废弃半焦粉制备型焦的共炭化工艺研究

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摘要：本文以废弃半焦粉为原料，添加合适的粘结剂，通过压制成型以及共炭化热解来制造工业型焦。通过实验讨论了共炭化温度和时间对成品的强度和孔隙率的影响，确定了整个共炭化工艺的最优条件：共炭化温度800℃，共炭化时间90 min。在此条件下，型焦的抗压强度可达7.55 MPa、I转鼓强度为41.03%，孔隙率为51.94%，型焦的水分、灰分、挥发份分别为0.78%、16.42%、4.02%。

关键词：半焦粉；型焦；工艺

中图分类号：TD98 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）18-0046-02

0 引言

半焦也称兰炭[1]，是低变质煤在隔绝空气的情况下加热获得的固体产品。半焦具有表面积及微孔平均当量半径大、含铝低、挥发分高、气孔率大、比电阻高、反应性能强等特点，是较好的还原剂。在半焦生产过程中，一部分粒度过小的半焦粉不符合生产工艺要求且利用率不高，不仅造成大量资源的浪费，还对环境造成严重的污染[2]。目前，针对炼焦煤资源紧张，焦粉排放浪费资源和污染环境的问题，可将焦粉等废弃物加入粘结剂混配炼成冶金焦[3]。从而取得了减少污染、增加效益、提高焦炭质量等效果。这种方法炼制的焦炭块度容易控制、抗碎强度和耐磨强度较好，同时彻底解决了污染，实现了固、液废弃物再资源化和零排放的效果。

1 实验

1.1 原料分析 实验所用的原料工业分析见表1和表2。

1.2 实验设备和程序

实验过程中主要设备见表3。

1.2.1 原料预处理 将原煤经水洗后破碎至一定粒度、在常温下自然干燥后再放在干燥箱内干燥，温度保持在120℃-130℃范围内，干燥时间为2h。然后将烘干过后的原煤置于干燥箱内备用。

1.2.2 原料混合 工艺粘结剂选择15%的石油沥青与1.5%的膨润土，并加入20%焦煤以提高成品强度。

1.2.3 粉末成型 称取混合物30g装入磨具内并在压力机上冷静压成型，成形脱模后得到的型煤经烘干后称之为型煤干球，干球经共碳化焙烧后就得到样品型焦。成型后样品呈圆柱形，直径30mm，高约25mm，均重为30g。

1.2.4 型煤共炭化 将成型后的型煤试样装入300ml大坩埚内，后将大坩埚用盖子盖好以隔绝空气，用坩埚钳将坩埚放入马弗炉的恒温区内，从室温开始加热。以一定的升温速度加热至所需温度后，保持此温度一定时间后取出，自然冷却到室温以备测量其性能。

2 结果和讨论

2.1 炭化温度影响

如图1所示，当温度为100℃时下，型焦强度即为型煤强度（强度为2.85MPa）；温度上升到100～300℃时，型煤中的水分蒸发，吸附在煤以及兰炭粉末气孔中和表面上的二氧化碳、甲烷、氮气等气体逐渐析出，煤质成分不变，型煤中的沥青在这一温度范围内软化，开始发挥其粘结效果，所以型焦强度较有着明显的升高（强度为4.57MPa），这部分仅仅是粘结剂沥青在发挥作用。又因为在这一温度下型煤种的挥发分尚没有以气体的形式向外释放，而且沥青的软化造成了型煤孔隙的堵塞，所以此时型焦孔隙率较低（孔隙率为40.21%）；当温度升高到300～400℃时，型煤中的焦煤成份开始逐渐生成气态、液态、固态产物，由于气态产物不能立即析出，形成气、液、固三相共存的胶体，称为胶质体，胶质体会起到粘结的作用，这时型焦的强度又有了大幅度的增加（强度为5.12MPa）。且胶质体有一定粘度，使得气体产物不能自由析出，所以此阶段型焦的孔隙率并没有明显的变化；当温度到达400～500℃时，型煤中的胶质体中液态产物逐渐分解，一部分分解产物呈气态析出，一部分与胶质体中固态产物相互缩聚、固化、生成固体的半焦，随着气态物质的析出，型焦的孔隙率会有着明显的增加（孔隙率为47.04%）。炭化温度升高到500～800℃此阶段内，半焦逐渐收缩，共炭化反应激烈进行，型焦的强度逐渐增加，而且随着温度的逐渐升高，型煤中的膨润土组分也会越发明显起着增加型焦强度的作用。随着温度的升高，具有高反应活化能的反应会进行，会不断析出气体，所以型焦的孔隙率会不断增大。当温度高于800℃时，型焦强度驱于稳定，孔隙率变化也不再明显。在温度达到800℃时，型焦的强度和孔隙率分别为7.26MPa和51.98%

随着温度的升高，炭化工艺成本就会相对应的提高，从实验中可以看出，温度升高到800℃时候，型焦强度趋于稳定，增高幅度不大，所以综合型焦强度和生产成本，选择炭化温度为800℃。

2.2 炭化时间影响 除了炭化温度之外，炭化时间对型煤的炭化过程也有着显著地影响。在炭化过程中，原料煤在加热条件下发生复杂多样的反应从而生成焦炭和其他的物质，炭化时间是原料煤是否反应完全、成品是否成熟的标志。另外，充足的反应时间可以使粘型煤中的结组分充分发挥其效应。现讨论在800℃条件下，不同共炭化时间对型焦指标的影响。

从图3可以看出，炭化时间从10min增至90min过程中，型焦强度逐渐增加，且增加很明显，而继续增加炭化时间至120min乃至更高，型焦强度增加趋势放缓，且强度有下降情况出现。这是因为在型煤炭化时间小于90min时，型煤内部的复杂反应一直在持续过程中，且内部的粘结剂组分尚未发挥其作用或者型煤中的主焦煤中的胶体膨胀、粘结、固化、收缩形成焦炭的过程上未进行或者正在进行，这直接造成了成品尚未成熟。而在型煤炭化时间达到90min时，型煤已经进行了热分解、脱水、干馏、裂解等一系列反应，型煤种的各组分已经充分发挥了各自的作用，型焦基本成熟，这时型焦的强度已经达到了一个稳定值，炭化时间再继续增加，型焦强度就增加不明显。另外，型煤在炭化过程不充分时，原料煤种的挥发份不能充分释放出来，这直接造成了型焦孔隙率的差异，随着停留时间的增加，型焦孔隙率成增大趋势，炭化时间达90min时，型焦孔隙率趋于稳定。所以实验选取90min为型煤的最佳炭化时间。

3 结论

根据共炭化实验分析，确定了在共炭化温度为800℃条件下停留90min条件下，对型焦产品性能最优。通过检测可得成品抗压强度达到7.55MPa，I转鼓强度为41.03%，孔隙率为51.94%，型焦的水分、灰分、挥发份分别为0.78%、16.42%、4.02%。

参考文献：

[1]张芸，兰新哲，宋永辉.活性半焦（兰炭）烟气脱硫的研究进展.煤炭燃烧，2008.01，65（5）：65-70.

[2]刘文郁，白士邦，杜铭华等.半焦粉生产冶金型焦研究[J].洁净煤技术，2007，12（1）：34-38.

[3]郑明东，晏善成，何孝军.焦粉的高附加值利用[J].燃料与化工，2007，38（2）：21-24.

[4]刘守军，刘振宇，朱珍平等.CuO/AC低温脱除中的SOx和NOx的研究[J].环境化学，1999，12（3）：192-199.

[5]冯治宇，王英刚，马锦等.用于烟气脱硫脱氮的活性焦的研制.化工环保，2002，22（5）：293-296.

[6]J.Paul.Chen,Shunnian.Wu.Acid/Base-Treated Activated Carbons:Characterization of Functional Groups and Metal Adsorptive Properties[J].Langmuir，2004，20：2233-2242.

[7]黄岑丽，袁文峰.关于山西炼焦煤资源保护的政策建议.煤炭经济研究，2009，2：12-16.

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