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低阶粉煤制备型煤/焦及粘结机理研究

乔星星  
【摘要】:低阶粉煤制型煤/焦(气化焦)技术是低阶煤科学、合理转化的一条重要技术途径。目前,国内外学者对以低挥发分碳质原料(如无烟煤煤粉、焦粉、半焦粉)为主体原料制备型煤/焦技术进行了广泛研究,而关于褐煤、低变质烟煤等低阶煤成型-炭化直接制备型煤/焦的研究较少。针对现有技术和研究中存在以下问题:①影响型煤/焦强度的因素之间存在交互作用,且粘结作用机制随煤种、煤质变化而变化,并没有形成统一认识;②影响型煤/焦强度的粉煤成型和型煤炭化过程的研究不系统,特别是这两个关键阶段中粘结力类型、来源、大小及影响因素等科学基础问题认识不清;③粘结剂种类多,且炭化过程中煤与粘结剂的粘结作用机制尚不明确。本文以低变质烟煤为主要原料,考察了无粘结剂成型和粘结剂成型过程中成型条件和炭化条件对型煤/焦强度的影响,并分别对冷态和热态时粘结作用机理进行研究;详细分析了粉煤成型过程中粘结力类型、来源及大小,并利用MATLAB软件对其进行数值模拟和评价;最后,研究了煤、粘结剂和型煤热解特性及动力学。经研究获得的主要结果和结论如下。1、无粘结剂成型煤块的强度与煤种、成型负荷、粒径分布、水分添加量等成型条件密切相关,且各因素之间存在交互作用。随着原料煤粒径减小、成型负荷(40~150 KN)和水分添加量(8~24%)增加,抗压强度逐渐升高,而跌落强度先升高后略微降低,其中细煤粉(0.125 mm)最佳配入比例在60~80%内随水分添加量的增加而升高。型煤完全开裂时的跌落次数受成型条件的影响程度为:粒径分布水分添加量成型负荷。无粘结剂成型的最佳成型条件为:成型负荷为100kn,细煤粉含量为60%,水分添加量为15~20%,此时成型煤块的抗压强度为3.16~4.40mpa,跌落强度80%,且完全开裂时的跌落次数为4次。2、煤表面含氧官能团、电势特性和孔结构特性是无粘结剂成型时影响煤粒间粘结作用的重要因素。煤表面含氧官能团越多,微孔容积越高,润湿性增强,越有利于无粘结剂成型,其中煤表面含氧官能团与煤粒间自由移动液体之间可形成氢键(o-h···o),氢键力是煤粒之间在无粘结剂成型阶段的主要粘结作用力。3、粘结剂类型及配比量是粘结剂成型煤块强度的主要影响因素。添加有机粘结剂(聚乙烯醇pva、酚醛树脂pr、碱化淀粉as、羟甲基纤维素甲酯hpmc)和无机粘结剂(硅酸钠、膨润土)后明显提高了型煤块的跌落强度,但变化趋势不同,型煤的湿态和干态跌落强度均高于95%时的pva、pr、as、hpmc添加量依次为0.6%、5%、10%、5%,而添加20%的硅酸钠和膨润土时,干态强度分别为94.6%和96.6%,但湿态强度较差,分别为86.1%和84.1%。4、冷压成型条件、炭化条件和粘结剂类型及添加量对炭化产率、炭化型煤密度cr和强度具有不同程度地影响。炭化产率和cr随水分添加量和炭化温度变化明显。随着成型负荷、细煤粉(0.125mm)含量、水分添加量和改性煤粘结剂添加量增加,炭化后抗压强度均有不同程度地提高,且影响程度关系为:改性煤粘结剂添加量水分添加量成型负荷粒径分布,而跌落强度随成型条件变化呈现出先升高后降低的趋势。随着炭化温度在350~850oc范围内升高,炭化型煤的抗压强度和跌落强度均呈现先降低后升高的趋势,最高达9.10mpa,当炭化温度为450oc时,抗压强度和跌落强度达到最小,分别为2.05mpa和69.2%。5、随着炭化温度在350~850oc内升高,总孔容和平均孔直径基本上呈现出先降低后升高的趋势,而比表面积没有明显变化规律;芳香层面层间距d002由3.58?逐渐降低至3.52?,芳核有效堆积高度lc和芳香层层面直径la分别由14.31?、41.42?升高至26.75?、68.32?,芳香度fa为0.30~0.63,表明芳环的缩合程度逐渐升高,碳网结构更加稳固;脂肪族c-h、芳烃c=c和c=o等特征峰随炭化温度的升高而逐渐减弱,表明炭化脱除了大量的脂肪烃侧链和脂肪醚键及部分含氧官能团;改性煤粘结剂在煤表面依次发生吸附和软化(~450oc)、浸润和粘结(450~650oc),以及固化收缩(650~850oc)等过程。6、粉煤成型过程中粘结作用力类型主要为:范德华力vf、液桥力lf、粘附力af、固桥力sf和机械啮合力mf。数值模拟及分析知,煤自身性质、煤粒半径r、煤粒间距离s、液体表面张力s和粘度m等因素对粘结力大小具有不同程度地影响。粘结剂成型时,各粘结力的大小顺序为:mfsfaflfvf,即主要以机械啮合力和固桥力为主。无粘结剂成型时,sf和l2f近似为零,粘结力大小顺序为:mfafl1fvf,即主要以机械啮合力和氢键力为主。7、神木煤、改性煤粘结剂和型煤在炭化时释放出h2、ch4和co2等气体产物,其中改性煤粘结剂产生大量h2对混合料热解具有促进作用。采用一级反应描述其热解动力学,并运用coats-redfern积分法拟合,神木煤和改性煤粘结剂在各温度段拟合情况较好,型煤在500oc时拟合度较好,而在500~850oc时拟合度明显降低。热解-粘结和固化收缩阶段中,煤与改性煤粘结剂热解存在协同效应。三者的活化能e均随温度升高呈现出先升高后降低的趋势,350~500oc温度段活化能最高,分别为59.66kj·mol~(-1)、52.59kj·mol~(-1)和44.84kj·mol~(-1)。8、以自主研发的改性煤作为粘结剂,冷压成型并经850oc炭化后,宝日希勒褐煤型煤的炭化产率为48.83%,神木、黑山、宽沟、潞安烟煤型煤的炭化产率为60~65%,晋城无烟煤型煤的炭化产率为77.66%。炭化后,褐煤型煤密度和抗压强度为0.81 g/cm~3和3.99 MPa,烟煤型煤密度和抗压强度为0.96~1.13 g/cm~3和5.45~9.42 MPa,无烟煤型煤密度和抗压强度为1.18 g/cm~3和17.05 MPa。


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