褐煤热水干燥改质后的性能研究

鞠春红,张伟君,王志成,李福裿

(黑龙江省能源环境研究院，黑龙江 哈尔滨 150027)

褐煤热水干燥改质后的性能研究

鞠春红,张伟君,王志成,李福裿

(黑龙江省能源环境研究院，黑龙江 哈尔滨 150027)

褐煤在我国煤炭能源中占有很大比重，因其含水量高、灰分大、容易风化、发热量低的缺点使褐煤的利用率较低。为了提高褐煤的利用率，采用高压釜热水干燥工艺对褐煤进行改质，并将改质的褐煤成型，研究其改质成型后的特性。实验结果表明：经热水干燥后褐煤中的水分、灰分、挥发分的含量有所降低，但固定碳和发热量有所提高；煤样粒度、干燥温度、成型压力对褐煤抗压强度的影响较为显著；热水干燥后褐煤的成型性明显增强，使煤球的抗压强度接近褐煤有粘结剂冷压成型煤球的强度，并且成本低于有粘结剂成型煤球的强度。

褐煤；改质；成型；热水干燥

前 言

褐煤属于软质煤，与其他煤种相比，褐煤含氧量高、灰分及灰熔点变化大、密度小、易于自燃。我国的褐煤是一种高挥发分(50%左右)、高水分(30%左右)、高灰分(30%左右)、低热值(14MJ/kg左右)、低灰熔点的劣质燃料[1]。新开采出的褐煤受阳光照射会因水分蒸发而龟裂粉碎，难以保存，而且在运输等过程中也存在一定的经济损失。因此，将褐煤脱除水分并加工成型煤，不但解决了运输和利用等问题，而且工业型煤还可以降低煤炭燃烧对大气的污染。

本实验利用高压釜对褐煤进行热水干燥加工技术是模拟煤炭在自然界的炭化过程，仅用数分钟的时间即可以代替数万年的地质年代过程，使褐煤转化成高阶煤[2]。

1 实验部分

1.1 主要仪器

主要仪器：电热恒温鼓风干燥箱（101-1A温度范围10～300℃）、称量瓶、电子天平、马弗炉（XL-1、最高温度1000℃）、坩埚、FYX高压釜（5L）、成型机（XQ-5）、嵌样规格 32×（8-12）、电子压力试验机（DY-1000）。

1.2 褐煤分析

对采自内蒙古的褐煤进行工业分析，其分析结果如表1所示。

表1 褐煤原煤工业分析Table 1 The industrial analysis of raw lignite

1.3 实验步骤

1.3.1 水热干燥实验

取下高压釜盖，将煤水混和物放入高压釜内，盖上高压釜盖子，拧紧螺丝。调节温度控制阀，达到实验的加热温度。调节磁力搅拌器，转速为100r/min。打开磁力转子的冷却水阀门，避免磁力转子过热。打开加热装置，将高压釜加热。当温度加热到所设定的温度时，关闭开关停止加热，打开釜体冷却阀门。待样品降至室温后取出。

1.3.2 水热干燥成型后的性能实验

1.3.2.1 褐煤热水干燥后与原料煤的成型对比

选取粒度为1mm和3mm的两种煤样进行水热处理，冷却至室温后加压成型，测定其抗压强度；在相同的实验条件下与原煤的成型性进行对比分析。

1.3.2.2 褐煤热水干燥成型与无粘结剂和有粘结剂冷压成型对比

选取粒度为1mm的煤样三份各25g，分别采用上述三种成型方法成型，煤球全部进行24h自然干燥。（有粘结剂冷压成型中选用煤焦油做粘结剂，煤∶焦油=92∶8）

1.3.2.3 粒度对型煤质量的影响

分别选取粒度＜0.1 mm、0.1 mm～1mm和＞1mm各占70%的三种煤样25g，进行水热处理，自然干燥24h，加压成210 kg/cm2型，测定其抗压强度。

1.3.2.4 干燥固结条件影响

用粒度均为1mm的煤样全部进行水热处理，冷却成型后分别在70℃温度下干燥3h、6h、24h，另取一组自然干燥24h作为对比实验，测定煤球的抗压强度。

1.3.2.5 成型压力的影响

煤样经过热水处理后，分别在200 kg/cm2、250 kg/cm2、290 kg/cm2和 350 kg/cm2的压力下成型，自然干燥，每个煤球22 g，测定其抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 褐煤热水干燥后与原煤工业分析对比

褐煤在热水干燥前后，其工业分析结果如表2所示。

表2 褐煤热水干燥后工业分析Table 2 The industrial analysis of lignite after hot water drying

根据表1、表2中的数据绘制成条形图如图1所示：

图1 褐煤热水干燥前后工业分析对比图Fig.1 The industrial analysis of lignite before and after hot water drying

由上表可以看出，褐煤经过热水干燥处理后，其水分、挥发分都有所降低，灰分降低的不多。首先，水分降幅最大，降低约50%，这对褐煤成型十分有利，一般褐煤不易成型的原因就是因为水分含量过高所致，过多的水会形成水膜，阻止煤粒间结合[3]，经过热水干燥处理后，褐煤的内在水分大部分被带走，随着加热温度升高，反应就越剧烈。气体从煤的孔隙中大量逸出时，带走了煤中的水分，从而达到了脱水的效果。其次，挥发分在加热后下降了14.41%，由于褐煤中的有机基团大部分含有羟基和羧基，在高温高压环境下，羟基和羧基会大量脱去，形成CO2等小分子气体，煤粒在水热体系中受到超临界水的萃取，小分子气体可以很好地溶解到水体系中[2]。脱羧后的褐煤其复吸性会大大降低，经过这种处理后会延长褐煤的存储时间。最后，灰分含量也有降低，煤中灰分含量越小，煤的利用率越高。灰分的脱除主要是由于煤中水分的大量减少导致煤样总量的减少，而实质上纯无机盐类物质除去钠、钾等可溶性粒子外，其余的均无变化。本实验中灰分降低不太明显的原因是由于加热釜的容积及条件因素。

通过工业分析对比结果我们可以看出，经过热水干燥处理后的褐煤，性质发生了很大变化，许多不利因素的参数（高水分、高灰、高挥发分）大大降低了，这为褐煤成型提供了基础条件。

2.2 水热干燥成型后性能的研究结果

2.2.1 褐煤热水干燥后与原料煤成型对比

将压制成型后的煤样进行抗压强度的实验，其实验结果如表3所示。

表3 褐煤热水干燥前后抗压强度对照Table 3 The compressive strength of lignite before and after hot water drying

由表3可以看出，热水干燥处理后的褐煤比处理前原煤成型后的煤球质量好，不散花，球体致密、结实。其原因主要是因为经过高温高压环境处理后，褐煤内在水分减少的同时其侧链羧基等基团也会相应减少不同粒度的煤样进行热水干燥处理后其抗压强度均有明显提高，3mm粒度的抗压强度提高约35倍，粒度1mm的褐煤抗压强度也提高了约1/5，可见热水处理后的褐煤成型性能有明显提高。此外，小粒度的褐煤成型性好于大粒度的褐煤成型，主要原因是小粒度的煤粒间隙容易压实。

2.2.2 褐煤热水干燥成型特点

将不同成型方法压制成型制得的煤球进行抗压强度的实验，其实验结果如表4所示。

表4 不同成型方法抗压强度对比结果Table 4 The compressive strength of briquette produced by different molding methods

通过表4的对比可以看出，热水干燥处理的褐煤成型后其抗压强度明显高于无粘结剂冷压成型，接近有粘结剂冷压成型。其原因是褐煤在热水干燥过程中虽没有加入粘结剂，但是其自身在热过程中褐煤自身产生的煤焦油有粘结作用，所以其抗压强度很大。其优点是热水干燥成型的褐煤成本低、成型压力低、对成型机械要求低、因此水热处理成型就具备了无粘结剂冷压成型和有粘结剂冷压成型的双重优点，具有实际生产价值。

2.2.3 粒度的影响

不同的粒度配比的煤样其抗压强度的实验结果如表5所示。

表5 不同粒度抗压强度对比Table 5 The compressive strength of briquettes with different particle sizes

由表5可知，1号褐煤的抗压强度最好，随着小粒度所占比例的下降，抗压强度也随之下降。粒度小有助于煤粒间的紧密接触，从而提高抗压强度，但粒度过小在生产中增加了破碎的动力消耗，压型时也不易脱模，所以合理的粒度配比是褐煤成型的关键因素。实验结果表明，粒度＜0.1 mm占70%、0.1 mm～1mm占15%和＞1mm占15%的配煤成型时易脱模，动力消耗小，是较为合适的煤球颗粒配比。

2.2.4 干燥固结条件的影响

经过热水干燥处理的褐煤压制成煤球后在不同的干燥条件下干燥后，其抗压强度测定的实验结果如表6所示。

煤球在70℃下烘4h，开始出现裂纹，增加烘干时间则崩解速度更快。所以全褐煤或以褐煤为主的煤球应尽量避免烘干，所以补充做一组实验，将同一煤样褐煤热水干燥成型后不经任何处理直接置于通风处自然干燥4d、8d、16d和32d后进行抗压强度的实验，其实验结果如表7所示。

表6 干燥时间与抗压强度关系Table 6 The relation between drying time and compressive strength

表7 通风处自然干燥结果Table 7 The results of air dry in ventilated place

由表7可以看出，压制好的煤球在放置4d以上，煤球内部水分在放置过程中就会趋于一致，煤球强度上升较大，也能达到一定的指标要求。所以在天气、场地条件不允许的情况下，也可适当烘干、放置后再行装运。

2.2.5 成型压力的影响

将不同的成型压力下分别制得的煤球进行抗压强度的实验。（每组均制取煤球10个取抗压强度的平均值）。实验结果如表8所示。

表8 不同成型压力煤球的抗压强度Table 8 The compressive strength of briquette produced with different molding pressures

由表8可见，成型压力在200～290kg/cm2范围内变化时抗压强度逐渐升高，但随着成型压力升高，在250～290 kg/cm2之间比200～250 kg/cm2之间上升得缓慢，这说明成型压力越高，抗压强度的上升幅度越缓慢，也可以说抗压强度的提高越困难，这是由煤粒的膨胀性质所决定的，当压力过大时，其反弹力也会增大，当其超过型块的机械强度时，型块脱模后就会出现裂纹，甚至会膨胀碎裂，其抗压性大大变弱，表8中350 kg/cm2是压溃后再成型的抗压强度的测试结果，仅为632N。所以成型压力并不是越高越好，当压力超过某个数值后，煤颗粒会被彻底压溃，这种煤的颗粒之间本身将失去相互粘结的作用，其成型效果不好。

3 结论

(1)经过热水干燥处理后的褐煤，水分、灰分、挥发分含量都有所降低，发热量、固定碳有所增加，这是褐煤改质成型的理论基础与前提。

(2)褐煤经过热水干燥的成型压力降低、抗压性明显升高，煤球变得结实、致密，煤质有利于成型。加热中产生的粘结剂增强了抗压强度，也节约了生产成本。粗细搭配的粒度能达到比较好的抗压效果。褐煤成型后自然干燥是最佳的方案。褐煤水热干燥成型压力并非越大越好，成型压力有一个最佳压力值。

［1］刘翼洲,高春珍.冷压成型压力和粒度配比对强度的影响［J］.煤炭加工与综合利用,1996，4：68～69.

［2］沈国娟,张明旭,王龙贵.浅谈褐煤的利用途径［J］.煤炭加工与综合利用,2005，6：1～4.

［3］吕劲,虞继舜.大同煤预热改质工艺及炼焦试验研究［J］.钢铁,2004,39(2)：1～4.

Study on the Performance of Lignite Modified by Hot Water Drying

JV Chun-hong,,ZHANG Wei-jun,Wang Zhi-cheng and Li Fu-qi
(Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang,Harbin 150027,China)

Lignite possesses a significant proportion of energy in China,but it has a low utilization rate because of the high moisture and ash content,easily weathered and low heat productivity.In order to increase the utilization rate,the lignite is modified by the technology of high-pressure autoclave hot water drying,and the sample is molded so as to analyze its performance.The results show that the moisture,ash content and volatile content decreases,but the fixed carbon and heat productivity of the lignite increases after modification.The coal sample particle size,drying temperature and molding temperature has obvious effects on the compressive strength of lignite.The molding property of lignite is improved significantly which makes the compressive strength be close to that of briquettes molded by cold molding with adhesives,but the cost is less than it.

Lignite;modification;molding;hot water drying

P 168.11

A

1001-0017（2012）01-0036-04

2011-09-11

鞠春红（1971-），女，汉族，黑龙江人，助理研究员，学士学位，主要从事替代能源技术、清洁能源技术的研究工作。