加压气化用型煤的制备与性能研究

加压气化用型煤的制备与性能研究

0成型压力与粒度对型煤力学性能的影响由于国内块煤供应不足和依舒气化炉数量持续增加，生产鲁奇压缩气态化煤炭是未来发展的重要方向。型煤的性能,包括冷压强度、热压强度、热稳定性和湿压强度等对型煤能否应用于气化至关重要。成型粉煤粒度组成和成型压力是影响型煤性能的关键因素。型煤性能不仅与黏结剂种类以及添加量、成型水分、煤种和煤质相关,成型压力和成型粉煤粒度组成也是重要因素。吉登高等通过对粉煤成型前后粒度的变化研究认为,原料粒度上限过大,或者小于0.5mm粒度含量过多,都会导致型煤质量降低。徐德平等认为无黏结剂高压成型时,随着煤粒度的减小,型煤强度增大;有黏结剂低压成型时,无烟煤和烟煤的粒度可适当偏大,褐煤要保持较小的成型粒度。谌伦建等采用理论分析方法对原料煤级配进行分析,认为合理的原料煤级配应保证煤粒之间填充密实,孔隙率最低,黏结剂用量最少,型煤强度最高。王卫东等认为当成型压力小于煤粒压溃力时,型煤的机械强度随成型压力的增大而提高,最佳成型压力与煤种、物料水分、粒度组成以及黏结剂种类、数量等因素有密切关系。邓加耀等研究发现,成型压力在30MPa以后型煤强度提高逐渐减缓,而且会带来脱模困难、燃烧不完全等问题。杨凤玲等认为成型压力大,型煤密实度大,过高成型压力会破坏煤粒的内部结构,成型后的型煤会发生反弹现象,使型煤产生裂纹而降低型煤强度和防水性。成型压力与粒度组成相关因素对型煤性能的影响,对优化型煤成型工艺有重要参考作用。因此调整成型压力与粒度组成,以进一步提高型煤性能,使其更好地适应鲁奇加压气化。基于此,笔者系统考察了成型压力与粉煤粒度组成与分布对型煤强度及热稳定性的影响。通过揭示两者间的交互作用规律,分析其对型煤强度和热稳定性的影响机理,从而优化型煤的制备工艺过程,探究进一步提高型煤性能的途径,以期为工业化提供理论支撑。1测试1.1mm煤的干燥、干燥和复配物原料无烟煤取自山西晋城矿区,将其破碎磨粉后,用标准筛筛选出全粒度组分中的0.850~2.000、0.150~0.850、0.075~0.150和-0.075mm煤样若干。样品使用前于110℃下干燥5h;型煤黏结剂为腐植酸钠(CR)与高岭土(CP)的复配物;按照GB/T212—2008《煤炭工业分析方法》和GB476—1991《煤的元素分析方法》对原煤以及腐植酸钠进行工业分析和元素分析,结果见表1。1.2复式振动筛测试仪器试验所用的仪器有:成型模具(ue54f25mm柱状,自制)、水平往复式振动筛(最大频率300Hz,振幅40mm)、多功能成型测试压力机(FR-压缩试验机)、Mastersizer2000激光粒度分析仪、S-360扫描电子显微镜。1.3制备高岭土和高岭土混合汁准确称取300g粉煤,添加质量分数均为2%的腐植酸钠和高岭土后预混合,再加入质量分数14%的水,混合搅拌均匀。称取16g混合后煤样于模具中,在设定的成型压力下压制出型煤,室温中放置1h后于110℃下干燥5h备用。1.4工业型煤性能测试方法1)湿压强度。型煤制备后立即在多功能成型测试压力机上测试其抗压强度,为型煤的湿压强度。2)冷压强度。按照煤炭行业标准MTT748—1997《工业型煤冷压强度测定方法》进行测量。3)热压强度。按照煤炭行业标准MTT1073—2008《工业型煤热强度测定方法》进行测量。4)热稳定性。按照煤炭行业标准MTT924—2004《工业型煤热稳定性测量方法》进行测量。5)微观结构。采用扫描电子显微镜观测型煤的表观形貌。2结果与分析2.1成型压力和热稳定性增加全粒度成型粉煤粒度组成见表2,0.850~2.000mm粒度组分含量最高,达36.50%,2.000~2.800mm粒度组分含量最少,小于0.181mm粒度粉煤含量为24%左右,中、细粒度比例适中。此粒度组成条件下,型煤的湿压强度、冷压强度、热压强度和热稳定性与成型压力的关系如图1所示。由图1可知,型煤的湿压强度随成型压力的增大基本不变。型煤的冷压强度、热压强度和热稳定性随成型压力的增大缓慢增加,当成型压力为5.5MPa时,型煤的冷压强度、热压强度和热稳定性分别为2908N、1957N、89.81%;当成型压力增至19.5MPa时,分别达到3969N、2364N、98.61%,成型压力增幅72%,型煤的强度增幅20%左右,热稳定性增幅不足9%。成型压力大幅增加,而型煤的性能指标变化不明显,尤其是在5.5MPa的成型压力下,型煤的冷压强度、热压强度和热稳定性仍然较高,该试验结果与相关文献报道的研究结果不相符。为进一步探明原因,开展了0.850~2.000、0.150~0.850、0.0750~0.150和-0.075mm四种粒度组成粉煤在不同大小成型压力下的试验,结果如图2所示。由图2可看出,在相同的成型压力下,型煤的湿压强度、冷压强度、热压强度和热稳定性随成型粉煤粒度的变小而增加,在成型压力为19.5MPa时增幅最小。成型粉煤粒度组成为0.850~2.00mm和0.150~0.850mm时,型煤的性能随成型压力的增大而升高,而当成型粉煤粒度组成为0.075~0.850和-0.075mm时随成型压力升高变化不显著,-0.150mm粒度粉煤成型时成型压力对型煤的冷压强度和热稳定性基本没有影响。采用0.850~2.00mm粒度组成粉煤成型时,在5.5MPa的成型压力下,型煤的冷压、热压强度和热稳定性分别为304N、176N、1.3%,成型压力为19.5MPa时,则增至1113N、721N、75.37%。当以-0.075mm粒度粉煤成型时,在5.5MPa的成型压力下,型煤的冷压、热压强度和热稳定性分别为3630N、2590N、97.85%,成型压力增至19.5MPa时,分别为3635N、3027N、98.03%。2.2粒度组成对型煤性能的影响越小粒度煤粒成型时型煤的性能越高,结合成型粒度级配原理,在19.5MPa成型压力下,-0.150mm粒度粉煤(其余部分粒度组成为0.150~2.000mm)掺混不同比例对型煤性能的影响,结果如图3所示。由图3可知,随着小于0.150mm粒度粉煤掺混比例的升高,型煤的性能指标先升高后降低。添加比例为50%时,型煤的冷压、热压强度和热稳定性分别为4239N、2713N、98.49%,型煤具有很好的性能;型煤的湿压强度随小于0.150mm粉煤添加量增加缓慢增大。2.3成型粉煤粒度对型煤性能的影响小颗粒煤粒成型时,成型粉煤的总表面积大,黏结剂在水分的作用下润湿煤粒的总表面积大,黏结剂包裹面积也大,在适当的压力作用下,颗粒接触面积大而易于团聚啮合粘结;煤粒之间通过粘附力、黏聚力与黏结剂成为整体,干燥固化后使型煤具有很高的性能。以大颗粒煤粒成型时,成型煤粒总表面积小,大颗粒煤粒的不规则度和不均一度大,黏结剂能够包裹的面积小,煤粒之间接触不紧密,不易形成粘附力与黏聚力。因此在相同成型压力下型煤的性能随成型粉煤粒度的变小而增加。成型压力越大,颗粒之间堆积越紧密,黏结剂能发挥最大的效果。大颗粒煤成型时,在压力作用下容易破碎、压溃,二次破碎使煤粒之间相互穿插又增加了堆积度,并与黏结剂接触相对充分;小颗粒煤成型时,在水分润滑下容易移动,较小的成型压力即可压制密实,并且小颗粒因具有较好的规则度和均一度,表面棱角小,在相互滑移过程中不易破碎。因此大颗粒粉煤成型时,型煤性能随压力增加显著增大,小颗粒成型时,则变化不明显。当成型压力较高时,大颗粒粉煤部分被压溃,二次造粒使成型粉煤粒度变小。因此随成型粉煤粒度减小,成型压力在19.5MPa时型煤各性能指标增幅开始变缓。在19.5MPa成型压力下,以-0.075mm粒度组成粉煤制备的型煤和以0.150~0.850mm粒度组成粉煤制备的型煤扫描电镜图如图4所示。可以看出,-0.075mm粒度组成型煤时颗粒之间通过黏结剂紧密接触形成连续区域,而以0.150~0.850mm粒度组成型煤时,颗粒中有部分出现断面、被压裂,并且颗粒之间接触不紧密,有明显间隙。2.4小颗粒与大颗粒粉煤的固结性成型粉煤粒度组成越小,成型后孔隙总数、孔半径和孔隙率越小,型煤的冷压强度、热压强度和热稳定性越高。但最佳选择并非越小越好,成型粒度过小,会增加破碎能耗,降低黏结剂利用率,也不利于粉煤添加黏结剂和水后的搅拌与混匀。最佳粒度组成应实现大颗粒煤均匀镶嵌在细颗粒间,大颗粒成为型煤中的骨架,小颗粒粉煤在黏结剂的作用下团聚,整体粘附于大颗粒周围,增强了成型可塑性,使型煤的整体固结性达到最大。小颗粒煤容易接触紧密,大颗粒在小颗粒粉煤包裹下有序穿插,型煤的抗压强度和热稳定性才会最佳。因此小于0.150mm粒度粉煤占成型煤粉的比例适中时型煤的性能最佳。图5为小于0.150mm粒度粉煤不同掺混比的型煤电镜形貌。由图5a可以看出,单纯-0.150mm粒度粉煤成型时,小颗粒之间虽接触紧密,但没有大颗粒骨架存在,型煤在干燥以及受力过程中容易产生细小裂缝,降低了型煤的整体固结性。从图5c可以看出,以100%粒度组成为0.150~2.00mm的粉煤成型时,小颗粒不足,大颗粒在小颗粒之间分散不开,型煤的整体固结性最小,型煤的性能最差;只有小颗粒比例占大颗粒适中时(图5b),大颗粒在小颗粒之间镶嵌最充分,型煤的整体固结性最好。因此在-0.150mm粒度组分为50%时型煤的性能最佳。3大颗粒与小颗粒分级配比对煤体成型质量的影响1)成型压力对大颗粒粉煤制备型煤的性能影响较大,小颗粒成型时型煤性能对压力变化不敏感;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