CN107903971B - 一种基于hpc的型煤制造方法 - Google Patents

一种基于hpc的型煤制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于HPC的型煤制造方法，属于型煤制造技术领域。该方法将HPC(超精煤)以5～30％的比例和无粘结性的低阶煤混合，无需额外添加粘结剂，经300‑400℃温度下热压制成型煤。该方法以低阶煤为原料与HPC配煤，从而得到满足COREX使用要求的型煤，降低了COREX工艺中高品质块煤的使用量；同时该型煤可满足对燃料具有一定高温强度和粒度要求的工艺如气化炉和矿热炉等使用。

Description

一种基于HPC的型煤制造方法
技术领域
本发明涉及型煤制造技术领域，特别是指一种基于HPC的型煤制造方法。
背景技术
针对目前COREX熔融还原炼铁工艺燃料比高，尤其是焦比偏高、块煤选择苛刻，造成资源紧张等问题，从扩宽燃料资源角度，开展以HPC(超精煤)为粘结剂的型煤用于COREX炼铁工艺的研究。并且，基于目前火力发电，煤粉燃烧会产生大量颗粒污染物，排放大量温室气体和燃烧效率低等问题，由于HPC型煤具有低灰，燃烧性能优异，可直接作为具有一定高温强度和粒度要求的燃料，减少了污染，提高了燃烧效率，降低了生产成本。最后，由于HPC型煤具有较高的挥发份和固定碳，以及较好的粘结性，可以直接作为气化炉和矿热炉的原料。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于HPC的型煤制造方法，在煤化程度相同的情况下，减少强粘结性煤的使用量，增加弱粘结煤的使用量，进行制备符合COREX炼铁需求的型煤。
该方法将HPC以5～30％的比例和无粘结性的低阶煤混合，不添加粘结剂，在300-400℃温度下热压制得型煤。
其中，HPC不含灰分，HPC为利用有机溶剂从固定碳含量在57％到77％的煤提取而得到的可溶成分。
HPC的制备过程为：以含氮杂环和多环芳烃作为有机溶剂，在高压反应釜中隔绝空气进行，溶出温度300-400℃，煤粉和有机溶剂的比为8g:100mL-8g:800mL，反应时间1h。
HPC制备过程中，高压反应釜内初始压力为0Mpa-5.5Mpa。
有机溶剂的沸点区间为200-400℃。
本方法所制备的型煤能够满足COREX使用要求。同时该型煤可满足对燃料具有一定高温强度和粒度要求的工艺如气化炉和矿热炉等使用，对上述型煤进行碳化工序。
该方法由低阶煤生产的HPC，能够极大提高煤的粘结性，与其他低阶煤配煤后，能够极大提高煤的强度。通过添加与强粘结性的煤相比流动性更高的HPC，型煤所必须的粘结性被填补从而得到强度更好的型煤。另外在碳化过程中，HPC在比原煤更低的温度下流动，从而能更均匀的结合周围的煤粒子，进一步通过高膨胀性来填补煤粒子间的空隙，从而使型煤的品质提高。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，根据本方法制成的型煤，能够控制原料成本并具有充分的强度和粒径。另外，根据本发明的型煤的制造方法，能够从低阶煤中制造超精煤从而降低原料的成本，根据简易的混合方法，与弱粘结性的煤进行配煤，得到品质均匀，强度高，粒径合适的型煤。从而降低了COREX炼铁工艺的生产成本。并且，由于弱粘结性煤分布广泛，价格低廉，与超精煤配煤炼焦，或者作为燃料进行火力发电和生产合成气，都有良好的效果。
附图说明
图1为本发明的基于HPC的型煤制造方法所涉及的高压反应釜结构示意图；
图2为本发明实施例中热压型煤的制备流程图；
图3为本发明实施例中不同超精煤添加量对焦炭强度影响。
其中：1-气瓶；2-进气口；3-减压阀；4-反应釜；5-热电偶；6-加热套；7-控温装置；8-出气口；9-压力表；10-机械搅拌器。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种基于HPC的型煤制造方法。
本发明的HPC是作为满足COREX用型煤的粘结剂，通过有机溶剂对低阶煤萃取而得到。以下，对作为型煤的原料煤和HPC进行说明。
煤
本发明所涉及的低阶煤仅适用于自身难以成为COREX用型煤的原料以及难以作为燃料使用的煤，主要为弱粘结煤或非粘结性煤，其工业分析和元素分析见表1-1。这里的低阶煤主要是固定碳(干燥基)含量介于57％到77％之间和灰分(干燥基)含量介于9％到15％。煤可以通过真空干燥等成为干燥煤，也可以在包含少量水分的情况下与超精煤混合，进行碳化。
所选煤种为被细微的粉碎为粒状，具体来说优选该煤的90％以上为直径小于0.074mm(负200目)的粒状。本说明书中煤粒的直径是指颗粒的最大长度，90％以上为直径小于0.074mm的颗粒是指，使煤通过筛眼大小为0.074mm的筛子时，90％以上通过筛眼。需要说明的是，例如粒径为0.074mm以下的煤是指，用网孔0.074mm以下的筛子(金属制网筛)使粉碎后的粉碎煤过筛时的筛子下的粉末和颗粒。
表1-1原煤的工业分析及元素分析
Figure BDA0001485810380000031
V，挥发分；A，灰分；Fc，固定碳
超精煤(5-30％)
超精煤是为了将煤作为资源有效利用而进行改质的改质煤的一种，为了高效利用煤资源而开发的。超精煤是从煤中尽量除去了灰分和不溶于溶剂的改质煤，通过与该煤亲和性能高的溶剂萃取煤，从而使灰分等不溶于溶剂的成分分离得到萃余液，通过蒸馏法，除去萃余液中的溶剂而制造。因此，超精煤实际是不含灰分，但含有可溶于溶剂具有软熔性的有机物，结构主要为大量的低分子脂肪烃和部分稠合芳香环(从2-3个芳香环的较低分子成分到5-6环左右的高分子成分)。另外，超精煤在萃取，分离，蒸馏和干燥的过程中，水分被脱除，因此超精煤在加热条件下显示出高流动性，与煤种的品质无关，通常在200-300℃熔融。本发明中，对于用于制备超精煤的原料煤主要是低阶煤和劣质煤(FCd介于57％到77％之间)。另外，为了提高型煤的强度，超精煤尽量选择小粒状，具体来说优选粒径为0.1mm以下。
由于，超精煤含有大量挥发分，热流动性好，粘结性高，因此能够填补弱粘结性或非粘结性煤的粘结性。而且由于超精煤比块煤更低的温度下流动，因此通过在低阶煤中添加并使其分散，在碳化过程中，均匀的使煤颗粒间相互紧密结合。另外，超精煤的膨胀性能比块煤高，因此随着温度的升高，超精煤的煤粒膨胀，填充煤粒子间的空隙，同时产生膨胀压使其他煤粒间结合。超精煤的添加量在与煤的混合量低于5％时，不能充分得到配合低阶煤所需要的粘结性。因此，超精煤的添加量为5％以上。
另一方面，超精煤多数情况下通过廉价的低阶煤进行萃取而得，主要萃取低阶煤中的镜质组。而焦炭的强度主要取决于配煤后镜质组的含量，在炼焦过程中镜质组可形成胶质体粘附煤粉中的惰性颗粒，保证焦炭的强度。同时，高的流动性使得超精煤可以扩散到更广的范围，粘附更多的其它煤颗粒与惰性物质，增大焦炭的块度。然而，如果高流动性超精煤在加热后形成的胶质体扩散范围过广，原本这些高流动性煤颗粒所占据的部分会形成薄的孔壁和大孔洞，反而会导致焦炭强度下降，因此超精煤的添加量为30％以下。
型煤的制造方法
型煤是指将煤样2(不具有粘结性，抗压强度较低)与超精煤按照一定的配比，机械加工压制成形具有一定强度和尺寸及形状的煤成品。本发明所用的煤样2需进行粉碎，使其90％以上粉碎为粒径小于0.074mm(负200目)，同时将超精煤粉碎为粒径0.1mm以下，按照热压条件制备。
焦炭的制造方法
本发明中，碳化的条件没有特别的限制，主要在管式炉内进行碳化。管式炉以10℃/min的升温速率从室温升温到950℃，保温90min，实验过程通以氮气作为保护气体，流量1L/min。
在具体实施过程中，步骤如下：
超精煤的制备
本发明以含氮杂环(N-甲基吡咯烷酮)和多环芳烃(一甲基萘，四氢化萘)作为有机溶剂，溶出温度300-400℃，煤粉和溶剂的比8g:100mL-8g:800mL，反应时间1h可以获得较好的溶出效率。其整个热解装置示意图如图1所示。气瓶1通过进气口2连接反应釜4，反应釜4上设置减压阀3和压力表9，连接压力表9的管道上设置出气口8，反应釜4内设置热电偶5，反应釜4外部设置加热套6，控温装置7与热电偶5和加热套6相连，反应釜4内设置机械搅拌器10。
采用该1L高压反应釜作为煤粉和有机溶剂的反应容器，量取8g实验煤样和100mL-800mL有机溶剂加入高压反应釜内并使其混合向反应釜内以400ml/min的速率通入高纯氢以排出空气及保持一定的釜内压力，关闭出气口和进气口，釜内初始压力为0Mpa-5.5Mpa。控制反应釜升温至300-400℃，保温1h。整个实验过程采用搅拌桨不断搅拌，确保固液两相充分接触。
在300-400℃反应1h后，关闭加热程序，使反应釜自由冷却至50℃，取出固液混合物。利用抽滤装置对固液混合物进行分离，分别得到液相和残渣。用酒精和去离子水对滤渣进行反复冲洗，去除附着的有机溶剂。将滤液(含有热溶出物的有机溶剂)通过旋转蒸发仪回收有机溶剂并析出固体产物。固体产物经酒精和去离子水反复冲洗后与残渣一起放入烘箱中干燥，干燥温度105℃，时间12h。干燥后的固体产物即为所需溶剂溶出物(超精煤)。
型煤的制备
将上述超精煤按照表1-2的比例与煤样2配合进行混合制备。煤样2需进行真空干燥并粉碎，使其90％以上粉碎为粒径小于0.074mm(负200目)，同时将超精煤粉碎为粒径0.1mm以下，按照热压条件进行制备。
表1-2型煤的配备方案
Figure BDA0001485810380000051
焦炭的制备
将上述的型煤放入管式炉中，以10℃/min的升温速率从室温升温到950℃，保温90min，实验过程通以氮气作为保护气体，流量1L/min，静置冷却，使其呈圆柱形焦样。
评价
超精煤粘结性的测定
在本发明中，粘结性指数的测量根据GB-5447-85进行。首先称取1g被测煤样和5g标准无烟煤(质量称准至0.001g)，将两者分别加入标准罗加坩埚。使用专用搅拌丝搅拌坩埚内的混合煤样两分钟，使被测煤样和标准无烟煤充分混合。混合均匀后用镊子夹专用压块(镍铬钢制成，质量为110-115g)置于坩埚中央，并将其置于压力器下，放下压力器压杆，静压30s。加压结束后，取出罗加坩埚(压块仍置于坩埚内)，盖上专用坩埚盖。将带盖罗加坩埚放入预先升温至850℃的马弗炉内，碳化15min后取出。待坩埚冷却至室温后，从坩埚内取出压块，将压块上的焦屑刷入坩埚内，称量焦渣的总质量。将焦渣放入专用I型转鼓进行第一次转鼓实验，转鼓转速50r/min，实验进行5min，转鼓实验后将焦渣用1mm的圆孔筛进行筛分，并称取筛上物的质量。称量完毕后，将筛上物进行第二次转鼓实验，转鼓参数和筛分称量操作与第一次实验相同，最后根据式(1-1)求得粘结指数G。实验结果如表1-3所示。
Figure BDA0001485810380000061
式中：G——黏结性指数；
m1——第一次筛分筛上物质量，g；
m2——第二次筛分筛上物质量，g；
m——碳化后焦渣总质量，g。
表1-3超精煤及相应原煤黏结性指数G值
Figure BDA0001485810380000062
超精煤流动性的测定
超精煤的流动性是基于最大渗透距离的方法来测量，取一平底石英管，石英管内径20mm，外径24mm，高100mm。将2g煤样置于石英管中，并使其在石英管底部铺平。在煤样上部加入一定质量的玻璃珠，玻璃珠粒径2.0mm-2.5mm。将装有样品的石英管放入一垂直反应管，以10℃/min的速度加热至950℃，保温90min，通入氮气作为保护气体，氮气流量1L/min。冷却后称取没有粘结的玻璃珠的质量。由式(1-2)求出最大渗透距离。
D＝H(G-M) (1-2)
式中：D——最大渗透距离，mm；
H——1g玻璃珠加入石英管后的高度，mm/g；
G——初始加入石英管的玻璃珠的质量，g；
M——反应完后未粘结的玻璃珠的质量，g。
表1-4超精煤及原煤的最大渗透距离
Figure BDA0001485810380000071
热压型煤的抗压强度的测定：
如图2所示，首先称量不同比例的HPC与煤样2，并均匀混合。然后，将5g混匀后的样品装入热压模具，依次将下压头、热压模具和上压头放入立式高温炉，并调整好三者的位置，使其正对试验机压头的中心，关紧炉门。设定加热温度，加热速率为12～14℃/min。设置试验机参数，主要包括压力和受力面积(模具的直径为20mm)等。达到设定温度后，维持一定的保温时间。然后以4mm/min的移动速率压制型煤，到达设定压力后，维持压力1min。降温过程为自然降温，先将温度设为室温，并且打开高温炉的炉门。通常在3～4h后降温完成，取出模具，以待下一步实验。
根据表1-2的配备比例对其进行抗压强度的测定，其结果如表表1-5所示。
表1-5HPC型煤在不同添加量下的抗压强度
Figure BDA0001485810380000081
由表1-5中可以看出，随着添加量的增加，HPC型煤的变形量逐渐变大，这一过程一直持续到添加量为20％，此后，型煤的变形量急剧降低，这说明型煤的体积可能发生了膨胀。煤在胶质体状态下的膨胀是由于热解产生的气体析出造成的，由于胶质体的透气性差，所以这些气体不能快速的逸出，因此，在局部地区可能形成内压很高的气泡，使得粘稠的胶质体膨胀起来。当HPC的添加量较低的时候，析出的气体量较少，不足以抵抗试验压力；当HPC的添加量增大到一定程度后，太多的气泡聚集导致压制困难，变形量减小，型煤变得疏松多孔，造成抗压强度下降。
焦炭强度的测定
作为焦炭的强度，根据表1-2原煤与HPC的配置比例，进行炼焦。通过抗拉强度测试仪对焦炭的抗拉强度进行测定，其结果如图3所示。
由表1-3和表1-4的结果可知，超精煤相比原煤，超精煤的粘结性和流动性均有所提高，尤其是煤化程度较低的无粘结性的煤样3和煤样4，其粘结性和流动性提高幅度较大。
根据图3的结果可知，试样1由于未添加超精煤，其焦炭强度最小。试样2-试样5，随着超精煤添加量的增加，其焦炭强度不断增大，因此超精煤可以提高焦炭的强度，但随着超精煤的添加量大于20％，试样6-试样8的焦炭强度反而开始缓慢下降。这是因为超精煤在加热后形成的胶质体扩散范围过广，原本这些高流动性煤颗粒所占据的部分会形成薄的孔壁和大孔洞，导致其强度下降。
工业上的可利用性
本发明所生产的超精煤可作为COREX炼铁工艺的原料，利用超精煤的粘结性和流动性与弱粘结性或非粘结性的煤配煤，得到满足COREX用型煤的要求，降低了COREX炼铁工艺的生产成本。根据HPC型煤炼焦以及HPC型煤热压的结果，可以作为其他具有一定高温强度和粒度要求的燃料，极大的提高了低阶煤的利用率，降低了生产成本，减少了温室气体的排放。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于HPC的型煤制造方法，其特征在于：该方法将HPC以5～30％的比例和无粘结性的低阶煤混合，不添加粘结剂，在300-400℃温度下热压制得型煤；
所述HPC的制备过程为：以含氮杂环和多环芳烃作为有机溶剂，在高压反应釜中隔绝空气进行，溶出温度300-400℃，煤粉和有机溶剂的比为8g:100mL-8g:800mL，反应时间1h；
所述HPC制备过程中，高压反应釜内初始压力为0Mpa-5.5Mpa；
所述有机溶剂的沸点区间为200-400℃；
所制备的型煤能够满足COREX使用要求；
所述HPC不含灰分，HPC为利用有机溶剂从固定碳含量在57％到77％的煤提取而得到的可溶成分。
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