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粉煤成型机理研究进展

发布时间:2019-05-22 10:15:31

粉煤成型机理研究进展

引 言 21世纪是能源结构多元化时代,煤炭在能源消费结构中的主导地位不会改变。专家估计未来二三十年煤炭需求量将会增加.伴随机械化采煤产生的大量粉煤需要处理,发展型煤技术势在必行。中国从20世纪50年代开始研究民用型煤,其技术已达到国际水平;60年代开始研究工业型煤,取得了一定成果,建起了一批型煤厂。据1996年煤炭部型煤技术现状调查报道,所考察的近四十家工业造气煤厂中,没有一个能正常生产;近十几年来,型煤厂仍在低水平重复建设;型煤生产过程中诸多问题不能突破,严重制约了型煤产业化。其主要原因是成型基础研究薄弱,正如Druhl所言,实践一直超越理论的发展。因此,加强粉煤成型性能及成型机理等基础研究迫在眉睫。 粉煤成型工艺分冷压成型和热压成型,以冷压成型为主;冷压成型又分为粘结剂成型和无粘结剂成型,以有粘结剂成型为主.根据我国国情,粉煤成型多采用添加粘结剂、中低压、免烘干、冷压成型工艺。 1 粉煤无粘结剂成型机理 粉煤无粘结剂成型是指不外加粘结剂,而是依靠煤炭自身的性质和粘结性组分,在外力作用下压制成型煤的过程。适于无粘结剂成型的煤种为年轻褐煤. 1.1 褐煤无粘结剂成型机理 关于褐煤无粘结剂成型机理众说不一,有各种假说,如沥青、腐植酸、毛细孔、胶体、分子粘合等假说但都认为自身粘结剂的存在,是褐煤无粘结剂成型的重要基础. (1)沥青假说。沥青假说是早期的假说.沥青假说认为,煤中沥青质是煤粒间粘结成型的主要物质。沥青的软化点为70℃~80℃.在加压成型过程中,由于煤粒间相对位移,彼此相互推挤、摩擦产生的热 量,使沥青质软化成为具有粘结性的塑性物质,将煤粒粘结在一起成为型煤。 (2)腐植酸假说。褐煤中含有游离腐植酸,游离腐植酸是一种胶体,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,褐煤中有大量含水的毛细孔。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,进而充填煤粒间的空隙,呈现出相互作用的分子间力,加强了煤粒的接触而成型。 (4)胶体假说。胶体假说认为,褐煤由固相和液相两部分物质组成,固相物质是由许多极小的胶质腐植酸颗粒构成,其粒度为1μm一10nm。在成型过程中使胶粒密集而产生聚集力,形成具有一定强度的型煤。 (5)分子粘合假说。分子粘合假说由那乌莫维奇提出。认为粒子间的结合是在压力作用下,由于粒子间接触紧密而出现分子粘合的结果。MBLq=J 上述假说都只从某一个方面解释了成型过程中的一些现象,还有待进一步探讨. 1.2 其他煤种无粘结剂成型机理。 (1)型煤的湿态粘结机理。碎散性煤料在湿态下被压制成型的主要原因,是煤粒间存在着一定的粘结性。煤在破碎加工过程中,其中一些桥键或晶格断裂,形成一些不饱和键,使煤粒表面产生微弱的负电荷,极性的水分子被煤粒吸附形成水化膜,煤粒通过粘结性的水化膜连接而成型。 (2)型煤的干态粘结机理。在型煤干燥过程中,随着型煤的水化膜逐渐变薄,液膜水的表面张力增大,煤粒受力彼此靠的更近,煤分子间的范德华力增大。直至液膜的水蒸干,煤分子间的范德华力达到。此外,干煤粒间摩擦阻力大,煤粒彼此镶嵌产生较大的机械啮合力。因此,干态型煤主要靠煤分子间的范德华力和煤粒间的机械啮合力使煤粒紧密粘结而成型,笔者研究了弱粘结煤、肥煤、焦煤、无烟煤等不同煤种的无粘结剂成型。发现焦煤成型性能,其型煤表面致密、光洁,抗压强度高,防水性能好;而无烟煤成型性能差,其型煤质量低,抗压强度小。这是由于焦煤的显微硬度小,无烟煤显微硬度大。软质煤在成型过程中易被压碎,产生更细的煤粉填充到煤粒间隙中,达到紧密堆积,使型煤致密光洁,抗压强度高。 2 粉煤有粘结剂成型机理 粉煤有粘结剂成型,是指粉煤与外加粘结剂充分混合均匀后,在一定的压力下压制成型煤的过程。有粘结剂成型的煤种为年老褐煤、烟煤、无烟煤等;粘结剂为煤焦油、焦油沥青、石油沥青(又称石油残渣)或水溶性粘结剂。成型煤料为-3mm(占95%以上)的粉煤,具有类似砂土的碎散性.从热力学观点出发,粉煤成型过程是体系的熵减小的非自发过程。欲使粉煤成为具有一定强度的型煤,外力做功和粘结剂是重要的基础条件.粘结剂的选择关系到型煤的质量和成本,也是型煤产业化的制约因素。因此,研究粉煤成型机理,关键是探讨煤与粘结剂间的相互作用,即作用力的类型、大小及其影响因素.搞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、建材、医药等)提供理论依据。粉煤有粘结剂成型机理研究的文献报道甚少,相关领域如矿粉团球、压块等粉料成型机理研究也不多。 2.1 浸(润)湿与桥接 煤粒与粘结剂间的浸湿和粘合直接影响型煤质量。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,沥青的粘度和组成也会影响成型过程。沥青的粘度决定型煤的冷态抗压强度;沥青中含成焦组分的多少决定型煤的热稳定性。当沥青与低挥发分煤成型时,成焦组分在型煤结构中形成沥青焦骨架,使型煤具有好的热稳定性。为了使沥青类粘结剂获得合适的粘度,前苏联学者研究了沥青的重要性质。研究发现,沥青粘度发生显着变化的两个阶段,一个是从固态向塑性状态的转变阶段;另一个是从液态向高流动状态的转变阶段。沥青在室温下呈固态,只有在温度高于其软化点20℃~25℃下,才能与煤粒混合均匀并充分浸湿。前苏联学者采用了一种特殊的料粒抛光技术,通过显微镜观察研究了煤与沥青粘合剂的混合料.结果表明,在成型过程中沥青粘结剂只能部分地将煤粒浸(润)湿。进入成型机的物料内,大部分煤粒通过粘结剂桥连接而成型。 成型前的粘结剂应呈塑性状态并具有良好的扩展性,成型后型煤内粘结剂要尽快固化,形成能承受机械力作用的骨架结构,以使型煤具有足够的强度。型块强度是颗粒和固化粘结剂构成的类似混凝土结构的总体强度的体现.若成型物料的结构强度低于由粘结剂固化形成66骨架强度,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。 2.2 机械结合力与物理化学结合力 对褐煤成型主要工艺条件的研究结果,认为煤粒和粘结剂之间的作用过程十分复杂,包括润湿、传质、结合等过程。粘结剂与被粘结物之间的结合力,是机械结合力与物理化学结合力的综合结果。对于煤这种非极性多孔物料,机械结合力起决定性作用.型煤强度是粘结剂渗入煤粒间隙中,脱水、固化产生机械键合的结果.粘结剂脱水、硬化、固结过程中,型煤随水分蒸发而收缩,颗粒间距离减小,碎散阻力增大,型煤强度增加。 2.3 小接触角及粘结功 以型煤抗压强度定量表征煤与粘结剂间作用力的大小,即煤与粘结剂间的润湿程度。理论分析认为粘结剂与煤粒间产生粘结的前提条件,是粘结剂润湿煤粒表面。其润湿程度可用接触角、粘结功表示.即接触角越小,粘结功越大,润湿程度越大。利用CDA型协和接触角仪、CBVD型协和表面张力仪,分别测量了在型煤与粘结剂间的接触角及液态粘结剂的表面张力。随着煤表面疏水基团的 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。 通过扫描电镜对工业型煤微观结构进行的研究,发现在煤粒表面及孔隙中均有粘结剂水化形成的凝胶体和各种形态的结晶体。这些凝胶体和晶体将煤粒包围起来,并相互连接形成晶体络,从而将煤粒牢固粘结在一起成为型煤.型煤中凝胶体越多,棒状、柱状及针状晶体越发育,分布越均匀,则型煤强度越高。 笔者用同样方法观察了不同煤种与不同粘结剂的型煤微观结构,得到相同结论;并结合各型煤的红外光谱图,定性分析比较了型煤与原煤的官能团的差异,表明在型煤中有新官能团生成,即型煤内煤粒间有化学键力的作用。 3 有粘结剂矿粉低温固结机理研究 应用表面化学观点研究有粘结剂铁精矿低温固结机理,认为低温固结是粘结剂与造块物料间粘附力和内聚力共同作用的结果。粘附力是指粘结剂与造块物料之间的作用力;内聚力是指粘结剂或造块物料本身分子间吸引力。当有粘结剂存在时,粘结剂对颗粒表面的润湿作用,使物料颗粒由固固接触变为液固接触。因此,低温固结实质是固液界面现象。粘附力的大小受物料颗粒的表面形状、粗糙度、润湿性、粒度等因素影响。固结团块强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、化学键力有关。 科研工作者从表面润湿热、表面电性及红外光谱测试入手,对粘结剂与铁矿粉表面作用机理及生球强度的机理作了大量研究。从理论上导出了生球强度界面能综合模型;提出了含粘结剂的磁铁矿粉生球的强度取决于颗粒间的化学作用能、粘滞作用能、毛细引力能、范德华引力能、静电作用能和磁引力能,主要由化学作用能、粘滞作用能、毛细引力能所决定的新观点,丰富和发展了生球强度理论。 4 结束语 粉煤成型机理研究的重点是弄清型煤内煤粒之间、煤粒与粘结剂之间作用力的类型、作用力的大小及其影响因素;其目的是为开发型煤粘结剂,加快工业型煤产业化提供理论依据。已有的研究结果表明,型煤内煤粒之间、煤粒与粘结剂之间存在着复杂的作用力,有机械力、物理力、化学力及物理化学力。此项研究定性多于定量,理论分析多于仪器测试.有待于加强仪器测试定量研究工作。

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