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      型煤技術

      2019-02-18 16:54:14 430

        一、概述
        煤炭成型的歷史表明,型煤技術是團礦最古老的技術之一,即將粉煤或低品位煤加工制成一定強度和形狀的煤制品的技術。型煤技術不是簡單地將粉煤壓制成型,而是使其改質改性,使本來不適于使用的粉煤、煤泥達到工業用煤的標準。型煤技術也是目前七項潔凈煤技術之一,是具有建廠投資少、見效快;大幅度降低煙塵排放量,固硫效果好,燃燒效率高,灰渣含碳量低,減少燃料費用,降低生產成本等,因而具有顯著經濟效益,環保效益和社會效益。
        二、型煤的原理和特點
        型煤是一種或多種性質不同的煤炭按著本身特性經科學配合摻混一定比例的添加劑(也可不摻) 、固硫劑、膨松劑等,使其發熱量、揮發份、固硫率等技術指標達到預定的數值,經過粉碎、混配成型等工藝過程加工成具有一定幾何形狀和冷熱強度并有良好燃燒和環保效果的固態工業燃料。
        型煤總體來說具有如下特點:
        1、具有足夠的冷機械強度;
        2、具有足夠的熱穩定性;
        3、具有很強的耐濕、防水性能;
        4、具有較強的抗凍性能;
        5、具有自然固化快的性能;
        6、節約能源;
        7、降低環境污染。
        三、型煤成型的機理
        21世紀是能源結構多元化時代,煤炭在能源消費結構中的主導地位不會改變。專家估計未來二三十年煤炭需求量將會增加.伴隨機械化采煤產生的大量粉煤需要處理,發展型煤技術勢在必行。中國從20世紀50年代開始研究民用型煤,其技術已達到國際水平;60年代開始研究工業型煤,取得了一定成果,建起了一批型煤廠。據1996年煤炭部型煤技術現狀調查報道,所考察的近四十家工業造氣煤廠中,沒有一個能正常生產;近十幾年來,型煤廠仍在低水平重復建設;型煤生產過程中諸多問題不能突破,嚴重制約了型煤產業化。其主要原因是成型基礎研究薄弱,實踐一直超越理論的發展。因此,加強粉煤成型性能及成型機理等基礎研究迫在眉睫。
        粉煤成型工藝分冷壓成型和熱壓成型,目前以冷壓成型為主;冷壓成型又分為粘結劑成型和無粘結劑成型,以有粘結劑成型為主.根據我國國情,粉煤成型多采用添加粘結劑、冷壓成型工藝。
        1、粉煤無粘結劑成型機理
        粉煤無粘結劑成型是指不外加粘結劑,而是依靠煤炭自身的性質和粘結性組分,在外力作用下壓制成型煤的過程。適于無粘結劑成型的煤種有年輕褐煤。
        1.1、褐煤無粘結劑成型機理
        關于褐煤無粘結劑成型機理眾說不一,有各種假說,如瀝青、腐植酸、毛細孔、膠體、分子粘合等假說但都認為“自身粘結劑”的存在,是褐煤無粘結劑成型的重要基礎。
        1.1.1、瀝青假說。瀝青假說是早期的假說.瀝青假說認為,煤中瀝青質是煤粒間粘結成型的主要物質。瀝青的軟化點為70℃~80℃.在加壓成型過程中,由于煤粒間相對位移,彼此相互推擠、摩擦產生的熱 量,使瀝青質軟化成為具有粘結性的塑性物質,將煤粒粘結在一起成為型煤。
        1.1.2、腐植酸假說。褐煤中含有游離腐植酸,游離腐植酸是一種膠體,具有強極性。在成型過程中,外力作用使煤粒間緊密接觸.具有強極性的腐植酸分子,使煤粒間相結合的分子間力得以加強而成型。
        1.1.3、毛細孔假說。毛細孔假說認為,褐煤中有大量含水的毛細孔。成型時毛細孔被壓潰,其中的水被擠出,覆蓋于煤粒表面形成水膜,進而充填煤粒間的空隙,呈現出相互作用的分子間力,加強了煤粒的接觸而成型。
        1.1.4、膠體假說。膠體假說認為,褐煤由固相和液相兩部分物質組成,固相物質是由許多極小的膠質腐植酸顆粒構成,其粒度為1μm一10nm。在成型過程中使膠粒密集而產生聚集力,形成具有一定強度的型煤。
        1.1.5、分子粘合假說。分子粘合假說由那烏莫維奇提出。認為粒子間的結合是在壓力作用下,由于粒子間接觸緊密而出現分子粘合的結果。
        上述假說都只從某一個方面解釋了成型過程中的一些現象,還有待進一步探討。
        1.2、 其他煤種無粘結劑成型機理。
        1.2.1、型煤的濕態粘結機理。碎散性煤料在濕態下被壓制成型的主要原因,是煤粒間存在著一定的粘結性。煤在破碎加工過程中,其中一些橋鍵或晶格斷裂,形成一些不飽和鍵,使煤粒表面產生微弱的負電荷,極性的水分子被煤粒吸附形成水化膜,煤粒通過粘結性的水化膜連接而成型。
        1.2.2、型煤的干態粘結機理。在型煤干燥過程中,隨著型煤的水化膜逐漸變薄,液膜水的表面張力增大,煤粒受力彼此靠的更近,煤分子間的范德華力增大。直至液膜的水蒸干,煤分子間的范德華力達到。此外,干煤粒間摩擦阻力大,煤粒彼此鑲嵌產生較大的機械嚙合力。因此,干態型煤主要靠煤分子間的范德華力和煤粒間的機械嚙合力使煤粒緊密粘結而成型,在對弱粘結煤、肥煤、焦煤、無煙煤等不同煤種的無粘結劑成型研究后發現焦煤成型性能,其型煤表面致密、光潔,抗壓強度高,防水性能好;而無煙煤成型性能最差,其型煤質量低,抗壓強度小。這是由于焦煤的顯微硬度小,無煙煤顯微硬度大。軟質煤在成型過程中易被壓碎,產生更細的煤粉填充到煤粒間隙中,達到最緊密堆積,使型煤致密光潔,抗壓強度高。
        2、粉煤有粘結劑成型機理
        粉煤有粘結劑成型,是指粉煤與外加粘結劑充分混合均勻后,在一定的壓力下壓制成型煤的過程。有粘結劑成型的煤種為年老褐煤、煙煤、無煙煤等;粘結劑為煤焦油、焦油瀝青、石油瀝青(又稱石油殘渣)或水溶性如硅酸鈉等粘結劑。成型煤料為-3mm(占95%以上)的粉煤,具有類似砂土的碎散性.從熱力學觀點出發,粉煤成型過程是體系的熵減小的非自發過程。欲使粉煤成為具有一定強度的型煤,外力做功和粘結劑是重要的基礎條件.粘結劑的選擇關系到型煤的質量和成本,也是型煤產業化的制約因素。因此,研究粉煤成型機理,關鍵是探討煤與粘結劑間的相互作用,即作用力的類型、大小及其影響因素.搞清粉煤成型機理將為開發型煤粘結劑、實現型煤工業化,乃至粉料成型相關領域(包括冶金、化工、建材、醫藥等)提供理論依據。粉煤有粘結劑成型機理研究的文獻報道甚少,相關領域如礦粉團球、壓塊等粉料成型機理研究也不多。
        2.1、浸(潤)濕與橋接
        煤粒與粘結劑間的浸濕和粘合直接影響型煤質量。以煤和焦油瀝青成型為例,除煤的含水量要影響煤粒與焦油瀝青的浸濕與粘合外,瀝青的粘度和組成也會影響成型過程。瀝青的粘度決定型煤的冷態抗壓強度;瀝青中含成焦組分的多少決定型煤的熱穩定性。當瀝青與低揮發分煤成型時,成焦組分在型煤結構中形成瀝青焦骨架,使型煤具有好的熱穩定性。為了使瀝青類粘結劑獲得最合適的粘度,前蘇聯學者研究了瀝青的重要性質。研究發現,瀝青粘度發生顯著變化的兩個階段,一個是從固態向塑性狀態的轉變階段;另一個是從液態向高流動狀態的轉變階段。瀝青在室溫下呈固態,只有在溫度高于其軟化點20℃~25℃下,才能與煤?;旌暇鶆虿⒊浞纸?。前蘇聯學者采用了一種特殊的料粒拋光技術,通過顯微鏡觀察研究了煤與瀝青粘合劑的混合料.結果表明,在成型過程中瀝青粘結劑只能部分地將煤粒浸(潤)濕。進入成型機的物料內,大部分煤粒通過“粘結劑橋”連接而成型。
        成型前的粘結劑應呈塑性狀態并具有良好的擴展性,成型后型煤內粘結劑要盡快固化,形成能承受機械力作用的骨架結構,以使型煤具有足夠的強度。型塊強度是顆粒和固化粘結劑構成的類似混凝土結構的總體強度的體現.若成型物料的結構強度低于由粘結劑固化形成66骨架強度,則提高成型物料的粉碎細度,以增加顆??偙砻娣e,型塊強度取決于物料的結構強度。
        2.2、機械結合力與物理化學結合力
        對褐煤成型主要工藝條件的研究結果,認為煤粒和粘結劑之間的作用過程十分復雜,包括潤濕、傳質、結合等過程。粘結劑與被粘結物之間的結合力,是機械結合力與物理化學結合力的綜合結果。對于煤這種非極性多孔物料,機械結合力起決定性作用.型煤強度是粘結劑滲入煤粒間隙中,脫水、固化產生機械鍵合的結果.粘結劑脫水、硬化、固結過程中,型煤隨水分蒸發而收縮,顆粒間距離減小,碎散阻力增大,型煤強度增加。
        2.3、最小接觸角及粘結功
        以型煤抗壓強度定量表征煤與粘結劑間作用力的大小,即煤與粘結劑間的潤濕程度。理論分析認為粘結劑與煤粒間產生粘結的前提條件,是粘結劑潤濕煤粒表面。其潤濕程度可用接觸角、粘結功表示.即接觸角越小,粘結功越大,潤濕程度越大。利用CD—A型協和接觸角儀、CBVD型協和表面張力儀,分別測量了在型煤與粘結劑間的接觸角及液態粘結劑的表面張力。隨著煤表面疏水基團的增加,煤與水的接觸角變大,煤被水潤濕程度變小,型煤抗壓強度小,即煤與粘結劑間的作用力小。
        通過掃描電鏡對工業型煤微觀結構進行的研究,發現在煤粒表面及孔隙中均有粘結劑水化形成的凝膠體和各種形態的結晶體。這些凝膠體和晶體將煤粒包圍起來,并相互連接形成晶體網絡,從而將煤粒牢固粘結在一起成為型煤.型煤中凝膠體越多,棒狀、柱狀及針狀晶體越發育,分布越均勻,則型煤強度越高。
        用同樣方法觀察了不同煤種與不同粘結劑的型煤微觀結構,得到相同結論;并結合各型煤的紅外光譜圖,定性分析比較了型煤與原煤的官能團的差異,表明在型煤中有新官能團生成,即型煤內煤粒間有化學鍵力的作用。
        3、有粘結劑礦粉低溫固結機理研究
        應用表面化學觀點研究有粘結劑鐵精礦低溫固結機理,認為低溫固結是粘結劑與造塊物料間粘附力和內聚力共同作用的結果。粘附力是指粘結劑與造塊物料之間的作用力;內聚力是指粘結劑或造塊物料本身分子間吸引力。當有粘結劑存在時,粘結劑對顆粒表面的潤濕作用,使物料顆粒由固—固接觸變為液—固接觸。因此,低溫固結實質是固—液界面現象。粘附力的大小受物料顆粒的表面形狀、粗糙度、潤濕性、粒度等因素影響。固結團塊強度既與分子間作用力(即范德華引力)、顆粒表面凹凸不平而產生的機械聯接力有關,也與靜電引力、化學鍵力有關。
        科研工作者從表面潤濕熱、表面電性及紅外光譜測試入手,對粘結劑與鐵礦粉表面作用機理及生球強度的機理作了大量研究。從理論上導出了生球強度界面能綜合模型;提出了含粘結劑的磁鐵礦粉生球的強度取決于顆粒間的化學作用能、粘滯作用能、毛細引力能、范德華引力能、靜電作用能和磁引力能,主要由化學作用能、粘滯作用能、毛細引力能所決定的新觀點,豐富和發展了生球強度理論。
        4、結論
        粉煤成型機理研究的重點是弄清型煤內煤粒之間、煤粒與粘結劑之間作用力的類型、作用力的大小及其影響因素;其目的是為開發型煤粘結劑,加快工業型煤產業化提供理論依據。已有的研究結果表明,型煤內煤粒之間、煤粒與粘結劑之間存在著復雜的作用力,有機械力、物理力、化學力及物理化學力。此項研究定性多于定量,理論分析多于儀器測試.有待于加強儀器測試定量研究工作。
        四、工業型煤技術的應用領域和發展前景
        型煤技術是我國當前發展潔凈煤技術產業化的七項技術之一,它投資少、建廠周期短、見效快、節能、環保效益顯著。目前我國的工業鍋爐、窯爐基本上都是散燒,年耗原煤400Mt以上,熱效率低下、環境污染嚴重。發展爐窯用型煤,是改變這種狀況的重要途徑。工業鍋爐、窯爐燃用型煤后可達到節煤、降塵、減少有害氣體的排放量的效果。和燒散煤相比可節煤15%~20%,提高熱效率10%~15%,減小煙塵排放量60%~80%,強致癌物(Bap)減少50%以上。型煤添加固硫劑后,SO2、NOx的排放量減少50%~60%。型煤技術不僅使低質的粉煤、泥煤、褐煤提高了其經濟價值,而且在利用過程中可以給人們一個相對潔凈的環境。我國現有工業鍋爐、窯爐60多萬臺,都屬于層燃式,適宜燃用塊狀燃料。
        我國燃料氣的生產及化肥廠合成氣的生產都需要塊煤。但是隨著采煤機械化程度的提高,塊煤產率逐漸下降,難以滿足工業對塊煤的需求。粉煤、泥煤堆積量日益增加。發展工業型煤,不僅可以緩解塊煤供不應求的被動局面,而且為粉煤、泥煤的合理、有效利用開辟了新的途徑。型煤成型過程中,通過加入不同的添加劑,改變原料煤的某些特性,增加反應活性、易燃性、熱穩定性,提高灰熔點,同時具有固硫等功能。使不能用于氣化爐或鍋爐的弱粘結性煤破粘,變成適用的造氣型煤或鍋爐型煤,從而擴大煤炭的利用途徑。在一臺型煤成型機上,可以按照鍋爐燃煤的粒徑級配要求,適當改變型窩的形狀,生產多粒級型煤,再與經過分級的篩上原煤混燒,這樣可以實現燃料煤的粒徑級配。從而改善鍋爐,窯爐的燃燒特性,提高燃燒熱效率,節約煤炭資源。
        型煤分為民用型煤和工業型煤。民用型煤與散煤相比,一般可節省20%-30%,煙塵和SO2減少40-60%,CO減少80%。工業爐窯燃燒型煤比燃原煤可節煤15%,煙塵減少50-60%,SO2減少40%-50%。
        目前我國城鎮和農村居民生活用煤炭量在1.3億噸左右,其中城鎮居民生活用煤約1億噸。我國城鎮居民生活用煤的型煤普及率約為30%-50%,而農村則幾乎全部為燒散煤。我國目前有工業鍋爐40多萬臺,工業窯爐16萬多臺,年耗煤約4億噸,按設計要求均需供應塊煤或型煤,但實際上塊煤供應不足。型煤(工業燃料型煤)還在起步階段,年產量不超過1000萬噸。同時,我國化肥、冶金、建材、機械、玻璃、陶瓷等行業大量使用的煤氣發生爐年需塊煤4000多萬噸,實際年供應量僅2200多萬噸,缺口也很大。
        隨著機械化程度的提高,我國塊煤的生產比例越來越小,粉煤的比例越來越大,可到80%以上。因此,發展型煤以替代塊煤,不僅有廣闊的市場需求,可以提高燃用效率,減少污染氣體排放,而且還可以充分利用大量粉煤和煤泥,減少它們本身對環境的污染。
        五、型煤的定義和分類
        1、型煤的定義
        型煤是用一種和數種煤與一定比例的粘合劑、固硫劑、助燃劑經加工成一定形狀和有一定的理化性能(冷強度、熱強度、熱穩定性、防水性等)的塊狀燃料或原料。
        2、型煤的分類
        目前國內外工業型煤種類繁多、工藝類型復雜、粘合劑原料范圍不斷擴大,為了有層次的了解工業型煤狀況,現簡單分類如下:
        2.1、按用途不同分為三類:
        2.1.1、燃料型煤:鍋爐型煤、窯爐型煤、機車型煤;
        2.1.2、氣化型煤:工業燃氣用造氣、合成氨造氣;
        2.1.3、冶煉球團:球團煉鐵、球團煉錳等其它金屬礦粉球團。
        2.2、按成型方法分類
        2.2.1、工業型煤:沖壓成型、擠壓成型、滾壓成型、圓盤造粒。
        2.2.2、民用型煤:沖壓成型、滾壓成型。
        2.3、 形狀分類
        2.3.1、工業型煤:球形、卵形、柱形、枕形、管形。
        2.3.2、民用型煤:蜂窩形、球形、卵形。
        六、型煤的質量要求及指標
        型煤的質量要求:
        型煤只有滿足長途運輸和露天堆放的要求,具有與塊煤相同或更好的性能才能進入市場,才能實現產業化、商品化。所以粘合劑是型煤抗壓強度、防水性能的關鍵。
        1.1、有一定的機械強度,包括初始強度、冷強度、熱強度和熱穩定性。
        1.2、要有一定的防潮、防水性能。
        1.3、氣化型煤不要影響氣化效果、煤氣質量及爐的可操作性等。
        1.4、氣質、氣量穩定,蒸汽分解率高,
        1.5、型煤與原料煤固定碳相比降低幅度小。
        2、工業型煤要求和特點
        2.1、對于不同爐排的鍋爐、型煤的大小、冷強度的要求是不同的。往復爐排型煤的尺寸、粒度可大些、鏈條爐型煤的尺寸、粒度可小些、冷強度的要求可低些。
        2.2、對于煤氣發生爐型煤、型焦來說工業鍋爐型煤技術指標要求可低些。
        2.3、冷壓強度:工業鍋爐型煤與煤氣發生爐型煤、型焦的冷壓強度可以基本相同,但也可低些。一般20--30公斤/個。
        2.4、熱強度:工業鍋爐型煤可以不要熱強度,或很小的強度,但煤氣發生爐型煤、型焦就必須有足夠的熱強度。一般不小于20公斤/個。
        2.5、粒度的大?。汗I鍋爐型煤的粒度,固定爐排一般在50克/個、移動爐排一般在10--20克/個。
        2.6、其他如防水性、烘干、落下強度、轉鼓強度,都相差不大。在商品化工業鍋爐型煤情況下,同時要滿足防水、無需烘干、粘合劑價廉、冷強度大比較容易達到,對于商品化煤氣發生爐、型焦除上述條件外,還要滿足熱強度的要求。
        型煤的質量指標:
        工業型煤的指標目前沒有全國統一的標準,是要地方推薦標準,揮發分30%左右,熱值4000大卡/公斤左右。主要是強度和放水及不破碎的指標,不同的地方有所差別。
        一般來說有,工業型煤主要型煤的塊度完整,無裂紋,機械強度高。對單個型煤垂直施加使其破碎的壓力達600-800N或更高,型煤的落下強度要求:由1.85m高度自由落下3次后,≥13mm塊度的量占總試樣總量達95%,在運輸過程重不破裂,長期儲存不風化,具有一定的熱值(4000大卡/公斤左右),較少的灰分和硫分含量、較高的灰熔點和燃燒時對環境污染小、熱穩定性高,燃燒好。

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