第3章 煤炭成型及应用技术—中国矿大—北京，金雷-3.2万字-20080215

第三章 煤炭成型及利用技术

第一节 型煤技术概况

一、型煤的定义及分类

以适当的工艺和设备，可以将具有一定粒度组成的粉煤加工成一定形状、尺寸、强度及理化特性的人工“块煤”，这种人工块煤统称为型煤。粉煤成型后与原煤及天然块煤相比，具有下列一些特点：粒度均匀、孔隙率大、反应活性高、可改质优化原煤等。

型煤按用途可分为民用型煤和工业型煤两大类。工业型煤又细分为气化型煤、燃料型煤以及炼焦型煤等。我国对型煤产品的分类大致如下：

二、国内外型煤技术发展概况

(一) 国内发展概况

1. 国内民用型煤发展概况

我国型煤技术的发展比较缓慢，起步也比较晚。本世纪50年代后期，我国开始研究民用型煤，主要目的是节约能源和减少环境污染。60年代到70年代，国内开展了大规模的民用型煤研究。1978年研制出了以无烟煤为原料的上点火蜂窝煤，1980年研制出了以烟煤为原料的上点火蜂窝煤及易燃民用手炉煤球，火锅炭及烧烤炭等，从而使型煤向易燃，高效，洁净的方向迈出了可喜的一步。我国的民用型煤技术已达国际先进水平，拥有机械化加工生产线。例如：广东省江门市煤建公司研制的年产4万t蜂窝煤的生产线，采用集中成型一条龙生产工艺，效果很好。目前，全国民用型煤的年销量在4000t。

2.国内工业型煤发展概况

所谓工业型煤，是指生产的型煤用于工业生产部门作为燃料或原料。按用途不同分为三类：1类：工业燃料型煤，包括锅炉窑炉型煤、机车型煤；2类：气化用型煤，包括化肥造气型煤、燃料气造气型煤；3类：工业型焦用型煤及炼焦配用型煤。

(1) 锅炉型煤

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1963年我国开始以节约煤炭为主要目标的锅炉型煤研究开发。改革开放以来，国家科委将“工业型煤开发”列入“七五”国家科技攻关项目，经过近5年的技术攻关，取得了34项科研成果，建立了2条型煤中试线，3个锅炉型煤示范厂。

近十几年来，锅炉型煤在少部分省市有所发展，1986年山西大同市建立年产5万t的型煤厂，以后北京建成一条年产5万t型煤生产线，上海建成一条年产12万t工业型煤生产线，贵阳建成年产10万t的型煤工程，加上其他地区，全国曾先后建立70余座锅炉型煤厂。由于经济、技术或政策方面的原因，到目前仍正常生产的却不多。山东省近几年出现了锅炉型煤快速发展的可喜状况，在近三年的时间内新上了50多座型煤厂，各厂的年生产能力3~5万t。

锅炉型煤的生产分为集中成型和炉前成型两种类型。后者成型工艺简单，通常无需加粘结剂，不用烘干，使型煤生产成本大幅度降低，受到越来越多的用户欢迎。近年来，炉前成型技术得到一定发展，由浙江大学研制设计的炉前成型设备，已在数个厂应用。在此基础上，西安交大、兰州环保设备厂生产的4t/小时炉前成型机，在兰州地区已有100个单位应用，同样取得了良好的效果。

(2) 气化型煤

20世纪60年代以来，为解决中小合成氨厂气化用块煤供应不足的问题，相继开发了石灰碳酸化煤球、纸浆粘土煤球、腐植酸盐煤球、粘土煤球等成型技术，总产量曾达107t/年以上，提供了全国化肥工业60%的造气原料，其中石灰碳酸化煤球产量最大。目前，广泛采用石灰炭化煤球造气的化肥厂，全国约建有800套粉煤成型装置。纸浆废液粘土煤球和棒状型煤，已在氮肥厂及其他行业的煤气发生炉、工业窑炉推广应用。

近几年来，随着小合成氨厂的减少以及块煤供需矛盾缓和，碳酸化型煤的产量已大量削减。

吉林梅河玻璃厂用褐煤造气，取得了成型和气化工业性试验的成功。中国矿业大学应用新开发的工业废液加粘土复合粘结剂，以淮南有粘结性的粉煤，制出了供两段气化炉用的造气型煤，并建成一座年产15万t型煤的生产厂曾正常运行一年。

在开发高强度、防水造气型煤方面也取得了技术上的突破。焦作工学院、合肥煤研所、山西煤化所、北京煤化所等单位研制出的这种型煤已分别获得工业性试验的成功。

据报道，晋城矿务局决定采用先进技术在矿区建立一个年产10万t的造气型煤示范厂，现正在组织科研、制造单位分别对成型工艺、设备进行技术攻关，目前已取得较大进展，并于2000年底将示范厂建成。

(3) 机车型煤

早在20世纪30年代，我国东北地区就曾在小范围内用过机车型煤。1964年，原煤炭部唐山煤研所研制的型煤，在古冶机务段进行了第一次机车烧型煤试验，其后又在齐齐哈尔、首钢等地进行试烧。1983年，在鹤岗机务段建成年产3万t的型煤中试厂，随后又建成日生产能力80t的苏家屯机车型煤试验厂和锦州机务段小型型煤厂。1987年，棋盘机务段机车型煤示范厂建成并投产，其设计能力为20万t/年，建厂投资450万元。机车型煤使用的粘结剂为焦油、煤焦油沥青或石油沥青，生产过程中有一定污染，型煤生产成本较高。随着蒸汽机车逐渐被淘汰，机车型煤的研制与生产逐渐减少，目前已基本停止。

(4) 型焦及配型煤炼焦

工业型焦是以粉煤为原料，经配煤（或单种煤）加工压制成型，再经碳化工艺而形成的型焦和型焦煤制品。碳化温度在 600℃左右出来的产品为型焦煤（半焦型煤），碳化温度在1000℃以上出来的产品为型焦。型焦产品可替代焦炭应用于高炉炼铁、炼钢，型焦煤可作为化肥厂理想的造气原料。

我国从1965年开始型焦工艺的开发，前后开发出热压型焦生产工艺和冷压型焦生产工艺。

自20世纪90年代以来，我国型焦工艺发展迅速，在四川、云南、宁夏等地区先后建设了一批型焦生产装置。山西省对此技术开发成果突出，分别在翼城、潞城、晋城等地建设了2.5万t/年型焦厂，自 1996年投产以来，至今运转正常。近两年来，山西省加快了对型焦工艺技术及型焦生产装置的开发速度，效果显著[1]。

配型煤炼焦新工艺是将一部分装炉煤料在装入焦炉前配入粘结剂压制成型煤，然后与大部分散状煤料按比例配合后装炉炼焦。配型煤炼焦工艺可解决我国资源分布及储量与需求不

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相适应的矛盾，促进冶金工业的发展。

配型煤炼焦技术的研究始于20世纪50年代末60年代初期，70年代初期在日本新日铁公司首次工业化生产，现发展为两种工艺：新日铁配型煤炼焦工艺和住友金属配型煤炼焦工艺。宝山钢铁总厂于70年代末引进了新日铁配型煤炼焦新工艺；鞍山热能院利用其2～5t/小时半工业成型试验装置，先后与几家钢铁企业合作进行了配型煤炼焦试验；淮阴冶金公司

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焦化厂也进行了配型煤炼焦试验。

20世纪80年代以来，尤其是经过“六五”、“七五”、“八五”、“九五”四个“五年计划”的连续攻关，分别在气化型煤和锅炉型煤方面取得了一系列重大进展。1995年以来，又研制出了一系列高强、防水、免烘干、适合长距离运输的气化和锅炉型煤，使我国的型煤技术达到了一个新水平。

当然，由于工业型煤的一些问题如：型煤着火困难、燃烬率低、火焰不稳定等没有很好的解决，工业型煤的开发与应用远不及民用型煤。工业型煤年产量约22Mt，其技术还有一些不足，特别是粘结剂的开发还很薄弱[3]。

(5) 生物质型煤

生物质型煤是指把高挥发分、低灰、低硫、低燃点的生物质原料按一定比例与低挥发分、低灰、低硫、高燃点、高热值的无烟煤或烟煤煤粉混合后，通过一定工艺制备成的型煤。它结合了生物质和煤的特点，发挥了型煤的优势，并具有环保性和经济性。该型煤以不同的成型粒度分别适合于作中小型层燃锅炉或流化床燃烧用的燃料。与一般固硫型煤相比，具有着火点低、燃烧彻底、燃尽率高、烟气中烟尘、SO2更少等特点，同时由于加入大量生物质，是开发资源丰富的可再生能源(生物质能源)的有效途径，具有广阔的发展空间，而且，它符

合当前我国降低SO2排放和减少烟尘污染的环保产业政策，是值得推广的原煤替代产品[4]。

生物质型煤大体上可以分为三类：

① 生物质制浆后的黑液，如纸浆废液作为成型粘结添加剂；

② 生物质水解产物，如水解木质素、纤维素、半纤维素及碳氢化合物等作为成型粘结添加剂；

③ 生物质直接和煤粉混合，利用受热或高压压制成型。

日本在面临石油危机的境况下开发了生物质型煤技术，于1985年即在北海道建成了一座年产6000t生物质型煤的工厂，日本还试验生产了生物质型煤的小型燃烧装置和专用燃烧设备。中国曾利用植物纤维和碱法草浆原生黑液、腐植酸钠渣等作复合粘结剂，以及用氢氧化钠处理稻草制备的粘结剂生产型煤，并于1995年底建成第一家工业规模的生物质型煤生产厂：大型洁净煤厂(原山东临沂矿务局汤庄煤矿生物质型煤示范厂)。德国、土耳其等国研究用糖浆作粘结剂，同时掺锯末和造纸厂废纸生产型煤。俄罗斯、乌克兰、美国、英国、匈牙利等国用生物质水解产物作为粘结剂生产型煤。美国、瑞典等国还用脱水泥炭和磨细的生

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物质混合、挤压、切割成型生产型煤。

(二) 国外发展概况

国外型煤发展已有半个多世纪的历史。生产量较大，技术较成熟的国家有英国、法国、德国、日本等。国外壁炉用型煤较多，生产能力最大能达到50万t/年。国外型煤生产工艺、粘结剂配方、型煤机械设备都较先进，技术成熟，能够形成生产规模。由于国外发达国家正在寻找研究新的能源，研究其它洁净燃料和技术。目前，国外型煤业日趋萎缩。

第二节 型煤技术的理论基础

一、 原料煤的特性与粘结机理

煤是由不同的高分子化合物组成的复杂的混合物。主要由缩合芳香环构成，另外含有非芳香碳部分（氢化芳环、环烷烃、含氧官能团及N、S杂原子）和矿物质。煤的机构单元之间由桥键和交联键形成空间大分子，使煤的大分子之间存在着一定的空隙。

(一) 煤的主要表面特性

根据煤的组成和结构，煤有以下主要表面特性：

（1）以非极性表面为主，同时也有极性官能团和矿物质存在； （2）煤表面有一定的粗糙度和空隙； （3）润湿性差，疏水性较强；

（4）煤的成型颗粒粒度小。煤在破碎过程中，煤的表面结构被破坏，表面的原子、分

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子作用不平衡，各种键暴露出来，呈电不中性，且表面能大：

（5）煤具有可塑性、弹性和脆性。

(二) 煤成型机理

根据成型过程中发生的现象，以及褐煤本身的性质和结构，提出了各种学说来解释褐煤成型的原因。其中具有代表性的有沥青质学说、毛细管学说、腐植酸学说以及胶体学说等。这些学说的共同点就是都认为在年青褐煤中有大量的“自身粘结剂”物质存在，所不同的只是对这些“自身粘结剂”的说法不一致而己。

沥青质学说认为褐煤中的沥青质是褐煤颗粒发生粘结的主要物质；毛细管学说强调褐煤中存在着大量的毛细管，在这些毛细管中有大量的毛细水，褐煤颗粒在外力作用下，或因毛细管破裂、或因受压挤出，将毛细水排出来，覆盖于煤粒表面，形成薄膜水，褐煤颗粒之所以发生粘结，就是因为这些薄膜水在起作用；腐植酸学说认为褐煤中的腐植酸是粘结的主要物质；胶体学说的看法是褐煤本身就是胶体物质，胶体物质本身就具有粘结力，因此起粘结

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作用的是褐煤胶体本身。

二、粉煤成型过程分析

粉煤成型过程一般分为如下几个步骤：

装料→加压→成型→压溃→反弹

当然，在实际生产型煤的过程中，上述的五个阶段往往并不是截然分开的，甚至有时是几个阶段同时发生，关键是要控制成型压力P小于Pmax。

图3-1 粉煤成型过程示意图

三、影响粉煤成型的主要因素

(1) 煤料的成型特性 煤料的成型特性是影响粉煤成型过程的最为关键的内在因素，尤其是煤料的弹性与塑性的影响更为突出。煤料的塑性越高，其粉煤的成型特性就越好。[7]

(2) 原料煤的性质（煤化度、物料粘结性、物料水分、） 水分适当可以提高型煤的机械强度，但是水分过多，会使型煤干燥时产生裂纹，使型煤破碎，同时，过多的水分还会降低粘结剂的效果；煤化度越低，生产出的型煤的强度越高；原料煤的粘结性过强，则容易在热压成型过程中因粘结堵塞而使型煤生产无法连续进行，如果原料煤的粘结性太弱，则在加热过程中产生的胶质体太少，也使粉媒无法压制成型。

(3) 物料粒度及粒度组成 较小的煤料粒度一般有助于煤粒间的紧密接触，从而提高型煤的强度，但是，粒度过细，会增加煤料破碎的动力消耗和成型时的粘结剂用量，经济上不合理，将煤料粒度控制在小于3mm，且小于3mm部分占70％～90％是比较适宜的。

(4) 成型条件（成型压力、成型温度、成型模具） 采用粘结剂成型时，压力一般选为1961～3432N/cm2，采用热压成型时，压力一般为4940 N/cm2，而年轻褐煤无粘结剂高压成型时，成型压大较高，一般为9807～19614N/cm2；成型温度的选取随成型方法和粘结剂的不同而变化；要想使型煤产品合格，那么对辊成型机的上下球碗闭合后应不产生错模。

(5) 粘结剂种类与用量 从粘结剂固结后的情况看，增加粘结剂用量有利于提高型煤强度；而从成型过程看，增加粘结剂用量不利于提高成型压力和提高型煤强度；再从成型脱

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