半焦粉制气化型煤的试验研究

2020-06-30梁金荣张玉君刘津源匡德川魏平平

煤炭工程 2020年6期

梁金荣，张玉君，刘津源，匡德川，魏平平

(中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院，北京 100083)

半焦又称兰炭、焦粉，是利用神府、榆林、东胜煤田盛产的优质侏罗精煤块烧制而成的，结构为块状，粒度一般在3mm以上，颜色呈浅黑色[1，2]。半焦以其固定炭高、比电阻高、化学活性高、低灰分、低铝、低硫、低磷的特性，可代替冶金焦、无烟块和木炭而广泛应用于电石、金属硅、铁合金、硅铁、铬铁、硅锰、碳化硅、化肥等产品的生产中[3-5]。

半焦的抗碎性能较差，在生产、加工、运输中极易产生-3mm的半焦粉末，这部分半焦粉不粘结、粒度小，无法直接应用于后续的生产领域而将其低价处置，这不仅使半焦企业生产成本加大，还会造成严重的粉尘污染，影响周围居民的正常生活[6-9]。

如果能将这部分低价的半焦粉配以粘结剂制备成气化型煤，不仅能降低资源浪费，还能减少气化炉对块煤的需求量[10-15]。但是对于半焦粉成型，尤其是半焦粉成型所需的粘结剂国内外的文献记载较少，因此本文的研究对于半焦粉制备气化型煤具有指导意义和使用价值。

1 试验原料及试验方法

1.1 试验原料

以陕西府谷半焦粉作为主要原料，采用有粘结剂冷压成型工艺制成型煤。半焦粉工业分析资料见表1。

表1 半焦粉工业分析

粘结剂原料包括：CMC(粘度800～1200mPa·s)，CMS(<70μm)，腐殖酸钠(140～180μm)，淀粉(食用玉米淀粉)，聚丙烯酸钠(分子量800万)，钙基膨润土(分析纯)。

1.2 试验方法

1)型煤制备流程。将原料破碎至3mm以下，取500g，加以定量粘结剂和水，在25MPa的成型压力下压制成型。成型后的型煤置于100℃电热鼓风干燥箱中连续干燥3h，自然冷却后进行抗压强度和热稳定性测定，如图1所示。

图1 试验流程

2)抗压强度测定。从压制成型的型煤中取出10个形状规则、无裂纹、无煤粒脱落的完整型煤，逐个放在压力试验机的施力面的中心位置上，使型煤的短轴与施力面垂直；开动试验机，以15mm/min的均匀位移速度施力。记录型煤开裂时所承受的力。以各个型煤的数据取平均值作为该组型煤的抗压强度(单位N/个)。

3)热稳定性测定。取一定量的型煤产品放入坩埚中，将其置于(850±15)℃的马弗炉中隔绝空气加热30min，冷却后称量。筛分5min，以粒度大于6mm的残焦质量占各级残焦质量之和的百分数作为热稳定性指标。

2 试验结果与讨论

2.1 不同成型水分下单种粘结剂成型试验

由于本次试验采用有粘结剂冷压成型工艺，当在煤粉中添加粘结剂时，最佳成型水分也会发生变化。因此在进行单种粘结剂成型试验的同时，考查在不同成型水分下粘结剂添加量与抗压强度的关系。单种粘结剂添加量与成型物料水分对型煤抗压强度的影响规律如图2—图7所示(其他成型条件：成型压力为25MPa，粒度上限3mm，-1mm煤粉含量70%)。

图2 不同成型水分下膨润土添加量与抗压强度的关系

图3 不同成型水分下CMC添加量与抗压强度的关系

图4 不同成型水分下淀粉添加量与抗压强度的关系

图5 不同成型水分下CMS添加量与抗压强度的关系

图7 不同成型水分下腐殖酸钠添加量与抗压强度的关系

由图2—图7可知：

1)对型煤抗压强度随着成型水分的增加而先增加，后趋于不变。当成型水分在20%时，随着粘结剂添加量的不断增加，型煤抗压强度增幅较小；当成型水分为23%时，随着粘结剂添加量的不断增加，型煤抗压强度增幅较大；当成型水分为25%时，随着粘结剂添加量的不断增加，型煤抗压强度增幅明显增大；当水分进一步增加到28%时，型煤抗压强度比成型水分为25%时略有增加；当成型水分增加到30%时，型煤抗压强度比成型水分为28%时基本没有变化。可见，成型水分在25%～28%时，物料之间能够更好的润湿，更有利于粘结剂作用，且在一定压力下物料堆积更加紧密。考虑到后续的干燥工艺，为了降低能量损耗，仍选择25%的成型水分。

2)对于粘结剂的种类及用量这一影响因素来说，各种粘结剂单独添加时，型煤抗压强度都随着粘结剂添加量的增加而增加，但随着粘结剂添加量的添加，型煤抗压强度的增加趋势减小。淀粉、CMC和CMS作为粘结剂粘结效果最好。在成型水分为25%时，当型煤抗压强度大于500N/个时，淀粉添加量为2.5%，CMC添加量为1.3%，CMS添加量为2%。2.5%淀粉添加量折合成本为55元/t型煤，1.3%CMC添加量折合成本为70元/t，而2.0%CMS添加量折合成本为90元/t，经济效益略差。聚丙烯酰胺和腐殖酸钠单独成型时效果一般。综上所述，在型煤生产过程中为了节省能耗且得到较高的抗压强度的型煤，应选择25%的成型水分。在性能基本相同时优先选取CMC和淀粉作为粘结剂。

2.2 粘结剂的复配成型试验

单种粘结剂的成型试验表明，要想得到抗压强度较高的型煤产品，无机粘结剂的添加量必须加大，这无疑会加大型煤产品灰分，而只采用有机粘结剂又使型煤生产成本过高。因此在使用有机粘结剂的基础上适量添加部分无机粘结剂，这样才能在将来的工业化应用中具有指导性。

为此进行了半焦粉成型粘结剂复配的试验研究，参照单种粘结剂成型试验结果，本次试验分别用淀粉和CMC复配膨润土进行试验。淀粉复配膨润土的试验结果见表2，CMC复配膨润土的试验结果见表3。

表2 淀粉与膨润土的复配成型试验条件与结果 N/个

表3 CMC与膨润土的复配成型试验条件与结果 N/个

从表2和表3的结果来看，与单独使用粘结剂时相比，2.00%的膨润土添加量对型煤强度影响不大；膨润土的添加量为4.00%时型煤强度较好改善；膨润土的添加量为8.00%时型煤强度有更明显增加，但此时型煤灰分达到了19%。为了尽量不增加型煤灰分，膨润土的添加量以6.00%左右为宜。所以推荐本次试验中2.00%的淀粉与6.00%的膨润土的配比和1.00%CMC与4.00%的膨润土配比，其型煤抗压强度分别为513N/个和568N/个。经济成本分别为98元/t和91元/t。

2.3 型煤热稳定性提高试验

决定气化型煤质量的指标，除了型煤抗压强度还有热稳定性。半焦粉几乎没有粘结性，采用湿法冷压成型工艺时，仅靠半焦粉自身和添加的少量粘结剂很难达到较高的热稳定性。大量试验表明，粘结性烟煤具有良好的热稳定性，对于提高型煤热稳定性来讲，添加少量粘结性烟煤可以达到满足要求的热稳定性；大比例添加水玻璃或粘土类无机物可提高型煤热稳定性。但是增大水玻璃、水泥或粘土矿添加量，会使型煤的反应活性和发热量急剧下降，不利于气化型煤在气化过程中的反应工况。

本组试验选取焦煤和1/3焦煤以及水玻璃作为添加剂，配以上组试验得到的复配粘结剂进行成型试验。

2.3.1 添加剂原料

水玻璃规格为：相对分子质量为284.2，Na2O含量为19.3%～22.5%，Na2O与SiO2含量之比为1.03±0.03。

表4 粘结性烟煤煤质分析

2.3.2 复配粘结剂配以焦煤、1/3焦煤和水玻璃对型煤热稳定性的试验

在粘结剂复配成型的试验中，2.00%的淀粉与6.00%的膨润土的配比和1.00%CMC与4.00%的膨润土配比都能得到抗压强度较好的型煤产品，但热稳定性都不太理想(TS+634%左右)。

本组试验分别用淀粉和膨润土复配、CMC和膨润土复配加以焦煤、1/3焦煤、水玻璃进行成型试验，考查其对型煤产品的热稳定性的影响，TS+6作为热稳定性的考核指标，结果见表5、表6。

1)淀粉和膨润土复配加以焦煤、1/3焦煤和水玻璃对型煤热稳定性的试验。由于2.00%的淀粉与6.00%的膨润土的配比所制得的型煤产品抗压强度可达到513N/个，所以对淀粉、膨润土配比不做变动，其他条件为成型压力25MPa、水分25.00%，考查焦煤、1/3焦煤、水玻璃对型煤热稳定性的影响，热稳定性考核指标为TS+6。

表5 焦煤、1/3焦煤、水玻璃添加量对淀粉、膨润土复配型煤抗压强度的影响 N/个

表6 焦煤、1/3焦煤、水玻璃添加量对淀粉、膨润土复配型煤热稳定性的影响 %

2)CMC和膨润土复配加以焦煤、1/3焦煤和水玻璃对型煤热稳定性的试验。由于1.00%的CMC与6.00%的膨润土的配比所制得的型煤产品抗压强度可达到568N/个，所以对CMC、膨润土配比不做变动，其他条件为成型压力25MPa、水分25.00%，考查焦煤、1/3焦煤、水玻璃对型煤热稳定性的影响，TS+6作为热稳定性的考核指标，结果见表7、表8。

表7 焦煤、1/3焦煤、水玻璃添加量对CMC、膨润土复配型煤抗压强度影响 N/个

表8 焦煤、1/3焦煤、水玻璃添加量对CMC、膨润土复配型煤热稳定性的影响 %

由表5—表8可知，焦煤、1/3焦煤、水玻璃的加入型煤抗压强度没有明显变化，热稳定性随着这三种的添加量增加而增加。当型煤产品TS+6达到70%以上时，焦煤添加量为4%，1/3焦煤添加量为6%，水玻璃添加量为8%。由于4%焦煤添加量折合成本为40元/t型煤，而6%的1/3焦煤折合成本为53元/t型煤，考虑到经济效益，选取4%的焦煤添加量作为提升型煤热稳定性的手段。当水玻璃添加量为8%以上时，严重增大型煤产品灰分，因此不考虑添加水玻璃。