低階粉煤制備型煤-焦及粘結(jié)機理研究.pdf

1、低階粉煤制型煤/焦（氣化焦）技術(shù)是低階煤科學、合理轉(zhuǎn)化的一條重要技術(shù)途徑。目前，國內(nèi)外學者對以低揮發(fā)分碳質(zhì)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(shù)進行了廣泛研究，而關(guān)于褐煤、低變質(zhì)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(xiàn)有技術(shù)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(jié)作用機制隨煤種、煤質(zhì)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(guān)鍵階段中粘結(jié)力類型、來源、大小及影響因素等科學基礎(chǔ)問題認識不清；③粘結(jié)劑種類多，且炭化過程中煤與粘結(jié)劑的粘結(jié)作用機制尚不明確。本文以低變質(zhì)煙煤為主要原料，考察了無粘結(jié)劑成型和粘結(jié)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(jié)作用機理進行研究；詳細分析了粉煤成型過程中粘結(jié)力類型、來源及大小，并利用MATLAB軟件對其進行數(shù)值模擬和評價；最后，研究了煤、粘結(jié)劑和型煤熱解特性及動力學。經(jīng)研究獲得的主

3、要結(jié)果和結(jié)論如下。
　　1、無粘結(jié)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(guān)，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(nèi)隨水分添加量的增加而升高。型煤完全開裂時的跌落次數(shù)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(jié)

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(shù)為4次。
　　2、煤表面含氧官能團、電勢特性和孔結(jié)構(gòu)特性是無粘結(jié)劑成型時影響煤粒間粘結(jié)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(jié)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(jié)劑成型階段的主要粘結(jié)作用力。
　　3、粘結(jié)劑類型及配比量是粘結(jié)劑成型煤塊強度的主要影響因素。添加有機粘結(jié)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(jié)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(jié)劑類型及添加量對炭化產(chǎn)率、炭化型煤密度ρc和強度具有不同程度地影響。炭化產(chǎn)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(jié)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(guān)系為：改性煤粘結(jié)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(xiàn)出先升高后降低的趨勢。隨著炭化溫度在350~850℃范圍內(nèi)升高，炭化型煤的抗壓強度和跌落強度均呈現(xiàn)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(nèi)升高，總孔容和平均孔直徑基本上呈現(xiàn)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(wǎng)結(jié)構(gòu)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(cè)鏈和脂肪醚鍵及部分含氧官能團；改性煤粘結(jié)劑在煤表面依次發(fā)生吸附和軟化（~450℃）、浸潤和粘結(jié)（450~650℃），以及固化收縮（650~850℃）等過程。
　　

9、6、粉煤成型過程中粘結(jié)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(shù)值模擬及分析知，煤自身性質(zhì)、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(jié)力大小具有不同程度地影響。粘結(jié)劑成型時，各粘結(jié)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(jié)劑成型時，F(xiàn)s和Fl2近似為零，粘結(jié)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(jié)劑和型煤在炭化時釋放出H2、CH4和CO2等氣體產(chǎn)物，其中改性煤粘結(jié)劑產(chǎn)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(jié)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(jié)和固化收縮階段中，煤與改性煤粘結(jié)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(xiàn)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(jié)劑，冷壓成型并經(jīng)850℃炭化后，寶日希勒褐煤型煤的炭化產(chǎn)率為48.83%，神木、黑山、寬溝、潞安煙煤型煤的炭化產(chǎn)率為60~65%，晉城無煙煤型煤的炭化產(chǎn)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.