低变质粉煤成型热解的研究

低变质粉煤成型热解的研究
孙鹏飞;李京仙;杨榕
【摘要】以陕北低变质粉煤为原料，采用冷压成型制备型煤，主要研究焦煤添加量、添加水分、成型压力、热解温度的影响。

结果表明：以焦煤作粘结剂进行型煤热解实验的研究中，可发现型煤（型焦）的抗压强度均随着焦煤加入量的增大而升高，选用10％的焦煤较为适宜；在一定范围内，型煤的强度随着成型压力的增大而增大，选择60 kN的强度较为适宜；型煤的强度随着成型压力的增大而增大，14％的水分更佳；型焦的强度在700℃以上就趋于平稳化，故选择的热解温度为700℃。

%Using the low rank pulverized coal in shanbei as raw material, coking coal was added to prepare for briquette coal ( formed coke) , the main research included content of coking coal, water content, briquetting pressure, the influence of pyrolysis temper-ature.The results showed that the coking coal was using as a binder type coal pyrolysis experiments on study, it was found that briquette coal ( formed coke ) of the compressive strength increased with the increase of the content in coking coal, choosing 10%of coking coal was relatively appro-priate.Within a certain range, the strength of briquette coal ( formed coke) increased with the increase of briquetting pressure, selecting 60 kN intensity was relatively appropriate.The strength of briquette coal ( formed coke ) increased with the increase of briquetting pressure, 14%of water was better.The strength of the formed coke leveled off in more than 700 ℃, so the choice of pyrolysis temperature was 700 ℃.
【期刊名称】《广州化工》
【年(卷),期】2015(000)014
【总页数】3页(P91-93)
【关键词】型煤;型焦;焦煤;热解
【作者】孙鹏飞;李京仙;杨榕
【作者单位】蒲城清洁能源化工有限责任公司，陕西西安 715500;蒲城清洁能源
化工有限责任公司，陕西西安 715500;蒲城清洁能源化工有限责任公司，陕西西
安 715500
【正文语种】中文
【中图分类】TQ534.2
我国低变质煤储量大、煤质好，其中以陕西省的低变质煤储量居高。

煤炭在开采、运输、存放过程中难免会产生粉煤，并且伴随机械化采煤技术的使用，粉煤率高达70%以上［1］，反而使块煤率大幅度降低;同时，粉煤长时间不能有效利用，会造成环境的严重污染及资源的巨大浪费，粉煤如果直接燃烧会对环境造成更大的污染。

利用低变质粉煤制备出具有一定形状的型煤，在热解后可得到具备一定强度的型焦，同时得到附加产物煤气、焦油［2－3］。

焦煤在热解时会产生胶质体，胶质体将
物料包裹起来，最终发挥骨架的作用，使型焦的抗压强度增大。

本研究采用陕北低变质粉煤为原料、焦煤为粘结剂研究制备型煤时各因素的影响，为型煤(型焦)生产工艺条件进一步奠定理论基础。

1 实验部分
1.1 实验原料及设备
选用陕北低变质煤经破碎筛分后煤粒粒度＜0.3 mm 的粉煤为原料，焦煤为添加剂。

实验设备主要有万能破碎机、电子天平、成型磨具、台式粉末压片机干燥箱、箱式炉。

1.2 型煤的制备
以破碎筛分好之后的陕北低变质粉煤为原料，按比例加入焦煤，加入适宜的水搅拌均匀，随后放入磨具中冷压成型，空气干燥24 h 待用。

1.3 抗压强度的测定
抗压强度主要是表征型煤(型焦)抗压的能力，主要方法是:将型煤(型焦)空气干燥24 h 之后放在电子万能试验机上测定，将型煤(型焦)放在载物台中心位置，使其短轴保持与载物台垂直，以匀速施压，记录样品发生破裂时的瞬时最大压力，选取10 个样品的平均值作为样品的抗压强度，以SCC 表示，单位:N/Ball［4］。

2 结果与讨论
2.1 焦煤添加量
陕北低变质煤和焦煤经破碎、筛分，使其平均粒度小于0.3 mm。

在成型压力为
40 kN、水分加入16%的条件下混合均匀，之后在台式粉末压片机压制成型，将
型煤空气干燥24 h 之后在热解温度为600 ℃的箱式炉中热解90 min，选取焦煤
加入比例分别为0%、5%、10%、15%及20%，型煤(型焦)抗压强度与焦煤加入
比例的关系曲线如图1 所示。

图1 焦煤添加量对型煤(型焦)强度的影响Fig.1 Effect of the content of coking coal on briquette coal(formed coke)strength
由图1 可知，随着焦煤添加比例的增大，型煤(型焦)抗压强度的也逐渐增大。

当焦煤的配比为20%时，型煤、型焦的抗压强度分别可高达3410 N/Ball 与2680
N/Ball。

焦煤在热解时会发生解聚反应、分解反应，会产生大量的胶质体，胶质体
会将物料间的空隙填满，并且充分分布在物料的表面，在其中发挥骨架作用，其间同时会生成大量自由基，小分子经过氢的重新排列而更加稳定，致使热解产生的型焦具有更高的抗压强度;但是焦煤配比较高［5－6］，热解速率增大，型焦呈现空
洞较多的蜂窝状，使型焦的致密性降低，从而抗压强度也降低;同时为了降低生产
成本，焦煤添加量不能过高，因此选定10%焦煤的配入量为最佳。

2.2 水分的影响
陕北低变质煤和焦煤经破碎、筛分，使其平均粒度小于0.3 mm。

加入10%的焦煤，在成型压力为40 kN 的条件下在台式粉末压片机压制成型，将型煤空气干燥24 h 之后在热解温度为600 ℃的箱式炉中热解90 min，选取水分加入比例分别
为10%、12%、14%、16%及18%，型煤(型焦)抗压强度与水分加入比例的关系
曲线如图2 所示。

图2 成型水分用量对强度的影响Fig.2 Effect of the water content on briquette coal(formed coke)strength
由图2 可看出:随着水分含量的增大，型煤(型焦)的抗压强度逐渐增大，直至水分
加入比例达到18%时，其抗压强度略有下降。

在成型过程中，含水量可以降低煤
粒间的摩擦力，使煤粒进行充分接触［7］;水分添加量过小就不会使煤粒间完全接触，增大煤粒间的摩擦力，不易产生相对滑动，制成的型煤内部显然结构比较松散，强度必然不高;水分添加量过多时，水膜完全包裹煤粒，形成水膜的较厚，也致使
煤粒不能充分的接触，甚至使型煤强度降低，并且会增加脱模的困难度，并且所得型煤将会需要额外的热量进行干燥。

因此，本实验选定水分配入量为16%。

2.3 成型压力的影响
陕北低变质煤和焦煤经破碎、筛分，使其平均粒度小于0.3 mm，加入10%的焦煤，加入16%的水分混合均匀，在台式粉末压片机压制成型，将型煤空气干燥24 h 之后在热解温度为600 ℃的箱式炉中热解90 min，选取成型压力分别为10 kN、
20 kN、30 kN、40 kN 及50 kN，型煤(型焦)抗压强度与成型压力的关系曲线如
图3 所示。

图3 成型压力对各强度的影响Fig.3 Effect of the briquetting pressure on briquette coal(formed coke)strength
由图3 可看出:型煤与型焦强度都随着成型压力的增大而增大，在成型压力为40 kN 处，型煤、型焦的抗压强度分别为5680 N/ball，3910 N/ball，当成型压力
大于40 kN 时，可以看出型煤(型焦)的强度已保持稳定不再发生明显的变化。

在成型过程中，物料颗粒产生了变形与位移，物料颗粒的接触表面同时也由于塑性变形的产生而发生了机械交织和咬合，从而使得物料成型压实，并且物料的颗粒在磨具内压实而将空气也排尽。

较小的成型压力不足以使煤粒亲密接触，使其相对密度较小，煤粒与煤粒之间的空隙较多;成型压力不断增大时，型煤、型焦的抗压强
度同样保持逐渐增大的趋势，在成型压力使物料的密度增大至最佳值时，煤粒之间相互啮合，分子间的作用力最大，另一部分残余应力在型煤内部使物料间更加紧密有序的结合在一起，使型煤强度达到最佳［8－10］。

随着成型压力继续增大，低变质煤煤粒自身弹性就愈大，出现弹性大于塑性的状态，并且难以脱模，此时型煤的强度不再有增大的趋势，甚至由于物料的膨胀系数不同会导致型煤表面出现裂缝，而且需要具备较高强度的成型设备和提供较大的动力，无疑增大了型煤的成本。

因此，型煤成型时的最佳压力为40 kN。

2.4 热解温度的影响
陕北低变质煤和焦煤经破碎、筛分，使其平均粒度小于0.3 mm，加入10%的焦煤，在成型压力为40 kN、水分加入量为16%的条件下在台式粉末压片机压制成型，选取热解温度分别为400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃及900 ℃，通过箱式炉热解90 min 进行热解实验。

型煤(型焦)抗压强度与热解温度的关系曲
线如图4 所示。

图4 热解终温对型焦抗压强度的影响Fig.4 Effect of the pyrolysis temperature on briquette coal(formed coke)strength
由图4 可看出:随着热解终温的升高，型焦的抗压强度逐渐增大，尤其在［500 ℃，800 ℃］终温区间内，抗压强度增大的比较明显，在800 ℃时型焦抗压强度达到3790 N/Ball。

型煤在热解中会发生一系列反应，热解终温对型焦强度有着较为明显的影响。

在100 ～500 ℃时，物料中的水分逐渐蒸发，并且吸附在物料表面及内部的CO2、
N2、CH4 等气体通过孔隙析出，物料中的焦煤和液化残渣随着温度的增大逐渐分解，并且生成熔融状态的胶质体，胶质体有助于提高型焦的强度;较高的温度可以
促进生物质的软化、水分的脱除，并且物料间发生相互相胶结作用使其具有一定塑性的状态，其间生成具有粘结性的胶质体，最终增强型煤(型焦)的机械强度［11］。

热解温度在500 ～600 ℃温度段，热解反应十分激烈，型焦强度明显增大;当终温达到600 ℃时，焦煤可以充分发挥粘结作用，型焦强度趋于稳定，型焦强度达到3790 N/Ball。

然而过高的温度容易增加型焦的脆性，不利于型焦的机械强度，温度的不断升高无疑提高了热解工艺的成本，从图中可以明显的看出，型焦的强度在600 ℃以上就趋于平稳化，所以选择热解终温为600 ℃。

3 结论
(1)通过以焦煤作粘结剂进行型煤热解实验的研究，可以得知型煤(型焦)的抗压强度均随着焦煤加入量的增大而升高，但是考虑到焦煤的成本，选用10%的焦煤较为
适宜。

(2)成型压力型煤制备也是有较大影响的，在一定范围内，型煤的强度随着成型压
力的增大而增大，选择40 kN 的强度较为适宜;水分在型煤制备的过程中起着润滑剂的作用，型煤的强度随着成型压力的增大而增大，16%的水分更佳。

(3)型煤的热解温度对于型焦的强度影响较大，型焦的强度随着热解温度的增大而
增大，型焦的强度在600 ℃以上就趋于平稳化。

参考文献
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