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型煤干燥特性的试验研究
型煤干燥特性的试验研究
赵红涛,武建军,胡雪莲**
作者简介:赵红涛,(1986-),男,硕士研究生,主要从事洁净煤技术研究
通信联系人:武建军,(1964-),男,博士生导师,主要从事煤炭加工利用、型煤及型焦方面的研究. E-mail:
JJuw@126.com
(中国矿业大学化工学院,江苏 徐州 221116)
5 摘要:本文首先采用热重分析仪研究了腐植酸钠和沥青热分解过程,然后从型煤的干燥特性
出发,研究了干燥时间对型煤质量的影响,型煤水分、干燥温度、干燥时间对型煤抗压强度
的影响。结果表明:以腐植酸钠和沥青为粘结剂的型煤,其干燥温度应当控制在150 ℃以
下,以防止粘结剂分解;型煤干燥过程中,当其内部含水量降到3%以下时,型煤的抗压强
度达到4.65 KN/个以上;干燥温度为100 ℃,干燥时间为4 h 时,所得型煤的抗压强度达
10 到4.97 KN/个,此干燥条件很适合实验中的型煤。
关键词:型煤;干燥;腐植酸钠;沥青;抗压强度
中图分类号:TQ536
0 引言
近年来,随着型煤技术的不断发展和成熟,型煤技术已经广泛应用于气化型煤[1-2]、型
焦制造[3-5]、燃烧型煤[6-7]等行业。而现阶段综采设备逐步在煤矿开采中普及,从而使得块煤
产率很低,而粉煤却大量产生,因此发展型煤技术成为解决这个问题的理想途径。
35 由于刚成型的湿型煤含水量高达10%-18%,并且强度较低,不方便直接运输,此外,
直接将湿型煤用于燃烧时,湿型煤中大量的水分蒸发使得型煤的发热量很低,大大降低了型
煤的利用效率。干燥后的型煤用于制型焦时能够提高型煤入炉完整率,避免型煤的破碎,也
能缩短结焦时间,同时提高焦炭质量[8-10]。这些年来,有一些研究者为了去除型煤干燥这一
工序,进行了一些探索[11-12],但其方法中又加入了无机成分,对于型煤发热量要求较高的行
40 业这种方法不适用。型煤的工业化生产过程中,由于生产规模很大,所以不可能使型煤自然
晾干。所以为了保证型煤的连续生产供应,应当采用干燥手段,快速提高型煤的机械强度,
为型煤的较好利用提供便利。
本实验中以腐植酸钠和沥青为主要粘结剂,它们在粉煤成型中发挥着重要的粘结作用,
研究他们的热分解过程对于选取适当的型煤干燥温度至关重要,研究型煤的干燥特性对于开
45 发和改进型煤的干燥工艺具有重要意义。
1 实验
1.1 样品
以神府不粘煤为主要原料,配入适当粘结性煤料,将两种煤料破碎至<3mm,添加5%
的腐植酸钠和2%的沥青作为粘结剂,粘结剂破碎至<1mm。按比例称取各种原料,加水,
50 将配料搅拌均匀,称取15g 配料装入模具中,在压片机上以25MPa 的成型压力下压制成圆
柱形型煤。将压好的湿型煤在烘箱(带鼓风)里干燥一定时间,然后取出来自然冷却。将制
好的型煤装入密封袋。
1.2 实验仪器及方法
采用德国NETZSCH 公司STA-409C 型热重分析仪,研究粘结剂腐植酸钠和沥青的热分
55 解过程,以高纯氮气为吹扫气体,气体流量为100 ml/min,称取样品15 mg,升温速率10 ℃
/min,终温300 ℃。
根据国标MT/T748-2007,采用TYE-20 型抗压试验机测定型煤的冷态抗压强度。将一
组10 个型煤逐个测定,测定结果取平均值,即为型煤的冷态抗压强度值,单位为KN /个。
2 结果与讨论
60 2.1 粘结剂的热重分析
2.1.1 腐植酸钠的热重分析
0 50 100 150 200 250 300
80
85
90
95
100
TG
DTG
Temperature /℃
TG / %
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
DTG , %/min
图1 腐植酸钠的TG-DTG 曲线
Fig. 1 TG-DTG curves of sodium humate
65
如图1 所示,从DTG 曲线可知腐植酸钠在76.8 ℃时,失重速率达到最大值2.61 %/min。
在室温―150 ℃内,腐植酸钠的失重速率较快,这个阶段主要是水分的脱除;150 ℃以后至
结束,失重速率值在0.50 %/min 附近,说明在这个阶段腐植酸钠发生了稳定的分解反应,
主要是不稳定的含氧官能团-COOH 发生分解。由TG 曲线可知,100 ℃时腐植酸钠失重速
70 率仍然较快,此时腐植酸钠残余量为91.50%,150 ℃时残余物为88.14%,而后TG 曲线逐
渐趋于平缓。因此,以腐植酸钠为粘结剂的型煤在干燥过程中,应当控制干燥温度在150 ℃
以下,避免腐植酸钠发生分解,而降低其粘结性。
2.1.2 沥青的热重分析
0 50 100 150 200 250 300
80
85
90
95
100
TG
DTG
Temperature / ℃
TG / %
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
DTG ,%/min
75 图2 沥青的TG-DTG 曲线
Fig. 2 TG-DTG curves of asphalt
如图2 所示,从DTG 曲线可以看出,沥青的失重速率逐渐增大,300 ℃时达到最大失
重速率2.73 %/min。从TG 曲线可以看出,沥青从150 ℃时重量开始减少,说明此时沥青开
80 始进入分解阶段,此后沥青持续分解,重量逐渐下降,300 ℃时沥青残余量为86.98%。因
此,以沥青为粘结剂的型煤的干燥温度应当低于150 ℃。
2.2 型煤的干燥分析
2.2.1 干燥时间对型煤质量的影响
0 1 2 3 4 5 6
13.5
14.0
14.5
15.0
型煤质量 / g
干燥时间 / h
100℃
150℃
85 图3 不同干燥时间下型煤质量曲线
Fig. 3 curves of coal briquette weight at different drying time
从图3 可以看出,初始质量相同的型煤,其质量都随干燥时间的增加而降低。干燥温度
为100 ℃时,刚开始两个小时内,型煤的质量迅速下降,当干燥时间在4 h 后,随着干燥时
90 间的延长,型煤的质量基本保持不变。而干燥温度为150 ℃时,型煤达到恒重时的时间为2
h,干燥时间比100 ℃时缩短了一半,而此后随着干燥时间延长,型煤的质量略微有点波动,
这可能是由于干燥温度过高,将型煤从烘箱取出来称量的过程中吸收了空气中部分水分。
2.2.2 型煤水分对型煤强度的影响
0 1 2 3 4 5 6 7
4.2
4.4
4.6
4.8
5.0
5.2
5.4
型煤抗压强度, KN/个
型煤水分含量 / %
95 图4 不同含水量下型煤抗压强度曲线
Fig. 4 curve of coal briquette compressive strength at different moisture
从图4 可以看出,型煤在干燥过程中,其抗压强度值随着内部水分含量的减少而增大。
在干燥开始时,型煤内部水分含量较多,这些水分与腐植酸钠结合在一起形成一层粘结剂液
100 膜[13],型煤强度较低。但当干燥进行到一定阶段后,型煤中水分降到3%以下时,型煤的抗
压强度达到4.65 KN/个以上;当型煤中水分降低到1.5%以下时,煤粉颗粒间距离迅速减小,
型煤强度急剧增大;当水分达降到1%时,型煤强度达到较大值5.11 KN/个。粉煤成型过程
中加水,使得腐植酸钠粘结剂溶解,从而形成高粘结性的胶体,将粉煤颗粒粘结在一起。而
湿型煤在干燥过程中,其内部水分含量逐渐减少,腐植酸钠粘结剂固化,它一方面把煤粉颗
105 粒相互胶结和吸附在一起,另一方面,腐植酸钠中的活性官能团(如-COOH、-OH)与煤灰分
中的金属离子和氧化物经络合或螯合作用[14],形成稳定的物质,从而使得经过干燥后的型
煤强度倍增。
2.2.3 干燥温度和干燥时间对型煤强度的影响
型煤的干燥条件对型煤的强度有重大影响,干燥温度的高低及干燥时间的长短,直接影
110 响到型煤生产的能耗及型煤的强度。从图1 和图2 知,腐殖酸钠和沥青的分解温度都在150
℃左右,因此型煤的干燥温度超过150 ℃时,会使得它们会发生分解反应,粘结剂进而失
去粘结能力。此外,干燥温度太高,也会造成型煤中水分蒸发过快,导致型煤产生裂痕。过
高的干燥温度还会使型煤内部产生热应力[15],进而改变型煤的内部结构,使得型煤机械强
度降低,甚至会造成型煤燃烧,因此适当的控制干燥温度,对于提高型煤的强度意义重大。
0 1 2 3 4 5 6
4.2
4.4
4.6
4.8
5.0
5.2
5.4
型煤抗压强度, KN/ 个
干燥时间 / h
115
图5 不同干燥时间下型煤抗压强度曲线(干燥温度100℃)
Fig. 5 curve of coal briquette compressive strength at different drying time (drying temperature 100℃)
由图5 可知,在100 ℃干燥型煤时,型煤的抗压强度随着干燥时间的延长呈显著的上
升趋势,并且在干燥时间为4 h、5 h 时,型煤的抗压强度分别达到4.97 KN/个和5.12 KN/
120 个。此后,型煤的强度随着干燥时间的增加逐渐缓慢增大,因此考虑到型煤干燥过程中耗能
的问题,所以干燥时间选取4 h。
0 1 2 3 4 5 6
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
型煤抗压强度, KN/个
干燥时间 / h
图6 不同干燥时间下型煤抗压强度曲线(干燥温度150℃)
Fig. 6 curve of coal briquette compressive strength at different drying time (drying temperature 150℃)
125
从图6 可知,在干燥温度为150 ℃时,型煤的抗压强度明显呈现先增大后减小的趋势。
在干燥进行的前2 h 内, 型煤强度急剧增大,并在干燥时间为2 h 时达到最大值4.65 KN/
个,而后随着干燥时间的再延长,型煤的强度逐渐降低,这是由于此时干燥温度很高,干燥
时间太长使得型煤中粘结剂腐植酸钠发生明显的分解,粘结作用降低。因此,选择干燥温度
130 为100 ℃,干燥时间为4 h,对于实验过程中的型煤干燥很合适。
3 结论
(1)由腐植酸钠和沥青的热重分析可知,以腐植酸钠和沥青为粘结剂的型煤,其干燥
温度应当控制在150 ℃以下,以防止它们发生分解反应,进而导致型煤强度降低。
(2)型煤干燥时,随着干燥时间的延长,型煤内部含水量逐渐降低,含水量降到3%
135 以下时,型煤的抗压强度达到4.65 KN/个以上。
(3)干燥温度为150 ℃时,干燥2h,型煤即可达到最大抗压强度4.65 KN/个;而干燥
温度为100 ℃时,干燥4 h 所得型煤的抗压强度值达到4.97 KN/个,因此后者的干燥条件更
为合适。
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