粉煤成型

粉煤成型能把低效、非潔凈原煤轉(zhuǎn)化為高效、潔凈能源;擴(kuò)大化工原料煤來源;合理利用劣質(zhì)燃料;促進(jìn)相關(guān)工業(yè)技術(shù)革新，型煤煉焦是粉煤成型工業(yè)的重要發(fā)展。

成型原料性質(zhì)不同，成型時(shí)需要采用不同的成型工藝。煤炭成型按成型的工藝條件分為冷壓成型、熱壓成型和球團(tuán)法成型。如下頁圖所示。

冷壓成型是在型煤配合料溫度低于100℃的條件下成型的工藝，包括無粘結(jié)劑成型和粘結(jié)劑成型兩種工藝。是粉煤成型的主要方法。型煤配合料是由粉煤、粘結(jié)劑和添加劑按比例配合成性能符合成型要求的物料。

無粘結(jié)劑成型是不用粘結(jié)劑的成型工藝，按成型壓力大小可分為低壓成型、中壓成型和高壓成型。成型壓力小于50MPa的成型叫低壓成型，主要用于生產(chǎn)無煙煤濕煤棒作合成氨原料，也用于含泥頁巖的煤成型，這種成型方法未獲廣泛應(yīng)用; 成型壓力為 50～100MPa的成型叫中壓成型，主要供無煙煤和泥炭配料成型，但型煤強(qiáng)度較低;成型壓力大于100MPa的成型叫高壓成型，主要用于年輕褐煤或中年褐煤的成型，是成熟的成型方法。粘結(jié)劑成型是在成型過程中外加粘結(jié)劑等添加劑的成型工藝。所使用的粘結(jié)劑包括有機(jī)物粘結(jié)劑、無機(jī)物粘結(jié)劑和復(fù)合物粘結(jié)劑。包括物理成型和化學(xué)成型兩種。物理成型是粘結(jié)劑在成型過程中只起粘結(jié)作用。如瀝青、造紙廢液或粘土作粘結(jié)劑的成型方法。化學(xué)成型是粘結(jié)劑在成型和型煤固結(jié)過程中發(fā)生化學(xué)變化而起粘結(jié)作用，為石灰碳酸化型煤的成型方法。

熱壓成型是利用型煤配合料在高速加熱到大量形成膠質(zhì)體的溫度，膠質(zhì)體作粘結(jié)劑，在出現(xiàn)塑性變形時(shí)以膠質(zhì)體作粘結(jié)劑加壓成型的工藝。這種成型方法多用來生產(chǎn)型焦。

球團(tuán)法成型是在粘結(jié)劑和水的作用下，型煤配合料無需加壓力，在圓盤式或滾筒式球團(tuán)成型機(jī)中滾動(dòng)成型。成型產(chǎn)品是球團(tuán)。該法用得不多。

型煤的發(fā)展首先是從民用開始的。18世紀(jì)，人們便以黃土等作粘結(jié)劑。用手工制成煤球或煤磚作為民用燃料。19世紀(jì)末期英、法、荷蘭等國才將粉煤成型發(fā)展到機(jī)制生產(chǎn)的工業(yè)階段，并研制出專門的成型設(shè)備——對輥成型機(jī)。1908年，日本發(fā)明了帶孔的、能單個(gè)燃燒的蜂窩煤，并于1912年開始手工生產(chǎn)和大量銷售。1926年，世界第一臺(tái)蜂窩煤機(jī)問世。1955年，日本又研制出了上燃式蜂窩煤。為了改善其上火速度，又經(jīng)過了一個(gè)相對漫長的發(fā)展時(shí)期，直到1976年才發(fā)展成了點(diǎn)火后幾分鐘即可炊事用的快速點(diǎn)火的上燃式蜂窩煤。1950年，靈堡的一位專家發(fā)明了以低揮發(fā)分煤為主要原料生產(chǎn)家用無煙燃料的熱壓型塊的Ancit方法，1967年在亞魯大多爾夫進(jìn)行了大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，生產(chǎn)能力為10～12t/h。在世界范圍已形成了現(xiàn)代的民用型煤技術(shù)，其使用的范圍和種類也在不斷地發(fā)展。

工業(yè)型煤起步較晚。20世紀(jì)初，德國先開始生產(chǎn)褐煤磚用于鍋爐燃燒，并于30年代研究成獨(dú)特的褐煤成型的兩段煉焦工藝。

1933年，日本引進(jìn)德國型煤技術(shù)生產(chǎn)機(jī)車用型煤。到1971年，日本鐵路機(jī)車有79%燒用型煤，成為國外工業(yè)型煤用量最多的行業(yè)。1955年，日本將蜂窩煤的燃燒方式由下面點(diǎn)火改成從上面點(diǎn)火，并研制成用半張報(bào)紙可點(diǎn)燃的無煙煤上點(diǎn)火蜂窩煤。1969年，世界高爐會(huì)議肯定了型焦生產(chǎn)工藝是高爐冶煉技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。由此，世界形成了型焦研究和開發(fā)的高潮。各國紛紛成立型煤和型焦和研究機(jī)構(gòu)，先后出現(xiàn)了20多種利用弱粘結(jié)煤或不粘結(jié)煤生產(chǎn)型煤和型焦工藝。

中國是最早生產(chǎn)和使用型煤的國家。1975年，在河南省滎陽縣發(fā)掘的西漢煉鐵遺址中，挖出了一批?180×80mm的帶孔的型煤，是蜂窩煤的雛形。在以前還發(fā)掘出元朝用煤、木炭和花果樹枝作成的取暖型煤-香餅，以及用粘土作粘結(jié)劑的手搖煤球。這證明在兩千年以前中國就開始生產(chǎn)和使用型煤。但在1949年以前幾乎沒有型煤工業(yè)。1954年，中國在北京、上海等地利用國產(chǎn)設(shè)備建立起一批民用煤球廠。1956年，北京開始生產(chǎn)手工蜂窩煤。1958年，中國制造出仿日本式的蜂窩煤機(jī)，從而形成了民用型煤工業(yè)。1978年，研制成火柴點(diǎn)火的上點(diǎn)火蜂窩煤和單個(gè)燃燒的暖盒煤球。1979年初，研制成無煙煤上點(diǎn)火蜂窩煤。

中國的工業(yè)型煤是從1958年研制型焦開始生產(chǎn)的。先后研制完成4種不同型焦生產(chǎn)工藝，建成30多個(gè)型焦生產(chǎn)廠。1964年研制成化肥造氣用型煤，1965～1966年先后在河北省唐山市和廣東省建成化肥型煤試驗(yàn)廠。1968年，在北京建成年產(chǎn)8萬t化肥型煤和機(jī)車型煤的工業(yè)生產(chǎn)線及1萬t的型煤生產(chǎn)試驗(yàn)線。1982年研制成功無煙清潔燃燒的鍋爐型煤和工業(yè)窯爐型煤。近幾年來，用物理加工方法全面改變型煤性質(zhì)，以滿足專門用戶的要求，研制出可固硫和改善熱變形特性，燃燒時(shí)定向開花的工業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐用型煤。并正向著高效、潔凈、可控等方面發(fā)展。

煤炭成型時(shí)，粘結(jié)劑與煤粒之間的作用是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程。不僅與粘結(jié)劑和煤炭本身的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且和成型條件密切相關(guān)。由于煤具有以非極性表面為主，煤表面有一定粗糙度和孔隙、潤濕性差且疏水性強(qiáng)、成型顆粒粒度小、有可塑性和彈性等主要物性，成型時(shí)可利用煤本身的粘結(jié)性或外加粘結(jié)劑，采用適宜的成型粒度、水分在一定的壓力作用下，克服煤的彈性，使煤粒之間互相靠近，產(chǎn)生塑性變形，并被此粘結(jié)成型。

主要有成型壓力、加壓條件、成型水分、型煤配合料粒度和粘結(jié)劑用量等。

成型壓力成型壓力越大，顆粒排列越緊密，分子內(nèi)聚力越大，型煤強(qiáng)度越高，但壓力過高，顆粒將被壓碎，顆?？偙砻娣e增加而相對接觸面積減小，型煤強(qiáng)度反而降低。對于無粘結(jié)劑成型，煤化程度低褐煤的成型壓力為100～150MPa，煤化程度高褐煤的成型壓力為160～200MPa。對于粘結(jié)劑成型，煙煤和無煙煤的成型壓力為5～30MPa。

加壓條件包括加壓方式和加壓時(shí)間。加壓方式有單向加壓和雙向加壓兩種。單向加壓的型煤上下兩面的密度不同，厚度不能太大;雙向加壓不受此限。在型煤彈性變形階段使壓力維持一段時(shí)間，可使彈性變形轉(zhuǎn)化為塑性變形，故加壓不宜過快，否則型煤可能破碎。

成型水分指型煤配合料的全部水分，包括煤料的水分、粘結(jié)劑等添加劑的水分及成型過程加入的水分。型煤配合料水分因煤種、成型壓力和配合料粒度而異，一般為8%～18%。

型煤配合料粒度成型過程是物料顆粒表面相互作用的過程。最適宜的粒度是保證顆粒接觸最緊密，大小相間，有利于物料密集。

粘結(jié)劑用量成型過程中所用的粘結(jié)劑一般分固態(tài)和液態(tài)兩種。固態(tài)粘結(jié)劑應(yīng)與煤料均勻混合，液態(tài)粘結(jié)劑不僅要在煤料顆粒表面上形成薄膜，而且還要盡可能填滿顆粒間的全部空隙。粘結(jié)劑用量取決于粘結(jié)劑和成型物料本身性質(zhì)，也取決于配料、攪拌方式和對型煤質(zhì)量要求。通常有機(jī)粘結(jié)劑用量是7%～12%;無機(jī)粘結(jié)劑中粘土用量為8%～12%，石灰為20%左右。

近年來,隨著工業(yè)化用煤的日益增長,對塊煤的需求不斷增加。但是隨著綜采水平的提高和下組煤開采比例的增多,粉煤含量不斷增加,加之長途運(yùn)輸,到達(dá)用戶手中的原煤有相當(dāng)一部分是粉煤,從而導(dǎo)致塊煤供不應(yīng)求和大量粉煤積壓的矛盾日益加劇。為了改變這種狀況,大力發(fā)展粉煤成型工業(yè)是解決這一矛盾的重要途徑,它不僅可以極大地提高粉煤利用率,還可以提高經(jīng)濟(jì)附加值,其節(jié)能率也十分明顯 。

發(fā)展粉煤成型技術(shù)也是減少環(huán)境污染的重要途徑。煤中含有一些有害元素,在其直接燃燒過程中會(huì)對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。據(jù)環(huán)保部門統(tǒng)計(jì),1999年我國煙塵排放量為1614萬t,其中70%來自燃煤,SO2排放量為1780萬t,其中90%來自燃煤。

燃煤帶來的大氣污染,酸雨蔓延,氣候反常,生態(tài)破壞等,不僅危害我國人民的健康,制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,還會(huì)危及其它地區(qū)。據(jù)我國數(shù)年來推廣型煤的經(jīng)驗(yàn)表明,燃用型煤較燃用散煤可提高鍋爐燃燒效率和煤的利用10%～20%,使煙塵排放量減少80%～91.2%,加固硫劑的型煤可使SO2排放量減少20%～36.3%.2

相對于其它煤種而言,我國無煙煤儲(chǔ)量較少,約占我國煤炭資源儲(chǔ)量的17.0%,而且分布僅限于少數(shù)省份,主要集中分布在山西(約46%)和貴州(約30%),各地所產(chǎn)無煙煤煤質(zhì)差異較大,唯有山西省晉城地區(qū)和陽泉地區(qū)所產(chǎn)無煙煤煤質(zhì)最好,是我國兩大無煙煤供應(yīng)基地,所產(chǎn)無煙煤幾乎銷往全國各地,倍受用戶歡迎。

粉煤無煙塊煤不足,無煙粉煤積壓

山西晉城地區(qū)和陽泉地區(qū)所產(chǎn)無煙煤屬高熱值優(yōu)質(zhì)無煙煤,它具有熱穩(wěn)定性好、抗碎強(qiáng)度大和低灰分、低硫分、低揮發(fā)分以及固定碳含量高、灰熔點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于化肥工業(yè),以及冶金、建材、機(jī)械、玻璃、陶瓷、紡織等行業(yè)中的合成氣和工業(yè)燃料的生產(chǎn)中。晉城、陽泉兩地區(qū)年產(chǎn)無煙煤約計(jì)5000萬t以上,由于機(jī)械化開采,塊煤率最高不足40%.兩地區(qū)每年大約產(chǎn)3000萬t粉煤,這些無煙粉煤除鐵路、公路外運(yùn)銷售外,兩地每年約積壓400萬t～500萬t,積壓的粉煤,長年堆積于坑口,侵占農(nóng)田,日曬雨淋,煤質(zhì)變壞,加之水沖,造成環(huán)境污染,積壓了資金,又浪費(fèi)了能源。

粉煤無煙粉煤的加工利用方向

優(yōu)質(zhì)無煙粉煤的積壓是最大的煤炭資源浪費(fèi),把它們加工成氣化型煤,供合成氣和燃料氣生產(chǎn)使用,以解決無煙塊煤供應(yīng)的不足是最好的途徑 。

開發(fā)以無煙粉煤為主要成分的民用型煤和手燒爐型煤,供沿海省市使用;開發(fā)出口型煤供北歐、西歐各國燒壁爐使用,其效益十分可觀;大力發(fā)展無煙粉煤為主要成份加煉焦煤的型焦生產(chǎn),既無環(huán)境污染,投資小,成本又低。

中國現(xiàn)有1000家以上中、小化肥廠,多采用固定床間歇式氣化法制半水煤氣加工合成氨,無煙塊煤是小化肥廠生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)原料。我國無煙塊煤年需求量約4000萬t,而產(chǎn)量卻不足2000萬t,一方面是嚴(yán)重的短缺,但是另一方面,每年有上億噸的

無煙粉煤產(chǎn)生,市場需求不旺,大量積壓,既浪費(fèi)資源,沉淀了資金,又嚴(yán)重污染了環(huán)境,為彌補(bǔ)市場短缺,只能依靠無煙粉煤成型來滿足市場的需求。山西晉城無煙煤是優(yōu)質(zhì)化肥用煤,晉城無煙塊煤和無煙粉煤產(chǎn)地價(jià)差約60元/t,但在河北、山東、安徽、湖北等地差價(jià)高達(dá)200元/t,這為型煤廠的建設(shè)提供了絕好的市場和獲得收益的可能。氣化型煤無論其發(fā)展規(guī)模、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益在國內(nèi)工業(yè)型煤領(lǐng)域中均居領(lǐng)先地位,加之中小化肥廠的利潤較高,為氣化型煤技術(shù)更新提供了良好的條件,我們應(yīng)抓住機(jī)遇,通過氣化型煤的開發(fā)推廣,從而帶動(dòng)其它型煤技術(shù)的發(fā)展。

粉煤成型時(shí)所選取的粘結(jié)劑,應(yīng)從粘結(jié)劑原料來源、經(jīng)濟(jì)成本、粘結(jié)劑制備工藝以及型煤產(chǎn)品所達(dá)到的質(zhì)量要求,包括型煤的用途,環(huán)保要求等方面進(jìn)行綜合考慮 。

近年來,我國在型煤粘結(jié)劑的研究方面取得了不少進(jìn)展和成果,總體看來,由于煤本身的復(fù)雜性以及經(jīng)濟(jì)效益和型煤的用途要求的不同,不可能有一種通用的粘結(jié)劑。從眾多的研究結(jié)果看,可以用作制取型煤粘結(jié)劑的原料是很豐富的,從目前已應(yīng)用的或正在進(jìn)行研究的粘結(jié)劑的品種來看,可以用作型煤粘結(jié)劑的物料很多。目前國外對粘結(jié)劑的研究重點(diǎn)是直接從煤中提取粘結(jié)劑和復(fù)合粘結(jié)劑,而國內(nèi)開發(fā)的重點(diǎn)是利用價(jià)廉易得的工農(nóng)業(yè)廢棄物制備復(fù)合粘結(jié)劑?？梢哉f制取型煤的關(guān)鍵是由選取的粘結(jié)劑的種類、性質(zhì)所決定。

選取粉煤成型粘結(jié)劑,應(yīng)綜合利用各種物料的特性,發(fā)揮各自的長處,使其物盡其用。開發(fā)多種物料配制的復(fù)合粘結(jié)劑,應(yīng)使其制取工藝簡便、成本低廉、無污染,以保證不同型煤用戶得到質(zhì)量合格的型煤。