趙璐琪

(中國礦業(yè)大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,江蘇省徐州市,221008)

本研究以晉城、焦作、永城煤泥為原料,用經(jīng)加工處理的玉米秸稈為粘結(jié)劑,開展生物質(zhì)型煤制備的研究,著重考察煤泥種類、粘結(jié)劑含量及成型壓力等因素對型煤機(jī)械強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料與設(shè)備

(1)玉米秸稈:取自河南農(nóng)村,經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后,取2 mm以下秸稈作為粘結(jié)劑原料。

(2)煤泥:分別選取晉城、焦作、永城煤泥為原料,煤泥干燥后經(jīng)破碎、篩分,取粒度小于2 mm的細(xì)粉備用。

(3)主要試驗(yàn)儀器:液壓式壓力機(jī)、分析天平、電動(dòng)攪拌器、可調(diào)加熱電爐、型煤成型機(jī)、自動(dòng)振篩機(jī)、馬弗爐、灰熔融性測試儀等。

1.2 試驗(yàn)方案的確定

本研究主要采用正交試驗(yàn)法,分別以煤泥種類(晉城煤泥、焦作煤泥及永城煤泥)、生物質(zhì)粘結(jié)劑含量(5%、10%及20%)及成型壓力(15 MPa、25 MPa及35 MPa)為主要因素來設(shè)計(jì)三因素三水平L9(33)的正交試驗(yàn)方案,具體試驗(yàn)方案見表1。

1.3 生物質(zhì)型煤的制備

將3種煤泥樣品分別與秸稈粘結(jié)劑按一定的比例混合均勻后,在預(yù)先設(shè)計(jì)的壓力下機(jī)械壓制成型,其中秸稈粘結(jié)劑按照黃光許等報(bào)道的加工方法制得,其具體制備工藝流程如圖1所示。

表1 生物質(zhì)型煤的試驗(yàn)方案及測定結(jié)果

圖1 生物質(zhì)型煤的制備工藝流程

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

機(jī)械強(qiáng)度是衡量型煤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,本研究主要以跌落強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度來評價(jià)生物質(zhì)型煤的機(jī)械強(qiáng)度,其具體測試按照G B/T154959及MT/T748規(guī)定的方法進(jìn)行。其中為了提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,本試驗(yàn)對每種生物質(zhì)型煤的機(jī)械強(qiáng)度都進(jìn)行3次測定,結(jié)果取其平均值,測定結(jié)果如表1所示。

依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識,由表1中的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算可得正交試驗(yàn)結(jié)果分析(表2),其中Kj為第j水平對應(yīng)的生物質(zhì)型煤跌落(抗壓)強(qiáng)度之和;kj為第j水平對應(yīng)的生物質(zhì)型煤跌落(抗壓)強(qiáng)度的平均值;即由公式kj=ΣKj/3計(jì)算得到。R為極差,即同一水平kj的最大值與最小值之差。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 煤泥種類對生物質(zhì)型煤機(jī)械強(qiáng)度的影響

圖2 生物質(zhì)型煤機(jī)械強(qiáng)度與煤泥種類的關(guān)系

為了優(yōu)化出制備生物質(zhì)型煤的最佳煤泥種類,本試驗(yàn)以跌落強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度為參考指標(biāo)對3種型煤的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行了比較,如圖2所示。從圖2中的變化趨勢可以看出,生物質(zhì)型煤的機(jī)械強(qiáng)度隨著煤泥種類的變化,先增大后減小。其中以焦作煤泥為原料的型煤機(jī)械強(qiáng)度最佳,而以永城煤泥為原料的型煤機(jī)械強(qiáng)度最差。存在這種差異的原因與原料煤的性質(zhì)有著密切的關(guān)系。

2.2 粘結(jié)劑含量對生物質(zhì)型煤機(jī)械強(qiáng)度的影響

圖3 生物質(zhì)型煤機(jī)械強(qiáng)度與粘結(jié)劑含量的關(guān)系

生物質(zhì)型煤機(jī)械強(qiáng)度與粘結(jié)劑含量的關(guān)系如圖3所示,從圖3中可看出,隨著粘結(jié)劑含量的增加,生物質(zhì)型煤的機(jī)械強(qiáng)度逐漸增大,在粘結(jié)劑含量為10%時(shí),型煤的機(jī)械強(qiáng)度達(dá)到最大,隨后繼續(xù)提高粘結(jié)劑的含量,其機(jī)械強(qiáng)度呈緩慢減小趨勢。這是因?yàn)?在一定的成型壓力下,加入適量的秸稈粘結(jié)劑,有利于秸稈中的纖維素結(jié)構(gòu)與煤泥顆粒充分結(jié)合,形成所謂的“鋼筋—混凝土”結(jié)構(gòu),提高型煤的跌落強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。而又由于秸稈本身的強(qiáng)度比煤泥低很多,若秸稈粘結(jié)劑的添加量過高,則又會使型煤機(jī)械強(qiáng)度下降。

2.3 成型壓力對生物質(zhì)型煤機(jī)械強(qiáng)度的影響

生物質(zhì)型煤的成型有冷壓成型和熱壓成型2種。本試驗(yàn)采用冷壓成型技術(shù)進(jìn)行成型。生物質(zhì)型煤機(jī)械強(qiáng)度與成型壓力的關(guān)系如圖4所示,生物質(zhì)型煤的機(jī)械強(qiáng)度隨著成型壓力的增加先增大后減小。其原因在于:在一定的壓力范圍內(nèi),粘結(jié)劑中的纖維結(jié)構(gòu)在型煤的成型過程中可以形成網(wǎng)狀骨架,隨著成型壓力的增大,物料顆粒間距減小,分子間作用力和氫鍵作用增強(qiáng),型煤的機(jī)械強(qiáng)度也隨之提高;而一旦壓力超過最佳值,型煤內(nèi)部較長的纖維素結(jié)構(gòu)被壓斷,秸稈之間的交聯(lián)作用減弱,使型煤抵抗外部沖擊與擠壓的能力大大降低,從而導(dǎo)致型煤的機(jī)械強(qiáng)度減小。因此,在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中,型煤的成型壓力并不是越大越好,而是應(yīng)該優(yōu)化在合理的壓力范圍內(nèi)。

圖4 生物質(zhì)型煤機(jī)械強(qiáng)度與成型壓力的關(guān)系

2.4 極差分析及追加試驗(yàn)

極差R的大小反映了各因子對試驗(yàn)結(jié)果的影響程度。極差R越大,則該因子對試驗(yàn)的影響就越大;反之影響就較小。由表2中R值,跌落強(qiáng)度:RB=10.9>RA=6.0>RC=5.2;抗壓強(qiáng)度:RB=268.0>RA=136.4>RC=123.8,各因素對生物質(zhì)型煤跌落強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響大小是一致的,即影響生物質(zhì)型煤機(jī)械強(qiáng)度因素的主次順序?yàn)?粘結(jié)劑含量、煤泥種類和成型壓力。而通過分析各因素對生物質(zhì)型煤機(jī)械強(qiáng)度的影響可得出其最佳制備工藝為:原料為焦作煤泥,粘結(jié)劑含量為10%,成型壓力為25 MPa。

為了滿足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的要求,通過追加試驗(yàn),在優(yōu)化出的最佳工藝條件下,制備出10號生物質(zhì)型煤,并對其各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了全面的測試,具體結(jié)果見表3。從表中可以看出,10號生物質(zhì)型煤的各項(xiàng)指標(biāo)均能較好地滿足工業(yè)使用的要求。

表3 生物質(zhì)型煤各項(xiàng)性能指標(biāo)

3 結(jié)論

(1)以選煤廠煤泥為原料,以經(jīng)加工處理的玉米秸稈為粘結(jié)劑,在無任何其它添加物的條件下可生產(chǎn)出機(jī)械強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性和灰熔融性好的生物質(zhì)型煤,它可以很好的滿足工業(yè)使用的要求。

(2)粘結(jié)劑含量是影響生物質(zhì)型煤機(jī)械強(qiáng)度的主要因素,其次是煤泥種類和成型壓力。依據(jù)本次試驗(yàn),確定出生產(chǎn)生物質(zhì)型煤的最佳工藝條件為:焦作煤泥,粘結(jié)劑含量為10%,成型壓力為25 MPa。在此工藝條件下,生物質(zhì)型煤的跌落強(qiáng)度達(dá)94.6%,抗壓強(qiáng)度達(dá)1182.3 N/個(gè),熱穩(wěn)定性達(dá)70.7%,灰熔融性達(dá)1315℃。

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