半焦粉制氣化型煤的試驗(yàn)研究

梁金榮，張玉君，劉津源，匡德川，魏平平

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

半焦又稱蘭炭、焦粉，是利用神府、榆林、東勝煤田盛產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)侏羅精煤塊燒制而成的，結(jié)構(gòu)為塊狀，粒度一般在3mm以上，顏色呈淺黑色[1，2]。半焦以其固定炭高、比電阻高、化學(xué)活性高、低灰分、低鋁、低硫、低磷的特性，可代替冶金焦、無(wú)煙塊和木炭而廣泛應(yīng)用于電石、金屬硅、鐵合金、硅鐵、鉻鐵、硅錳、碳化硅、化肥等產(chǎn)品的生產(chǎn)中[3-5]。

半焦的抗碎性能較差，在生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸中極易產(chǎn)生-3mm的半焦粉末，這部分半焦粉不粘結(jié)、粒度小，無(wú)法直接應(yīng)用于后續(xù)的生產(chǎn)領(lǐng)域而將其低價(jià)處置，這不僅使半焦企業(yè)生產(chǎn)成本加大，還會(huì)造成嚴(yán)重的粉塵污染，影響周?chē)用竦恼Ｉ頪6-9]。

如果能將這部分低價(jià)的半焦粉配以粘結(jié)劑制備成氣化型煤，不僅能降低資源浪費(fèi)，還能減少氣化爐對(duì)塊煤的需求量[10-15]。但是對(duì)于半焦粉成型，尤其是半焦粉成型所需的粘結(jié)劑國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)記載較少，因此本文的研究對(duì)于半焦粉制備氣化型煤具有指導(dǎo)意義和使用價(jià)值。

1 試驗(yàn)原料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

以陜西府谷半焦粉作為主要原料，采用有粘結(jié)劑冷壓成型工藝制成型煤。半焦粉工業(yè)分析資料見(jiàn)表1。

表1 半焦粉工業(yè)分析

粘結(jié)劑原料包括：CMC(粘度800～1200mPa·s)，CMS(<70μm)，腐殖酸鈉(140～180μm)，淀粉(食用玉米淀粉)，聚丙烯酸鈉(分子量800萬(wàn))，鈣基膨潤(rùn)土(分析純)。

1.2 試驗(yàn)方法

1)型煤制備流程。將原料破碎至3mm以下，取500g，加以定量粘結(jié)劑和水，在25MPa的成型壓力下壓制成型。成型后的型煤置于100℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中連續(xù)干燥3h，自然冷卻后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性測(cè)定，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)流程

2)抗壓強(qiáng)度測(cè)定。從壓制成型的型煤中取出10個(gè)形狀規(guī)則、無(wú)裂紋、無(wú)煤粒脫落的完整型煤，逐個(gè)放在壓力試驗(yàn)機(jī)的施力面的中心位置上，使型煤的短軸與施力面垂直；開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，以15mm/min的均勻位移速度施力。記錄型煤開(kāi)裂時(shí)所承受的力。以各個(gè)型煤的數(shù)據(jù)取平均值作為該組型煤的抗壓強(qiáng)度(單位N/個(gè))。

3)熱穩(wěn)定性測(cè)定。取一定量的型煤產(chǎn)品放入坩堝中，將其置于(850±15)℃的馬弗爐中隔絕空氣加熱30min，冷卻后稱量。篩分5min，以粒度大于6mm的殘焦質(zhì)量占各級(jí)殘焦質(zhì)量之和的百分?jǐn)?shù)作為熱穩(wěn)定性指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同成型水分下單種粘結(jié)劑成型試驗(yàn)

由于本次試驗(yàn)采用有粘結(jié)劑冷壓成型工藝，當(dāng)在煤粉中添加粘結(jié)劑時(shí)，最佳成型水分也會(huì)發(fā)生變化。因此在進(jìn)行單種粘結(jié)劑成型試驗(yàn)的同時(shí)，考查在不同成型水分下粘結(jié)劑添加量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。單種粘結(jié)劑添加量與成型物料水分對(duì)型煤抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖2—圖7所示(其他成型條件：成型壓力為25MPa，粒度上限3mm，-1mm煤粉含量70%)。

圖2 不同成型水分下膨潤(rùn)土添加量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖3 不同成型水分下CMC添加量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖4 不同成型水分下淀粉添加量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖5 不同成型水分下CMS添加量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖7 不同成型水分下腐殖酸鈉添加量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖2—圖7可知：

1)對(duì)型煤抗壓強(qiáng)度隨著成型水分的增加而先增加，后趨于不變。當(dāng)成型水分在20%時(shí)，隨著粘結(jié)劑添加量的不斷增加，型煤抗壓強(qiáng)度增幅較??；當(dāng)成型水分為23%時(shí)，隨著粘結(jié)劑添加量的不斷增加，型煤抗壓強(qiáng)度增幅較大；當(dāng)成型水分為25%時(shí)，隨著粘結(jié)劑添加量的不斷增加，型煤抗壓強(qiáng)度增幅明顯增大；當(dāng)水分進(jìn)一步增加到28%時(shí)，型煤抗壓強(qiáng)度比成型水分為25%時(shí)略有增加；當(dāng)成型水分增加到30%時(shí)，型煤抗壓強(qiáng)度比成型水分為28%時(shí)基本沒(méi)有變化?？梢?jiàn)，成型水分在25%～28%時(shí)，物料之間能夠更好的潤(rùn)濕，更有利于粘結(jié)劑作用，且在一定壓力下物料堆積更加緊密?？紤]到后續(xù)的干燥工藝，為了降低能量損耗，仍選擇25%的成型水分。

2)對(duì)于粘結(jié)劑的種類及用量這一影響因素來(lái)說(shuō)，各種粘結(jié)劑單獨(dú)添加時(shí)，型煤抗壓強(qiáng)度都隨著粘結(jié)劑添加量的增加而增加，但隨著粘結(jié)劑添加量的添加，型煤抗壓強(qiáng)度的增加趨勢(shì)減小。淀粉、CMC和CMS作為粘結(jié)劑粘結(jié)效果最好。在成型水分為25%時(shí)，當(dāng)型煤抗壓強(qiáng)度大于500N/個(gè)時(shí)，淀粉添加量為2.5%，CMC添加量為1.3%，CMS添加量為2%。2.5%淀粉添加量折合成本為55元/t型煤，1.3%CMC添加量折合成本為70元/t，而2.0%CMS添加量折合成本為90元/t，經(jīng)濟(jì)效益略差。聚丙烯酰胺和腐殖酸鈉單獨(dú)成型時(shí)效果一般。綜上所述，在型煤生產(chǎn)過(guò)程中為了節(jié)省能耗且得到較高的抗壓強(qiáng)度的型煤，應(yīng)選擇25%的成型水分。在性能基本相同時(shí)優(yōu)先選取CMC和淀粉作為粘結(jié)劑。

2.2 粘結(jié)劑的復(fù)配成型試驗(yàn)

單種粘結(jié)劑的成型試驗(yàn)表明，要想得到抗壓強(qiáng)度較高的型煤產(chǎn)品，無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的添加量必須加大，這無(wú)疑會(huì)加大型煤產(chǎn)品灰分，而只采用有機(jī)粘結(jié)劑又使型煤生產(chǎn)成本過(guò)高。因此在使用有機(jī)粘結(jié)劑的基礎(chǔ)上適量添加部分無(wú)機(jī)粘結(jié)劑，這樣才能在將來(lái)的工業(yè)化應(yīng)用中具有指導(dǎo)性。

為此進(jìn)行了半焦粉成型粘結(jié)劑復(fù)配的試驗(yàn)研究，參照單種粘結(jié)劑成型試驗(yàn)結(jié)果，本次試驗(yàn)分別用淀粉和CMC復(fù)配膨潤(rùn)土進(jìn)行試驗(yàn)。淀粉復(fù)配膨潤(rùn)土的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，CMC復(fù)配膨潤(rùn)土的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 淀粉與膨潤(rùn)土的復(fù)配成型試驗(yàn)條件與結(jié)果 N/個(gè)

表3 CMC與膨潤(rùn)土的復(fù)配成型試驗(yàn)條件與結(jié)果 N/個(gè)

從表2和表3的結(jié)果來(lái)看，與單獨(dú)使用粘結(jié)劑時(shí)相比，2.00%的膨潤(rùn)土添加量對(duì)型煤強(qiáng)度影響不大；膨潤(rùn)土的添加量為4.00%時(shí)型煤強(qiáng)度較好改善；膨潤(rùn)土的添加量為8.00%時(shí)型煤強(qiáng)度有更明顯增加，但此時(shí)型煤灰分達(dá)到了19%。為了盡量不增加型煤灰分，膨潤(rùn)土的添加量以6.00%左右為宜。所以推薦本次試驗(yàn)中2.00%的淀粉與6.00%的膨潤(rùn)土的配比和1.00%CMC與4.00%的膨潤(rùn)土配比，其型煤抗壓強(qiáng)度分別為513N/個(gè)和568N/個(gè)。經(jīng)濟(jì)成本分別為98元/t和91元/t。

2.3 型煤熱穩(wěn)定性提高試驗(yàn)

決定氣化型煤質(zhì)量的指標(biāo)，除了型煤抗壓強(qiáng)度還有熱穩(wěn)定性。半焦粉幾乎沒(méi)有粘結(jié)性，采用濕法冷壓成型工藝時(shí)，僅靠半焦粉自身和添加的少量粘結(jié)劑很難達(dá)到較高的熱穩(wěn)定性。大量試驗(yàn)表明，粘結(jié)性煙煤具有良好的熱穩(wěn)定性，對(duì)于提高型煤熱穩(wěn)定性來(lái)講，添加少量粘結(jié)性煙煤可以達(dá)到滿足要求的熱穩(wěn)定性；大比例添加水玻璃或粘土類無(wú)機(jī)物可提高型煤熱穩(wěn)定性。但是增大水玻璃、水泥或粘土礦添加量，會(huì)使型煤的反應(yīng)活性和發(fā)熱量急劇下降，不利于氣化型煤在氣化過(guò)程中的反應(yīng)工況。

本組試驗(yàn)選取焦煤和1/3焦煤以及水玻璃作為添加劑，配以上組試驗(yàn)得到的復(fù)配粘結(jié)劑進(jìn)行成型試驗(yàn)。

2.3.1 添加劑原料

水玻璃規(guī)格為：相對(duì)分子質(zhì)量為284.2，Na2O含量為19.3%～22.5%，Na2O與SiO2含量之比為1.03±0.03。

表4 粘結(jié)性煙煤煤質(zhì)分析

2.3.2 復(fù)配粘結(jié)劑配以焦煤、1/3焦煤和水玻璃對(duì)型煤熱穩(wěn)定性的試驗(yàn)

在粘結(jié)劑復(fù)配成型的試驗(yàn)中，2.00%的淀粉與6.00%的膨潤(rùn)土的配比和1.00%CMC與4.00%的膨潤(rùn)土配比都能得到抗壓強(qiáng)度較好的型煤產(chǎn)品，但熱穩(wěn)定性都不太理想(TS+634%左右)。

本組試驗(yàn)分別用淀粉和膨潤(rùn)土復(fù)配、CMC和膨潤(rùn)土復(fù)配加以焦煤、1/3焦煤、水玻璃進(jìn)行成型試驗(yàn)，考查其對(duì)型煤產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性的影響，TS+6作為熱穩(wěn)定性的考核指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表5、表6。

1)淀粉和膨潤(rùn)土復(fù)配加以焦煤、1/3焦煤和水玻璃對(duì)型煤熱穩(wěn)定性的試驗(yàn)。由于2.00%的淀粉與6.00%的膨潤(rùn)土的配比所制得的型煤產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度可達(dá)到513N/個(gè)，所以對(duì)淀粉、膨潤(rùn)土配比不做變動(dòng)，其他條件為成型壓力25MPa、水分25.00%，考查焦煤、1/3焦煤、水玻璃對(duì)型煤熱穩(wěn)定性的影響，熱穩(wěn)定性考核指標(biāo)為T(mén)S+6。

表5 焦煤、1/3焦煤、水玻璃添加量對(duì)淀粉、 膨潤(rùn)土復(fù)配型煤抗壓強(qiáng)度的影響 N/個(gè)

表6 焦煤、1/3焦煤、水玻璃添加量對(duì)淀粉、 膨潤(rùn)土復(fù)配型煤熱穩(wěn)定性的影響 %

2)CMC和膨潤(rùn)土復(fù)配加以焦煤、1/3焦煤和水玻璃對(duì)型煤熱穩(wěn)定性的試驗(yàn)。由于1.00%的CMC與6.00%的膨潤(rùn)土的配比所制得的型煤產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度可達(dá)到568N/個(gè)，所以對(duì)CMC、膨潤(rùn)土配比不做變動(dòng)，其他條件為成型壓力25MPa、水分25.00%，考查焦煤、1/3焦煤、水玻璃對(duì)型煤熱穩(wěn)定性的影響，TS+6作為熱穩(wěn)定性的考核指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表7、表8。

表7 焦煤、1/3焦煤、水玻璃添加量對(duì)CMC、 膨潤(rùn)土復(fù)配型煤抗壓強(qiáng)度影響 N/個(gè)

表8 焦煤、1/3焦煤、水玻璃添加量對(duì)CMC、 膨潤(rùn)土復(fù)配型煤熱穩(wěn)定性的影響 %

由表5—表8可知，焦煤、1/3焦煤、水玻璃的加入型煤抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯變化，熱穩(wěn)定性隨著這三種的添加量增加而增加。當(dāng)型煤產(chǎn)品TS+6達(dá)到70%以上時(shí)，焦煤添加量為4%，1/3焦煤添加量為6%，水玻璃添加量為8%。由于4%焦煤添加量折合成本為40元/t型煤，而6%的1/3焦煤折合成本為53元/t型煤，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，選取4%的焦煤添加量作為提升型煤熱穩(wěn)定性的手段。當(dāng)水玻璃添加量為8%以上時(shí)，嚴(yán)重增大型煤產(chǎn)品灰分，因此不考慮添加水玻璃。

3 結(jié) 論

1)用府谷半焦粉在制備氣化型煤，成型水分在25%時(shí)，物料之間能夠更好地潤(rùn)濕，在一定壓力下物料能夠能好的潤(rùn)濕并與粘結(jié)劑起作用。

2)單種粘結(jié)劑單獨(dú)成型時(shí)，淀粉和CMC能夠起到較好的粘結(jié)作用，而腐殖酸鈉和聚丙烯酰胺單獨(dú)成型時(shí)效果不理想。

3)膨潤(rùn)土的添加對(duì)型煤抗壓強(qiáng)度有一定的提高。在盡量不增加型煤灰分的條件下，2.00%的淀粉與6.00%的膨潤(rùn)土的配比和1.00%CMC與4.00%的膨潤(rùn)土配比適合半焦粉成型。

4)焦煤、1/3焦煤、水玻璃的加入型煤抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯變化，熱穩(wěn)定性隨著這三種的添加量增加而增加。考慮到經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品灰分，最終選取4%的焦煤添加量作為提升型煤熱穩(wěn)定性的手段。