利用煤泥制备生物质型煤的研究

赵璐琪

(中国矿业大学应用技术学院,江苏省徐州市,221008)

本研究以晋城、焦作、永城煤泥为原料,用经加工处理的玉米秸秆为粘结剂,开展生物质型煤制备的研究,着重考察煤泥种类、粘结剂含量及成型压力等因素对型煤机械强度的影响。

1 试验部分

1.1 原料与设备

(1)玉米秸秆:取自河南农村,经粉碎机粉碎后,取2 mm以下秸秆作为粘结剂原料。

(2)煤泥:分别选取晋城、焦作、永城煤泥为原料,煤泥干燥后经破碎、筛分,取粒度小于2 mm的细粉备用。

(3)主要试验仪器:液压式压力机、分析天平、电动搅拌器、可调加热电炉、型煤成型机、自动振筛机、马弗炉、灰熔融性测试仪等。

1.2 试验方案的确定

本研究主要采用正交试验法,分别以煤泥种类(晋城煤泥、焦作煤泥及永城煤泥)、生物质粘结剂含量(5%、10%及20%)及成型压力(15 MPa、25 MPa及35 MPa)为主要因素来设计三因素三水平L9(33)的正交试验方案,具体试验方案见表1。

1.3 生物质型煤的制备

将3种煤泥样品分别与秸秆粘结剂按一定的比例混合均匀后,在预先设计的压力下机械压制成型,其中秸秆粘结剂按照黄光许等报道的加工方法制得,其具体制备工艺流程如图1所示。

表1 生物质型煤的试验方案及测定结果

图1 生物质型煤的制备工艺流程

2 试验结果及分析

机械强度是衡量型煤质量的重要指标之一,本研究主要以跌落强度和抗压强度来评价生物质型煤的机械强度,其具体测试按照G B/T154959及MT/T748规定的方法进行。其中为了提高试验的准确性,本试验对每种生物质型煤的机械强度都进行3次测定,结果取其平均值,测定结果如表1所示。

依据数理统计知识,由表1中的数据经计算可得正交试验结果分析(表2),其中Kj为第j水平对应的生物质型煤跌落(抗压)强度之和;kj为第j水平对应的生物质型煤跌落(抗压)强度的平均值;即由公式kj=ΣKj/3计算得到。R为极差,即同一水平kj的最大值与最小值之差。

表2 正交试验结果分析

2.1 煤泥种类对生物质型煤机械强度的影响

图2 生物质型煤机械强度与煤泥种类的关系

为了优化出制备生物质型煤的最佳煤泥种类,本试验以跌落强度及抗压强度为参考指标对3种型煤的机械强度进行了比较,如图2所示。从图2中的变化趋势可以看出,生物质型煤的机械强度随着煤泥种类的变化,先增大后减小。其中以焦作煤泥为原料的型煤机械强度最佳,而以永城煤泥为原料的型煤机械强度最差。存在这种差异的原因与原料煤的性质有着密切的关系。

2.2 粘结剂含量对生物质型煤机械强度的影响

图3 生物质型煤机械强度与粘结剂含量的关系

生物质型煤机械强度与粘结剂含量的关系如图3所示,从图3中可看出,随着粘结剂含量的增加,生物质型煤的机械强度逐渐增大,在粘结剂含量为10%时,型煤的机械强度达到最大,随后继续提高粘结剂的含量,其机械强度呈缓慢减小趋势。这是因为,在一定的成型压力下,加入适量的秸秆粘结剂,有利于秸秆中的纤维素结构与煤泥颗粒充分结合,形成所谓的“钢筋—混凝土”结构,提高型煤的跌落强度和抗压强度。而又由于秸秆本身的强度比煤泥低很多,若秸秆粘结剂的添加量过高,则又会使型煤机械强度下降。

2.3 成型压力对生物质型煤机械强度的影响

生物质型煤的成型有冷压成型和热压成型2种。本试验采用冷压成型技术进行成型。生物质型煤机械强度与成型压力的关系如图4所示,生物质型煤的机械强度随着成型压力的增加先增大后减小。其原因在于:在一定的压力范围内,粘结剂中的纤维结构在型煤的成型过程中可以形成网状骨架,随着成型压力的增大,物料颗粒间距减小,分子间作用力和氢键作用增强,型煤的机械强度也随之提高;而一旦压力超过最佳值,型煤内部较长的纤维素结构被压断,秸秆之间的交联作用减弱,使型煤抵抗外部冲击与挤压的能力大大降低,从而导致型煤的机械强度减小。因此,在实际工业生产中,型煤的成型压力并不是越大越好,而是应该优化在合理的压力范围内。

图4 生物质型煤机械强度与成型压力的关系

2.4 极差分析及追加试验

极差R的大小反映了各因子对试验结果的影响程度。极差R越大,则该因子对试验的影响就越大;反之影响就较小。由表2中R值,跌落强度:RB=10.9>RA=6.0>RC=5.2;抗压强度:RB=268.0>RA=136.4>RC=123.8,各因素对生物质型煤跌落强度和抗压强度的影响大小是一致的,即影响生物质型煤机械强度因素的主次顺序为:粘结剂含量、煤泥种类和成型压力。而通过分析各因素对生物质型煤机械强度的影响可得出其最佳制备工艺为:原料为焦作煤泥,粘结剂含量为10%,成型压力为25 MPa。

为了满足实际生产应用的要求,通过追加试验,在优化出的最佳工艺条件下,制备出10号生物质型煤,并对其各项性能指标进行了全面的测试,具体结果见表3。从表中可以看出,10号生物质型煤的各项指标均能较好地满足工业使用的要求。

表3 生物质型煤各项性能指标

3 结论

(1)以选煤厂煤泥为原料,以经加工处理的玉米秸秆为粘结剂,在无任何其它添加物的条件下可生产出机械强度高、热稳定性和灰熔融性好的生物质型煤,它可以很好的满足工业使用的要求。

(2)粘结剂含量是影响生物质型煤机械强度的主要因素,其次是煤泥种类和成型压力。依据本次试验,确定出生产生物质型煤的最佳工艺条件为:焦作煤泥,粘结剂含量为10%,成型压力为25 MPa。在此工艺条件下,生物质型煤的跌落强度达94.6%,抗压强度达1182.3 N/个,热稳定性达70.7%,灰熔融性达1315℃。

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