)理研究進(jìn)展，研究表明：粉煤的性質(zhì)、成型水分、煤料粒度、成型工藝、成型壓力、粘結(jié)劑性質(zhì)及添加量等對(duì)粉煤成型有很大影響；提出了粉煤無粘結(jié)劑成型過程假說和粉煤有粘結(jié)劑成型理論，為粉煤成型利用技術(shù)開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

型煤；粉煤成型；粘結(jié)劑；成型機(jī)理

1 國內(nèi)外型煤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外型煤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)初，德國用無粘結(jié)劑褐煤成型工藝制得褐煤型煤作鍋爐燃料[2]。1969年，國際權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)可了型焦的生產(chǎn)工藝，世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了大量的型焦研究機(jī)構(gòu)，先后開發(fā)了多種以不粘煤和弱粘煤為原料生產(chǎn)型焦的工藝[3]。1933年，日本引進(jìn)德國型煤技術(shù)生產(chǎn)供機(jī)車用型煤[1-2]。1955年，日本研究開發(fā)了利用無煙煤制取上點(diǎn)火式蜂窩煤的生產(chǎn)工藝[2]。1971年，日本在機(jī)車上大范圍推廣使用型煤[3]。

1.2 國內(nèi)型煤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國工業(yè)型煤主要包括鍋爐型煤、氣化型煤、機(jī)車型煤及煉焦型煤。1963年煤炭部唐山研究所開始研究鍋爐型煤，于1964年建成1.2萬噸/年的鍋爐型煤生產(chǎn)線[4]。“七五”期間中國礦業(yè)大學(xué)承擔(dān)了“工業(yè)型煤開發(fā)”課題，成型技術(shù)與設(shè)備都有了很大的發(fā)展[5]。20世紀(jì)60年代，我國以石灰、紙漿粘土、腐植酸鹽、粘土等作為型煤粘結(jié)劑，開發(fā)了各種型煤技術(shù)，為我國化肥行業(yè)生產(chǎn)了大量的造氣型煤[6]。目前機(jī)車型煤的生產(chǎn)逐漸減少，因?yàn)樾兔荷a(chǎn)工藝中主要采用煤焦油和石油瀝青作為粘結(jié)劑，一方面，粘結(jié)劑的成本較高，另一方面在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量的污染物[3]。中國礦業(yè)大學(xué)武建軍[7]以焦粉為原料，添加粘結(jié)劑制得型煤，最后炭化得到氣化型焦，并在陜西府谷建成工業(yè)生產(chǎn)線。房兆營[8-9]綜述了國內(nèi)外型焦技術(shù)的新進(jìn)展及發(fā)展方向，提出粘結(jié)劑是影響型焦質(zhì)量的最主要因素。

2 粉煤成型過程綜述

粉煤加壓成型過程如下圖所示：a-裝料，b-加壓，c-成型，d-壓潰，e-反彈。

圖1 粉煤成型受力過程

2.1 粉煤成型的必要性

煤炭容易產(chǎn)生大量的粉塵，當(dāng)煤粉不能得到有效控制時(shí)，它會(huì)對(duì)地下水和空氣造成嚴(yán)重的污染[10-11]。因此煤粉的高效利用將會(huì)產(chǎn)生很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，粉煤成型是有效利用煤粉的重要技術(shù)之一，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[12-14]。

我國是煤炭產(chǎn)量大國，同時(shí)也是煤炭消費(fèi)大國，近年來煤炭產(chǎn)量逐年增加，發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)我國煤炭的高效利用顯得極為重要[15]。煤炭機(jī)械化開采越來越普遍，程度越來越高，因而粉煤產(chǎn)率也逐步增加，大部分粉煤的得不到合理利用，并對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[16]。據(jù)報(bào)道，我國的無煙煤粉煤量相當(dāng)大，塊煤量?jī)H為10%～20%，這部分粉煤主要堆積在儲(chǔ)存場(chǎng)地，造成嚴(yán)重積壓[17]。因此，發(fā)展粉煤成型技術(shù)是解決粉煤利用難問題的有效途徑。

TUBITAK等[18-19]認(rèn)為土耳其褐煤在開采、洗選、運(yùn)輸及提質(zhì)利用過程中會(huì)產(chǎn)生高達(dá)60%的細(xì)粒煤粉，這不僅降低了褐煤的利用率并且污染了環(huán)境。褐煤具有高含水、高灰和低發(fā)熱量的特點(diǎn)[20]，一方面褐煤原煤成型可以降低褐煤的含水量，提高褐煤發(fā)熱量，另一方面對(duì)干燥過程中的褐煤煤粉進(jìn)行成型，可以提高褐煤利用率[21]。

2.2 粉煤成型影響因素

粉煤成型過程較為復(fù)雜，成型煤料的性質(zhì)、成型水分、煤料粒度、成型工藝、成型壓力、粘結(jié)劑的性質(zhì)及添加量等對(duì)型煤的質(zhì)量有很大影響。

趙玉蘭等[22]研究表明粉煤的塑性與彈性對(duì)制得型煤的質(zhì)量有較大的影響，塑性越大，彈性越小，越有利于成型。趙玉蘭等[23]用側(cè)限壓縮方法研究了粉煤可壓縮性與成型特性之間的關(guān)系，表明煤料的可壓縮性越好，成型特性越好。趙玉蘭等[24]通過改變?cè)厦褐泄饬撩号c暗淡煤的比例，分析了型煤抗壓強(qiáng)度的變化，結(jié)果表明暗淡煤含量的增加，有利于提高型煤的抗壓強(qiáng)度。李登新等[25]研究了煤的變質(zhì)程度與制得型煤強(qiáng)度之間的關(guān)系，表明煤化程度與型煤的抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，煤表面含氧官能團(tuán)越多，型煤的抗壓強(qiáng)度越低。

古登高等[26]用粒度組成不同的晉城無煙粉煤進(jìn)行成型，提出了適宜的粒度組成：1～0.5mm之間粉煤含量為24%，小于0.5mm的粉煤含量為76%時(shí)，型煤的抗壓強(qiáng)度最大，超過這一最佳粒度范圍，型煤的質(zhì)量都會(huì)降低。徐德平等[27]提出了粒度較小的煤在無粘結(jié)劑成型時(shí)，制得型煤的機(jī)械強(qiáng)度較大；粒度較大的無煙煤和煙煤在有粘結(jié)劑成型時(shí)，得到的型煤強(qiáng)度較好。劉翼州[28]等對(duì)太原西山王封礦區(qū)貧煤進(jìn)行了成型試驗(yàn)，研究了不同粒度級(jí)配對(duì)型煤強(qiáng)度的影響，得到了最佳粒度級(jí)配：1.0～0.5mm的占28%～38%，0.5mm以下占37%～52%。鄧加耀[29]等研究表明，原料煤粒度過細(xì)或者過粗均不利于提高型煤的機(jī)械強(qiáng)度，只有在合適的粒度級(jí)配比下，細(xì)顆粒粉煤填充大顆粒煤料之間的空隙，使型煤具有較好的機(jī)械強(qiáng)度。章慶和[30]指出混合煤料的總表面積大小取決于不同粒度的煤料顆粒之間的混合程度，總表面積的大小直接與粘結(jié)劑的潤濕相關(guān)，從而影響型煤的質(zhì)量。

煤料在外界壓力作用下壓制成型的過程分為：裝料、加壓、成型、壓潰、反彈五個(gè)階段[3，31]。有粘結(jié)劑冷壓成型時(shí)，增加壓力有利于煤料與粘結(jié)劑之間充分粘結(jié)，使煤料顆粒之間結(jié)合越緊密，從而型煤強(qiáng)度增大，繼續(xù)增大成型壓力，型煤的強(qiáng)度提高不明顯[32]。林儀媛等[33]在貧瘦煤中添加焦油、瀝青和復(fù)合劑制得型煤，考查了成型壓力對(duì)型煤質(zhì)量的影響，結(jié)果表明：成型壓力在30N/ mm2以下時(shí)，隨著壓力增大，型煤強(qiáng)度增加，最佳成型壓力為25N/ mm2。楊鳳玲[34]等研究了不同成型壓力下型煤跌落強(qiáng)度的變化情況，結(jié)果表明：當(dāng)成型壓力在15～20MPa之間時(shí)，型煤的強(qiáng)度明顯提高，在25MPa時(shí)達(dá)到最大，繼續(xù)增加成型壓力，型煤強(qiáng)度提高緩慢甚至有所降低。

水分在粉煤成型過程中主要起潤濕的作用，適量的水分可以潤濕煤粒表面，以減少煤粒在成型過程中因相互擠壓而形成摩擦阻力，從而有利于煤粒之間緊密結(jié)合[31]。有粘結(jié)劑成型時(shí)，水分與粘結(jié)劑的種類有關(guān)，選用親水性粘結(jié)劑時(shí)，水分對(duì)煤粒表面的潤濕可以使粘結(jié)劑與煤表面更充分的接觸。相反采用疏水性粘結(jié)劑時(shí)，水分的增加反而會(huì)降低型煤的機(jī)械強(qiáng)度，應(yīng)將水分控制在一定的范圍內(nèi)。根據(jù)大量研究表明，冷壓型煤的水分應(yīng)控制在8%～13%，水分過高，在煤表面容易形成一層較厚水化膜，影響粘結(jié)劑與煤表面的接觸，不利于提高型煤的機(jī)械強(qiáng)度[35]。

3 型煤粘結(jié)劑研究進(jìn)展

3.1 型煤粘結(jié)劑種類

型煤粘結(jié)劑一般分為：無機(jī)粘結(jié)劑、有機(jī)粘結(jié)劑、復(fù)合粘結(jié)劑3種。根據(jù)型煤的用途，常用粘結(jié)劑分以下幾種，如圖2所示。

圖2 型煤分類及其粘結(jié)劑種類

3.2 型煤粘結(jié)劑的開發(fā)利用

型煤粘結(jié)劑一般要求具有來源廣泛、制備工藝簡(jiǎn)單、無污染、粘結(jié)性能良好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[36]。型煤技術(shù)屬于潔凈煤技術(shù)范疇，是我國實(shí)現(xiàn)煤炭資源高效利用的必要途徑之一，而高效粘結(jié)劑的開發(fā)是型煤技術(shù)的關(guān)鍵[37]。目前所開發(fā)利用的粘結(jié)劑主要有無機(jī)粘結(jié)劑、有機(jī)粘結(jié)劑和復(fù)合粘結(jié)劑。無機(jī)粘結(jié)劑的主要特點(diǎn)是：成本較低，來源較廣，如常用的石灰、粘土和水泥等，它們制成的型煤具有較高的熱穩(wěn)定性，但是型煤的灰分較高；有機(jī)粘結(jié)劑粘結(jié)性能好，型煤灰分低，并且通過改性可以改善型煤的防水性；復(fù)合粘結(jié)劑可以綜合單一粘結(jié)劑的優(yōu)點(diǎn)，從而提高型煤的質(zhì)量。近年來，復(fù)合粘結(jié)劑是型煤粘結(jié)劑開發(fā)的主流，同時(shí)為了改善型煤的燃燒性能，添加劑如固硫劑、助燃劑和氧化劑等助劑的研究開發(fā)也異常重要[38]。

王鳳琴[39]將渣油用腐植酸鈉乳化形成乳化渣油，乳化渣油作為粘結(jié)劑制得的型煤具有很好的機(jī)械強(qiáng)度。張秋利等[40]以神木粉煤為原料，選擇膨潤土為型煤粘結(jié)劑，研究了膨潤土添加量與型煤強(qiáng)度之間的關(guān)系，結(jié)果表明：膨潤土含量增加，型煤抗壓強(qiáng)度與灰分均呈線性增加趨勢(shì)，當(dāng)在水分含量為14%，膨潤土添加量為7%時(shí)，膨潤土表面完全被潤濕，與煤粒表面充分接觸，制得的型煤抗壓強(qiáng)度可達(dá)到14.20KN/個(gè)，灰分也控制在11.7%。S. Yaman等[41]以土耳其褐煤為原料，分別添加糖漿、松果、廢棄橄欖、鋸末、紙漿廢液和廢棄棉花作為粘結(jié)劑制備型煤，粘結(jié)劑的添加量在0～30%之間，考查型煤的落下強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的變化，研究結(jié)果表明：添加紙漿廢液可以提高型煤的落下強(qiáng)度，鋸末和制漿廢液有利于提高型煤的抗壓強(qiáng)度，廢棄橄欖、廢棄棉花、松果和廢棄紙漿可以改善型煤的防水性能。董會(huì)新[42]在原煤中添加煤泥與粘土制得鍋爐型煤，型煤強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果顯示：加入7%～8%的粘土可以提高型煤的強(qiáng)度；

趙巍等[43]研究了腐植酸鈉、蒙脫石和高嶺土復(fù)合粘結(jié)劑對(duì)粉煤成型特性的研究，腐植酸鈉對(duì)型煤的冷態(tài)強(qiáng)度影響最大，蒙脫石和高嶺土均對(duì)型煤的高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定影響較大，并且蒙脫石的影響更為顯著。王曉利等[44]利用水泥和聚乙烯醇的復(fù)合粘結(jié)劑，研究了粘結(jié)劑對(duì)型煤強(qiáng)度和防水性的影響，結(jié)果表明：水泥添加量為粉煤質(zhì)量的1%，聚乙烯醇為水泥質(zhì)量的5%時(shí)，型煤具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的防水性能。凌向陽等[45]將腐植酸鈉、羧甲基纖維素和高鋁水泥復(fù)合作為永城無煙粉煤成型粘結(jié)劑，考查了各粘結(jié)劑對(duì)型煤質(zhì)量(抗壓強(qiáng)度、落下強(qiáng)度、防水性和熱穩(wěn)定性)的影響，結(jié)果表明：腐植酸鈉型煤具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，但防水性較差；羧甲基纖維素型煤初始強(qiáng)度高，但熱穩(wěn)定性和防水性差；高鋁水泥是一種無機(jī)粘結(jié)劑，制得的型煤具有較好的防水性，熱定性差。

4 粉煤成型機(jī)理研究進(jìn)展

粉煤成型工藝一般分為無粘結(jié)成型與有粘結(jié)劑成型兩種，無粘結(jié)劑成型過程與煤的物理化學(xué)性質(zhì)相關(guān)，煤表面性質(zhì)的復(fù)雜性決定了煤顆粒之間復(fù)雜的相互作用，至今還沒有形成完整的成型理論，對(duì)于褐煤成型，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多假說[3]。有粘結(jié)成型主要是煤顆粒與粘結(jié)劑之間的相互作用，目前學(xué)者只是定性分析了煤與粘結(jié)劑之間的作用力類型。

4.1 粉煤無粘結(jié)劑成型機(jī)理研究

趙玉蘭等[46]綜述了粉煤無粘結(jié)成型機(jī)理，主要從褐煤無粘結(jié)成型與其它煤種無粘結(jié)成型兩方面進(jìn)行了介紹。對(duì)于煙煤與無煙粉煤成型，主要是在壓力作用下，煤顆粒間產(chǎn)生機(jī)械嚙合力與煤分子間作用力，使煤顆粒相互結(jié)合在一起。對(duì)于褐煤無粘結(jié)劑成型，相關(guān)學(xué)者主要提出了腐植酸、瀝青、膠體、毛細(xì)孔和分子粘合假說[2，46，47]；

(1)瀝青假說認(rèn)為：由于瀝青的軟化點(diǎn)較低(70～80℃)，褐煤壓制成型過程中煤粒之間相互擠壓摩擦產(chǎn)生熱量，使褐煤中的瀝青質(zhì)軟化與煤粒相互粘結(jié)。

(2)腐植酸假說認(rèn)為：在壓力作用下，褐煤中的游離腐植酸與煤粒相互粘結(jié)。

(3)毛細(xì)管假說認(rèn)為：在外界壓力作用下，褐煤中大量含水毛細(xì)管破裂，在煤表面形成一層水化膜，使煤粒之間充分接觸，形成分子間作用力。

(4)膠體假說認(rèn)為：褐煤在壓制過程中，粒度為1μm～10nm的膠質(zhì)腐植酸顆粒產(chǎn)生聚集力。

(5)分子粘合假說認(rèn)為：在壓力作用下，煤顆粒之間緊密結(jié)合而出現(xiàn)分子粘合現(xiàn)象。

鑒于褐煤成型理論的復(fù)雜性，于淑政等[48]運(yùn)用宏觀流變力學(xué)理論研究了褐煤成型規(guī)律，建立了褐煤成型的數(shù)學(xué)模型。

4.2 粉煤有粘結(jié)劑成型機(jī)理研究[46，49-52]

對(duì)于固體表面，即使再平滑的固體，其表面也是相當(dāng)粗糙，當(dāng)兩個(gè)固體的表面相接觸時(shí)，兩固體表面的分子之間發(fā)生發(fā)生相互作用的距離為3～5 ?，而這個(gè)距離一般不能夠達(dá)到。此外，固體表面在空氣會(huì)被氧化，表面容易形成氧化層，并且會(huì)吸附一些雜質(zhì)。對(duì)于煤而言，它還是一種多孔介質(zhì)。綜上所述，固體表面極為復(fù)雜，兩個(gè)表面相接觸時(shí)，分子、原子之間不會(huì)發(fā)生相互作用。

粘結(jié)劑的使用可以使固體表面之間結(jié)合的更為緊密，在兩個(gè)接觸的固體表面之間，加入具有良好流動(dòng)性的粘結(jié)劑，粘結(jié)劑均勻填充于表面的多孔中，由于粘結(jié)劑良好的流動(dòng)性和滲透性，使得粘結(jié)劑與兩固體表面的接觸更加緊密，分子間的距離也大為縮小，一旦經(jīng)過某種物理與化學(xué)變化，粘結(jié)劑固化成為堅(jiān)實(shí)的固體，此時(shí)分子排列已經(jīng)確定。短距離接觸產(chǎn)生的分子間吸引力發(fā)揮作用，即產(chǎn)生了粘結(jié)力。粘結(jié)劑均勻填充在兩固體顆粒表面的空間，固化后實(shí)現(xiàn)兩表面之間的緊密接觸。

目前，人們對(duì)粘結(jié)的研究已經(jīng)做了大量的工作，提出了多種粘結(jié)理論[71]。

(1)機(jī)械理論：這種理論認(rèn)為粘結(jié)劑滲入固體凹凸不平的多孔表面內(nèi)，固化產(chǎn)生錨和、鉤和和契合等作用，使粘結(jié)劑與固體表面結(jié)合在一起。

(2)吸附理論：該理論將是以分子間作用力為基礎(chǔ)的。粘結(jié)劑分子逐漸向被粘固體表面遷移，粘結(jié)劑與表面的極性集團(tuán)相互靠近，當(dāng)距離小于0.5nm時(shí)，分子、原子之間發(fā)生相互作用，產(chǎn)生分子間作用力。

(3)靜電理論：該理論認(rèn)為由于在粘結(jié)過程中，粘結(jié)界面形成雙電層，從而產(chǎn)生靜電作用力。

(4)化學(xué)鍵理論：粘結(jié)劑分子與固體表面的極性基團(tuán)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)鍵作用力。

(5)配位鍵理論：粘結(jié)劑提供電子對(duì)而與被粘物之間形成配位鍵。

煤的表面極為復(fù)雜，粘結(jié)劑與煤粒表面之間的作用力類型，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，主要有機(jī)械作用力和物理化學(xué)作用力等。

(1)機(jī)械嚙合力：粘結(jié)劑分子經(jīng)過擴(kuò)散滲透進(jìn)入煤表面凹凸縫隙中，經(jīng)過固化后產(chǎn)生機(jī)械嚙合力。

(2)物理化學(xué)作用力：與煤表面性質(zhì)相似的粘結(jié)劑容易吸附在煤的表面，當(dāng)粘結(jié)劑分子與煤表面分子之間的距離為0.3～0.5nm時(shí)，產(chǎn)生分子間作用力。物理化學(xué)作用力還包括粘結(jié)劑與煤之間形成的氫鍵作用力。

(3)化學(xué)鍵力：煤表面與粘結(jié)劑能夠形成化學(xué)鍵，如共價(jià)鍵、離子鍵、配位鍵、金屬鍵等，鍵能較分子間作用力大，因而對(duì)型煤的強(qiáng)度影響最大。

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(本文文獻(xiàn)格式：許 偉，王鵬山，石 鑫.粉煤成型技術(shù)研究進(jìn)展[J].山東化工，2016，45(04)：29-33.)

The Research on Briquetting Technology of Fine coal

Xu Wei1, Wang Pengshan2, Shi Xin3

(1. Shaanxi Linbei Coal Industry Development Co., Ltd., Baoji Shanxi 721000, China；2. Shaanxi Evergreen Energy Chemical Industry Co., Ltd., Baoji Shanxi 721000, China；3. Huating Coal Group Co., Ltd，Huating Gansu 744100, China)

This paper summarizes the present situation of briquetting technology in domestic and abroad, aiming at the difficult problem of fine coal utilization in the process of coal mining in our country, the necessity of fine coal briquetting and utilization was proposed. The research progress on factors of coal briquetting and the binder of briquette and the briquetting mechanism of fine coal was summarized, the research showed that the properties of fine coal, the moisture of coal briquetting, coal particle size, briquetting process, briquetting pressure , the properties and adding amount of blinder have great influence on briquetting of fine coal; The hypothesis of fine coal briquetting without blinder and the theory of fine coal briquetting with blinder were proposed, it provides a theoretical basis for the development of the briquetting and utilization technology of coal fine.

briquette; briquetting of coal fine; blinder; briquetting mechanism

2016-01-20

許 偉(1987—)，陜西榆林人，陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司項(xiàng)目管理員，獲學(xué)士學(xué)位，2007-2011年在中國礦業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)習(xí)。

TQ536.1

A

1008-021X(2016)04-0029-05