粉煤成型机理研究进展

第2卷第3期转化2001年7月COAL CONVERSIONlul. 2001粉煤成型机理研究进展赵玉兰1)常鸿雁”吉登高”刘翼洲艹摘要综述了粉煤成型杌理研究进展、褐煤无粘结剂成型杌理有沥青、腐植酸、毛细孔等多种假说,这些假说都认为,煤“自身粘结剂”的存在是成型的重要基础;粉煤在粘结剂成型过程中,煤与粘结剂间相互润湿是成型的前提条件,进而依靠内聚力和粘附力使粉煤成型.本项研究将为开发粘结剂及成型新工艺提供理论依据关键词粉煤,粘结剂,戍型机理中图分类号TQ536.10引言1粉煤无粗结剂成型机理21世纪是能源结构多元化时代,煤炭在能源消粉煤无粘结剂成型是指不外加粘结剂,而是依费结构中的主导地位不会改变专家估计未来二三靠煤炭自身的性质和粘结性组分,在外力作用下压十年煤炭需求量将会增加.伴随机械化采煤产生的制成型煤的过程.适于无粘结剂成型的煤种为年轻大量粉煤需要处理,发展型煤技术势在必行.中国从褐煤20世纪J0年代开始研究民用型煤,其技木已达到国际水平;60年代开始研究工业型煤,取得了一定1·1褐煤无粘结剂成型机理成果,建起了一批型煤厂.据1996年煤炭部型煤技关于褐煤无粘结剂成型机理众说不一,有各种术现状调査报道,所考察的近四十家工业造气煤厂假说如沥青、腐植酸、毛细孔、胶体、分子粘合等假中没有一个能正常生产;近十几年来,型煤厂仍在说.但都认为“自身粘结剂”的存在,是褐煤无粘结剂低水平重复建设;型煤生产过程屮诸多问题不能突成型的重要基础破,严重制约了型煤产业化其主要原因是成型基础(1)沥青假说.沥青假说是早期的假说沥青假研究薄弱,正如 Bruhl所言,实践一直超越理论的发说认为,煤中沥青质是煤粒间粘结成型的主要物质展.因此,加强粉煤成型性能及成型机理等基础研究沥青的软化点为70C~80C.在加压成型过程中迫在眉睫由于煤粒间相对位移,彼此相互推挤、摩擦产生的热粉煤成型工艺分冷压成型和热压成型以冷压量,使沥青质软化成为具有粘结性的塑性物质,将煤成型为主;冷压成型又分为粘结剂成型和无粘结剂粒粘结在一起成为型煤成型,以有粘结剂成型为主根据我国国情,粉煤成(2)腐植酸假说褐煤屮含有游离腐植酸,游离型多采用添加粘结剂、中低压、免烘干、冷压成型工腐植酸是一种胶体具有强极性.在成型过程中,外力作用使煤粒间紧密接触.具有强极性的腐植酸分山西省自然科学基金资助項目(981017)、原煤炭部“九五”型煤科技攻关资助项目(XM970101))教授;2)硕士生;3)讲师:4)工程师太原理工大学矿业T程学院,030024太原收确H期:2001m320第3期赵玉兰等粉煤成型机理研究进展13子,使煤粒间相结合的分子间力得以加强而成型3)毛细孔假说毛细孔假说认为,褐煤屮有大2粉煤有粘结剂成型机理量含水的毛细孔,成型时毛细孔被压溃,其中的水被挤出,覆盖于煤粒表面形成水膜进而充填煤粒间的粉煤有粘结剂成型,是指粉煤与外加粘结剂充空隙,呈现出相互作用的分子间力,加强了煤粒的接分混合均匀后,在一定的压力下压制成型煤的过程触而成型有粘结剂成型的煤种为年老褐煤、烟煤、无烟煤等;(4)胶体假说胶体假说认为,褐煤由固相和液粘结剂为煤焦油焦油沥青、石油沥青(又称石油残相两部分物质组成固相物质是由许多极小的胶质渣)或水溶性粘结剂成型煤料为-3mm(占95%腐植酸颗粒构成,其粒度为1m~10m,在成型过以上)的粉煤,具有类似砂土的碎散性从热力学观程中使胶粒密集而产生聚集力,形成具有一定强度点出发,粉煤成型过程是体系的嫡减小的非自发过的型煤程.欲使粉煤成为具有一定强度的型煤,外力做功和(5)分子粘合假说分子粘合假说由那乌莫维粘结剂是重要的基础条件粘结剂的选择关系到型奇提出认为粒子间的结合是在压力作用下由于粒煤的质量和成本,也是型煤产业化的制约因素因子间接触紧密而出现分子粘合的结果此,研究粉煤成型机理,关键是探讨煤与粘结剂间的上述假说都只从某一个方面解释了成型过程中相互作用,即作用力的类型、大小及其影响因素搞的一些现象还有待进一步探讨清粉煤成型机理将为开发型煤粘结剂、实现型煤工业化,乃至粉料成型相关领域(包括冶金、化工、建1.2其他煤种无粘结剂成型机理材、医药等)提供理论依据.粉煤有粘结剂成型机理文献[3]着重介绍了无烟煤成型试验研究结果,研究的文献报道甚少,相关领域如矿粉团球、压块等分析了工业型煤无粘结剂成型的湿态粘结机理与下粉料成型机理研究也不多态粘结机理2.I浸(润)湿与桥接(1)型煤的湿态粘结机理碎散性煤料在湿态煤粒与粘结剂间的浸湿和粘合直接影响型煤质下被压制成型的主要原因,是媒粒间存在着一定的量以煤和焦油沥青成型为例,除煤的含水量要影响煤粒与焦油沥青的浸湿与粘合外,沥青的粘度和组断裂形成一些不饱和键,使煤粒表面产生微弱的负成也会影响成型过程沥青的粘度决定型煤的冷态电荷极性的水分子被煤粒吸附形成水化膜,煤粒通抗压强度;沥青中含成焦组分的多少决定型煤的热过粘结性的水化膜连接而成型稳定性.当沥青与低挥发分煤成型时,成焦组分在型(2)型煤的干态粘结机理在型煤干燥过程中煤结构中形成沥青焦骨架,使型煤具有好的热稳定随着型煤的水化膜逐渐变薄,液膜水的表面张力增性为了使沥青类粘结剂获得最合适的粘度,前苏联大,煤粒受力彼此靠的更近媒分子间的范德华力增学者研究了沥青的重要性质研究发现,沥青粘度发大直至液膜的水蒸于,煤分子间的范德华力达到最生显著变化的两个阶段,一个是从固态向塑性状态大此外,千煤粒间摩擦阻力大,煤粒彼此镶嵌产生的转变阶段;另一个是从液态向高流动状态的转变较大的机械啮合力因此,干态型煤主要靠煤分子间阶段沥青在室温下呈固态,只有在温度高于其软化的范德华力和煤粒间的机械啮合力使煤粒紧密粘结点20C~25(下,才能与煤粒混合均匀并充分浸而成型湿.前苏联学者采用了一种特殊的料粒抛光技术,通笔者研究∫弱粘结煤、肥煤、焦煤、无烟煤等不过显微镜观察研究了煤与沥青粘合剂的混合料.结同煤种的无粘结剂成型.发现焦煤成型性能最好,其果表明,在成型过程中沥青粘结剂只能部分地将煤型煤表面致密光沽抗压强度高,防水性能好;而无粒浸(润)湿,进入成型机的物料内,大部分煤粒通过烟煤成型性能最差,其型煤质量低抗压强度小这“粘结剂桥”连接而成型是由于焦煤的显微硬度小,无烟煤显微硬度大软质文献[6]研究结果表明,成型前的粘结剂应呈塑煤在成型过程中易被压碎,产生更细的煤粉填充到性状态并具有良好的扩展性,成型后型煤内粘结剂煤粒间隙中,达到最紧密堆积,使型煤致密光洁,抗要尽快固化,形成能承受机械力作用的骨架结构,以压强度高使型煤具有足够的强度.型块强度是颗粒和固化粘2001年结剂构成的类似混凝土结构的总体强度的体现.若差异,表明在型煤中有新官能团生成即型煤内煤粒成型物料的结构强度低于由粘结剂固化形成的骨架间有化学键力的作用强度,则提高成型物料的粉碎细度,以增加颗粒总表面积型块强度取决于物料的结构强度3有粘结剂矿粉低温固结机理研究2.2机被结合力与物理化学结合力傅菊英等10应用表面化学观点研究了有粘结文献[门]报道了褐煤成型主要工艺条件的研究剂铁精矿低温固结机理,认为低温固结是粘结剂与结果,认为煤粒和粘结剂之间的作用过程十分复杂,造块物料间粘附力和内聚力共同作用的结果粘附包括润湿、传质结合等过程粘结剂与被粘结物之力是指粘结剂与造块物料之间的作用力;内聚力是间的结合力是机械结合力与物理化学结合力的综指粘结剂或造块物料本身分子间吸引力.当有粘结合结果.对于煤这种非极性多孔物料机械结合力起剂存在时粘结剂对颗粒表面的润湿作用使物料颗决定性作用型煤强度是粘结剂渗入煤粒间隙中脱粒由固-固接触变为液-固接触因此,低温固结实质水、固化产生机械键合的结果.粘结剂脱水、硬化、固是固液界面现象粘附力的大小受物料颗粒的表面结过程中,型煤随水分蒸发而收缩颗粒间距离减形状粗糙度润湿性、粒度等因素影响固结团块强小,碎散阻力增大,型煤强度增加度既与分子间作用力(即范德华引力)颗粒表面凹凸不平而产生的机械联接力有关,也与静电引力、化2.3最小接触角及最大粘结功学键力有关李登新等以型煤抗压强度定量表征煤与粘结朱德庆等表面润湿热、表面电性及红外光剂间作用力的大小,即煤与粘结剂间的润湿程度理谱测试入手,对粘结剂与铁矿粉表面作用机理及生论分析认为粘结剂与煤粒间产生粘结的前提条件,球强度的机理作了大量研究从理论上导出了生球是粘结剂润湿煤粒表面其润湿程度可用接触角粘强度界面能综合模型提出了含粘结剂的磁铁矿粉结功表示即接触角越小,粘结功越大,润湿程度越生球的强度取决于颗粒间的化学作用能粘滞作用大.利用CDA型协和接触角仪、CBVD型协和表能、毛细引力能、范德华引力能静电作用能和磁引面张力仪,分别测量了在型煤与粘结剂间的接触角力能,主要由化学作用能粘滞作用能、毛细引力能及液态粘结剂的表面张力随着煤表面疏水基团的所决定的新观点,丰富和发展了生球强度理论增加,煤与水的接触角变大,煤被水润湿程度变小,型煤抗压强度小即煤与粘结剂间的作用力小,4结束语谌伦建通过扫描电镜对工业型煤微观结构进行了研究,发现在煤粒表面及孔隙中均有粘结剂水粉煤成型机理研究的重点是弄清型煤内煤粒之化形成的凝胶体和各种形态的结晶体.这些凝胶体间煤粒与粘结剂之间作用力的类型、作用力的大小和晶体将煤粒包围起来,并相互连接形成晶体网络,及其影响因素;其日的是为开发型煤粘结剂,加快工从而将煤粒牢固粘结在一起成为型煤.型煤中凝胶业型煤产业化提供理论依据已有的研究结果表明体越多棒状、柱状及针状晶体越发育,分布越均匀,型煤内煤粒之间、煤粒与粘结剂之间存在着复杂的则型煤强度越高作用力,有机械力物理力化学力及物理化学力从笔者用同样方法观察了不同煤种与不同粘结剂有关文献报道可知,此项研究定性多于定量理论分的型煤微观结构,得到相同结论;并结合各型煤的红析多于仪器测试.有待于加强仪器测试定量研究工外光谱图,定性分析比较了型煤与原煤的官能团的作1许志华煤炭加工利用概论徐州:中国矿业大学出版杜、19881121192] hpus B褐煤无粘结剂成型的理论研究煤炭加工利用,19882);5359[3]周祥瑜,刘大华,宋伯云,工业型煤无粘结剂成型研究煤炭加工与综合利用1992(2):335「4]赵玉兰,吉鲣高,王琳原煤成型特性研究(【)煤的硬度和脆度与成型效果的关系,煤炭转化,1992(2):59623] Elliuntt A.媒利用化学:上册.北京;化学工业出版社,191.524540(下转第19页)第3期刘俊明等煤快速液化反应装置的有效密封结构,全国压力容器标准化技术委员会,GB501998钢制压力容器北京:中国标准出版社,199821胡国桢,石流,间家宾.化工密封技术.北京:化学工业出版社,1990章大勤袁风隐压力容器与化工设备实用手册:上册北京:化学工业出版社,2000RESEARCH ON EFFECTIVE SEALS OF COAL HIGH-SPEEDLIQUEFACTION EQUIPMENTLiu junming and Zou gangming(College of Chemical Engineering und Technology, Taiyuan Universityof Technology, 030024 Taiyuan)ABSTRaCt The new types of seal for special demands of coal high-speed liquefactionquipment are introduced. These new types of seal are no gasket line-contact seal, serew sleevesemi-self-sealing seal and magnetic driving seal. The process of design of these seals is explained.Magnetic driving seal can turn rotational seal into static seal, and no-leakage can be realized. Nogasket line-contact seal and screw sleeve semi-self-sealing seal have advantreliable sealassembling and disassemble and repair simplyKEY WORDS coal liquefaction, mixer, reactor, seal(上接第14页)6】江超鸿成型原料的粒度要求,煤炭加工利用,1986(2):21237]张贻赵会娟唐珂等.煤型煤主要工艺条作的研究环境保护科学.199148(2):32-368]李登新,吴家珊,宋永玮煤与粘结剂的相互作用和型煤抗压强度的关系,煤炭转化,1992.15(4):76819]谌论建柴一言祝朝晖.型媒微观结构的研究煤炭学报1997,22(3):304[101簿菊英黄正天,王建晖,铁精矿低温固结团块的研究烧结球团199621(3):9-131]]朱德庆邱冠周,傅守澄等.含粘结剂的磁铁矿生球强度机理研究,有色金属,1996,48(3):3238THE RESEARCH PROGRESS ON THE BRIQUETTINGMECHANISM OF FINE COALZhao Yulan ChangHongyan Ji Denggao and Liu Yizhou(College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, 030024 TaiyuanABSTRACt ' This paper summarizes the research progress in briquettion mechanism of coalAbout briquetting mechanism without binder of brown coal there have been varied hypothesessuch as pith hypothesis, humic acid hypothesis and capillary hole hypothesis, etc It is importantbasis of briquetting that the coals have the binders itselves in these hypotheses. In briquettingprocess of fine coal with binder it is neccessary condition of briquetting that the coal and thebinder can moisten each other after that the cohesion and adhesion make fine coal briquettingThe paper points out the studies in briquetting mechanism of fine coal will supply the theoryfoundation for developing the binders and new briquetting processesKEY WORDS fine coal, biner, briquetting mechanism