[科普中國]-粉煤成型

將6mm以下的煤粉在機械外加粘結(jié)劑或快速加熱到膠質(zhì)狀態(tài)下加壓成具有一定形狀、尺寸、特定物理化學(xué)性能和不同用途產(chǎn)品的工藝過程。粉煤成型的產(chǎn)品稱型煤。

傳統(tǒng)的粉煤成型是將粉煤加工成幾何形狀、尺寸和機械強度相近、貯存后質(zhì)量保持穩(wěn)定的型煤?，F(xiàn)代粉煤成型主要是“改變”粉煤的某些物理化學(xué)性質(zhì)，使之成為優(yōu)質(zhì)的工業(yè)原料和潔凈的能源。

現(xiàn)代粉煤成型以煤化學(xué)和煤的機械加工工藝學(xué)為基礎(chǔ)，以燃燒理論、煤的轉(zhuǎn)化技術(shù)、傳熱學(xué)原理和環(huán)保工程等為指導(dǎo)，以工業(yè)鍋爐和窯爐等相關(guān)行業(yè)的設(shè)備特性和工藝原理為依據(jù)。

發(fā)展簡史型煤的發(fā)展首先是從民用開始的。18世紀，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世紀末期英、法、荷蘭等國才將粉煤成型發(fā)展到機制生產(chǎn)的工業(yè)階段，并研制出專門的成型設(shè)備——對輥成型機。1908年，日本發(fā)明了帶孔的、能單個燃燒的蜂窩煤，并于1912年開始手工生產(chǎn)和大量銷售。1926年，世界第一臺蜂窩煤機問世。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)過了一個相對漫長的發(fā)展時期，直到1976年才發(fā)展成了點火后幾分鐘即可炊事用的快速點火的上燃式蜂窩煤。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行了大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，生產(chǎn)能力為10～12t/h。目前，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年代研究成獨特的褐煤成型的兩段煉焦工藝。

1933年，日本引進德國型煤技術(shù)生產(chǎn)機車用型煤。到1971年，日本鐵路機車有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火改成從上面點火，并研制成用半張報紙可點燃的無煙煤上點火蜂窩煤。1969年，世界高爐會議肯定了型焦生產(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，從而形成了民用型煤工業(yè)。1978年，研制成火柴點火的上點火蜂窩煤和單個燃燒的暖盒煤球。1979年初，研制成無煙煤上點火蜂窩煤。

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廠。1968年，在北京建成年產(chǎn)8萬t化肥型煤和機車型煤的工業(yè)生產(chǎn)線及1萬t的型煤生產(chǎn)試驗線。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。1

成型機理煤炭成型時，粘結(jié)劑與煤粒之間的作用是一個復(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、成型顆粒粒度小、有可塑性和彈性等主要物性，成型時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。

成型意義粉煤成型能把低效、非潔凈原煤轉(zhuǎn)化為高效、潔凈能源;擴大化工原料煤來源;合理利用劣質(zhì)燃料;促進相關(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。

成型工藝成型原料性質(zhì)不同，成型時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)劑包括有機物粘結(jié)劑、無機物粘結(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成型機中滾動成型。成型產(chǎn)品是球團。該法用得不多。

成型參數(shù)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，型煤強度越高，但壓力過高，顆粒將被壓碎，顆粒總表面積增加而相對接觸面積減小，型煤強度反而降低。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。通常有機粘結(jié)劑用量是7%～12%;無機粘結(jié)劑中粘土用量為8%～12%，石灰為20%左右。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

楊剛 - 教授 - 西南大學(xué)