煤炭知识自学资料：煤炭加工与利用之粉煤成型

粉煤成型,目录,概论成型的基本过程和工艺因素无粘结剂成型粘结剂冷压成型热压成型民用蜂窝煤型煤主要设备,粉煤成型,第一节概论一、粉煤成型的概念和任务以适当的工艺方法，将粉煤加工成具有一定形状、大小和特定理化性能的煤制品，称为粉煤成型。它属于物理加工过程，但在加工过程中煤的物理和化学特性同时产生变化。粉煤成型的主要任务，是根据型煤不同用途的需要，改造煤炭原有的性质，克服天然煤存在的缺陷，通过特殊的工艺，使型煤的理化性能符合用户的要求，将性能低劣的粉煤变成优良的工业原料，使燃烧效率低、非清洁的能源转变为高效清洁的能源。,二、我国型煤技术的发展概况我国工业型煤的发展起步于50年代，由于化肥生产的需要，气化型煤的发展较快，先后开发了纸浆煤球，清水煤棒等。国家“七五”和“八五”期间都把型煤列为重点科技攻关项目，进行了大量的实验研究，建立了示范厂；对粘结剂的研究和工业性试验；提高和改善型煤性能的研究。“型煤高效固硫技术”，减少二氧化硫排放量60；“低氮氧化物技术”，型煤的氮氧化物排放量降低约40，燃用型煤可以使锅炉效率提高4-8个百分点。在粘结剂的研究方面，取得众多成果，开发应用了有机、无机及有机无机复合型各种类型的粘结剂。“九五”期间，国家对型煤技术又进行了第三次技术攻关，从基础理论、成型工艺参数、粘结剂和添加剂的优化选择、合理的工艺设计、成套设备改进与研制、型煤的后处理工艺及型煤的质量控制和检测方法等一系列型煤技术进行系统研究。,三、工业型煤的分类目前国内外工业型煤种类繁多、工艺类型复杂、粘合剂原料范围不断扩大，为了有层次的了解工业型煤状况，现简单分类如下：型煤按用途不同分为二类：（1）工业型煤：原料型煤、燃料型煤；（2）民用型煤：蜂窝煤、煤球；特种型煤原料型煤：炼焦原料配型煤、造气型煤、高炉炼铁、钙、镁、磷肥型煤，电石生产用型煤、炼钢加碳剂、球团炼铁、球团炼锰等其它金属矿粉球团。燃料型煤：锅炉型煤、发生炉气化用型煤蜂窝煤：无烟煤蜂窝煤，烟煤上点火蜂窝煤特种型煤：烧烤型煤，暖炉型煤，火柴点燃引燃型煤按成型工艺分类冷压成型（粘结剂成型、无粘结剂成型）热压成型（气体若载体、固体若载体）球团成型（园盘球团法、滚筒球团法）,用途不同的型煤，其工艺指标要求也不同工业型煤作为原料使用时，如化肥工业用型煤应热强度好，挥发份低；高炉用型煤应机械强度高，耐磨性好；电石生产用型煤应热比电阻大；铸造用型煤应块度大，焰温高，造渣好。工业型煤作为燃料时，如机车或锅炉用型煤除了应具有一定的机械强度外，还必须具有防水性，着火后能开花，燃烧效率高等特点。,工业型煤形状分类工业型煤：球形、卵形、柱形、枕形、管形。民用型煤：蜂窝形、球形、卵形。,第二节成型的基本过程和工艺因素,一、成型过程成型过程大致可分为5个阶段装料压密成型压溃反弹,成型过程示意图,二、工艺因素影响成型过程的因素很多，各因素间又相互影响。(一)物料的成型特性1、粉煤塑性、弹性粉煤可压缩性：粉煤可压缩性是指粉煤在外界压力作用下，被压实后体积减小的性能。粉煤可塑性：粉煤可塑性是指粉煤在卸除外力作用后仍能保持其形变的性能。粉煤弹性：粉煤弹性是指粉煤在卸除外力后，被压实而减小的体积复原的性能。塑弹比：粉煤塑弹比是指粉煤的塑性变形率与弹性变形率之比。,粉煤的可压缩性、可塑性、弹性均为粉煤在压力作用下所表现的性质（不像发热量、硬度等煤的固有属性具有定值），其值随压力、含水量、粒度组成等因素而变化。因此，在确定试验条件时应结合工程实际情况。粉煤的可压缩性、可塑性、弹性具有相关性。可塑性是可压缩性、弹性的综合体现。粉煤成型性能与粉煤的可塑性、弹性密切相关，可塑性大、弹性小，则粉煤成型较好；反之，成型性差。故可采用塑弹比定量量度粉煤的成型性能。在相同条件下，塑弹比最大的古交煤成型性能最好，塑弹比最小的晋城煤成型性能最差，大同煤居中。,2、煤的硬度、脆度及其成型效果,煤的硬度是指煤抵抗外来机械力作用的能力。外来机械力不同，煤的硬度表示方式也不同，通常分为刻划硬度、弹性回跳硬度、压痕硬度（显微硬度）和耐磨硬度等。煤的显微硬度属于压痕硬度的一种。用特殊形状（如角锥型、圆锥型）而又非常坚硬（如金刚石）的压入器，在一定静载荷下压入试样，并持续一定时间，然后除去载荷，在显微镜下测量其压痕对角线长度，以压锥与煤实际接触的单位面积上的荷重来量度煤的硬度（Hv/MPa）。压痕大，煤的显微硬度小；反之，则硬度大。煤的可磨性可用来量度煤的耐磨硬度。可磨性指数大，煤易被粉碎，表明煤的耐磨硬度小；反之，则耐磨硬度大。,煤的脆度是表征煤的机械坚固性，如抗碎强度、抗压强度的指标，其测定方法有抗碎强度法和抗压强度法。抗压强度法是用显微脆度来表征煤的脆度，即在一定静负荷下，以一百个压痕中出现裂痕的数值来表示。抗碎强度法是将一定质量的45目的煤粒，置于E.M.泰茨转筒中（内放6个钢球）以90rpm的速度旋转1000转后，测定粒度大于2.36mm的煤的质量百分率，以此抗碎强度表征煤的脆度。无烟煤硬度大，可磨性差，对粉碎设备材质要求高，粉碎动力消耗大。在相同试验条件下，硬度小、脆度大、可磨性好的焦煤成型性最好，硬度、脆度居中的弱粘煤成型特性最差；硬度大、脆度小的无烟煤成型特性居中。无粘结剂成型条件下，硬度小、脆度大的煤成型效果最好；硬度大、脆性小的煤成型效果差。,3、原煤表面特性与其成型效果,煤是多孔性物质，具有非常大的比表面积。粉煤成型作用主要发生在煤粒表面，因此煤的表面特性对粉煤成型性能的影响至关重要。研究煤的表面特性，探讨煤表面特性对煤成型效果的影响是非常必要的。煤表面特性包括表面组成、表面结构与表面性质。煤表面结构包括孔隙结构、孔隙率、表面形貌、比表面积、表面官能团。煤表面组成是指表面元素组成。煤表面性质包括表面电性、润湿性。,1）煤表面润湿性研究煤表面润湿性指与液体接触时，被液体润湿的程度，常以接触角的大小来量度。不同变质程度的煤其表面亲水性不同，晋城煤亲水性强，大同煤亲水性差，古交煤居中。,表3.3-1煤与水的接触角,2）煤表面官能团煤的大分子上联有各种不同的官能团，官能团的种类和数量随变质程度而变化。因此，不同变质程度的煤表面官能团不同，其表面性质亦不同。采用化学法定量与红外光谱（IP）定性分析相结合的方案，研究了煤的表面官能团。红外光谱法的原理是，当红外光谱照射某一基团时，若红外光频率与某基团的特征频率相同，则红外光被吸收，故可根据吸收峰的位置推测某基团。三种煤表面均含有游离的羟基OH、缔合的OH、NH、CN、COO、PO43-苯环及少量的长链CCl、CBr、CI、COC、CO、NO3-、CO32-、粘土、石英和菱铁矿等。大同和古交煤含有少量的烷烃链（(CH2)n）、CH3，而晋城煤中没有这些基团。,4、煤的比重及孔隙率研究采用比重瓶法和涂蜡比重瓶法分别测试煤样的真比重、视比重。煤的比表面与孔径分布测试应用BET（Brunauer、EmmettandTeller）多分子层吸附理论，采用氮气等温吸附、脱附法，测定煤样的比表面及孔径分布。煤的表面电性研究根据斯特恩（Stern）双电层理论，采用电泳法测定煤样表面电位，了解煤表面电性质。煤表面形貌与元素组成的研究根据二次电子作为成像信号，采用聚焦电子束在煤样表面逐点扫描成像，根据照片提示分析各煤样表面形貌。应用X光电子能谱半定量微区分析表面元素成分。,在无粘结剂、中低压、冷压成型条件下，煤成型性能不同，孔径大的大同煤成型性最差，孔隙率最小的古交煤成型性最佳；晋城煤居中。煤中矿物质能影响煤表面电性、表面润湿性。在选择粘结剂时，必须考虑矿物质对煤表面电性和润湿性的影响。煤表面粗糙度对成型效果的影响，一方面在高压成型时，颗粒相互楔嵌的结果，产生较大的啮合力有利于煤成型；另一方面，在中、低压成型时，凹凸不平的煤粒彼此间易形成支架，使型煤内部存在较多空隙而影响型煤强度，不利于粉煤成型。,5、煤的岩相组成与其成型特性,煤岩组成和变质程度是影响煤性质的两大主要因素。煤是由各种类型的煤岩组成的混合物，煤的性质取决于各煤岩类型及其含量。应用煤岩学的观点和方法研究并预测煤的各种性质，如煤的可选性、预测煤焦化产品焦炭的质量等，已成为焦化工业、30年前的重大科研成果被推广到工业生产实际。建立了“煤岩配煤理论”指导炼焦配煤；应用煤岩学观点和方法研究煤的成型性能，探讨煤岩组成与其成型性能的关系，进而指导配煤成型不但是必要的，也是可行的。,宏观煤岩成分分离煤岩分离方法大致分为两类，即物理方法和化学方法。化学方法对煤质有化学作用，一般不常用。（1）手选根据煤岩成分光泽强度特征挑选。稳定组多集中在具有一定厚度、致密而坚硬的暗淡煤中；镜质组集中在黑色、玻璃光泽的小立方体镜煤中，或黑色、树脂光泽、贝壳断口的光亮煤中。（2）筛选利用煤岩成分破碎性不同进行筛分分离。丝炭最脆，富集在小粒级中；镜煤抗碎性弱，富集在较小粒级中；暗煤韧性较大，抗碎性强，富集在粗粒级中。（3）比重法分离根据煤岩组分比重不同的性质差异，利用氯化锌溶液将它们初步分离。相同变质程度的各显微组分比重由大到小的顺序是：丝质组，镜质组，稳定组。,结论（1）型块抗压强度随着暗淡煤含量的增加而增大，表明暗淡煤成型性能较好。故含暗淡煤多原煤成型性能好。（2）随着变质程度加深，显微煤岩组分间性质差异越来越小，煤岩类型对原煤成型性能影响的效果也越来越不明显。故对晋城煤而言，煤岩类型对其成型性能的影响不大。,6、煤中矿物质对成型效果的影响,煤中矿物质组分以粘土类矿物为主。煤中粘土矿物含量越多则成型效果越好。煤中矿物质对煤表面润湿性的影响明显，煤中矿物质致使煤表面亲水性增强。在成型过程中可能造成型块粘附模具，脱模困难。煤中矿物质直接影响煤灰熔融温度及煤的结渣性，矿物质含量高的煤容易结渣；此外矿物质含量高使煤的发热量降低。,（二）粒度级配的影响粒度级配直接影响物料的堆积状况，从而影响物料的成型效果。若粒度组成不合理，物料间空隙过大，不便于颗粒间作用力及粘结剂作用力的发挥；若粒度组成合理，物料间空隙较小，便于物料间作用力实现。故合理的粒度组成，能提高型煤的强度。通过对粉煤成型前后粒度的变化研究和不同粒度组成原料的成型实验，揭示了原料粒度组成对型煤质量的影响规律，提出符合盖茨（Gates）高登（Gaudin）舒兹曼（Schtzmann）粒度特性方程的粉煤成型的最佳粒度组成。揭示了成型原料中大粒度影响型煤质量的原因成型过程大颗粒物料的二次破碎。其影响机理为粘结剂无法在成型瞬间进入这些新增表面，致使这些新增表面之间在无粘结剂的条件下成型，造成型煤质量的不均匀与型煤抗压强度的降低。阐明了成型原料粒度过细影响型煤质量的主要原因成型原料混合时的造粒现象。粒度过细既不利于粘结剂与物料的混合，又增加能耗，也不利于型煤质量的稳定，科学、合理的原料粒度组成能够提高型煤的质量。,（三）成型水份的影响一般来说，一定的成型水分需要一定的成型压力，若成型水分过小，由于物料与物料、料物与器壁的磨擦力大，颗粒移位阻力大，即所需的成型压力大；若物料的成型水分适当，颗粒移动时阻力降低即成型所需压力降低；若成型水分过大，为了便于脱模成型压力不易提高。在相同的成型压力下，只改变成型水份一个因素，试验结果其强度有差异，说明成型水份对成型压力有其影响。从试验实际情况，成型水份少，成型压力可以增加，如水份多，成型压力不变会压出水来，脱模困难，减少成型压力，型球密度降低，强度下降。,（四）粘结剂粘结剂是粉煤实现中低压成型的关键技术之一。因此，世界各国都在组织人力、物力积极研究型煤粘结剂。调查表明：国外已对一百多种型煤粘结剂作过研究。国内也进行了十几个系列的型煤粘结剂的研究。但大都因价格问题，原料来源，防水问题及型煤的燃烧性能等问题未能在工业生产中产生良好效果。型煤的成型工艺参数与粘结剂性质有着直接的关系，不同的粘结剂对成型工艺有不同的要求。,粘结剂与粉煤的粘结机理粘结剂与固体颗粒的粘结作用主要有二个方面，一是物理作用。二是化学作用。在粘结过程中两个作用同时发生。只是那个作用占主导地位问题。在粘结剂的研究中只有抓住粘结剂中起主导粘结作用物质加以优化，才能起到事半功倍的效果。,一、机械外力下颗粒间啮合、镶嵌由于粉煤颗粒大小不同且表面凸凹不平，又有液体对煤粒表面的湿润，在外力作用下颗粒之间相互推挤(此时外力的能量大部分消耗在颗粒间的摩擦上)，随之颗粒之间的架桥崩溃，小颗粒进入颗粒间隙之中，颗粒本身也开始变形(此时外加压力消耗在颗粒体与器壁的摩擦上)。由于外力的继续作用，颗粒表面的凸凹部分被摩擦或推挤而去掉或者啮合、镶嵌，从而使颗粒之间牢固地结合，即颗粒体的硬化。(此过程中的外力消耗在颗粒变形上，且部分作为内部残余应力而贮存起来)。如果外力再继续作用，使颗粒体的硬化达到极限，如此时再增加外力作用颗粒就被破坏，结晶变得微细(此过程中外力完全消耗在颗粒的变形和破坏上)。液体粘结剂在上述过程中首先是起到润滑煤粒表面的作用，继而粘结剂分子在煤粒表面移动、扩散、渗透等物理变化同时产生化学变化，由于外力作用的存在，加速了这一过程。,二、粘结剂与煤粒间机械键合与物理化学作用在有粘结剂成型过程中，由于外力的作用下，粘结剂粒子与煤粒之间充分接近，为粘结剂与煤粒之间发生机械键合与物理化学作用提供条件。由于粘结剂分子的湿润、移动、扩散、渗透等作用，使粘结剂最大限度的进入煤粒间和煤粒内部的孔隙，在孔隙中产生机械键合，固化后表现为机械结合力。粘结剂和助剂与煤粒之间发生的物理化学作用的结果产生更为复杂的化学结合力。同时也可以改变原煤的性质，如：可能改变原煤的燃点、结渣性、反应活性、灰融点，也可能改变燃烧后的气体成分等等。,（五）成型压力在有粘结剂低中压成型工艺中，要使粉煤与粘结剂发生作用，使煤粒之间在粘结剂作用下，产生机械和化学物理结合，必须使它们之间的距离缩小到一定的程度。要使粒子之间距离接近，粘结剂分子易于实现传递、渗透、扩散的外部手段是外界加压。不同种类粘结剂与不同煤种的粉煤成型所需的成型压力只有通过实验来确定。（1）型煤的初始强度不是成型压力越高越好而有其适应压力范围500700Kg/cm2。（2）型煤的最终强度较好的压力范围也是500700Kg/cm2。即选用500700Kg/cm2成型压力适合晋城无烟粉煤的成型。（3）在合适的压力条件下其成型水分范围是12-14%,（1）焦煤粉煤成型其型煤的初始强度和最终强度都是随着成型压力的提高而增强，可根据型煤的质量要求选择成型压力。（2）焦煤粉煤成型可采取高压，但其成型水分要相应减少，以免成型机脱模困难。西山瘦煤粉煤成型其初始强度随着成型压力的提高而增强。（1）从型煤最终强度看其成型压力范围是：800-1000Kg/cm2。（2）在最佳压力范围下其成型水分为11-13%。总之，不同煤种在同种粘结剂作用下所需的成型压力不同，不同粘结剂对同种煤种所需的成型压力也不同。要选择不同粘结剂对煤种的最佳成型压力范围，必须通过实验来确定。,（六）成型物料混合均匀度混合均匀度是型煤生产的关键指标，是型煤质量稳定的关键因素。在有粘结剂，中低压成型工艺中，粘结剂与粉煤混合程度如何，不仅关系到型煤质量的均匀，而且关系到粘结剂作用效果的发挥。粘结剂是构成型煤成本主要因素之一，提高粘结剂分散性，有利于粘结剂用量降低，提高型煤生产效益。在均匀度实验中，我们从粘结剂入手，并抓住助剂和原料煤的混合程度与型煤质量偏差，确定均匀度的判定方法与指标，以便为工业生产提供服务。,第三节无粘结剂成型,一、成型机理原料煤将破碎后，在不加粘结剂条件下，依靠煤炭本身的性质与粘结性成分，在一定压力下结成型煤。无粘结剂成型理论还没有得到公认，学者提出了许多假说。1）沥青假说褐煤中的沥青质是煤粒粘结的主要物质，沥青的软化温度7080，褐煤干燥后在4060下装入成型机，成型时由于摩擦而温度升高，沥青软化使煤粒粘结成型煤。2）腐植酸假说褐煤成型，由于煤中含有游离腐植酸，腐植酸是一种胶体，将煤粘结成型。,3）毛细管假说褐煤中存在大量的充满水的毛细管，这些毛细管取决于煤的煤化程度。褐煤成型时，毛细管受压挤出水，覆盖煤粒表面，使之润滑而密集，煤粒表面紧密接触，因分子引力，使煤粒粘结而成型。4)胶体假说胶体假说认为，褐煤由固相和液相两部分物质组成，固相物质是由许多极小的胶质腐植酸颗粒构成，其粒度为1m一10nm。在成型过程中使胶粒密集而产生聚集力，形成具有一定强度的型煤。5)分子粘合假说分子粘合假说由那乌莫维奇提出。认为粒子间的结合是在压力作用下，由于粒子间接触紧密而出现分子粘合的结果。,二无粘结剂成型工艺褐煤成型粒度一般为60mm，一般采用蒸气干燥机进行干燥，以蒸气为热源进行间接干燥，年轻的褐煤水分一般在50以上，干燥后的水分为1218，褐煤干燥后温度达90左右，冷却至4050再成型，成型后温度升高30左右，为防止自燃，冷却后才能堆放。,原煤,筛分,破碎,干燥,冷却,成型,冷却,型