低階粉煤制備型煤-焦及粘結機理研究.pdf

1、低階粉煤制型煤/焦（氣化焦）技術是低階煤科學、合理轉化的一條重要技術途徑。目前，國內外學者對以低揮發(fā)分碳質原料（如無煙煤煤粉、焦粉、半焦粉）為主體原料制備型煤/焦技術進行了廣泛研究，而關于褐煤、低變質煙煤等低階煤成型-炭化直接制備型煤/焦的研究較少。針對現有技術和研究中存在以下問題：①影響型煤/焦強度的因素之間存在交互作用，且粘結作用機制隨煤種、煤質變化而變化，并沒有形成統(tǒng)一認識；②影響型煤/焦強度的粉煤成型和型煤炭化過程的研究不系統(tǒng)，

2、特別是這兩個關鍵階段中粘結力類型、來源、大小及影響因素等科學基礎問題認識不清；③粘結劑種類多，且炭化過程中煤與粘結劑的粘結作用機制尚不明確。本文以低變質煙煤為主要原料，考察了無粘結劑成型和粘結劑成型過程中成型條件和炭化條件對型煤/焦強度的影響，并分別對冷態(tài)和熱態(tài)時粘結作用機理進行研究；詳細分析了粉煤成型過程中粘結力類型、來源及大小，并利用MATLAB軟件對其進行數值模擬和評價；最后，研究了煤、粘結劑和型煤熱解特性及動力學。經研究獲得的主

3、要結果和結論如下。
　　1、無粘結劑成型煤塊的強度與煤種、成型負荷、粒徑分布、水分添加量等成型條件密切相關，且各因素之間存在交互作用。隨著原料煤粒徑減小、成型負荷（40~150 KN）和水分添加量（8~24％）增加，抗壓強度逐漸升高，而跌落強度先升高后略微降低，其中細煤粉（＜0.125 mm）最佳配入比例在60~80%內隨水分添加量的增加而升高。型煤完全開裂時的跌落次數受成型條件的影響程度為：粒徑分布＞水分添加量＞成型負荷。無粘結

4、劑成型的最佳成型條件為：成型負荷為100 KN，細煤粉含量為60%，水分添加量為15~20%，此時成型煤塊的抗壓強度為3.16~4.40MPa，跌落強度＞80%，且完全開裂時的跌落次數為4次。
　　2、煤表面含氧官能團、電勢特性和孔結構特性是無粘結劑成型時影響煤粒間粘結作用的重要因素。煤表面含氧官能團越多，微孔容積越高，潤濕性增強，越有利于無粘結劑成型，其中煤表面含氧官能團與煤粒間自由移動液體之間可形成氫鍵（O-H···O），氫鍵

5、力是煤粒之間在無粘結劑成型階段的主要粘結作用力。
　　3、粘結劑類型及配比量是粘結劑成型煤塊強度的主要影響因素。添加有機粘結劑（聚乙烯醇PVA、酚醛樹脂PR、堿化淀粉AS、羥甲基纖維素甲酯 HPMC）和無機粘結劑（硅酸鈉、膨潤土）后明顯提高了型煤塊的跌落強度，但變化趨勢不同，型煤的濕態(tài)和干態(tài)跌落強度均高于95%時的PVA、PR、AS、HPMC添加量依次為0.6%、5%、10%、5%，而添加20%的硅酸鈉和膨潤土時，干態(tài)強度分別為9

6、4.6%和96.6%，但濕態(tài)強度較差，分別為86.1%和84.1%。
　　4、冷壓成型條件、炭化條件和粘結劑類型及添加量對炭化產率、炭化型煤密度ρc和強度具有不同程度地影響。炭化產率和ρc隨水分添加量和炭化溫度變化明顯。隨著成型負荷、細煤粉（＜0.125 mm）含量、水分添加量和改性煤粘結劑添加量增加，炭化后抗壓強度均有不同程度地提高，且影響程度關系為：改性煤粘結劑添加量＞水分添加量＞成型負荷＞粒徑分布，而跌落強度隨成型條件變化呈

7、現出先升高后降低的趨勢。隨著炭化溫度在350~850℃范圍內升高，炭化型煤的抗壓強度和跌落強度均呈現先降低后升高的趨勢，最高達9.10 MPa，當炭化溫度為450℃時，抗壓強度和跌落強度達到最小，分別為2.05 MPa和69.2%。
　　5、隨著炭化溫度在350~850℃內升高，總孔容和平均孔直徑基本上呈現出先降低后升高的趨勢，而比表面積沒有明顯變化規(guī)律；芳香層面層間距d002由3.58埃米逐漸降低至3.52埃米，芳核有效堆積高度

8、Lc和芳香層層面直徑La分別由14.31埃米、41.42埃米升高至26.75埃米、68.32埃米，芳香度fa為0.30~0.63，表明芳環(huán)的縮合程度逐漸升高，碳網結構更加穩(wěn)固；脂肪族C-H、芳烴C=C和C=O等特征峰隨炭化溫度的升高而逐漸減弱，表明炭化脫除了大量的脂肪烴側鏈和脂肪醚鍵及部分含氧官能團；改性煤粘結劑在煤表面依次發(fā)生吸附和軟化（~450℃）、浸潤和粘結（450~650℃），以及固化收縮（650~850℃）等過程。
　　

9、6、粉煤成型過程中粘結作用力類型主要為：范德華力Fv、液橋力Fl、粘附力Fa、固橋力Fs和機械嚙合力Fm。數值模擬及分析知，煤自身性質、煤粒半徑R、煤粒間距離s、液體表面張力σ和粘度μ等因素對粘結力大小具有不同程度地影響。粘結劑成型時，各粘結力的大小順序為：Fm＞Fs＞Fa＞Fl＞Fv，即主要以機械嚙合力和固橋力為主。無粘結劑成型時，Fs和Fl2近似為零，粘結力大小順序為：Fm＞Fa＞Fl1＞Fv，即主要以機械嚙合力和氫鍵力為主。

10、>　　7、神木煤、改性煤粘結劑和型煤在炭化時釋放出H2、CH4和CO2等氣體產物，其中改性煤粘結劑產生大量H2對混合料熱解具有促進作用。采用一級反應描述其熱解動力學，并運用Coats-Redfern積分法擬合，神木煤和改性煤粘結劑在各溫度段擬合情況較好，型煤在＜500℃時擬合度較好，而在500~850 ℃時擬合度明顯降低。熱解-粘結和固化收縮階段中，煤與改性煤粘結劑熱解存在協(xié)同效應。三者的活化能 E均隨溫度升高呈現出先升高后降低的趨勢，

11、350~500℃溫度段活化能最高，分別為59.66KJ·mol-1、52.59 KJ·mol-1和44.84 KJ·mol-1。
　　8、以自主研發(fā)的改性煤作為粘結劑，冷壓成型并經850℃炭化后，寶日希勒褐煤型煤的炭化產率為48.83%，神木、黑山、寬溝、潞安煙煤型煤的炭化產率為60~65%，晉城無煙煤型煤的炭化產率為77.66%。炭化后，褐煤型煤密度和抗壓強度為0.81 g/cm3和3.99 Mpa，煙煤型煤密度和抗壓強度為0.