加壓氣化用型煤的制備與性能研究

加壓氣化用型煤的制備與性能研究

0成型壓力與粒度對型煤力學(xué)性能的影響由于國內(nèi)塊煤供應(yīng)不足和依舒氣化爐數(shù)量持續(xù)增加，生產(chǎn)魯奇壓縮氣態(tài)化煤炭是未來發(fā)展的重要方向。型煤的性能,包括冷壓強度、熱壓強度、熱穩(wěn)定性和濕壓強度等對型煤能否應(yīng)用于氣化至關(guān)重要。成型粉煤粒度組成和成型壓力是影響型煤性能的關(guān)鍵因素。型煤性能不僅與黏結(jié)劑種類以及添加量、成型水分、煤種和煤質(zhì)相關(guān),成型壓力和成型粉煤粒度組成也是重要因素。吉登高等通過對粉煤成型前后粒度的變化研究認(rèn)為,原料粒度上限過大,或者小于0.5mm粒度含量過多,都會導(dǎo)致型煤質(zhì)量降低。徐德平等認(rèn)為無黏結(jié)劑高壓成型時,隨著煤粒度的減小,型煤強度增大;有黏結(jié)劑低壓成型時,無煙煤和煙煤的粒度可適當(dāng)偏大,褐煤要保持較小的成型粒度。諶倫建等采用理論分析方法對原料煤級配進行分析,認(rèn)為合理的原料煤級配應(yīng)保證煤粒之間填充密實,孔隙率最低,黏結(jié)劑用量最少,型煤強度最高。王衛(wèi)東等認(rèn)為當(dāng)成型壓力小于煤粒壓潰力時,型煤的機械強度隨成型壓力的增大而提高,最佳成型壓力與煤種、物料水分、粒度組成以及黏結(jié)劑種類、數(shù)量等因素有密切關(guān)系。鄧加耀等研究發(fā)現(xiàn),成型壓力在30MPa以后型煤強度提高逐漸減緩,而且會帶來脫模困難、燃燒不完全等問題。楊鳳玲等認(rèn)為成型壓力大,型煤密實度大,過高成型壓力會破壞煤粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu),成型后的型煤會發(fā)生反彈現(xiàn)象,使型煤產(chǎn)生裂紋而降低型煤強度和防水性。成型壓力與粒度組成相關(guān)因素對型煤性能的影響,對優(yōu)化型煤成型工藝有重要參考作用。因此調(diào)整成型壓力與粒度組成,以進一步提高型煤性能,使其更好地適應(yīng)魯奇加壓氣化?；诖?筆者系統(tǒng)考察了成型壓力與粉煤粒度組成與分布對型煤強度及熱穩(wěn)定性的影響。通過揭示兩者間的交互作用規(guī)律,分析其對型煤強度和熱穩(wěn)定性的影響機理,從而優(yōu)化型煤的制備工藝過程,探究進一步提高型煤性能的途徑,以期為工業(yè)化提供理論支撐。1測試1.1mm煤的干燥、干燥和復(fù)配物原料無煙煤取自山西晉城礦區(qū),將其破碎磨粉后,用標(biāo)準(zhǔn)篩篩選出全粒度組分中的0.850~2.000、0.150~0.850、0.075~0.150和-0.075mm煤樣若干。樣品使用前于110℃下干燥5h;型煤黏結(jié)劑為腐植酸鈉(CR)與高嶺土(CP)的復(fù)配物;按照GB/T212—2008《煤炭工業(yè)分析方法》和GB476—1991《煤的元素分析方法》對原煤以及腐植酸鈉進行工業(yè)分析和元素分析,結(jié)果見表1。1.2復(fù)式振動篩測試儀器試驗所用的儀器有:成型模具(ue54f25mm柱狀,自制)、水平往復(fù)式振動篩(最大頻率300Hz,振幅40mm)、多功能成型測試壓力機(FR-壓縮試驗機)、Mastersizer2000激光粒度分析儀、S-360掃描電子顯微鏡。1.3制備高嶺土和高嶺土混合汁準(zhǔn)確稱取300g粉煤,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為2%的腐植酸鈉和高嶺土后預(yù)混合,再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%的水,混合攪拌均勻。稱取16g混合后煤樣于模具中,在設(shè)定的成型壓力下壓制出型煤,室溫中放置1h后于110℃下干燥5h備用。1.4工業(yè)型煤性能測試方法1)濕壓強度。型煤制備后立即在多功能成型測試壓力機上測試其抗壓強度,為型煤的濕壓強度。2)冷壓強度。按照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MTT748—1997《工業(yè)型煤冷壓強度測定方法》進行測量。3)熱壓強度。按照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MTT1073—2008《工業(yè)型煤熱強度測定方法》進行測量。4)熱穩(wěn)定性。按照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MTT924—2004《工業(yè)型煤熱穩(wěn)定性測量方法》進行測量。5)微觀結(jié)構(gòu)。采用掃描電子顯微鏡觀測型煤的表觀形貌。2結(jié)果與分析2.1成型壓力和熱穩(wěn)定性增加全粒度成型粉煤粒度組成見表2,0.850~2.000mm粒度組分含量最高,達(dá)36.50%,2.000~2.800mm粒度組分含量最少,小于0.181mm粒度粉煤含量為24%左右,中、細(xì)粒度比例適中。此粒度組成條件下,型煤的濕壓強度、冷壓強度、熱壓強度和熱穩(wěn)定性與成型壓力的關(guān)系如圖1所示。由圖1可知,型煤的濕壓強度隨成型壓力的增大基本不變。型煤的冷壓強度、熱壓強度和熱穩(wěn)定性隨成型壓力的增大緩慢增加,當(dāng)成型壓力為5.5MPa時,型煤的冷壓強度、熱壓強度和熱穩(wěn)定性分別為2908N、1957N、89.81%;當(dāng)成型壓力增至19.5MPa時,分別達(dá)到3969N、2364N、98.61%,成型壓力增幅72%,型煤的強度增幅20%左右,熱穩(wěn)定性增幅不足9%。成型壓力大幅增加,而型煤的性能指標(biāo)變化不明顯,尤其是在5.5MPa的成型壓力下,型煤的冷壓強度、熱壓強度和熱穩(wěn)定性仍然較高,該試驗結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)報道的研究結(jié)果不相符。為進一步探明原因,開展了0.850~2.000、0.150~0.850、0.0750~0.150和-0.075mm四種粒度組成粉煤在不同大小成型壓力下的試驗,結(jié)果如圖2所示。由圖2可看出,在相同的成型壓力下,型煤的濕壓強度、冷壓強度、熱壓強度和熱穩(wěn)定性隨成型粉煤粒度的變小而增加,在成型壓力為19.5MPa時增幅最小。成型粉煤粒度組成為0.850~2.00mm和0.150~0.850mm時,型煤的性能隨成型壓力的增大而升高,而當(dāng)成型粉煤粒度組成為0.075~0.850和-0.075mm時隨成型壓力升高變化不顯著,-0.150mm粒度粉煤成型時成型壓力對型煤的冷壓強度和熱穩(wěn)定性基本沒有影響。采用0.850~2.00mm粒度組成粉煤成型時,在5.5MPa的成型壓力下,型煤的冷壓、熱壓強度和熱穩(wěn)定性分別為304N、176N、1.3%,成型壓力為19.5MPa時,則增至1113N、721N、75.37%。當(dāng)以-0.075mm粒度粉煤成型時,在5.5MPa的成型壓力下,型煤的冷壓、熱壓強度和熱穩(wěn)定性分別為3630N、2590N、97.85%,成型壓力增至19.5MPa時,分別為3635N、3027N、98.03%。2.2粒度組成對型煤性能的影響越小粒度煤粒成型時型煤的性能越高,結(jié)合成型粒度級配原理,在19.5MPa成型壓力下,-0.150mm粒度粉煤(其余部分粒度組成為0.150~2.000mm)摻混不同比例對型煤性能的影響,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,隨著小于0.150mm粒度粉煤摻混比例的升高,型煤的性能指標(biāo)先升高后降低。添加比例為50%時,型煤的冷壓、熱壓強度和熱穩(wěn)定性分別為4239N、2713N、98.49%,型煤具有很好的性能;型煤的濕壓強度隨小于0.150mm粉煤添加量增加緩慢增大。2.3成型粉煤粒度對型煤性能的影響小顆粒煤粒成型時,成型粉煤的總表面積大,黏結(jié)劑在水分的作用下潤濕煤粒的總表面積大,黏結(jié)劑包裹面積也大,在適當(dāng)?shù)膲毫ψ饔孟?顆粒接觸面積大而易于團聚嚙合粘結(jié);煤粒之間通過粘附力、黏聚力與黏結(jié)劑成為整體,干燥固化后使型煤具有很高的性能。以大顆粒煤粒成型時,成型煤粒總表面積小,大顆粒煤粒的不規(guī)則度和不均一度大,黏結(jié)劑能夠包裹的面積小,煤粒之間接觸不緊密,不易形成粘附力與黏聚力。因此在相同成型壓力下型煤的性能隨成型粉煤粒度的變小而增加。成型壓力越大,顆粒之間堆積越緊密,黏結(jié)劑能發(fā)揮最大的效果。大顆粒煤成型時,在壓力作用下容易破碎、壓潰,二次破碎使煤粒之間相互穿插又增加了堆積度,并與黏結(jié)劑接觸相對充分;小顆粒煤成型時,在水分潤滑下容易移動,較小的成型壓力即可壓制密實,并且小顆粒因具有較好的規(guī)則度和均一度,表面棱角小,在相互滑移過程中不易破碎。因此大顆粒粉煤成型時,型煤性能隨壓力增加顯著增大,小顆粒成型時,則變化不明顯。當(dāng)成型壓力較高時,大顆粒粉煤部分被壓潰,二次造粒使成型粉煤粒度變小。因此隨成型粉煤粒度減小,成型壓力在19.5MPa時型煤各性能指標(biāo)增幅開始變緩。在19.5MPa成型壓力下,以-0.075mm粒度組成粉煤制備的型煤和以0.150~0.850mm粒度組成粉煤制備的型煤掃描電鏡圖如圖4所示?？梢钥闯?-0.075mm粒度組成型煤時顆粒之間通過黏結(jié)劑緊密接觸形成連續(xù)區(qū)域,而以0.150~0.850mm粒度組成型煤時,顆粒中有部分出現(xiàn)斷面、被壓裂,并且顆粒之間接觸不緊密,有明顯間隙。2.4小顆粒與大顆粒粉煤的固結(jié)性成型粉煤粒度組成越小,成型后孔隙總數(shù)、孔半徑和孔隙率越小,型煤的冷壓強度、熱壓強度和熱穩(wěn)定性越高。但最佳選擇并非越小越好,成型粒度過小,會增加破碎能耗,降低黏結(jié)劑利用率,也不利于粉煤添加黏結(jié)劑和水后的攪拌與混勻。最佳粒度組成應(yīng)實現(xiàn)大顆粒煤均勻鑲嵌在細(xì)顆粒間,大顆粒成為型煤中的骨架,小顆粒粉煤在黏結(jié)劑的作用下團聚,整體粘附于大顆粒周圍,增強了成型可塑性,使型煤的整體固結(jié)性達(dá)到最大。小顆粒煤容易接觸緊密,大顆粒在小顆粒粉煤包裹下有序穿插,型煤的抗壓強度和熱穩(wěn)定性才會最佳。因此小于0.150mm粒度粉煤占成型煤粉的比例適中時型煤的性能最佳。圖5為小于0.150mm粒度粉煤不同摻混比的型煤電鏡形貌。由圖5a可以看出,單純-0.150mm粒度粉煤成型時,小顆粒之間雖接觸緊密,但沒有大顆粒骨架存在,型煤在干燥以及受力過程中容易產(chǎn)生細(xì)小裂縫,降低了型煤的整體固結(jié)性。從圖5c可以看出,以100%粒度組成為0.150~2.00mm的粉煤成型時,小顆粒不足,大顆粒在小顆粒之間分散不開,型煤的整體固結(jié)性最小,型煤的性能最差;只有小顆粒比例占大顆粒適中時(圖5b),大顆粒在小顆粒之間鑲嵌最充分,型煤的整體固結(jié)性最好。因此在-0.150mm粒度組分為50%時型煤的性能最佳。3大顆粒與小顆粒分級配比對煤體成型質(zhì)量的影響1)成型壓力對大顆粒粉煤制備型煤的性能影響較大,小顆粒成型時型煤性能對壓力變化不敏感;成型粉煤粒度越小,型煤的性能越高,小于0.075mm粒度粉煤在5.5MPa的低